脉动真空灭菌器内腔开裂原因分析

张振远

脉动真空灭菌器内腔开裂原因分析

张振远

（北京市门头沟区特种设备检测所 北京 102300）

脉动真空灭菌器广泛用于医疗、卫生、生物、食品、制药等行业，但其使用寿命较短一直是困扰此行业的一大难题。本文解剖了一台使用3年后开裂泄漏的灭菌器，发现开裂部位存在典型的应力腐蚀裂纹，而不是疲劳断裂裂纹，本文还分析了产生应力腐蚀的原因，供业内相关人士参考。

脉动真空灭菌器 内腔开裂 应力腐蚀

医疗、制药、生物制品、实验动物和食品等行业有各种各样的消毒、灭菌方式，蒸汽高温灭菌是由水煮灭菌发展而来、目前最好的无毒无害化处理方式，各种物品在121℃～132℃高温水蒸汽下经过一定时间的透入和保持，可以杀灭各种细菌，灭菌彻底，且不会有消毒液的污染。手术器械、医疗包裹、医疗和药品器皿、实验动物铺垫物和食品等都采用这种灭菌方式。灭菌器一般为方形夹层结构，内腔为主要空间，用于放置被灭菌物品。夹层空间宽度为50mm左右，通入蒸汽加热内腔。两端封闭，形成密封空间。一般一端安装可以开关的快开门，物品从门处放入取出，根据不同要求，有时两端设置成快开门。为了加强内外腔的刚度，改善受力状况，内外腔之间设有拉撑。快开门有旋转式、气动（液压）平移式和旋转平移组合式，不论哪种方式，都要求安装安全联锁和报警装置，即门未关闭到位时，内腔不能通入蒸汽，内腔压力未完全释放时，门无法打开。脉动真空灭菌器工作时夹套一直通有0.22MPa左右的水蒸汽加热内腔，内腔则经历多次抽取真空、加热、灭菌、干燥等工作过程，因此内腔承受一定的脉动循环载荷。

自2001年1月至2016年12月，笔者单位共检验方形脉动真空灭菌器192台，其中国内产品127台、日本产品43台、美国产品5台、欧洲产品17台，欧美产品一般用于医院供应室，使用寿命全部超过10年，国内产品使用寿命普遍低于8年，国内和日本产品使用寿命统计见表1。

表1 国产与日本产脉动真空灭菌器使用寿命统计表

由于此种设备配备有复杂的控制系统，售价普遍远高于普通压力容器，设备的短寿命极大提高了灭菌器的成本，是困扰行业的一大难题。

1 实验灭菌器概况

笔者从众多开裂的灭菌器中挑选了一台，进行解剖分析。此台灭菌器2000年由北京某公司依据GB 150—1998制造，设计压力-0.1～0.17M Pa，设计温度129℃；内腔采用4mm厚的日本标准SUS304不锈钢，宽550mm、高640mm、长980mm；有5圈40×40碳钢角钢拉撑，双面间断焊接；内部货物支架为碳钢，夹套采用6mm厚Q235B材料。灭菌器用于某药业化验室，为药剂灭菌，使用频次较低，2006年由于漏点太多而停止使用，服役期间总使用次数约为650次。

灭菌器内部没有不锈钢光泽，存在大面积表面腐蚀，主要是碳钢支架污染造成的。向夹套内注水，在没有压力的情况下发现大量泄漏点，如图1中粉笔画圈处所示。泄漏点全部集中在拉撑筋板角焊缝、前门框、后封头角焊缝等明显应力集中部位。裂纹方向与拉撑筋板角焊缝方向垂直，见图2。

图1 灭菌器泄漏点

图2 裂纹方向

2 理化分析

2.1 材质分析

对灭菌器内腔前数第2块板正中部切割后打磨抛光，用ARCMET8000光谱仪做元素分析，除P含量稍微偏高外，其他元素成分完全符合制造厂提供材质单JIS G4303—1999中SUS304化学成分要求，详见表2。

表2 灭菌器主体材质化学成分

2.2 金相分析

对没有开裂部位做金相分析，材质为典型的奥氏体成分，并有孪晶，晶粒约为4～5级。见图3。对开裂部位做金相分析，裂纹扩展是穿过晶粒的，为典型的不锈钢应力腐蚀裂纹特征，见图4。

2.3 断口分析

用扫描电镜对裂纹断口扫描，图片显示断面主要呈现解理断口，显示脆性开裂特征。在局部解理台阶部位有一定量的韧窝存在，显示出该材质本身应具有较好的韧性，并有残存腐蚀产物，见图5。

图3 完好部位母材金相图像

图4 裂纹部位金相图像

图5 裂纹断口形貌

用X射线荧光光谱仪对断口的腐蚀产物分析成分，发现断口存在0.42%的氯和0.67%的硫，说明灭菌器工作环境较严苛，存在奥氏体不锈钢氯离子应力腐蚀的可能性。腐蚀产物分析结果见表3和图6。

表3 裂纹腐蚀产物成分分析结果

图6 裂纹腐蚀产物光谱分析结果

3 灭菌器内腔开裂原因分析

根据裂纹发生部位、形貌以及裂纹面腐蚀产物分析，可初步判定灭菌器内腔萌生裂纹是典型的应力腐蚀开裂导致，而不是疲劳裂纹萌生。形成应力腐蚀开裂的前提条件是拉应力和特定的材料-腐蚀环境组合[1]。以下从应力、腐蚀环境两方面要素入手，对开裂原因进行深入分析。

3.1 应力要素

灭菌器的工作压力很低，Mises工作应力一般不超过80MPa，但是残余应力一般在200MPa以上[2]。尤其是拉撑筋板与内腔壳体角焊缝，由于焊缝较长且壳体材质与筋板材质的热膨胀系数差异较大，容易在沿焊缝方向上，在焊缝背面（腔体内壁面）因变形不协调而产生较大的焊接残余拉应力。因此，在腔体内表面与主应力垂直方向上（即与焊缝垂直方向）发生开裂。

拉筋局部结构不连续导致的应力集中以及灭菌器间歇操作的疲劳波动载荷对裂纹的萌生和扩展也有一定的影响。灭菌器服役期间仅经历650次循环操作，如疲劳损伤因素占主导地位，则应属于低周疲劳范畴，但灭菌器载荷较低，且断口无明显塑性变形，故可排除低周疲劳损伤模式，因此疲劳不是灭菌器内腔内表面开裂的主控失效模式。

3.2 环境要素

灭菌器中的饱和水蒸汽应该是比较纯净的，氯离子含量很低，裂纹面上大量的氯离子来自何方？一方面是被灭菌物品带来的，另外灭菌器内表面在工作过程中重复有水蒸汽凝结、干燥而浓缩也是重要原因。

4 灭菌器内腔内表面开裂的预防措施

根据以上分析，预防灭菌器内腔内表面发生开裂，主要应从以下两方面入手。

首先在使用上要注意保持内腔内表面的清洁，避免铁素体及氯离子对奥氏体不锈钢材质的破坏。使用单位应做好碳钢内件和奥氏体不锈钢内腔的隔离，尽量避免碳钢与奥氏体钢直接接触，严格控制蒸汽系统的清洁度，每次使用后用纯净水或蒸馏水冲洗灭菌器内腔内表面并做好干燥工作。

其次在设计制造阶段应重视对焊接残余应力的控制。可通过结构的设计优化及制造装配、焊接工艺的优化减少焊接对结构的热影响。在无法进行焊后热处理的条件下，可考虑通过振动、过载拉伸等方法降低焊接残余应力。通过查询国外灭菌器制造质量证明书可知，国外制造的灭菌器水压试验压力远高于国内产品，过载拉伸法也许是达到目的的最好方法[3-5]，但是需要经过设计制造单位大量的工艺试验和标准规范的特殊许可。

另外，目前各矩形灭菌器设计制造单位采用的标准或为GB 150—2011《压力容器》，或为YY/T 0084.2—20 09《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》，但上述2项标准在结构、载荷以及失效模式方面与矩形截面蒸汽灭菌器的实际情况并不完全相符。这就需要相关技术机构和政府部门给予重视，针对灭菌器的服役条件和失效行为进一步完善产品技术标准以及监管要求，以整体推进我国国产蒸汽灭菌器的质量水平。

5 结论

脉动真空灭菌器内腔内表面开裂的直接原因是应力腐蚀，防治措施包括降低焊接残余应力、保障奥氏体不锈钢的清洁使用环境，其中降低残余应力是提高产品建造质量、延长设备寿命的重要措施。

[1] 强天鹏．压力容器检验[M]．北京：新华出版社，2010．

[2] 程红伟．脉动真空蒸汽灭菌器内腔开裂失效分析[D]．北京：北京工业大学，2009.

[3] 宋天民．焊接残余应力的产生与消除[M]．北京：中国石化出版社，2004．

[4] 宇慧萍，杨柳，赵尔冰，等．过载法消除矩形压力蒸汽灭菌器焊接残余应力的数值分析[J]．压力容器，2015，3 2（0 6）：49-54.

[5] 中国机械工程学会焊接学会．焊接手册[M]．3版，北京：机械工业出版社，2 014：144．

Analysis of Lumen Cracking of the Pulsating Vacuum Sterilizer

Zhang Zhenyuan
(Beijing Mentougou Special Equipment Inspection & Testing Institution Beijing 102300)

Pulsating vacuum sterilizer is w idely used in medical, health, biology, food, pharmaceutical and other industries, but its short service life has become a big problem in these industries. This article dissected a sterilizer that had cracking leakage after three years operation, where typical stress corrosion crack was found, instead of fatigue fracture crack. This paper also analyzed the causes of stress corrosion, and provided the reference for the related people in the industry.

Pulsation vacuum sterilizer Lumen cracking Stress corrosion

X 924

B

1673-257X(2017)06-0066-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.017

张振远（1963～)，男，本科，所长，工程师，从事管理及特种设备检验工作。

张振远，E-mail:zzhenyuan@126.com。

2017-02-09）