張振遠

脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂原因分析

張振遠

（北京市門頭溝區(qū)特種設備檢測所 北京 102300）

脈動真空滅菌器廣泛用于醫(yī)療、衛(wèi)生、生物、食品、制藥等行業(yè)，但其使用壽命較短一直是困擾此行業(yè)的一大難題。本文解剖了一臺使用3年后開裂泄漏的滅菌器，發(fā)現(xiàn)開裂部位存在典型的應力腐蝕裂紋，而不是疲勞斷裂裂紋，本文還分析了產(chǎn)生應力腐蝕的原因，供業(yè)內(nèi)相關人士參考。

脈動真空滅菌器 內(nèi)腔開裂 應力腐蝕

醫(yī)療、制藥、生物制品、實驗動物和食品等行業(yè)有各種各樣的消毒、滅菌方式，蒸汽高溫滅菌是由水煮滅菌發(fā)展而來、目前最好的無毒無害化處理方式，各種物品在121℃～132℃高溫水蒸汽下經(jīng)過一定時間的透入和保持，可以殺滅各種細菌，滅菌徹底，且不會有消毒液的污染。手術器械、醫(yī)療包裹、醫(yī)療和藥品器皿、實驗動物鋪墊物和食品等都采用這種滅菌方式。滅菌器一般為方形夾層結構，內(nèi)腔為主要空間，用于放置被滅菌物品。夾層空間寬度為50mm左右，通入蒸汽加熱內(nèi)腔。兩端封閉，形成密封空間。一般一端安裝可以開關的快開門，物品從門處放入取出，根據(jù)不同要求，有時兩端設置成快開門。為了加強內(nèi)外腔的剛度，改善受力狀況，內(nèi)外腔之間設有拉撐?？扉_門有旋轉式、氣動（液壓）平移式和旋轉平移組合式，不論哪種方式，都要求安裝安全聯(lián)鎖和報警裝置，即門未關閉到位時，內(nèi)腔不能通入蒸汽，內(nèi)腔壓力未完全釋放時，門無法打開。脈動真空滅菌器工作時夾套一直通有0.22MPa左右的水蒸汽加熱內(nèi)腔，內(nèi)腔則經(jīng)歷多次抽取真空、加熱、滅菌、干燥等工作過程，因此內(nèi)腔承受一定的脈動循環(huán)載荷。

自2001年1月至2016年12月，筆者單位共檢驗方形脈動真空滅菌器192臺，其中國內(nèi)產(chǎn)品127臺、日本產(chǎn)品43臺、美國產(chǎn)品5臺、歐洲產(chǎn)品17臺，歐美產(chǎn)品一般用于醫(yī)院供應室，使用壽命全部超過10年，國內(nèi)產(chǎn)品使用壽命普遍低于8年，國內(nèi)和日本產(chǎn)品使用壽命統(tǒng)計見表1。

表1 國產(chǎn)與日本產(chǎn)脈動真空滅菌器使用壽命統(tǒng)計表

由于此種設備配備有復雜的控制系統(tǒng)，售價普遍遠高于普通壓力容器，設備的短壽命極大提高了滅菌器的成本，是困擾行業(yè)的一大難題。

1 實驗滅菌器概況

筆者從眾多開裂的滅菌器中挑選了一臺，進行解剖分析。此臺滅菌器2000年由北京某公司依據(jù)GB 150—1998制造，設計壓力-0.1～0.17M Pa，設計溫度129℃；內(nèi)腔采用4mm厚的日本標準SUS304不銹鋼，寬550mm、高640mm、長980mm；有5圈40×40碳鋼角鋼拉撐，雙面間斷焊接；內(nèi)部貨物支架為碳鋼，夾套采用6mm厚Q235B材料。滅菌器用于某藥業(yè)化驗室，為藥劑滅菌，使用頻次較低，2006年由于漏點太多而停止使用，服役期間總使用次數(shù)約為650次。

滅菌器內(nèi)部沒有不銹鋼光澤，存在大面積表面腐蝕，主要是碳鋼支架污染造成的。向夾套內(nèi)注水，在沒有壓力的情況下發(fā)現(xiàn)大量泄漏點，如圖1中粉筆畫圈處所示。泄漏點全部集中在拉撐筋板角焊縫、前門框、后封頭角焊縫等明顯應力集中部位。裂紋方向與拉撐筋板角焊縫方向垂直，見圖2。

圖1 滅菌器泄漏點

圖2 裂紋方向

2 理化分析

2.1 材質(zhì)分析

對滅菌器內(nèi)腔前數(shù)第2塊板正中部切割后打磨拋光，用ARCMET8000光譜儀做元素分析，除P含量稍微偏高外，其他元素成分完全符合制造廠提供材質(zhì)單JIS G4303—1999中SUS304化學成分要求，詳見表2。

表2 滅菌器主體材質(zhì)化學成分

2.2 金相分析

對沒有開裂部位做金相分析，材質(zhì)為典型的奧氏體成分，并有孿晶，晶粒約為4～5級。見圖3。對開裂部位做金相分析，裂紋擴展是穿過晶粒的，為典型的不銹鋼應力腐蝕裂紋特征，見圖4。

2.3 斷口分析

用掃描電鏡對裂紋斷口掃描，圖片顯示斷面主要呈現(xiàn)解理斷口，顯示脆性開裂特征。在局部解理臺階部位有一定量的韌窩存在，顯示出該材質(zhì)本身應具有較好的韌性，并有殘存腐蝕產(chǎn)物，見圖5。

圖3 完好部位母材金相圖像

圖4 裂紋部位金相圖像

圖5 裂紋斷口形貌

用X射線熒光光譜儀對斷口的腐蝕產(chǎn)物分析成分，發(fā)現(xiàn)斷口存在0.42%的氯和0.67%的硫，說明滅菌器工作環(huán)境較嚴苛，存在奧氏體不銹鋼氯離子應力腐蝕的可能性。腐蝕產(chǎn)物分析結果見表3和圖6。

表3 裂紋腐蝕產(chǎn)物成分分析結果

圖6 裂紋腐蝕產(chǎn)物光譜分析結果

3 滅菌器內(nèi)腔開裂原因分析

根據(jù)裂紋發(fā)生部位、形貌以及裂紋面腐蝕產(chǎn)物分析，可初步判定滅菌器內(nèi)腔萌生裂紋是典型的應力腐蝕開裂導致，而不是疲勞裂紋萌生。形成應力腐蝕開裂的前提條件是拉應力和特定的材料-腐蝕環(huán)境組合[1]。以下從應力、腐蝕環(huán)境兩方面要素入手，對開裂原因進行深入分析。

3.1 應力要素

滅菌器的工作壓力很低，Mises工作應力一般不超過80MPa，但是殘余應力一般在200MPa以上[2]。尤其是拉撐筋板與內(nèi)腔殼體角焊縫，由于焊縫較長且殼體材質(zhì)與筋板材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)差異較大，容易在沿焊縫方向上，在焊縫背面（腔體內(nèi)壁面）因變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生較大的焊接殘余拉應力。因此，在腔體內(nèi)表面與主應力垂直方向上（即與焊縫垂直方向）發(fā)生開裂。

拉筋局部結構不連續(xù)導致的應力集中以及滅菌器間歇操作的疲勞波動載荷對裂紋的萌生和擴展也有一定的影響。滅菌器服役期間僅經(jīng)歷650次循環(huán)操作，如疲勞損傷因素占主導地位，則應屬于低周疲勞范疇，但滅菌器載荷較低，且斷口無明顯塑性變形，故可排除低周疲勞損傷模式，因此疲勞不是滅菌器內(nèi)腔內(nèi)表面開裂的主控失效模式。

3.2 環(huán)境要素

滅菌器中的飽和水蒸汽應該是比較純凈的，氯離子含量很低，裂紋面上大量的氯離子來自何方？一方面是被滅菌物品帶來的，另外滅菌器內(nèi)表面在工作過程中重復有水蒸汽凝結、干燥而濃縮也是重要原因。

4 滅菌器內(nèi)腔內(nèi)表面開裂的預防措施

根據(jù)以上分析，預防滅菌器內(nèi)腔內(nèi)表面發(fā)生開裂，主要應從以下兩方面入手。

首先在使用上要注意保持內(nèi)腔內(nèi)表面的清潔，避免鐵素體及氯離子對奧氏體不銹鋼材質(zhì)的破壞。使用單位應做好碳鋼內(nèi)件和奧氏體不銹鋼內(nèi)腔的隔離，盡量避免碳鋼與奧氏體鋼直接接觸，嚴格控制蒸汽系統(tǒng)的清潔度，每次使用后用純凈水或蒸餾水沖洗滅菌器內(nèi)腔內(nèi)表面并做好干燥工作。

其次在設計制造階段應重視對焊接殘余應力的控制?？赏ㄟ^結構的設計優(yōu)化及制造裝配、焊接工藝的優(yōu)化減少焊接對結構的熱影響。在無法進行焊后熱處理的條件下，可考慮通過振動、過載拉伸等方法降低焊接殘余應力。通過查詢國外滅菌器制造質(zhì)量證明書可知，國外制造的滅菌器水壓試驗壓力遠高于國內(nèi)產(chǎn)品，過載拉伸法也許是達到目的的最好方法[3-5]，但是需要經(jīng)過設計制造單位大量的工藝試驗和標準規(guī)范的特殊許可。

另外，目前各矩形滅菌器設計制造單位采用的標準或為GB 150—2011《壓力容器》，或為YY/T 0084.2—20 09《矩形壓力蒸汽滅菌器主要受壓元件強度計算及其有關規(guī)定》，但上述2項標準在結構、載荷以及失效模式方面與矩形截面蒸汽滅菌器的實際情況并不完全相符。這就需要相關技術機構和政府部門給予重視，針對滅菌器的服役條件和失效行為進一步完善產(chǎn)品技術標準以及監(jiān)管要求，以整體推進我國國產(chǎn)蒸汽滅菌器的質(zhì)量水平。

5 結論

脈動真空滅菌器內(nèi)腔內(nèi)表面開裂的直接原因是應力腐蝕，防治措施包括降低焊接殘余應力、保障奧氏體不銹鋼的清潔使用環(huán)境，其中降低殘余應力是提高產(chǎn)品建造質(zhì)量、延長設備壽命的重要措施。

[1] 強天鵬．壓力容器檢驗[M]．北京：新華出版社，2010．

[2] 程紅偉．脈動真空蒸汽滅菌器內(nèi)腔開裂失效分析[D]．北京：北京工業(yè)大學，2009.

[3] 宋天民．焊接殘余應力的產(chǎn)生與消除[M]．北京：中國石化出版社，2004．

[4] 宇慧萍，楊柳，趙爾冰，等．過載法消除矩形壓力蒸汽滅菌器焊接殘余應力的數(shù)值分析[J]．壓力容器，2015，3 2（0 6）：49-54.

[5] 中國機械工程學會焊接學會．焊接手冊[M]．3版，北京：機械工業(yè)出版社，2 014：144．

Analysis of Lumen Cracking of the Pulsating Vacuum Sterilizer

Zhang Zhenyuan
(Beijing Mentougou Special Equipment Inspection & Testing Institution Beijing 102300)

Pulsating vacuum sterilizer is w idely used in medical, health, biology, food, pharmaceutical and other industries, but its short service life has become a big problem in these industries. This article dissected a sterilizer that had cracking leakage after three years operation, where typical stress corrosion crack was found, instead of fatigue fracture crack. This paper also analyzed the causes of stress corrosion, and provided the reference for the related people in the industry.

Pulsation vacuum sterilizer Lumen cracking Stress corrosion

X 924

B

1673-257X(2017)06-0066-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.017

張振遠（1963～)，男，本科，所長，工程師，從事管理及特種設備檢驗工作。

張振遠，E-mail:zzhenyuan@126.com。

2017-02-09）