Matériau principal
Les exigences d'hygiène des industries pharmaceutiques et biotechnologiques sont relativement élevées, et les matériaux utilisés pour fabriquer les conteneurs de traitement et les systèmes de tuyauterie doivent avoir une excellente résistance à la corrosion et une excellente nettoyabilité pour garantir la pureté et la qualité des produits pharmaceutiques. Les matériaux doivent pouvoir résister à la température, à la pression et aux milieux agressifs dans les environnements de production ainsi que dans les procédures de désinfection et de nettoyage. De plus, le matériau doit avoir une bonne soudabilité et répondre aux exigences de l'industrie en matière de finition de surface.
L'acier inoxydable austénitique 316L (UNS S31603, EN1.4404) est le principal matériau de fabrication des équipements de traitement dans les industries pharmaceutiques et biotechnologiques. La résistance à la corrosion, la soudabilité, les propriétés d'électropolissage et la facilité de disponibilité de l'acier inoxydable 316L en font un matériau idéal pour la plupart des applications pharmaceutiques.
Bien que l'acier inoxydable 316L fonctionne bien dans de nombreux environnements de processus, les utilisateurs continuent d'améliorer les performances de l'acier inoxydable 316L en sélectionnant avec soin la composition chimique spécifique de l'acier inoxydable 316L et en améliorant les processus de production tels que la refusion sous laitier électroconducteur (ESR).
Si les conditions de traitement sont trop corrosives pour l'acier inoxydable 316L, les utilisateurs peuvent continuer à utiliser Acier inoxydable 316L, mais le coût de maintenance augmentera, ou ils peuvent passer à un acier inoxydable super austénitique à 6 % de molybdène avec une composition d'alliage plus élevée, comme AL-6XN® (UNS N08367) ou 254SMO® (UNS S31254, EN1.4547). Ces dernières années, l'industrie de la biotechnologie a reconnu les avantages de l'utilisation de l'acier inoxydable duplex 2205 (UNS S32205, EN1.4462) pour les équipements de fabrication.
Figure 1 Conteneurs R&D pour l'industrie pharmaceutique en Plaque en acier inoxydable 2205 duplex d'une épaisseur de 10 et d'une plaque en acier inoxydable duplex 2205 d'une épaisseur de 4.8 mm. Les surfaces en contact avec le produit sont électropolies selon une finition ASMEBPE – SF4. @Genentech
2205 Duplex en acier inoxydable
La structure métallographique de l'acier inoxydable 316L comprend une phase austénite et une très petite quantité de phase ferrite, et la phase austénite est stabilisée en ajoutant une quantité suffisante de nickel à l'alliage.
La teneur en nickel de l'acier inoxydable 316L corroyé est généralement de 10 à 11 %. La composition chimique de l'acier inoxydable duplex a été ajustée pour que la microstructure formée contienne à peu près la même quantité de phases de ferrite et d'austénite (Figure 2). microtissu. L'acier inoxydable duplex 2205 est formé en réduisant la teneur en nickel à environ 5 % et en ajustant l'ajout de manganèse et d'azote pour former environ 40 à 50 % de ferrite.
La composition chimique de l'acier inoxydable duplex 2205 est équilibrée, et la phase austénite et la phase ferrite ont une résistance à la corrosion élevée ou égale.
Figure 2 (A) Microstructure de l'acier inoxydable 316L forgé montrant des grains d'austénite et des bandes de ferrite parfois visibles (B) Microstructure de l'acier inoxydable duplex 2205 forgé montrant de l'austénite (phase claire) À peu près égale en quantité à la ferrite (teinte foncée).
La teneur accrue en azote de l'acier inoxydable duplex 2205 et sa microstructure à grains fins lui confèrent une résistance supérieure à celle des aciers inoxydables austénitiques courants tels que le 304L et le 316L. Dans des conditions de recuit de mise en solution, la limite d'élasticité de l'acier inoxydable duplex 2205 est environ le double de celle de l'acier inoxydable 316L.
En raison de sa haute résistance, la contrainte admissible de l'acier inoxydable duplex 2205 peut être beaucoup plus élevée, selon le code de conception utilisé pour la fabrication des équipements de traitement. Dans de nombreuses applications, l'épaisseur de paroi peut être réduite, ce qui entraîne des économies de poids et des économies de coûts.
Tableau 1 Comparaison de la composition chimique des aciers inoxydables 316L et 2205 selon les exigences ASTM A 240
| Alliage | No. UNS | C | Mn | P | S | Si | Cr | Ni | Mo | N |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 316L | S31603 | 0.03 | 2.00 | 0.045 | 0.030 | 0.75 | 16.0-18.0 | 10.0-14.0 | 2.0-3.0 | 0.10 |
| 2205 | S32205 | 0.03 | 2.00 | 0.030 | 0.020 | 1.00 | 22.0-23.0 | 4.5-6.5 | 3.0-3.5 | 0.14-0.20 |
- Max sauf indication contraire
Tableau 2 Comparaison des propriétés mécaniques de l'acier inoxydable bi-nuance 316/316L et 2205 duplex recuit (selon ASTM A240*)
| Alliage | No. UNS | Résistance à la traction | Résistance au rendement | Élongation | Dureté, Max | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ksi | MPa | Ksi | MPa | Brinell | Rockwell | |||
| 316L | S31603 | 75 | 515 | 30 | 205 | 40% | 217 | 95 HRg |
| 2205 | S32205 | 95 | 655 | 65 | 450 | 25% | 293 | 31HRc |
- Sauf indication contraire, tous sont au minimum 3
- La valeur minimale de la peau résistante de l'acier inoxydable bi-grade 316/316L ; l'exigence minimale de vol de l'acier inoxydable 316L monograde est inférieure
CPropriétés corrosives
Résistance aux piqûres
La forme de corrosion la plus courante sur l'acier inoxydable dans les applications pharmaceutiques et biotechnologiques est la corrosion par piqûres dans les environnements contenant des chlorures. La teneur plus élevée en chrome, molybdène et azote de l'acier inoxydable duplex 2205 permet d'obtenir une résistance aux piqûres et à la corrosion caverneuse bien meilleure que l'acier inoxydable 316L. La résistance relative à la piqûre de l'acier inoxydable peut être déterminée en mesurant la température requise pour que la piqûre se produise (température critique de piqûre) dans une solution d'essai standard de chlorure ferrique à 6 %.
Comme le montre la figure 3, la température critique de piqûres (CPT) de l'acier inoxydable duplex 2205 se situe entre l'acier inoxydable 316L et l'acier inoxydable super austénitique à 6 % de molybdène. Il convient de noter que les données CPT mesurées dans une solution de chlorure ferrique peuvent être utilisées pour comparer la résistance à la corrosion par piqûres d'ions chlorure des matériaux, mais elles ne doivent pas être utilisées pour prédire la température critique de piqûre des matériaux dans d'autres environnements de chlorure..
Fig.3 Comparaison de la température critique de piqûres mesurée dans une solution d'essai de FeCl6 à 3 %
Fissuration par corrosion
Lorsque la température est supérieure à 60°C, sous l'action conjointe de la contrainte de traction et des ions chlorure, l'inox 316L est sujet aux fissures. Cette forme catastrophique de corrosion est appelée fissuration par corrosion sous contrainte chlorée (SCC). Cette corrosion doit être prise en compte lors de la sélection des matériaux pour les conditions de fluide de procédé chaud. L'utilisation d'acier inoxydable 316 en présence d'ions chlorure et à des températures de 60 °C ou plus doit être évitée. Comme le montre la figure 4, l'acier inoxydable duplex 2205 est résistant au SCC dans des solutions salines simples jusqu'à une température d'au moins 120 °C.
Fig.4 Comparaison de la valeur critique de la fissuration par corrosion sous contrainte des ions chlorure entre l'acier inoxydable 316L et l'acier inoxydable 2205 duplex
Rouille rouge
L'acier inoxydable exposé à de l'eau très pure peut développer de fines taches ou des dépôts de rouille sur la surface, connus sous le nom de rouille rouge (Figure 5). Cette rouille est principalement composée de particules d'oxyde ou d'hydroxyde de fer et peut se présenter sous une variété de couleurs, notamment des nuances de rouge, de jaune doré, de bleu, de gris et de brun foncé. La cause de la formation de rouille rouge n'est pas connue, mais des qualités d'acier inoxydable et des traitements de surface spécifiques peuvent affecter la formation de rouille rouge.
Figure 5. Rouille rouge jaune doré (A) et gris noir (B) sur la paroi intérieure du tuyau en acier inoxydable coupé
Dans les industries pharmaceutiques et biotechnologiques, les systèmes d'eau pour injection (WFI) sont exposés à de la vapeur propre et à des environnements d'eau de haute pureté où la rouille rouge est courante. Les composants tels que les unités de distillation, les réservoirs de stockage, les cuves de traitement, les pompes, les vannes et la tuyauterie peuvent être affectés.
En raison du potentiel de contamination des produits, les surfaces de matériaux fortement rouillées nécessitent des opérations de nettoyage coûteuses et longues. Par conséquent, il est nécessaire d'exiger que les matériaux candidats utilisés dans les produits pharmaceutiques et la biotechnologie aient au moins la même résistance à la rouille rouge que l'acier inoxydable 316L.
Une investigation systématique du phénomène de rouille rouge a été menée sur des matériaux dont l'inox 316L et l'inox 2205 duplex. Selon cette étude, l'inox 2205 est au moins aussi résistant à la rouille rouge que l'inox 316L.