醫(yī)用脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂裂紋分析

摘要： 目的：探討醫(yī)用脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂裂紋的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。方法：對嘉峪關(guān)市鐵路醫(yī)院一臺機(jī)動門真空滅菌器已發(fā)生內(nèi)腔開裂裂紋進(jìn)行分析，使用外觀查驗(yàn)與斷口化學(xué)成分分析的方法進(jìn)行，判斷裂紋的性質(zhì)及發(fā)生原因。結(jié)果：（1） 滅菌器消毒物品類型（2） 氯離子的化學(xué)腐蝕作用（3） 主體材質(zhì)設(shè)計(jì)缺陷（4） 滅菌過程中蒸氣的影響是內(nèi)腔開裂出現(xiàn)裂紋的主要原因。結(jié)論：可以通過改變焊縫位置，增加防腐蝕涂層，規(guī)范操作及減少氯離子含量等方式進(jìn)行改進(jìn)，減少或者避免醫(yī)用脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用脈動真空滅菌器 內(nèi)腔開裂 原因 改進(jìn)

脈動真空滅菌器是利用飽和蒸汽在冷凝時(shí)釋放出大量潛熱的物理特性，使待滅菌的物品處于高溫和潮濕的狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間的保溫從而達(dá)到滅菌的目的。廣泛用于醫(yī)用敷料及手術(shù)器械的高溫滅菌。2010年4月，本所對嘉峪關(guān)市鐵路醫(yī)院一臺機(jī)動門真空滅菌器進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)腔后壁發(fā)現(xiàn)開裂裂紋，起始端有裂紋分支，裂紋長約500mm。現(xiàn)對其開裂裂紋進(jìn)行分析，以期提出改進(jìn)方案。

1.容器的基本狀況

該容器為機(jī)動門真空滅菌器，呈臥式矩形，夾層結(jié)構(gòu)。規(guī)格為600×900×1200，0.6M3。主體材質(zhì)為筒體封頭，SUS304 厚度6/8mm。夾套材質(zhì)：Q235B，厚度8mm。內(nèi)筒操作壓力為0.21MPa，操作溫度：134℃。

2.裂紋產(chǎn)生的部位與類型：

2.1外觀檢驗(yàn)：仔細(xì)檢查內(nèi)腔后壁，可見一穿透性裂紋，如圖1。觀察可見裂紋起于后壁焊縫及熱影響區(qū)，有分支，裂紋呈現(xiàn)樹枝狀，主干垂直于焊縫，長約500mm。裂紋走向是穿晶的，裂紋呈樹枝狀，可見有分叉，此為典型的奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋形貌。[1]經(jīng)詢問醫(yī)務(wù)人員，該滅菌器主要用于對器械、生理鹽水、藥液等進(jìn)行消毒。輔助佐證了該裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋。

2.2斷口化學(xué)成分分析：將滅菌器沿裂紋取樣，對斷口及腐蝕產(chǎn)物分別進(jìn)行能譜分析，見表1。可見裂紋附近區(qū)域及腐蝕小顆粒均含有氯、硫及鐵銹等物質(zhì)，說明高溫蒸汽含有Cl-和SO42-。應(yīng)力與滅菌器使用環(huán)境中應(yīng)力腐蝕介質(zhì)共同作用造成應(yīng)力腐蝕是造成脈動真空內(nèi)腔開裂的重要原因。

3.產(chǎn)生裂紋原因：

3.1.焊接位置不當(dāng)易產(chǎn)生裂紋：醫(yī)用脈動真空滅菌器通常分為內(nèi)殼和外殼。通常采用防腐蝕且經(jīng)過拋光處理的不銹鋼作為內(nèi)殼的主要材料，優(yōu)質(zhì)碳素鋼板則用于外殼。同時(shí)，在內(nèi)外殼之間用加強(qiáng)筋連接以增強(qiáng)內(nèi)外殼的剛度，并改善受力狀況。加強(qiáng)筋與外殼之間采用塞焊方式，而與內(nèi)殼之間則采用斷續(xù)焊，是一種典型的異種鋼 T 型角焊縫，[2]因此有可能存在焊接殘余應(yīng)力分布不均。

3.2主體材質(zhì)設(shè)計(jì)缺陷：該滅菌器內(nèi)壁主體材質(zhì)SUS304，為奧氏體不銹鋼，18-8不銹鋼，GB牌號為0Cr18Ni9。奧氏體不銹鋼在拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)的共同作用下會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。該滅菌器為臥式矩形夾層結(jié)構(gòu)，夾層材質(zhì)為Q235B，為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。為了保證內(nèi)壁及夾套的穩(wěn)定，在夾套內(nèi)設(shè)置了槽鋼作為加強(qiáng)筋，這樣就使得加強(qiáng)筋和內(nèi)壁的焊縫和熱影響區(qū)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，各種材質(zhì)的線性膨脹系數(shù)不同，也為產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋提供了條件。在焊接完成后的冷卻階段，各種材質(zhì)的收縮量也不同，也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力在在高溫蒸氣工作環(huán)境下，易導(dǎo)致焊接接頭提前失效，從而出現(xiàn)裂紋。另外，奧氏體不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，其碳含量很高。敏化溫度范圍通常在450～850℃之間。如果焊接時(shí)間過長或者由于焊接技術(shù)不熟練，則會在敏化溫度范圍內(nèi)較長時(shí)間地存在焊接后熱影響區(qū)，從而導(dǎo)致不銹鋼母材兩側(cè)的焊縫遭受到較嚴(yán)重的敏化處理。發(fā)生敏化處理時(shí)，強(qiáng)碳化物形成元素Cr會與C元素一起形成（Fe，Cr）23C6為主的碳化物，分布在晶界上。從表1也可見內(nèi)腔含有一定量的Cr元素。因?yàn)槠渚w結(jié)構(gòu)，所以Cr在奧氏體鋼內(nèi)的擴(kuò)散速度非常慢。而消耗的Cr不能通過晶體擴(kuò)散得以及時(shí)補(bǔ)充，必然會造成晶體附近的Cr含量低于維持鈍化所須的含量。一旦鈍化平衡被破壞，就易受到腐蝕，成為腐蝕的薄弱點(diǎn)。[3]

3.3滅菌器消毒物品類型：通過詢問使用情況，可知該滅菌器消毒物品含有生理鹽水和藥液，即氯化鈉溶液及含有Cl-的溶液。在操作中，也存在有瓶子破損，溶液溢出等情況。一旦出現(xiàn)瓶子破損情況，則會使氯化鈉溶液附著到滅菌器的奧氏體不銹鋼內(nèi)壁上。消毒滅菌過程結(jié)束后，清理不及時(shí)，Cl-就會在內(nèi)壁上聚集，從而破壞不銹鋼表面出現(xiàn)選擇性的腐蝕[[3]]。

3.4氯離子的化學(xué)腐蝕作用：雖然Cl-的半徑非常小，但其穿透力極強(qiáng)，易吸附于鉻離子較少的區(qū)域，替換表面膜上的氧離子。溶解后生成FeCl2，在膜中形成孔隙。[4]此脈動滅菌器的操作溫度為134℃，在此高溫及有活性Cl離子的情況下，只要有幾個(gè)10-6的Cl離子即可導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。通過表2可見，內(nèi)腔Cl離子雖然極少，卻使得Fe離子的量較多。形成微裂紋后，隨著氯離子在內(nèi)腔表面的繼續(xù)吸附與聚集，會不斷滲入微裂紋中，從而促使裂紋擴(kuò)大，形成穿透性裂紋。此脈動真空滅菌器裂紋在斷口面可見大量的鐵銹也是因?yàn)榛瘜W(xué)腐蝕的作用。

3.5滅菌過程中蒸氣的影響：夾套通蒸汽，加熱內(nèi)腔；抽取內(nèi)腔空氣，真空度達(dá)到-90kpa；內(nèi)腔通入蒸汽到常壓；第二次抽取內(nèi)腔真空度達(dá)到-90kpa；內(nèi)腔再次通入蒸汽到常壓；第三次抽取內(nèi)腔真空度達(dá)到-90kpa；內(nèi)腔通入蒸汽到220kpa消毒滅菌一段時(shí)間；滅菌時(shí)間結(jié)束后，抽取內(nèi)腔蒸汽到-90kpa；內(nèi)腔通入潔凈空氣到-10kpa；根據(jù)不同要求，再重復(fù)數(shù)次抽真空和通空氣過程；內(nèi)腔通空氣至常壓后，滅菌過程結(jié)束。在整個(gè)過程中，夾套始終通有220 kpa左右的蒸汽加熱內(nèi)腔。由次可見，內(nèi)腔是在夾套蒸汽的外壓作用下承受多次壓力波動，內(nèi)腔受力為負(fù)壓疲勞載荷，焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生疲勞應(yīng)力。也為應(yīng)力腐蝕裂紋提供了條件。

綜上可見，焊縫的位置、主材質(zhì)的選擇及高溫蒸氣的壓力加劇Cl離子的活性與危害性，是脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂的主要原因。

4.改進(jìn)措施

4.1焊接操作：通過原因分析可知，裂紋易出現(xiàn)于形狀突變部位的焊縫部分。因此，在焊接時(shí)，避開形狀突變部位，避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力。同時(shí)，焊接時(shí)間過長或者操作不熟練，導(dǎo)致敏化處理的發(fā)生也是裂紋產(chǎn)生的主要原因。因此，在操作過程中，應(yīng)盡量減少在敏化溫度范圍內(nèi)的存留時(shí)間，減少碳化物從晶體內(nèi)析出，減少腐蝕薄弱點(diǎn)。

4.2焊后處理：殘余應(yīng)力的存在一個(gè)重要的原因是由于焊接加強(qiáng)筋板的存在，因此焊接后可選擇適當(dāng)合理的整體熱處理方式消除焊接殘余應(yīng)力。固溶熱處理可以使碳的鉻化物溶入奧氏體中，從而使不銹鋼具有良好的耐蝕性能。[5]還可以通過噴丸對滅菌器內(nèi)腔處理，使內(nèi)腔表面層產(chǎn)生塑性變形，造成壓應(yīng)力，從而起到降低表面應(yīng)力腐蝕敏感性的作用。

4.3主體材質(zhì)的選擇：在選擇內(nèi)殼、外殼及加強(qiáng)筋的材質(zhì)時(shí)，盡量選擇同一種或者相近材質(zhì)。在線性膨脹系數(shù)相同或者相似的情況下，焊接可以更緊密，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在高溫高壓蒸氣的工作環(huán)境下，不易出現(xiàn)孔隙，而導(dǎo)致裂紋的發(fā)生。

4.4滅菌操作注意事項(xiàng)：有研究文獻(xiàn)表明，滅菌器開裂泄漏大多發(fā)生在化驗(yàn)室、液體藥品等濕類物品環(huán)境中。[6]因此在操作過程中，應(yīng)避免瓶體破碎，如發(fā)現(xiàn)有漏液，及時(shí)清洗滅菌器內(nèi)壁。控制Cl離子含量：在使用過程中，合理控制水質(zhì)，可通過離子交換法或者蒸餾等方法去除有害離子及氧化物，可適量加入堿性磷酸鹽等物質(zhì)置換Cl離子，減少腐蝕的發(fā)生。

綜上，通過對醫(yī)用脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂裂紋原因分析，可以從焊接技術(shù)、材質(zhì)選擇以及規(guī)范操作等方面進(jìn)行改進(jìn)，以更好地質(zhì)量服務(wù)于醫(yī)藥事業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1]丁大偉，徐學(xué)東，姜公鋒.脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂分析[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊），2009（5）：70-71+74.

[2]程軍明.脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂模擬分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].[出版地不詳]：武漢工程大學(xué)，2012.

[3]唐建群，張禮敬，鞏建鳴.304不銹鋼蒸發(fā)器開裂原因分析[J].腐蝕與防護(hù)，2003（4）：43-46.

[4]程紅偉，張亦良，劉金艷.脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂原因分析[J].壓力容器，2009（3）：51-61+57.

[5]丁大偉，徐學(xué)東.脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂原因分析及改進(jìn)方案[J].物理測試，2008（4）：60-61+64.

[6]嚴(yán)瑞霖.一臺脈動真空滅菌器的裂紋分析及修理方案[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2013（1）：303-304.