矩形脈動真空滅菌器內腔開裂原因

謝柳輝, 呂 浩, 周勝金, 陳 虎, 肖冬飛, 楊中志

(1.廣東省特種設備檢測研究院東莞檢測院, 東莞 523120； 2.東莞市特種設備檢測與節能技術服務中心有限公司, 東莞 523120)

2019年6月在對東莞市某醫院一臺矩形脈動真空滅菌器進行定期檢驗時，發現該滅菌器內腔存在4條肉眼可見的裂紋。此滅菌器為夾套式結構，內腔長、寬、高分別為1 500,680,1 180 mm，于2010年6月5日投入使用，其設計壓力、設計溫度、材料等基本信息如表1所示。為了找到滅菌器內腔裂紋的產生原因，筆者對其進行了宏觀分析、金相檢驗和光譜分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

滅菌器內腔有4條肉眼可見的裂紋，編號分別為1，2，3，4，其位置及宏觀形貌如圖1所示。裂紋1位于內腔左壁，呈弧形，中間寬、兩端細，方向與折彎同向，長度約10 mm，其中心離左壁前側邊緣約350 mm，與底部垂直距離約50 mm，其宏觀形貌如圖1d)所示;裂紋2位于內腔左壁，長度約15 mm，其中心離裂紋1中心距離約190 mm，與底部垂直距離約50 mm;裂紋3位于內腔右壁，長度約20 mm，其中心與后壁垂直距離約350 mm，與頂部垂直距離約50 mm;裂紋4位于內腔右壁，主體呈直線型，裂紋一端出現分叉，中間寬度明顯大于兩端的，長度約15 mm，其中心與裂紋3中心距離約190 mm，與頂部垂直距離約50 mm，其宏觀形貌如圖1e)所示。滅菌器內腔右壁可以明顯觀察到右壁外表面與加強筋支撐結構的斷續焊接痕跡。4條裂紋中心均離內腔兩內壁折彎約50 mm，且均位于所在加強筋支撐結構與內腔外表面的焊接起始處。

表1 滅菌器的基本信息Tab.1 Basic information of sterilizer

圖1 滅菌器內腔裂紋位置及其宏觀形貌Fig.1 Location and macro morphology of cracks in inner cavity of sterilizer:a) cracks distribution diagram; b) location diagram of crack 1 and 2; c) location diagram of crack 3 and 4;d) morphology of crack 1; e) morphology of crack 4

圖2 滅菌器內腔裂紋1處的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of crack 1 in inner cavity of sterilizer:a) at low magnification; b) position 1 at medium magnification; c) position 2 at medium magnification; d) at high magnification

1.2 金相檢驗

采用復膜金相技術對該滅菌器內腔裂紋1進行現場金相組織復膜，再采用DM6M型金相顯微鏡對復膜金相進行觀察[1-2]，其顯微組織形貌如圖2所示。可知，基體為均勻等軸奧氏體組織。由圖2a)可見顯微組織中存在大量走向一致的裂紋，方向與內腔折彎的一致；由圖2b)～c)可見主裂紋附近存在大量樹枝狀細裂紋;由圖2d)可見裂紋主要呈穿晶擴展,為典型的氯化物應力腐蝕開裂形貌[3-5]。

1.3 光譜分析

滅菌器內腔的材料為SUS304不銹鋼，屬日本材料標準牌號[6]。采用手持式光譜儀對滅菌器內腔裂紋1、裂紋4及遠離裂紋處進行化學成分分析，結果如表2所示。可見滅菌器內腔的材料滿足JIS G 4303：2012StainlessSteelBars對SUS304不銹鋼化學成分的要求，其鉻、鎳和錳元素的含量均在標準規定的范圍內。

表2 滅菌器內腔材料的光譜分析結果(質量分數)Tab.2 Spectrum analysis results of the material of sterilizer innercavity (mass fraction) %

1.4 工作介質分析

采用761 Compact IC型離子色譜儀對滅菌器水蒸氣冷卻液進行陰離子濃度測量，可知滅菌器工作介質呈弱堿性，pH為7.22，氯離子含量為39 mg·L-1。

2 分析與討論

從受力方面分析，滅菌器內腔裂紋處主要受3方面應力作用。一是受內腔外表面與加強筋斷續焊的焊接殘余應力作用，滅菌器內腔與外套通過加強筋焊接連接在一起，內腔與加強筋采用斷續焊焊接[7]，每條加強筋兩端分別距內腔折彎約50 mm；二是受內腔彎折機械加工及焊接成型應力作用，內腔是由鋼板彎折后焊接而成，因彎折對裝存在的誤差會產生較大內應力，在折彎50 mm處，即加強筋焊接起始處因結構突變造成應力集中；三是受滅菌器工作應力作用，脈動真空滅菌器工作時，夾套內一直通有壓力為0.21 MPa左右的水蒸氣用來加熱內腔，內腔內則經歷多次抽真空、加熱、滅菌、干燥等工作過程，因此內腔受脈動循壞載荷作用，且此滅菌器是矩形結構，最大應力位于內腔折彎處[8-9]。

從工作介質方面分析，滅菌器水蒸氣冷卻液中氯離子含量為39 mg·L-1，工作介質中的氯離子濃度雖然不高，但會在介質流動不暢、結構突變等處殘留、濃縮。

從材料方面分析，滅菌器內壁材料為SUS304不銹鋼，其中鉻元素含量(質量分數，下同)為18.12%，鎳元素含量為8.02%。鎳元素含量在8%～12%時，奧氏體不銹鋼開裂敏感性最大。

綜上所述，在滅菌器內腔與加強筋焊接起始處受到較大焊接殘余應力及成形焊接應力，并因內腔折彎的結構突變造成應力集中。在滅菌器加強筋阻流的作用下，水蒸氣附著殘留量增大，使得氯離子在結構突變處或焊接缺陷處不斷聚集濃縮，而氯離子水溶液是300系列不銹鋼發生應力腐蝕開裂的敏感介質。滅菌器奧氏體不銹鋼內腔長期在殘余應力和氯離子環境作用下，發生起始于內腔與加強筋焊接起始應力集中處的應力腐蝕開裂。

3 結論及建議

滅菌器內腔與加強筋不連續焊接處存在焊接殘余應力，且靠近內腔彎折處局部存在應力集中；滅菌器內腔的工作介質中含有氯離子,而氯離子水溶液是300系列不銹鋼發生應力腐蝕開裂的敏感介質。滅菌器內腔在加工及焊接殘余應力、含氯離子介質等因素的綜合作用下發生起始于靠近內腔彎折的焊接起始處的應力腐蝕開裂。針對此次開裂事故提出以下建議。

(1) 優化加強筋與內腔焊接位置與結構，避免內腔折彎與加強筋焊接起始處兩種結構突變疊加的情況。內腔與加強筋焊接后做整體去應力熱處理，盡量消除焊接殘余應力及機加工成型應力的影響。

(2) 使用單位應加強對工作介質中氯離子的凈化處理，降低工作介質中的氯離子含量。定期對滅菌器進行安全檢查，當發現泄漏、裂紋等異常情況時，立即停止使用，并上報單位安全管理部門。

(3) 制造單位應采用滲透檢測、渦流檢測等無損檢測手段增加對此類產品內腔彎折處表面裂紋的檢測，避免因冷成形加工造成表面開裂缺陷。

(4) 檢測機構在開展此類矩形脈動真空滅菌器定期檢測時，除重點檢查開孔接管處、底部導軌焊接處等部位外，還應加強對內腔折彎附近與加強筋焊接起始處的檢查。