一台脉动真空灭菌器的裂纹分析及修理方案

摘要：本文通过采用宏观检查、渗透检测、金相检验等方法对一台典型脉动真空灭菌器内腔开裂失效进行原因分析并制定了相应的维修方案。为改进脉动真空灭菌器结构设计，降低生产成本，提高使用寿命，确保其使用安全性，为进一步深入研究提供可靠的实验依据。

关键词：脉动真空灭菌器 裂纹 应力腐蚀

浙江卫信制药厂一灭菌柜，宽1600mm，高1500mm。设计压力为0.165MPa，使用压力为0.145MPa，使用温度126度，在投入使用前作过水压试验，试验压力0.21 MPa。柜体材料为304不锈钢，厚度10mm。该灭菌柜投入使用仅一年，内表面即出现大面积裂纹与泄漏失效。

通过对灭菌柜整体检查，发现灭菌柜左右两侧裂纹分布十分密集，接管部位尤为集中，表面块状结垢比较严重（如图1、图2）；上下两侧裂纹较少，表面亦十分光洁。

图1 灭菌柜内表面裂纹 图2 灭菌柜内表面裂纹

1 裂纹分析

对某医院化验室使用的内腔已开裂的灭菌器内腔解剖，对开裂断口进行金相组织检验。该灭菌器内腔材料为SUS304，公称壁厚4mm。金相组织检验图片见图3。图3（a）中金相组织为奥氏体，并有孪晶，晶粒为5～6级。图3（b）中裂纹清晰可见，裂纹密度较高，裂纹扩展也是穿过晶粒的，即穿晶断裂，具有典型的不锈钢应力腐蚀裂纹特征。从金相图片中可清楚地看出，裂纹扩展的方式为穿晶断裂。此现象与断口观察结果一致。[1]

（a） （b）

图3 金相组合

据工作人员介绍，平时该柜体消毒介质主要为磷酸二氢钠、磷酸氢钠及氯化钠等弱碱性物质，且多有因容器破裂而飞溅至柜体内表面，据周围几台同一时期购入的内表面完好的灭菌柜比较分析，它们的消毒主要对象为衣物。由此可见，介质是引起柜体内表面裂纹的外在因素。

为了进一步检测裂纹，对内表面进行渗透探伤。探伤检测发现，大部分裂纹表面都有灰黑色或白色锈迹，经光谱仪检验分析，显示仍为304，未发现材质劣化现象，测厚亦未显示明显减薄。

所以可以确定裂纹产生的原因为氯离子作用下的应力腐蚀。

2 修理及预防措施

为了防止以后类似的问题发生，必须对该种情况采取相应的措施。

2.1 修理方案 已经出现的内表面大面积裂纹已无法清除，综合分析采取以下的修理方案：①内表面进行清洗处理后打磨光洁，然后套入一个与灭菌柜内表面紧密连接的方形内壳（如图4），内壳外壳的连接采用塞焊连接。图中：L1、L2为加强筋与内壳及外壳单个连接焊缝的长度，mm。F为加强筋与内壳及外壳单个连接焊缝所支撑的面积，mm2。

②焊接时。所选焊材的化学成分须与母材基本一致。焊接后，焊接表面作100%RT检查，质量评定按标准的要求，以备返修和处理。

③水压试验合格，耐压试验过程中，检验人员与使用单位压力容器管理人员到试验现场进行检验。

2.2 内壳厚度设计 据YY/T0084.2-92压力蒸汽灭菌器主要受压元件强度计算及其有关规定中3.2主体内壳及外壳设计厚度计算：

主体内壳及外壳设计厚度分别按公式（1）、（2）计算：

①设计温度下内壳的计算厚度δ1按式（1）计算：

δ1=Ls1■ （1）

②设计温度下外壳的计算厚度δ2按式（2）计算：

δ2=Ls2■ （2）

式中：δ1、δ2——内壳、外壳计算厚度，mm。Ls1、Ls2——内壳、外壳的支撑节距，mm，Ls一般不大于200mm。Pc——外壳的计算压力，去夹套的设计压力，MPa。ke——内壳计算压力附加量，当灭菌室最低工作压力小于标准大气压时，ke=0.1Mpa，否则ke=0。K——结构特征系数，查表1。

■

图5 加强筋与外壳连接示意图

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

按式（1）计算：

δ1=Ls1■=120■=3.77mm，

内衬板厚度为4mm即可满足要求。[2]

2.3 预防措施 根据以上的分析，可以从两方面来改善受力状态：

①对介质作消毒处理前，介质采用更加牢固的容器盛装，如此就不会因容器破裂而使腐蚀性介质喷溅至消毒柜内壁。②操作人员要及时做好停机后的清洗工作，防止消毒柜内壁的液体残留与结垢。③定期检验，有效排除设备安全隐患。[3]④因为脉动真空灭菌器使用环境无法改变，因此其内腔开裂的防止措施应该围绕防止应力腐蚀的主题提出措施，即从材料选择及性能处理和降低拉伸应力出发，性能处理包括焊接热影响区的有害组织处理和灭菌器内腔内壁的表面处理，拉伸应力由残余应力和工作应力组成，残余应力、尤其是焊接残余应力是引起应力腐蚀的最主要因素，可以采用合理的制造和焊接工艺、制造后的后处理措施降低，如采用超声波冲击法、逆焊接温差处理法、过载拉伸法等方法降低残余应力。甚至制造出压应力状态，工作应力可以通过选择优化的器体结构降低应力集中程度，采用最佳设计方法把载荷应力控制在适当水平。

参考文献：

[1]GB/T 19624-2004.《在用含缺陷压力容器安全评定》.

[2]YY/T0084.2-92.《矩形压力蒸汽灭菌器主要受压元件强度计算及其有关规定》.

[3]TSGR7001-2004.《压力容器定期检验规则》.