交變載荷對脈動真空滅菌器內腔開裂影響的研究

蔡昌全 程軍明 郭 靖 魏雨婷 劉 凱 夏寅波

（1.武漢工程大學機電工程學院 2.武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所)

交變載荷對脈動真空滅菌器內腔開裂影響的研究

蔡昌全*程軍明 郭 靖 魏雨婷 劉 凱 夏寅波

（1.武漢工程大學機電工程學院 2.武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所)

針對脈動真空滅菌器內殼與橫加強筋末端焊接區產生裂紋的問題，應用ANSYS有限元分析軟件對其進行交變載荷疲勞分析。其結論對脈動真空滅菌器的設計及優化均有參考價值。

脈動真空滅菌器 疲勞分析 壓力容器 裂紋 ANSYS

0 引言

脈動真空滅菌器通常為矩形夾套結構，分為內殼和外殼。內殼材料采用防腐蝕且經過拋光處理的不銹鋼；外殼采用優質碳素鋼板。為加強內外殼的剛度以及改善受力狀況，通常在內外殼之間用加強筋連接。加強筋與內殼之間為斷續焊，與外殼之間為塞焊。在工作時候關閉柜門，使其形成一個密閉的空間。脈動真空滅菌器的工作過程較為復雜，主要分為以下幾個階段： （1）抽真空階段。在此過程中內殼里面的壓力是-0.08 MPa至0.10 MPa的交變載荷，通常需要反復脈動多次以徹底排除內腔空氣。 （2）升溫滅菌階段。空氣排除之后就可以進行滅菌，在此階段中內腔蒸汽壓力保持在0.21 MPa，并持續6 min左右。 （3）排氣階段。滅菌完成之后抽取內腔蒸汽達到常壓。 （4）干燥階段。抽取內腔蒸汽到-0.10 MPa并持續9 min左右，使物品能夠達到充分的干燥。內殼中壓力變化如圖1所示。在滅菌器的整個工作過程中，夾套內始終保持0.22 MPa的蒸汽壓力，并且變化不是太大。

圖1 內殼中壓力變化

滅菌器的設計壽命一般在7年左右，但在工程實際中發現，其實際使用壽命遠未達到設計壽命。許多用戶發現，當滅菌器使用一段時間后內殼壁會不同程度地產生裂紋。滅菌器屬于壓力容器，如果不注意裂紋則有可能引發事故。再者，裂紋的產生會影響滅菌效果，容易引起醫療事故。因此分析裂紋產生的原因以及采取合理的措施延長滅菌器的使用壽命，顯得至關重要。據某檢測中心檢測發現，產生裂紋的地方比較確定，大多集中在橫加強筋末端與內殼的焊接處，如圖2白圈所示。通過分析滅菌器的工作過程及其介質特性可以初步地預測內殼失效原因。 （1）由于內殼在整個工作階段承受的是交變載荷，所以有可能產生疲勞問題。 （2）由于水蒸氣中含有Cl-1,所以有可能產生應力腐蝕。（3）焊接殘余應力、應力集中等都是產生裂紋的影響因素。

圖2 滅菌器裂紋發生處

1 建立模型與劃分網格

本文以武漢江漢醫療制藥設備有限公司制造的一臺型號為MZQ·JDM-1.2B的滅菌器為研究對象，應用ANSYS有限元分析軟件對其進行有限元分析。由于裂紋僅產生在內殼而且內殼為對稱結構，其幾何形狀、約束和載荷也是對稱的，所以利用對稱結構，采用三維模型，可取其1/2進行建模，有限元單元選用solid 45。有限元模型如圖3所示。設計溫度為136℃，介質為飽和水蒸氣，材料密度ρ=7.8×103kg/m3， 模 型長 L=1 500 mm， 寬 W=672 mm，高H=1 192 mm。滅菌器有關參數見表1。

加強筋與內殼采用斷續焊，加強筋均布、對稱排列，且采用角焊縫。模型邊界條件是根據殼體在實際工作過程中的約束情況定義的，對稱面進行對稱約束，殼體的前后端采用全約束；劃分網格采用掃略分網，共劃分網格89 389個。

表1 滅菌器參數

圖3 有限元模型

2 加載計算與應力分析

2.1 加載計算

在壓力容器的疲勞設計中，一般不采用ANSYS的FATIGUE模塊進行計算，而是以應力分析為基礎，確定交變應力幅值，再根據交變應力幅值由設計疲勞曲線確定允許循環次數，進行疲勞強度校核[1]。因此本文根據工程實際中的疲勞計算方法進行分析。脈動真空滅菌器循環周期為1 200 s，一年按照360天計，按7年計算，對該滅菌器進行疲勞分析。

載荷循環次數的確定：

由前面介紹的滅菌器工作階段可知，在滅菌和干燥階段壓力變化最大，因此確定應力強度幅時采用由這兩種工況計算所得的結果，并進而確定最大應力強度幅的位置，最終確定最大應力強度幅值。

圖4和圖5分別為滅菌器在滅菌 （內殼壓力為0.21 MPa，夾套壓力為0.22 MPa）和干燥 (內殼壓力為-0.10 MPa，夾套壓力為0.22 MPa)情況下的應力云圖。從圖中可以看出，在最高和最低工作壓力下應力云圖形貌相似，最大應力強度的位置也相同，都出現在橫加強筋末端與殼體焊接的部位，與實際情況中橫加強筋末端與殼體焊接位置最早出現裂紋相符合。由圖可見，滅菌階段的最大應力值為3.47 MPa，干燥階段的最大應力值為133 MPa。

圖4 滅菌階段應力云圖

圖5 干燥階段應力云圖

2.2 疲勞分析

疲勞分析以前面計算的應力幅值為依據，采用最大應力強度減去最小應力強度，即可得到應力幅值。由圖6可以看出，最大應力幅值為131 MPa,出現的位置也在橫加強筋末端與殼體焊接的位置。查JB 4732—1995提供的06Cr19Ni10的疲勞曲線，對應于該最大應力幅值131 MPa允許的循環次數為Nf＞106。 由于 N＜Nf， 故該部位滿足疲勞強度的要求。

3 結束語

綜上所述，應用ANSYS對脈動真空滅菌器進行疲勞分析，可以得出以下結論：

圖6 應力分析圖

（1）脈動真空滅菌器工作過程中交變載荷使橫加強筋末端與內殼的焊接區應力集中，這與實際情況此處最早出現裂紋相吻合，故此處裂紋主要是由應力腐蝕引起的。通過分析應力幅值，得出允許循環次數Nf大于實際循環次數N，所以疲勞并不是滅菌器產生裂紋的真正原因。但脈動真空滅菌器工作過程中壓力頻繁地交變，這就使得內殼的實際強度小于殼體在靜載荷作用下的強度，因此在滅菌器工作過程中交變載荷會加快該處裂紋的產生速度。

（2）裂紋的產生與焊接殘余應力、水蒸氣中的Cl-1引起的腐蝕應力等其他因素也是密不可分的。在對脈動真空滅菌器內腔做進一步優化時，若只從疲勞方面考慮，在某種程度上可以延長實際使用壽命，但效果不佳。因此在其設計、制造及使用過程中應該綜合考慮各種因素的影響，以找到更優的解決辦法，才能進一步延長滅菌器的實際使用壽命。

[1]余偉煒,高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].第2版.北京:中國水利水電出版社，2005.

[2]劉梅.脈動真空滅菌器的原理與部分故障分析 [J].醫療裝備， 2008(11)： 52-53．

[3]程紅偉，張亦良，劉金艷.脈動真空滅菌器內腔開裂原因分析 [J].壓力容器,2009，26(3):54-58.

[4]丁大偉，徐學東，姜公鋒.脈動真空滅菌器內腔開裂分析[J].理化檢驗（物化分冊），2009，45(5):318-320.

Cracking Study of Pulsation Vacuum Sterilizer Inner Cavity Based on Alternating Load

Cai Changquan Cheng Junming Guo Jing Wei Yuting Liu KaiXia Yinbo

For the problems that cracks appear in welding area of pulsing vacuum sterilizer inner cavity and transierse stiffener ends,using FEM ANASYS to analyze the fatigue property of alternating load.The conclusion is of reference value for design and further optimization of pulse vacuum sterilizer studies.

Pulse Vacuum Sterilizer;Fatigue Analysis;Pressure vessel;Cracking;ANSYS

TQ 053.3

*蔡昌全，男，1962年生，教授級高工。武漢市，430205。

2011-06-08）