乳品廠管道設計與施工要點

李瑞國，李洪亮，劉培勇，田延軍，陳文廣，黃婧

(齊魯工業大學（山東省科學院），山東省食品發酵工業研究設計院，濟南250013)

0 引 言

乳品廠輸送物料、工藝水以及清洗液的管道有嚴格的衛生要求。通過正確的管材選擇、合理的管路設計以及高質量的管道施工，并配合有效的清洗滅菌管理，能夠有效避免或降低管道內壁形成生物膜的風險。生物膜就是微生物相互粘結并附著在管道內壁的黏性物質。超過90%的微生物的生成發生在生物膜上，生物膜能提供微生物生長的營養源，利于微生物的聚集與生長[1]。生物膜表面的多糖層能保護微生物免受殺菌劑的破壞，普通的清洗、消毒難以將生物膜去除。因此，管路設計的策略就是降低形成生物膜的風險，從而進一步控制微生物、內毒素、可溶雜質、可見異物等污染因素，降低污染風險。本文將重點探討在管道的設計和施工中應遵循的具體標準和指導原則。

1 管道設計要點

1.1 材料選擇

乳品管道選用的材料應表面光潔、平整、易清洗或消毒、耐腐蝕、不與物料發生化學反應，首選是優質衛生級不銹鋼管，常用的牌號有304、316、304L、316L等。由于各個國家和地區執行不同標準的不銹鋼管，其外徑、壁厚以及配套的閥門管件有較大的尺寸差異，因此，在設計和施工中要根據具體項目類型統一選材標準，避免造成后續采購和施工困難。

304不銹鋼的碳含量小于0.08%，鉻含量18%～20%，無磁性，焊接性能良好，材料表面形成的耐腐蝕鈍化膜，即使在高溫、高壓、濕熱環境下也不會遭到破壞。304L不銹鋼的碳含量小于0.03%[2]，比304有更好的焊接性能和耐腐蝕性。316和316L不銹鋼增加了鉬元素，耐腐蝕性較304、304L更強。優質衛生級不銹鋼管是乳品管道的上佳選擇，可有效抵抗各種離子對管材造成孔狀腐蝕，降低了微生物及其他雜質附著的風險。

1.2 光潔度要求

管材表面粗糙度一般用R a（是指材料表面高度偏差的平均數）表示，單位是μm，R a值越大，表面越粗糙。乳品廠管道要求使用拋光處理過的不銹鋼管材，通常要求管材內表面Ra≤0.65μm，外表面Ra≤0.8 μm。

清洗驗證表明，在管道內預先放置105個可檢測附著顆粒，定速清洗，內表面Ra=2.4μm的管材經過30 min沖洗，表面仍留存103個以上附著顆粒，達不到可接受的清洗標準；內表面R a=0.65μm的管材經過3～4 min沖洗可將附著顆粒降低到103個以下，達到可接受的清洗標準；而內表面R a=0.42μm的管材經過4 min沖洗可將附著顆粒降低到102個以下[3]，達到更高的清洗標準。

表1 各國衛生級不銹鋼標準對照

可見，管材表面粗糙度與管道系統清洗的質量與時間有著密切的關系，R a越小，管道內微生物附著能力越差，管路清洗成本也就越低。

1.3 設計流速

管道中流體的湍流狀態對抑制微生物在管道內壁附著有比較好的效果。理想狀態下，光滑不銹鋼管道中的流體轉變為湍流狀態的雷諾數R e為2 300。在實際應用中，一般控制雷諾數R e在3 000～8 000范圍內。雷諾數Re計算公式如下：

式中：d為管道直徑，m；u為物料流速m/s；ρ為物料密度，kg/m3；μ為動力黏度，Pa·s。

圖1 流體狀態示意

針對乳品廠內輸送介質的不同，需要控制不同的最佳流速。對于乳品、工藝水系統，流速過高會引起管道腐蝕，通常以不超過3m/s為宜，對于小直徑的管道，當管內流速為1.5 m/s時，就會產生較大的壓力損失，因此，乳品及工藝水系統一般選擇流速1.5～3 m/s為宜，能達到湍流狀態，就不宜再提高流速了。對于乳品常用的板式熱交換器建議使用較低的流速，控制在1.2～1.4 m/s為宜，以避免板面遭到腐蝕。酸乳等粘性物料可降低流速到0.5～1.0 m/s。潔凈低壓壓縮空氣的流速一般控制在8～15m/s。飽和蒸汽的流速可選擇20～30m/s。

1.4 規避死角

借鑒《美國機械工程師協會生物加工設備標準》2016版（ASM E BPE 2016）對于死角的定義，是指當管路或容器使用時，能導致產品污染的區域（deadleg：an area of entrapment in a vessel or piping run that could lead tocontamination of the product.）[4]。可見，死角為微生物繁殖提供了機會并導致“生物膜”的形成，從而引起微生物等指標超標，造成產品污染。同時ASM E BPE規定“所有的物料接觸表面都應具有能被清洗介質清洗到的可能，并應該達到工藝清洗流程所確定的清洗效果”。

工程上通常采用“3D”規則來量化規避死角，其具體含義可理解為“當L/D＜3時，認為此處沒有死角”。ASM E BPE規定：L是指“流動側主管內壁到使用點閥門中心（或支路盲板）的距離”，D是指“非流動側支路管道的內徑”。當然在實際設計和施工中，L/D值越小越好，例如生物發酵行業普遍推行更為嚴格的“2D”規則。

圖2 3D規則

死角消毒和清洗驗證表明，小于“3D”死角的管道支路區域很快能達到預定的消毒溫度和要求的清洗標準。而大于“3D”的死角，即使增加流速，也很難達到可接受的清洗標準和消毒溫度。因此，死角是影響管路清洗效果的關鍵因素，避免死角的常規方法有以下幾種：

⑴在管道連接儀表和管件時，要使用短出口（符合“3D”規則）標準直角三通，并且三通向上或者水平安裝，以防止積液。

圖3 短出口直角三通的連接

在管路CIP清洗時一般選取1.5～2 m/s的經驗流速。圖3a連接方式的支路管件（儀表或閥門）a處極易積存物料，需要增加流速和清洗時間才能保障清洗效果。但當L/D＞6時，即使采用2.5 m/s的清洗流速、20 min的清洗時間，也不能將殘存物料顆粒降低到1‰以下[5]，達不到預設的清洗標準。由于清洗效果不佳，乳品中的礦物質、脂類、糖類、蛋白質極易在管路a處積存形成乳垢，產生衛生隱患。

圖3b連接方式的支路管件（儀表或閥門）b處較難積存物料，當L/D＜3時，采用2m/s的清洗流速，10～20 s即可將b處殘存物料顆粒降低到1‰以下[5]，達到可接受的清洗標準。因此，符合“3D”規則的管道連接方式在實際生產中既能保障清洗效果，還能大幅節約清洗劑、水、電等清洗能耗。

(2)在管道與設備連接時，主管路往往距離最終使用點較遠，難以控制支管長度。在這種情況下，可采用“U”型管路來解決問題。盡管這樣會增加管道投資，但能減小生產失敗的風險。

圖4 3D規則的應用

圖4 a是乳品進入儲罐、發酵罐等最終使用點的管路常用連接方式，閥門前段進料管道存在死角，較難清洗，為實現該進料管路的單獨清洗，往往需要在使用點前閥門處增加清洗回路。如改用圖4b連接方式則避免了死角，雖然增加了物料管道長度，但也相應減少了CIP回程管路，關鍵是保障了良好的清洗效果。

(3)對于小于DN 25的物料管道，采用隔膜閥與“U”型彎卡箍連接時，會造成使用點死角超過“3D”規則。如果改用手工焊接，雖然能夠滿足“3D”規則，但焊口質量非常不穩定，管道內部焊口不平整，會造成物料殘留，影響管路清洗效果。選用T型零死角閥門來連接管件或設備，能較好的解決上述問題。

圖5 T型零死角隔膜閥結構圖

⑷在管路連接方面，首選短平對接焊接接頭，其次推薦使用衛生卡箍連接，為降低死角，選用短焊接卡箍較為合適。管徑大于DN 100的管道也可采用法蘭連接，應選用高頸焊接法蘭，高頸焊接法蘭焊接后其內徑可與管子內徑一致，不會在內部產生凹槽而造成清洗困難。

以上規避死角的方法在乳品、工藝水以及清洗液管道系統中應予嚴格執行，但對于潔凈蒸汽系統、壓縮空氣系統，因其管道內部環境苛刻，不利于微生物滋生，污染風險小，可參照執行“3D”規則等規避死角的方法。

1.5 系統自排凈

管道系統的設計和安裝要求保持適當的連續坡度，以確保系統在清洗、維修時能夠完全排凈。管道上的組件、儀表也必須做到自排凈。

⑴管道的走向宜盡可能的直接和最短，較短的管路系統可設置2%的坡度，而較長的管路可以設置1%的坡度。在系統最低點安裝放凈閥或可拆卸卡箍等附件。

實際生產中，一些乳品廠的管道系統由于坡度混亂造成自排凈性能不佳，往往增加潔凈壓縮空氣系統吹掃殘余物料。然而，在實際使用中，這種方法的效果并不十分理想。當殘余物料未能充滿管道橫截面時，大部分空氣會從液面上方排掉，起不到作用。此外，使用壓縮空氣增加了生產成本，也帶來壓縮機油進入管道系統的風險。

⑵當水平管路變徑時，應采用底平型的偏心異徑管，以減少管道集氣并可使管道完全排盡，同心異徑管只能用在垂直管線上。

圖6 管道水平變徑示意

⑶隔膜閥安裝在水平管道上時，應根據其制造參數考慮一定的排空角度，便于閥門完全排空。

圖7 隔膜閥安裝角度

⑷當排放管路通入地漏或水槽時，需要與接收點保持一定的安全距離（H），一般H為25 mm，可防止反吸。

圖8 排放點的安全距離

2 管道的施工要點

2.1 施工流程

在乳品廠管道安裝過程中，需要重點管控“管口處理、軌道自動焊接、焊縫檢查、坡度控制、鈍化處理”等關鍵環節，其目的是保障管道內部光潔、平整、易清洗或消毒。具體施工管理流程見圖9。

2.2 施工準備

施工現場清掃干凈，設置潔凈預制間用于預制件的焊接使用，確保焊接氣和保護氣純度達到99.999%以上。根據管道施工圖制定合理的安裝施工方案，選擇所需的材料，計算數量，并從倉庫領料。

圖9 管道施工流程圖

2.3 管口處理

根據安裝方案切割預定長度的管道，管材固定后充氣保護，使用專用割管機切管，不加潤滑劑，端面使用管道銑平機去除毛刺。檢驗管口是否平直、正圓、干凈，符合要求后進行封堵處理。

2.4 自動焊接

管道系統（管徑DN 15～DN 100）推薦使用軌道自動焊，以確保焊縫質量穩定一致。預制件需要在潔凈預制間內焊接完成，首先調整焊機參數進行試焊，試焊合格后，記錄參數并保留焊樣。正式焊接時，先通高純氬氣，點焊連接，然后軌道自動焊，實時記錄焊縫表。焊接時要確保管口表面干燥，管材內部保護氣達到相應濃度，焊接參數要及時根據試焊參數調整。薄壁不銹鋼管可以不開坡口，通過母材自熔，實現無間隙組對焊接。預制管件焊接完成后進行管道系統現場安裝，打好支撐，注意調整好坡度，現場軌道自動焊，并做好文件記錄。

2.5 焊縫檢驗

管道焊接過程中，每道焊縫都需仔細檢查。外焊縫采用目視檢查，內焊縫采用內窺鏡檢查。具體要求為：焊口內外側平直、光潔，無劃傷、裂紋、燒穿、咬邊、未焊透、氣孔、夾渣等現象；內外表面無斑漬、氧化，焊縫顏色控制在3級以內；最大允許的錯邊量是管壁厚的10%；焊縫表面內外突出或凹陷的高度不超過管壁厚度的5%；焊縫表面寬度為管壁厚度的2～3倍。

特別是常溫奶的無菌管線和無菌灌裝機區域，應嚴格要求配置使用管道內窺鏡檢查，除了檢查焊接狀況外，還應包括后續管道內部清洗效果的內窺鏡檢查。

圖10 焊縫質量控制示意圖

2.6 鈍化處理

管道系統在壓力試驗合格后要進行鈍化處理。鈍化有助于恢復不銹鋼管道在焊接過程中因高溫、金屬熔化而破壞了的鈍化膜，有效去除污物和游離鐵離子，提高鈍化膜中鉻元素比例，增強管道抗腐蝕性。以流體循環鈍化法為例，主要包括預沖洗→清洗→鈍化→最終沖洗等幾個環節，具體參數詳見表2。管道系統鈍化檢測合格后,再經過清潔殺菌,即可交付驗收或使用。

3 小結

乳品廠管道系統在材料選擇、連接方式、密封要求、清洗消毒、施工管理以及驗收標準等方面有著嚴格的標準要求。借鑒和遵循成熟的ASM E BPE標準能夠保障設計、采購、施工等各階段的行為符合GM P要求，從而確保工程項目順利通過各國政府機構（如CFDA、FDA）的監管和認證。

表2 流體循環鈍化程序表