Введение к работе
Актуальность темы. Проблема выбора конструкционных материалов для оборудования химико-фармацевтических производств ранее не привлекала особого внимания, так как считалось, что реакционные среды, условия проведения технологических процессов и эксплуатации оборудования в основном аналогичны существующим в химической промышленности. Поэтому и выбор коррозионно-стойких материалов для оборудования химико-фармацевтических производств осуществляли по аналогии, т.е. на заключительной стадии конструкторской разработки, после определения технологических параметров проведения процесса.
Между тем вследствие ряда специфических особенностей синтеза лекарственных средств такой подход оказался неверным, и потери которые понесла отрасль, как из-за ухудшения качества лекарственных средств и снижения их выпуска, так и затрат на ремонт и замену оборудования по причине коррозии, подтвердили это.
Главная из особенностей фармсинтеза - высокие требования к чистоте готовых лекарственных форм от металлических примесей. Примеси, вполне допустимые в конечных продуктах химической промышленности, совершенно недопустимы в лекарственных средствах. Имея высокую химическую активность и попадая в организм человека, эти примеси способны вступать в различные реакции и, образуя продукты деструкции с высоким порогом токсичности, наносят огромный вред его здоровью.
Другая особенность химико-фармацевтических производств заключается в сравнительно небольшом объеме выпуска большей части лекарственных средств. Вследствие этого, а также сравнительно быстрого обновления номенклатуры лекарственных средств, в промышленности широко распространились совмещенные технологические схемы производства, позволяющие быстро переходить с выпуска одного препарата к другому на той же аппаратуре. При этом состав сред, используемых в синтезе, очистке и выделении лекарственных средств, и условия проведения процесса могут существенно различаться.
Разнообразие габаритов реакционного оборудования, используемого на различных стадиях получения лекал;і^''Ш^Р&ЗЧй^ічрІ 0>1 до
09 *»«м»
100 м3), как и ведение технологических процессов в условиях резких температурных перепадов, ограничивают использование эмалированного и стеклянного оборудования. По этим и ряду других причин, основным конструкционным материалом в химико-фармацевтической промышленности оказались нержавеющие стали, но и они во многих случаях подвержены коррозионному разрушению.
Наиболее распространена питтинговая коррозия химико-фармацевтического оборудования. Это обусловлено составом преобладающего большинства реакционных сред, содержащих хлориды, бромиды и другие галиды. Кроме того, в производстве лекарственных средств широко распространены технологические операции перемешивания, процессы выделения и поглощения тепла, далеко не однозначно влияющие на коррозионное состояние оборудования.
Между тем, выбор конструкционных материалов и способов защиты от коррозии при аппаратурном оформлении соответствующих процессов, как правило, проводится без учета этих особенностей. Это обусловлено и недостатком данных о питтингостойкости сталей в сложных средах производства лекарственных средств, и недостатком инженерных методик ее оценки и обобщенных рекомендаций необходимых на стадиях проектирования и эксплуатации оборудования, наконец, отсутствием надежных методик исследования и прогнозирования питтиига в движущихся средах.
Назрела необходимость разработки нового подхода к выбору коррозионно-стойких материалов для оборудования химико-фармацевтических производств с использованием технологических и конструкционных мер обеспечения пассивного состояния нержавеющих сталей, неразрывно связывающих предельное снижение коррозионных потерь и повышение качества готовых лекарственных форм.
Согласно Федеральной целевой программе "Развитие медицинской промышленности" до 2008 года намечается массовое техническое перевооружение российских химико-фармацевтических предприятий в соответствие с требованиями международного стандарта качества лекарственных средств GMP серии ИСО 9000-9004. Одним из основных условий этого стандарта является недопустимость примесей металлов в го-
товых лекарственных средствах, т.е. высокие требования к коррозионной стойкости оборудования химико-фармацевтических производств. В этой связи разработка комплексного научного подхода к выбору пит-тингостойких материалов для оборудования химико-фармацевтических производств особо актуальна.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Пензенского научно-исследовательского и технологического института антибиотиков на 1984-1995 гг. в лаборатории коррозионных исследований (госзаказы №1, №326, № 465 по проблеме "Исследование коррозионной стойкости материалов, применяемых в химико-фармацевтической промышленности с целью выбора оптимальных условий эксплуатации"). Автоматизированная система технико-экономического анализа и выбора коррозионно-стойких материалов (АСТЭАК) разработана автором в Пензенской государственной технологической академии в период с 1996 по 2003 гг. согласно Межвузовской научно-технической программе "Разработка экспертных систем оценки знаний" (Гос.регистрация № 01.2.0010.80.85).
Цель работы. Создание методологических основ исследования питтин-говой коррозии в движущихся средах, выявление факторов, определяющих коррозионно-электрохимическое поведение металлов в этих условиях, повышение питтингостойкости нержавеющих сталей в движущихся хлоридсо-держащих средах путем их корректного выбора и определения оптимальных параметров ведения технологических процессов химико-фармацевтических производств, а также создание основ инженерного прогнозирования питтингостойкости нержавеющих сталей.
Методы исследования. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследований.
Теоретические исследования проводились на основе обобщенного анализа процесса питтингообразования в движущихся средах методами теории подобия и анализа размерностей, математического моделирования с использованием среды программирования MATIAB и базировались на математическом анализе, теории вероятностей, математической статистике, теории оптимизации и планирования эксперимента.
В эксперимекгалы іьіх исследоваї іиях использовались методы физические (мак-ро-микроаиализ), химические (ускоренные испытания коррозионной стойкости на модельных средах и длительные в промышленных условиях на образцах-свидетелях), физико-химические (тонко-слойная хроматография, газожидкостная хроматография, спектрофотомстрия; абсорбционная спектроскопия),электрохимические (потенцио-и гальваиостатическис испытания, импульсные измерения).
Научная новизна работы. На основе результатов исследования пит-тингостойкости нержавеющих сталей в движущихся хлоридсодержащих средах предложен, обоснован и апробирован в качестве критерия питтин-гостойкости потенциал образования солевой пленки, установлены основные закономерности влияния на него внешних и внутренних факторов коррозионной системы.
Новыми, полученными в работе, являются следующие основные научные результаты:
- разработаны методологические основы изучения питтинговой кор
розии металлов в движущихся средах;
-теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования потенциала образования солевой пленки в качестве практического критерия питтиигостойкости нержавеющих сталей;
впервые исследовано влияние состава стали и электролита, а также вынужденного движения среды и температуры на потенциал образования солевой пленки;
показано, что в качестве потенциала образования солевой пленки на практике можно использовать стандартный потенциал анодного образования соли на поверхности металла в растворе соответствующих анионов;
-теоретически и экспериментально исследовано влияние гидродинамических условий вне питтиига на интенсивность конвективного обмена между полостью питтиига и внешним раствором, на основе чего рассмотрено влияние гидродинамических условий и массообмеиа на процессы питтинговой коррозии;
- предложен метод прогнозирования питтинговой коррозии нержаве
ющих сталей в движущихся растворах хлоридов, позволяющий определять
условия пассивации питтингов и их предельные размеры.
Практическая значимость работы и реализация в промышленности.
Создана установка и разработана методика изучения питтинговой коррозии в движущихся средах, использованные и апробированные в лабораториях отрасли. Разработана и используется на предприятиях отрасли автоматизированная система технико-экономического анализа и выбора коррозионно-стойких материалов (АСТЭАК), зарегистрированная в электронной базе РОСПАТЕНТа (Свидетельство №2003620229 от 13.11.2003).
На основании комплексных исследований и выявления факторов, определяющих питтингостойкость нержавеющих сталей:
разработаны научно-обоснованные инженерные методы оценки пит-тингостойкости нержавеющих сталей, в том числе, в движущихся средах;
получены данные, позволяющие определять безопасные температур-но-гидродинамические условия эксплуатации нержавеющих сталей в нейтральных хлоридсодержащих средах;
предложен комплексный научный подход к выбору конструкционных материалов, эксплуатируемых в коррозивных средах, и комплексная оце! пса их свойств;
создано программное и информационное обеспечение автоматизированной справочно-информационнюй системы выбора коррозионно-стойких материалов (АСТЭАК).
Результаты работы практически применяются в форме рекомендаций предприятиям отрасли по снижению коррозионных потерь в действующих производствах лекарственных средств (ПО "Мосмедпрепараты", Московский эндокринный завод, Саранский завод "Биохимик", Пензенский завод "Биосинтез", Курганский комбинат "Синтез", Новосибирский завод медицинских препаратов, Красноярский завод медицинских препаратов, Киевский завод "Дарница", Каунасский эндокринный завод, ПО "Белмедпрепараты", экспериментальный завод ВНИИА), а также в промышленных регламентах на вновь разрабатываемые производства цефа-лоспориновых антибиотиков. Апробация предложенных научных и инженерных решений в промышленных условиях предприятий отрасли показала их эффективность и высокую надежность.
Достоверность результатов обеспечена комплексным использованием
известных, проверенных практикой теоретических и эмпирических методов исследования, соответствующих решаемым задачам; базированием на строго доказанных и корректно используемых выводах фундаментальных и прикладных наук; сопоставлением полученных результатов исследований с известными экспериментальными данными других исследователей по той же проблеме; представительностью информационной и статистической баз исследования; практическим использованием на предприятиях отрасли. На защиту выносится:
конструкция установки и методика изучения питтинговой коррозии металлов в движущихся средах;
оценка питтингостойкости нержавеющих сталей по потенциалу образования солевой пленки;
полученные экспериментальные данные по влиянию природы металла, состава среды и температурно -гидродинамических условий в объеме раствора на предлагаемый критерий питтингостойкости;
методика инженерной оценки и прогнозирования питтингостойкости оборудования в движущихся средах;
подход к выбору конструкционных материалов, эксплуатируемых в коррозионно-активных средах, с учетом комплекса их свойств;
автоматизированная справочно-ииформациоиная система выбора коррозионно-стойких материалов (АСТЭАК) для конструкций, эксплуатируемых в средах химико-фармацевтических производств.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на 1 Международном Конгрессе ВАКОР "Защита-92" (Москва, 1992); Международной научно-технической конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1996); Международной научно-технической конференции "Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования" (г. Иваново, 1997); Ш Международном Конгрессе ВАКОР "Защита-98" (Москва, 1998); V Международном симпозиуме "Инженерная защита окружающей среды" (Москва, 2001); X Международном форуме "Медико-экологическая реабилитация и соци-
альная защита населения" (Турция, Кемср, 2001); XI Международном симпозиуме "Мониторинг, аудит и информационное обеспечение медико-экологической безопасности" (Испания, Коста-Даурада, 2002); XV Международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Тамбов, 2002); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования "Ш- тысячелетие новый мир" (Москва, 2002); Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях ММТ-16" (Санкт-Петербург, 2003); Международной научной конференции "Динамика процессов в природе, обществе и технике" (Ростов-на Дону, 2003); Международном юбилейном симпозиуме "Актуальные проблемы науки и образования" (Пенза, 2003); Международной научной конференции "Анализ и синтез как методы научного познания" (Таганрог, 2004); Международной научной конференции "Экология: образование, наука, промышленность и здоровье" (Белгород, 2004); Всесоюзной научно-технической конференции "Комплексные методы повышения надежности и долговечности деталей" (Пенза, 1992); Всероссийских научно-технических семинарах "Экологическая безопасность России" (Пенза, 1997, 1999); 4 Всероссийской научной Internet конференции "Компьютерные технологии и моделирование в естественных науках и гуманитарной сфере" (Тамбов, 2002); 7 Всероссийской практической конференции "Техносферная безопасность" (Ростов-на Дону, 2002); Всероссийской конференции по коррозии и электрохимии - мемориала ЯМ. Колотыркина (Москва, 2003); Всероссийской нач-но-практической конференции "Окружающая среда и здоровье" (Пенза, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 печатных работ, часть из которых представлена в автореферате, получено авторское свидетельство, выпущено 6 зарегистрированных отчетов НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографии и приложений. Общий объем диссертации - 439 с, в том числе: основной текст - 347 с, 115 рисунков, 30 таблиц. Библиография 506 наименований.
