蒸汽滅菌器損傷實例分析及改進探討

丁金森 陳通林 楊俊強

摘 要：高壓蒸汽滅菌法以其優越性被廣泛應用于醫療衛生、科研、農業等行業，對醫療器械，敷料，玻璃器皿，溶液培養基等進行消毒滅菌。該方法核心設備蒸汽滅菌器在使用過程中帶有一定的壓力與溫度，如果發生損傷導致失效將對人們的生命財產造成嚴重傷害。本文引入一個檢驗出裂紋損傷的蒸汽滅菌器實例，對其裂紋損傷原因進行強度校核、晶間腐蝕、應力腐蝕破裂、金相檢驗等方面的分析，并根據分析結果對蒸汽滅菌器的設計、生產、使用提出了改進建議。

關鍵詞：蒸汽滅菌器；損傷；晶間腐蝕；應力腐蝕破裂

引言

高壓蒸汽滅菌法可殺滅包括芽胞在內的所有微生物，是滅菌效果最好、應用最廣的滅菌方法。該方法是將需滅菌的物品放在密閉的蒸汽滅菌器內，通以一定壓力的高溫蒸汽，利用高溫和高壓的濕熱蒸汽形成很強的穿透力，有效殺菌。廣泛應用于醫療衛生事業，科研，農業等單位，對醫療器械，敷料，玻璃器皿，溶液培養基等進行消毒滅菌。高壓蒸汽滅菌法核心設備蒸汽滅菌器在使用過程中承載壓力及溫度循環載荷，容易產生損傷乃至失效從而危害人們的生命財產安全，分析蒸汽滅菌器的損傷失效模式對改進其設計制造，防止事故有著積極的作用。

1 損傷實例

某公司于2011年04月購買并投入使用一臺圓形蒸汽滅菌器，該圓形蒸汽滅菌器是2011年04月22日生產，設計使用年限是8年，主要設備參數如下：設計壓力0.25MPa，工作壓力0.24MPa，設計溫度140℃，工作溫度138℃，材質為奧氏體不銹鋼S30408（GB24511-2009），厚度為3mm，內徑為600mm，使用介質為蒸汽。在2013年的定期檢驗中，未發現厚度減薄，但在滲透檢測（PT）時距內筒弧頂弧長470mm、距內筒與封頭環焊縫210mm的內筒內表面發現一條長為19mm的裂紋（見圖1）。

圖1 缺陷位置示意圖

2 原因分析

2.1 強度校核

首先，我們分析一下這臺滅菌器受力情況并進行強度校核，看是否存在工作壓力高于最大允許工作壓力[PW]的情況。根據GB150-1998，最大允許工作壓力計算公式如下：

通過資料審查，可以知道該滅菌器是根據GB150-1998《鋼制壓力容器》設計、制造，筒體采用相當于雙面焊的全焊透對接接頭，且經100%無損檢測，所以焊縫系數？準=1.0。而？啄e=3mm，Dt=600mm，設計溫度下的材料許用應力[？滓]t按GB150查表取值為137MPa。代入公式計算得[pw]=1.36MPa，遠遠大于筒體的工作壓力0.24MPa；且如圖1所示，裂紋為環向裂紋，根據GB150我們知道，薄壁圓筒容器的經向應力為周向應力的■，所以通過強度校核可以排除該裂紋損傷是由于強度不夠引起的。

2.2 腐蝕分析

該滅菌器所用材料為奧氏體不銹鋼S30408，奧氏體不銹鋼具有良好的化學穩定性，但在敏化狀態，存在晶間腐蝕敏感性，并且條件合適的時候容易出現應力腐蝕破裂，下面就這兩方面來分析一下該設備的失效模式。

2.2.1 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼具有很高的耐腐蝕性是由于鋼中含有高鉻成分，但如果不銹鋼在450～850℃的溫度范圍內長時間停留，鋼中的碳會向奧氏體晶界擴散，并在晶界處與鉻化合析出碳化鉻（Cr23C6），在碳化鉻兩側出現含鉻低于11.4%、厚度為數十至數百納米的貧鉻區，這樣的晶間對腐蝕介質十分敏感。而上述滅菌器的工作溫度138℃，遠未達到敏化溫度區間450～850℃，不是因為工作溫度問題導致滅菌器產生晶間腐蝕。該滅菌器是使用焊接方法（鎢極氬弧焊）生產的，焊接熱影響區會停留在敏化溫度區間，那么在焊接生產過程中會不會產生貧鉻區呢？熱影響區的寬度與焊接方法線能量、板厚及焊接工藝有關，鎢極氬弧焊的特點就是熱量集中、熱影響區較小，而且板厚只有3mm，查閱相關資料可知熱影響區應該為數個毫米。而裂紋損傷位置距內筒與封頭環焊縫為210mm，遠遠超出了焊接熱影響區的范圍，沒有產生貧鉻區的敏化溫度。所以該裂紋損傷應該不是由晶間腐蝕產生的。

2.2.2 應力腐蝕破裂（SCC）

金屬在應力和腐蝕介質共同作用下發生的破裂稱為應力腐蝕破裂。對于應力腐蝕破裂，機械化學假設認為，對應力腐蝕敏感的合金，在特定的腐蝕介質中，其表面會形成一種保護膜。如果沒有應力作用，就不會發生腐蝕破壞。但如果有應力作用，特別是殘余應力疊加或存在應力集中部位，就會產生局部滑移，形成滑移臺階面，破壞保護膜，露出新的金屬表面。由于滑移臺階附近的滑移帶中堆集了大量的位錯，甚至伴隨著孔洞及少量合金元素原子和雜質原子在滑移帶上析出等，使滑移臺階處金屬活化，加速化學溶解，并形成電化學腐蝕的陽極，保護膜未被破壞區則成為陰極。在發生表面滑移的陽極溶解時放出的電子直接流入陰極，被電解質中的H+所吸收而成為H，這樣促使電子不斷流動，加快腐蝕速度，就造成吸氫腐蝕。應力腐蝕破裂必須具備一定條件才能產生：（1）敏感金屬；（2）對應于敏感金屬的特定介質環境；（3）必須有應力，特別是拉應力分量的存在。

通過查閱該蒸汽滅菌器的操作記錄和該公司的生產工藝，我們知道該設備是用來消毒實驗室用于進行菌落總數和大腸桿菌檢測的器皿。而這兩項檢測，都需要用器皿裝入生理鹽水（NaCl溶液）到該臺滅菌器進行滅菌而取得滅菌生理鹽水。滅菌的過程中，盛裝生理鹽水的器皿有時候會破裂，導致生理鹽水會流出來接觸到滅菌器筒體。奧氏體不銹鋼容易產生應力腐蝕破裂的環境見表1，從表1可以看到奧氏體不銹鋼和生理鹽水（NaCl溶液）配對形成了敏感金屬及其敏感的介質環境。現在剩下第（3）點應力水平，應力是應力腐蝕破裂的重要因素，導致應力腐蝕破裂的應力不一定很大，試驗表明，只要存在能引起滑移的的很低的應力水平（奧氏體不銹鋼引起滑移的應力水平大約0.2～0.3MPa），即可促使產生應力腐蝕裂紋。該臺圓形蒸汽滅菌器筒體的生產是由鋼板冷彎成型的，在冷加工成型中可能造成高的殘余應力。另外，筒體在工作載荷下會產生相應的拉應力，滅菌器不斷地開機停機也會產生的循環應力及溫差應力。該臺設備的應力因素十分復雜，不過我們可以肯定的是，該設備存在相應的應力水平。綜上所述，該設備滿足了應力腐蝕破裂的三項條件，該裂紋損傷很可能屬于應力腐蝕破裂。

表1 奧氏體不銹鋼應力腐蝕破裂的環境

2.2.3 金相檢驗

奧氏體不銹鋼的氯離子（Cl-）應力腐蝕裂紋的金相圖片是典型的樹枝狀穿晶型裂紋。檢驗人員對裂紋檢出部位進行了機械打磨，用王水腐蝕后進行金相檢驗。金相組織顯示該處為奧氏體組織，裂紋呈樹枝狀擴展具有穿晶的特點，并由粗逐漸變細，末端出現相鄰隔斷的應力開裂裂紋（見圖2）。這個金相圖片與奧氏體不銹鋼的氯離子（Cl-）應力腐蝕裂紋的金相圖片完全吻合，所以我們可以確定，該裂紋損傷屬于應力腐蝕破裂。

3 改進方法探討

應力腐蝕引起的失效是一種低應力脆性斷裂，其引起的破壞在事先往往沒有明顯的變形預兆，突然發生斷裂，故危害性很大，避免應力腐蝕破裂顯得尤其重要。

由前面分析我們知道，應力腐蝕破裂的三個必要因素是敏感材料、特定介質、應力水平，要想避免產生應力腐蝕破裂就要避免這三個因素同時出現。首先，設計時應避免存在產生應力集中的位置，生產過程中應避免因為冷成型和焊接產生的殘余應力。其次，應避免金屬材料與介質組成敏感金屬與特定的腐蝕環境，盡量選用對介質環境不敏感的金屬材料，使用兩相不銹鋼（奧氏體+少量鐵素體）是解決應力腐蝕破裂最有效的措施。這臺蒸汽滅菌器，筒體使用的奧氏體不銹鋼S30408，工作介質為蒸汽，本不會出現應力腐蝕破裂，但因為工藝要求用這臺蒸汽滅菌器對生理鹽水（NaCl溶液）滅菌，而裝NaCl溶液的玻璃瓶在高溫滅菌過程中會破裂，導致NaCl溶液流出與筒體接觸而形成敏感金屬與特定的腐蝕環境，進而產生應力腐蝕破裂。所以在設計、挑選設備時，應對使用設備的工藝有一定的了解，針對工藝過程挑選合適的設備，才能最大限度避免應力腐蝕破裂的產生。

參考文獻

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