一臺脈動真空滅菌器的裂紋分析及修理方案

摘要：本文通過采用宏觀檢查、滲透檢測、金相檢驗等方法對一臺典型脈動真空滅菌器內腔開裂失效進行原因分析并制定了相應的維修方案。為改進脈動真空滅菌器結構設計，降低生產成本，提高使用壽命，確保其使用安全性，為進一步深入研究提供可靠的實驗依據。

關鍵詞：脈動真空滅菌器 裂紋 應力腐蝕

浙江衛信制藥廠一滅菌柜，寬1600mm，高1500mm。設計壓力為0.165MPa，使用壓力為0.145MPa，使用溫度126度，在投入使用前作過水壓試驗，試驗壓力0.21 MPa。柜體材料為304不銹鋼，厚度10mm。該滅菌柜投入使用僅一年，內表面即出現大面積裂紋與泄漏失效。

通過對滅菌柜整體檢查，發現滅菌柜左右兩側裂紋分布十分密集，接管部位尤為集中，表面塊狀結垢比較嚴重（如圖1、圖2）；上下兩側裂紋較少，表面亦十分光潔。

圖1 滅菌柜內表面裂紋 圖2 滅菌柜內表面裂紋

1 裂紋分析

對某醫院化驗室使用的內腔已開裂的滅菌器內腔解剖，對開裂斷口進行金相組織檢驗。該滅菌器內腔材料為SUS304，公稱壁厚4mm。金相組織檢驗圖片見圖3。圖3（a）中金相組織為奧氏體，并有孿晶，晶粒為5～6級。圖3（b）中裂紋清晰可見，裂紋密度較高，裂紋擴展也是穿過晶粒的，即穿晶斷裂，具有典型的不銹鋼應力腐蝕裂紋特征。從金相圖片中可清楚地看出，裂紋擴展的方式為穿晶斷裂。此現象與斷口觀察結果一致。[1]

（a） （b）

圖3 金相組合

據工作人員介紹，平時該柜體消毒介質主要為磷酸二氫鈉、磷酸氫鈉及氯化鈉等弱堿性物質，且多有因容器破裂而飛濺至柜體內表面，據周圍幾臺同一時期購入的內表面完好的滅菌柜比較分析，它們的消毒主要對象為衣物。由此可見，介質是引起柜體內表面裂紋的外在因素。

為了進一步檢測裂紋，對內表面進行滲透探傷。探傷檢測發現，大部分裂紋表面都有灰黑色或白色銹跡，經光譜儀檢驗分析，顯示仍為304，未發現材質劣化現象，測厚亦未顯示明顯減薄。

所以可以確定裂紋產生的原因為氯離子作用下的應力腐蝕。

2 修理及預防措施

為了防止以后類似的問題發生，必須對該種情況采取相應的措施。

2.1 修理方案 已經出現的內表面大面積裂紋已無法清除，綜合分析采取以下的修理方案：①內表面進行清洗處理后打磨光潔，然后套入一個與滅菌柜內表面緊密連接的方形內殼（如圖4），內殼外殼的連接采用塞焊連接。圖中：L1、L2為加強筋與內殼及外殼單個連接焊縫的長度，mm。F為加強筋與內殼及外殼單個連接焊縫所支撐的面積，mm2。

②焊接時。所選焊材的化學成分須與母材基本一致。焊接后，焊接表面作100%RT檢查，質量評定按標準的要求，以備返修和處理。

③水壓試驗合格，耐壓試驗過程中，檢驗人員與使用單位壓力容器管理人員到試驗現場進行檢驗。

2.2 內殼厚度設計 據YY/T0084.2-92壓力蒸汽滅菌器主要受壓元件強度計算及其有關規定中3.2主體內殼及外殼設計厚度計算：

主體內殼及外殼設計厚度分別按公式（1）、（2）計算：

①設計溫度下內殼的計算厚度δ1按式（1）計算：

δ1=Ls1■ （1）

②設計溫度下外殼的計算厚度δ2按式（2）計算：

δ2=Ls2■ （2）

式中：δ1、δ2——內殼、外殼計算厚度，mm。Ls1、Ls2——內殼、外殼的支撐節距，mm，Ls一般不大于200mm。Pc——外殼的計算壓力，去夾套的設計壓力，MPa。ke——內殼計算壓力附加量，當滅菌室最低工作壓力小于標準大氣壓時，ke=0.1Mpa，否則ke=0。K——結構特征系數，查表1。

■

圖5 加強筋與外殼連接示意圖

取Pc=0.25；ke=0.1Mpa；K=3；Ls1=120mm；[σ]=118

按式（1）計算：

δ1=Ls1■=120■=3.77mm，

內襯板厚度為4mm即可滿足要求。[2]

2.3 預防措施 根據以上的分析，可以從兩方面來改善受力狀態：

①對介質作消毒處理前，介質采用更加牢固的容器盛裝，如此就不會因容器破裂而使腐蝕性介質噴濺至消毒柜內壁。②操作人員要及時做好停機后的清洗工作，防止消毒柜內壁的液體殘留與結垢。③定期檢驗，有效排除設備安全隱患。[3]④因為脈動真空滅菌器使用環境無法改變，因此其內腔開裂的防止措施應該圍繞防止應力腐蝕的主題提出措施，即從材料選擇及性能處理和降低拉伸應力出發，性能處理包括焊接熱影響區的有害組織處理和滅菌器內腔內壁的表面處理，拉伸應力由殘余應力和工作應力組成，殘余應力、尤其是焊接殘余應力是引起應力腐蝕的最主要因素，可以采用合理的制造和焊接工藝、制造后的后處理措施降低，如采用超聲波沖擊法、逆焊接溫差處理法、過載拉伸法等方法降低殘余應力。甚至制造出壓應力狀態，工作應力可以通過選擇優化的器體結構降低應力集中程度，采用最佳設計方法把載荷應力控制在適當水平。

參考文獻：

[1]GB/T 19624-2004.《在用含缺陷壓力容器安全評定》.

[2]YY/T0084.2-92.《矩形壓力蒸汽滅菌器主要受壓元件強度計算及其有關規定》.

[3]TSGR7001-2004.《壓力容器定期檢驗規則》.