矩形脈動真空滅菌器內室裂紋分析

黃 健

(廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西南寧530219)

2017年2月，本人參與了我院安排的對南寧市某醫院到期檢驗報檢的1臺脈動真空滅菌器進行定期檢驗，在對滲透無損檢測（PT）時發現，內室下部折彎有多處斷續的裂紋和氣孔。本文對本次檢驗發現的缺陷進行了分析。

1 容器的基本狀況

該容器為全電腦脈動真空滅菌器，形狀結構：臥式矩形，雙層結構（分為內室和夾套）；規格：680 mm×1 480 mm×1 660 mm；主體材質：內筒體，S30408/6 mm，夾套：Q245R/8 mm；工況：工作介質為水蒸汽，工作壓力為0.25 MPa，工作溫度：135℃.

2 檢驗過程與發現

2.1 宏觀檢查

在本次定期檢驗的宏觀檢查時，內室對接焊縫已打磨平整，發現底部有積液，在內室下部折彎附近有泄漏痕跡，肉眼觀察未能發現具體缺陷位置。

2.2 滲透無損檢測（PT）

宏觀檢查完畢，根據懷疑部位對矩形內室四個方位的折彎部位（寬200 mm）進行無損檢測，由于是不銹鋼材質，選取滲透檢測，檢測發現在內室下部折彎處發現多處斷續的裂紋和氣孔，如圖1所示。

圖1 滲透無損檢測（PT）

2.3 金相檢驗

由于該臺滅菌器使用單位已經決定不用，故對內室裂紋部位取樣進行金相組織檢驗，該滅菌器內室材質為S30408，金相組織為奧氏體，通過高倍顯微鏡可見裂紋的斷裂方主要是穿晶的，也有沿晶的，晶界的連接遭到破壞，如圖2所示。

圖2 裂紋金相圖

2.4 化學成分分析

對滅菌器底部的殘夜取樣，帶回院里進行化學成分分析，檢測結果發現水成分里面含有氯離子。說明高溫蒸汽含有Cl-、Na+，凝結后存在于底部的殘夜中。

3 奧氏體不銹鋼材料特性

3.1 奧氏體不銹鋼的化學成分

該滅菌器內室所用材料為奧氏體不銹鋼，成分如表1.

表1 奧氏體不銹鋼主要化學成分（wt.%）

3.2 奧氏體不銹鋼的顯微組織圖[1]

奧氏體不銹鋼的顯微組織圖見圖3.

圖3 奧氏體不銹鋼顯微組織

3.3 奧氏體不銹鋼材料特性

不銹鋼耐蝕性的基本原因（機理）是鈍化膜理論[2]。所謂鈍化膜就是在不銹鋼的表面有一層以Cr2O3為主的薄膜[2]。一般情況下，有了這層膜的保護，使不銹鋼具有一定的耐腐蝕性，不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質量分數必須大于12%.當溫度升高時，碳在不銹鋼晶粒內部的擴散速度大于鉻的擴散速度。因為室溫時碳在奧氏體中的熔解度很小，約為0.02%～0.03%，而一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過此值，故多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如（CrFe）23C8等。但是由于鉻的擴散速度較小，來不及向晶界擴散，所以在晶間所形成的碳化鉻所需的鉻主要不是來自奧氏體晶粒內部，而是來自晶界附近，結果就使晶界附近的含鉻量大為減少，當晶界的鉻的質量分數低到小于12%時，就形成所謂的“貧鉻區”，在腐蝕介質作用下，貧鉻區就會失去耐腐蝕能力，而產生晶間腐蝕。不銹鋼去應力處理是消除不銹鋼在冷加工或焊接后的殘余應力的熱處理工藝一般加熱到300～350℃回火。對取于不含穩定化元素Ti、Nb的鋼，加熱溫度不超過450℃，以免析出鉻的碳化物而引起晶間腐蝕。

4 缺陷分析

4.1 應力腐蝕分析

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）首先脈動抽真空階段，設定脈動次數反復抽真空，內室壓力承受從-0.098 MPa～0.1 MPa的交變載荷，徹底排除內室的空氣，以滅菌效果（2）升壓升溫階段，夾套預先已進入蒸汽，夾套內蒸汽壓力已達到0.21 MPa，當內室壓力抽到-0.098 MPa時，打開進汽閥，內室壓力從-0.098 MPa至0.21 MPa.（3）滅菌階段，壓力一直保持在0.21 MPa.（4）排汽階段，壓力從0.21 MPa降至常壓。從以上滅菌器的工作流程看，由于內室在整個階段中承受的是交變載荷，所以產生疲勞問題。另外本脈動真空滅菌器為雙層結構（分為內室和夾套），內室材料為S30408奧氏體不銹鋼材料，厚度為6 mm，夾套為Q245R，厚度為8 mm，為了使內室和夾套的剛度穩定，需要在兩者之間焊上加強筋，內室四個方位折彎處剛好為內室斷續焊接部位，這樣就使得加強筋和內壁的斷續焊縫和熱影響區易產生應力集中。另外通過了解情況，該滅菌器消毒主要是手術用的面料布料，在這線面料布料在預清洗消毒時，都會用到含Cl-的溶液，比如次氯酸鈉等。消毒滅菌過程中和結束后因清理不及時，Cl-就會在內壁上聚集，奧氏體不銹鋼最怕Cl-，雖然Cl-的半徑非常小，但其穿透力極強，Cl-能在奧氏體的晶間與不銹鋼中Cr生成鉻化物，在晶間上造成貧鉻區，使不銹鋼在晶間發生率先發生腐蝕，奧氏體不銹鋼在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下會產生應力腐蝕裂紋。所以經PT檢測出現了斷續的裂紋顯示，這與之前分析的相吻合。

4.2 點蝕

本次檢驗中，PT檢測除了發現多處斷續的裂紋外，還發現大量的氣孔，經過分析由點腐蝕引起。前面提到由于物料中含有Cl-、Na+離子。一般認為發生點蝕的第一步是在鈍化金屬表面上局部吸附具有侵蝕性的陰離子。點腐蝕坑的過程的如圖4所示[1]。

圖4 點腐蝕過程

5 結論

脈動真空滅菌器內室折彎處為豎加強筋末端與內殼焊接區，造成應力集中，而且脈動真空滅菌器是間歇性工作狀態，承受交變載荷，內室應力集中處容易出現疲勞。滅菌物料遺留有Cl-離子，存在有特定的腐蝕介質，以上幾項是造成應力腐蝕裂紋的因素。

本次PT發現的大量氣孔說明雖然奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性，但在特定的環境（比如Cl-，Na+超標）作用下，在長期使用過程中仍然會發生點蝕，點腐蝕的存在造成了氣孔的產生，時間一長，夾套和內室就會漏氣，影響滅菌效果。

[1]蔡林.316L奧氏體不銹鋼箱式儲罐應力腐蝕裂紋產生機理研究[D].天津：天津大學，2015.

[2]郭新剛，宋鵬濤，王永寧.奧氏體不銹鋼的腐蝕機理研究[J].科技創新與應用，2013(17)：8-9.