立体分析一下医用气体管道系统的管材

发表时间:2019-08-06 10:42

医用气体管道系统是医疗设施硬件中的重要组成部分之一,符合卫生学要求的优质管材是医院进行抢救、治疗和检测的有效保证。铜管和不锈钢管作为优质管材代表,在医用气体工程中应用广泛、技术成熟可靠。本文着重立体分析铜管与不锈钢管的管材标准、机械性能、耐腐蚀性、焊接工艺


(一)医用气体管道特性


医用气体用于治疗、诊断,或用于驱动外科手术工具,因其直接作用于人体,对气体组分、压力、以及洁净度有严格的要求。医用气体从气源至终端的输送过程中,为避免因泄漏、污染等因素引起医用气体品质的变化,医用气体管道应具有良好的洁净度、耐腐蚀性和密闭性。   

医用气体管道多属压力管道安全技术监察范围,要求安全可靠,除了承受一定压力外,还具有系统多、分支管多、介质种类多(如医用氧气、医用压缩空气、医用真空、氧化亚氮、二氧化碳、氮气、麻醉废气、各种混合气等)、介质特性复杂(如助燃性、麻醉性、窒息性、带病菌等)、管材品种多等特点。医用气体管道因输送的安全性和卫生性要求,以及其输送介质的特殊性和重要性,使其有别于民用建筑中常见的公用管道。   

医用气体及其管道的这些特性,具有一定的危险性,出现问题的几率多,一旦发生事故,不仅对患者的治疗和手术的安全性带来严重威胁,而且会对他人造成伤害。因此选用安全优质的管材、合理的施工连接方式,可以提高医用气体系统的安全性和稳定性,降低事故出现的几率。



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(二)管材标准


随着科学技术的发展和专业化市场的需求,国内医用气体管材标准也在不断发展进步。2008年5月开始实施的有色金属行业标准YS/T650《医用气体和真空用无缝铜管》规定了针对医用气体系统专用铜管材的技术要求,采用牌号为TP2、TU1的铜管,即磷脱氧铜管和无氧铜管,在该标准颁布实施以前,医用气体系统铜管标准主要采用GB/T18033《无缝铜水管和铜气管》。YS/T650标准与GB/T18033标准的主要区别为化学成分、性能指标,以及尺寸公差等方面。YS/T650标准的制定参考了欧洲标准BS EN 13348《铜及铜合金-医疗气体或真空用无缝圆铜管》,其技术指标均不低于BS EN 13348。相比GB/T18033标准,YS/T650标准不仅技术指标高,还对管道内表面质量指标碳含量和表面润滑剂残留量作出了严格规定。  

目前,国内尚未有针对医用气体使用的不锈钢管材专用标准,不锈钢管标准主要采用GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》标准,常用牌号以0Cr18Ni9为主,也称304不锈钢。GB/T14976标准对管材的清洁度无要求,根据《医用气体工程技术规范》征求意见稿,不锈钢管的清洁度也应达到内表面碳残留量不超过20mg/m2,且无毒性残留,以符合医用气体管道卫生学的要求。


根据YS/T650和GB/T14976标准医用气体工程中常用管材规格
外径X壁厚
公称直径铜管不锈钢管
DN10
Φ12x0.8Φ14x2.0
DN15Φ15x1.0Φ22x2.0
DN20Φ22x1.2
Φ25x2.0
DN25
Φ28x1.2
Φ32x2.5
DN32
Φ35x1.5
Φ38x2.5
DN40
Φ42x1.5
Φ45x2.5
DN50
Φ54x2.0
Φ57x3.0
DN65
Φ67x2.0
Φ76x3.0
DN80
Φ89x2.0
Φ89x3.0
DN100
Φ108x2.5
Φ108x3.5
DN125
Φ133x2.5
Φ133x3.5
DN150Φ159x3.5Φ159x4


(三)机械性能

管材的机械性能决定了其加工性能和施工安装方式,铜管与不锈钢管的力学性能差异决定了铜管与不锈钢管的不同机械性能,对管道的施工安装影响也不一样,TP2、TU1铜管与0Cr18Ni9不锈钢管的力学性能对比,见下表。


管材状态抗拉强度不小于,Mpa伸长率不小于,%维氏硬度
TP2 TU1软(M)2204040-70
半硬(Y2)2502575-100

硬(Y)

290——≥100
OCr18Ni9——52035≤200


由上表可知,不锈钢管的机械性能要优于铜管,其抗拉强度、硬度均远高于铜管,能承受较强的内、外部荷载,施工时管道表面质量易于保护,管道支架间距大,管道稳定性好,当管道公称直径大于DN40时,管道支架间距优势明显。相比不锈钢管,铜管则容易产生夹伤、锤痕、凹坑等机械损伤,管道易弯曲、变形,施工时应注意保护管道,合理设置管道支撑件。

医用气体管道系统具有分支管多的显著特点,一所综合医院往往超过几千只医用气体终端,根据目前市场上气体终端的技术规格,与终端连接的医用气体支管一般不超过DN15。铜管屈服强度低,冷状态下易于弯管,小于DN20的半硬铜管弯头可采用手动弯管器现场弯制替代成品弯头,施工简单、减少焊缝、安装效率高。以上海地区某900床、建筑面积7万平方的医院为例,各种规格的医用气体管道总长度约24.2km,其中DN10管道长度约8.2km,DN15管道长度约10.8km,小于DN20的支管占整个管道系统工程量比例高达78.5%。可见,采用铜管比不锈钢管能显著减小施工难度,提高工程进度。  

医院是功能复杂的公共建筑,需配套的公共辅助设施多,走廊吊顶内除布置有医用气体管道外,还有大量的电力、通信、冷水、热水、消防、空调、通风等各种管线。受吊顶高度、管线间距、施工工具等因素制约,医用气体管道安装时,经常发生施工人员利用管材的塑性而不按施工规范强行施工。所以,在选择医用气体管材时有必要考虑管材与管件连接处的扭曲因素,铜管相比不锈钢管柔韧性好、适应性强,可以弥补施工中的不足。


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        (四)耐腐蚀性


医用气体管道工况条件稳定,实际工程中一般不对管道采取额外的防腐蚀措施,管道的耐腐蚀能力完全依赖管材自身的化学特性实现。铜管与不锈钢管是两种化学特性截然不同的管材,不同的化学成分决定引起腐蚀的工况条件的差异。TP2、TU1铜管与0Cr18Ni9不锈钢管的化学成分分别见下表。

TP2、TU1铜管中铜成分含量占99%以上,铜管的耐腐蚀性主要依赖铜本身的化学特性。铜管长期暴露在大气环境中,铜与氧气反应生成氧化亚铜(CuO),在铜管表面形成致密的保护层,保护内部的铜不再氧化。但在潮湿环境中,二氧化硫、二氧化碳、硫化氢会与氧化铜发生反应生成碱性碳酸铜(CuCO3.Cu(OH)2),俗称铜绿,铜绿的产生会加剧铜管的腐蚀。另外,由于铜对氧化剂的钝化作用较弱,水中溶解氧也是铜管腐蚀的一大因素。  

0Cr18Ni9不锈钢管中镍成分含量8~11%,铬成分含量17~19%,其耐腐蚀性主要依靠镍和铬。与铜管一样,当不锈钢管长期暴露在大气环境中,镍、铬与氧气反应生成氧化镍(NiO)、氧化铬(Cr2O3)、氧化铁铬(FeO. Cr2O3),在管道表面形成致密的氧化物膜,可有效阻止氧化反应继续深入。一旦这种氧化物膜受到破坏,管道表面将发生锈蚀,形成疏松的氧化铁,管道耐腐蚀能力将减弱。 0Cr18Ni9不锈钢是非超低碳不锈钢,其碳成分含量高于0.03%,通过固溶处理后方具备良好的耐腐蚀性能。不锈钢管焊接时,焊缝两侧被加热至400~910度,达到晶间腐蚀敏化区,这时晶间的铬和碳化合生成Cr23C6从固溶体中沉淀,在晶间产生贫铬区,容易发生晶间腐蚀。所以,不锈钢管道虽然整体耐腐蚀性能优越,但是焊接还是会使焊缝及热影响区的耐腐蚀性能大大下降,管道强度和延性明显下降,甚至发生晶粒脱落。为了防止不锈钢管焊接后出现晶间腐蚀的情况,一般需进行退火处理消除晶间腐蚀倾向,但因受施工现场条件限制却很少采用。另外选用超低碳不锈钢或含钛等稳定性化学元素的不锈钢,可以防止晶间腐蚀,但这大幅度增加了管材成本。   

医用气体管道室内一般敷设在专用管井或走廊吊顶内,外部工况条件稳定,管道外部腐蚀较轻,以内部腐蚀为主。无论铜管还是不锈钢管,其内部腐蚀程度主要由医用气体的化学特性和气体品质决定。对于正压管道,根据药典以及其他相关规范的要求,医用氧气、医用压缩空气等正压气体性质稳定,露点温度基本小于-20℃,管道内部腐蚀甚微。对于医用真空等负压管道,管内介质呈气液多相变化、组分复杂、甚至含有病毒等微生物,容易引发管道内部腐蚀。由于铜管对氧化剂的钝化作用弱于不锈钢管,其内部腐蚀程度大于后者,但是铜离子具有抑制细菌和病毒的作用,有利于吸引废气的安全排放,从卫生防疫和环保的角度考虑,医用真空管道的管材优先考虑选用铜管。


(五)焊接工艺

焊缝质量的好坏是影响管道安全运行的关键因素,根据医用气体管道特性,为保证管道良好的密闭性,管道与管道、管道与附件之间的连接均采用惰性气体保护下的焊接连接。铜管连接时,为提高焊缝连接强度和严密性,采用承插式硬钎焊连接。不锈钢管道采用氩弧焊或等离子焊,可有效消除管道氧化现象,形成清洁焊缝,并防止管道内产生氧化颗粒物。   

铜管的硬钎焊连接,钎料以铜磷钎料和低银钎料为主,焊后在焊缝区涂清漆一度,以防止焊缝区锈蚀。由表4可知,TP2、TU1铜管中磷成分含量占0.013~0.05%,氧成分含量低于0.01%,含磷有利于钎料流动,提高焊接强度,含磷成分和管道脱氧还有利于降低焊缝内氧含量,提高焊缝的耐腐蚀能力。在医用气体管道施工中,铜管焊接钎料推荐采用低银钎料,虽然钎料成本会略有提高,但是焊缝接头强度高、焊缝质量容易控制、操作便捷,生产效率高,尤其是在小口径铜管钎焊中采用低银钎料更显其合理性。

不锈钢管道的焊接方式以承插和对接式熔融焊为主,焊接工艺难度大、高空作业时不利于施工、辅助用工多、对焊工技能要求高,小口径薄壁管易焊穿,管内侧焊缝根部不易保护,会直接影响焊缝强度与管内壁耐腐蚀性。不锈钢管道焊接时,焊缝处容易产生晶间腐蚀,降低了管材的耐腐蚀性,焊后应进行退火或酸洗钝化处理。

不论铜管还是不锈钢管,都有比较成熟的焊接工艺,均可形成良好质量的焊缝,满足医用气体管道的连接要求。在焊接工艺、焊缝质量可控性、焊接效率、焊后处理等方面,铜管相比不锈钢管更具优势;在焊接变形程度、焊缝接头强度、焊接材料成本上不锈钢管则优于铜管。