自動焊接技術(shù)的潔凈管道

文/王利東 顧湘 王丹

自動焊接技術(shù)的潔凈管道

文/王利東 顧湘 王丹

應用自動化焊接技術(shù)在乳品行業(yè)中運用的理論分析——潔凈管道系統(tǒng)作為乳制品生產(chǎn)工藝中的重要一環(huán)，是制約中國乳制品品質(zhì)提升的盲區(qū)。本文特別分析了人工焊接與自動焊接優(yōu)缺點和管路系統(tǒng)存在的風險。

國內(nèi)外乳制品行業(yè)潔凈管道情況

GMP(Good Manufacturing practice for milk products，乳制品良好生產(chǎn)規(guī)范)是乳制品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范的簡稱，是乳制品生產(chǎn)的一種先進、科學的管理方法。在GMP章節(jié)中，對潔凈管道的材料、設計等提出了要求，即“與乳制品直接接觸的設備應光滑、無凹陷或裂縫，以減少食品碎屑、污垢及有機物的聚積”、“所有生產(chǎn)設備的設計和構(gòu)造應易于清洗和消毒，并容易檢查”。潔凈管道有著各系統(tǒng)獨立、專業(yè)性強等特點，因此本文從潔凈管道材質(zhì)選擇、與乳品接觸表面要求、管路系統(tǒng)焊接要求、自排盡設計等方面進行闡述，旨在提高乳制品企業(yè)和施工單位對潔凈管道安裝及處理的重要性的認識。

盡管GMP對潔凈管道的材料和設計提出了嚴格要求，但是中國乳制品行業(yè)還是普遍存在重設備、輕管道的現(xiàn)象，潔凈管道系統(tǒng)作為乳制品生產(chǎn)工藝中的重要一環(huán)，所得到的重視程度仍然不夠，仍然是制約乳制品品質(zhì)提升的薄弱環(huán)節(jié)。與國外乳制品行業(yè)的相關標準相比，仍有很大的提升空間。

圖1 ASME BPE標準指導設計安裝的乳品工廠潔凈管道系統(tǒng)

目前國外乳制品行業(yè)廣泛應用的有美國3-A衛(wèi)生標準和歐洲衛(wèi)生工程設計組織標準（簡稱EHEDG）。同時，像美國惠氏集團堅持符合制藥標準的乳品工廠設計（如圖1所示），旗下的乳品工廠已經(jīng)把ASME BPE標準作為乳品工廠設備、管路設計安裝的指導性規(guī)范，下面也將做介紹。

美國3-A衛(wèi)生標準簡介

美國3-A標準是一項公認的重要國際衛(wèi)生標準，由美國3-A衛(wèi)生標準公司發(fā)起。美國3A衛(wèi)生標準公司是一家非贏利的合作組織, 致力于推進用于食品生產(chǎn)設備,飲料生產(chǎn)設備,乳制品設備以及醫(yī)藥工業(yè)設備的衛(wèi)生設計，其主要促進食品安全和公共安全。

3-A衛(wèi)生標準公司是由美國五個不同組織共同組織成立的,他們是∶ 美國乳制品生產(chǎn)協(xié)會(ADPI)，國際食品工業(yè)供應商聯(lián)合會(IAFIS)，國際食品衛(wèi)生保護聯(lián)合會(IAFP)，國際乳制品聯(lián)合會(IDFA)，和3-A衛(wèi)生標準標志理事會。3A的領導層包括美國食品藥品監(jiān)督局(FDA)，美國農(nóng)業(yè)部 (USDA)，和 3-A籌劃指導委員會。

圖2 3-A、EHEDG、ASME BPE衛(wèi)生認證標準標志

美國3-A衛(wèi)生標準對潔凈管道系統(tǒng)有著非常嚴格的規(guī)定，如在衛(wèi)生管件63-03標準中：

（1）第C1.1節(jié)，與乳品接觸管件應采用AISI300系不銹鋼，具有耐腐蝕，無毒，不向乳品中遷移物質(zhì)；

（2）第D1.1節(jié)，與乳品接觸面的管件不銹鋼表面粗糙度Ra值應不大于0.8um，避免死角、孔洞、縫隙等；

（3）第D2.1節(jié)，與乳品接觸不銹鋼焊接表面應采用無縫焊接，焊接面粗糙度Ra值不應大于0.8um；

（4）第D4.1節(jié)，管件與乳品接觸表面在正確安裝時應當自排盡。

歐盟EHEDG食品機械衛(wèi)生設計標準簡介

European Hygienic Engineering& Design Group歐洲衛(wèi)生工程設計組織組織（簡寫EHEDG)。EHEDG成立于1989年，是集結(jié)設備制造商、食品工業(yè)企業(yè)、大眾健康研究所的聯(lián)盟，其主要目標是為食品和包裝行業(yè)設立高潔凈標準。

EHEDG的目標是食品加工設備，應具有良好衛(wèi)生設計，且易清潔，以避免微生物污染。因此設備需要易清潔和保護產(chǎn)品避免污染的特點。

在EHEDG的《衛(wèi)生設備設計準則2004年第二版》中，對管路系統(tǒng)有如下描述：

（1）第4.1節(jié) 一般應選用具有良好抗腐蝕性的不銹鋼材質(zhì)；

（2）第4.3節(jié) 產(chǎn)品PH值在6.5-8之間，含氯化物濃度不超過50ppm以及溫度不超過25℃時，通常選用AISI304不銹鋼，或是易焊接的AISI304L低碳鋼；倘若氯化物濃度超過100ppm，操作溫度高于50℃，則須改用具有更強抗腐蝕能力的材料，以抵抗氯離子所引起的點蝕以及縫隙腐蝕，進而避免氯的殘留，如AISI316不銹鋼，而低碳鋼AISI316L有較好的焊接性能，適用于管路系統(tǒng)。

（3）第6.4節(jié) 管路系統(tǒng)內(nèi)表面必須為可自行排空及容易清潔，應避免水平表面，設計傾斜角度以避免殘余水積存。

（4）第6.6節(jié) 產(chǎn)品接觸面上，焊接處必須采用無縫焊接方式且平整和光滑，焊接過程中，接合處內(nèi)部與外部均需要利用惰性氣體保護，避免金屬因高溫而氧化。對于管路系統(tǒng)，若施工條件（如空間尺寸或工作環(huán)境）允許，建議盡可能采用自動軌道焊接，這樣能穩(wěn)定控制焊接參數(shù)與焊道品質(zhì)。

美國ASME BPE標準簡介

ASME BPE（American society of mechanical engineers，Bio Processing Equipment ）即美國機械工程師協(xié)會就規(guī)范生物加工設備和管道及其附屬元件的設計、材料、制造、檢驗和測試所制定的一項標準。

圖3 自動焊接內(nèi)外焊道效果圖

該標準于1997年首次出版，目的是為生物制藥行業(yè)產(chǎn)品所使用的生產(chǎn)設備能夠達到統(tǒng)一的標準及可接受的品質(zhì)水平。ASME BPE作為一項國際性標準，它完全符合我國GMP及美國FDA的相關法律法規(guī)規(guī)定，它是FDA借以保障生產(chǎn)的重要規(guī)范，是材料與設備制造商、供應商、工程公司及設備使用者等共同發(fā)起并制定的定期修改的一項非強制性標準。

ASME BPE標準為保證生產(chǎn)出高潔凈的產(chǎn)品，降低產(chǎn)品被污染的風險，對自動焊接技術(shù)有著具體的描述，如在最新的2016版中有以下條款：

（1）SD-4.3.1(b)當 采 用 不銹鋼管道時，一般選擇304L或316L材質(zhì)。自動軌道焊是優(yōu)先考慮的管道連接方式。在潔凈室內(nèi)，管組件選用304L或316L材質(zhì)，業(yè)主、施工和制造商需在安裝前就管道連接方式、檢驗水平、驗收標準達成一致。

（2）MJ-3.4管路焊接施工應使用軌道自動焊接，除非大小或空間不允許。在這種情況下，可以進行手工焊接，但必須經(jīng)過業(yè)主或承包商的同意。

（3）MJ-9.6.3.2自動焊后內(nèi)焊道必須用內(nèi)窺鏡至少抽樣檢查20%，在焊接檢查中出現(xiàn)任何一個不合格焊道，必須根據(jù)規(guī)范要求增加檢查直到達到可接受。

國際乳品行業(yè)標準應用情況

3-A衛(wèi)生標準誕生于上世紀20年代，是國際上第一部用于規(guī)范乳品行業(yè)設備衛(wèi)生設計的標準。發(fā)展至今，北美幾乎所有的乳制品企業(yè)及工程公司、設備制造商、代理商均有應用，在世界其他地區(qū)也普遍接受，企業(yè)可以對管道、管件、閥泵等衛(wèi)生設備申請3-A認證。3-A 會安排評估員實地進行產(chǎn)品測試和企業(yè)評估，審核通過后頒發(fā)3A衛(wèi)生證書。

歐洲EHEDG衛(wèi)生標準雖然起步較美國3-A標準晚，但是卻發(fā)展很快，其認證過程較美國3-A標準更加嚴苛，申報企業(yè)需要將認證設備送到歐洲的專門檢測實驗室做測試，例如離心泵的檢測，只有結(jié)論為該泵的自清洗能力至少不低于相連直管路的自清洗能力時，方可獲得規(guī)定年限的EHEDG認證標志的許可。

ASME BPE標準自1997年成立至今已經(jīng)近20年的歷史，幾乎所有大型生物制藥行業(yè)及工程公司、設備制造商、代理商中均有應用。在乳品行業(yè)，惠氏作為世界500強企業(yè)，旗下的乳品工廠已經(jīng)把ASME BPE標準作為乳品工廠設備、管路設計安裝的指導性規(guī)范，繼承醫(yī)藥廠的生產(chǎn)管理理念，采用自動焊接技術(shù)建設先進乳品加工生產(chǎn)線。

圖4 ASME BPE標準對管道焊縫的要求

表1人工焊接與自動焊接管道的優(yōu)缺點對比自動焊接

乳品品質(zhì) 人工操作存在諸多不穩(wěn)定因素 過程由機器控制，可有效避免人為誤差，保障乳品品質(zhì)

CIP清洗效果 CIP清洗不徹底，容易產(chǎn)生二次污染，清洗成本高 CIP清洗效果好，清洗成本低

人員 專業(yè)焊工，人力成本比自動焊高 焊工稍加培訓即可上崗，無需高薪聘用高級焊工，人力成本大大降低工作環(huán)境 工作環(huán)境差，勞動強度高 勞動條件好

效率 人工作業(yè)，效率低 自動焊接控制系統(tǒng)適合工廠批量化生產(chǎn)、效率高

加熱器設計要素 人工焊接

自動焊技術(shù)在中國應用情況

在國家日益重視食品安全的今天，乳制品的安全問題已成為重中之重，作為乳品工廠設備的供應商有責任和義務提供有助于乳品產(chǎn)品質(zhì)量保證的優(yōu)質(zhì)材料和設備。

自動焊接技術(shù)可確保焊接的一致性，沒有人為因素影響，鎢棒距離、電流、轉(zhuǎn)速等焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定。可編程參數(shù)并自動記錄焊接參數(shù)易于達到標準要求，焊接生產(chǎn)效率高。如圖3自動焊接后的管道效果圖。

盈利是每個乳品工廠企業(yè)家必須考慮的因素之一，通過成本分析研究發(fā)現(xiàn)，采用自動焊接工藝僅僅需要施工企業(yè)配備自動焊接機，但是乳品企業(yè)的綜合成本將會大大降低：

1.管路焊接人力成本降低；

2.因焊道均勻整齊，不容易形成死角，日常管路CIP清洗成本降低；

3.管路系統(tǒng)焊接安全風險大大降低，企業(yè)乳品安全風險成本隨之大大降低；

4.管路系統(tǒng)的焊接品質(zhì)可靠，乳品品質(zhì)得到保障，產(chǎn)品檢測費用和管路檢測費用隨之降低。

潔凈管道系統(tǒng)存在的安全風險分析

乳制品工廠潔凈管道系統(tǒng)常見的安全風險有很多，比如管道內(nèi)焊縫以及周圍氧化過度，焊縫滲透過大或不均勻，焊接收尾處有孔穴等，這些問題將導致乳品生產(chǎn)過程中，潔凈管道系統(tǒng)焊接部分不容易清洗干凈，或者微生物滋生，甚至一些致病型細菌污染（如阪崎腸桿菌、金黃色葡萄球菌等）。2000年，日本雪印乳業(yè)的乳品（主要是低脂乳）造成集體食物中毒，此事件中認定食物中毒的人數(shù)有1萬多人，是二次大戰(zhàn)后日本最大的集體食物中毒事件，最終使占日本牛奶市場總量14%的大型乳品企業(yè)瞬間破產(chǎn)倒閉，日本因此決心修改“食品衛(wèi)生法”，最終調(diào)查原因疑是雪印公司的大阪工廠牛奶生產(chǎn)線管道內(nèi)部有污染。接下來就人工焊接管路系統(tǒng)焊縫的幾種安全風險進行分析：

焊縫滲透的風險

常見的有：焊接后，焊接處的焊縫沒有焊接完全；焊接部分凸起或凹陷，焊縫錯位等。在ASME BPE標準中，對潔凈管道焊縫有明確要求，如圖4所示。

管件品質(zhì)差異的風險

管件或管道品質(zhì)對焊縫影響很大，其來源主要有管道管件的真圓度不足、壁厚不均。在焊接時，真圓度不足或者壁厚不均，都會導致管道內(nèi)壁焊縫處出現(xiàn)臺階。如圖5所示。

對中國乳品行業(yè)潔凈管道標準提高的一些期望

隨著科學技術(shù)的不斷進步，管道焊接技術(shù)也在向著自動化、智能化方向不斷發(fā)展。目前在西方等焊接技術(shù)發(fā)展較早的國家，全年只有15%～20%的焊接鋼用于傳統(tǒng)手工焊，其余鋼材全部采用自動和半自動焊。與發(fā)達國家相比，我國自動化焊接水平仍然很低。

通過前文介紹，自動化焊接在乳品行業(yè)的應用相較其它行業(yè)更迫在眉睫：對施工企業(yè)，自動焊勞動強度低、焊材利用率高、生產(chǎn)效率高、對焊工技術(shù)要求低、人力成本低；對乳品企業(yè)，自動焊焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，乳品品質(zhì)得到保證，管道安全風險降低，CIP清洗效果好，清洗成本低。

值得一提的是，食品行業(yè)標準已經(jīng)出現(xiàn)了這方面的變化，比如在《QB/T4848-2015食品工業(yè)用不銹鋼管道安裝及驗收規(guī)范》中，建議針對管道焊接時，如位置許可應優(yōu)先采用自動焊接設備焊接。

而許多走在前面的中國乳品企業(yè)，其生產(chǎn)管理也逐漸開始向國際標準靠攏，目前我國的伊利乳業(yè)、蒙牛乳業(yè)和上海的光明乳業(yè)已經(jīng)開始在新工廠的建設中使用自動焊接手段，相信5年內(nèi)，中國乳制品工廠的潔凈管道系統(tǒng)將會全面與國際標準與規(guī)范接軌。在管道、設備的焊接方面也必將向著醫(yī)藥工廠使用的自動焊接方面發(fā)展。

圖5 管道管件真圓度和壁厚自動焊接示意圖

本文作者王利東，顧湘系昆山新萊潔凈應用材料股份有限公司職員，王丹系國家乳業(yè)工程技術(shù)研究中心職員。