蒸汽滅菌器損傷實(shí)例分析及改進(jìn)探討

丁金森 陳通林 楊俊強(qiáng)

摘 要：高壓蒸汽滅菌法以其優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、科研、農(nóng)業(yè)等行業(yè)，對(duì)醫(yī)療器械，敷料，玻璃器皿，溶液培養(yǎng)基等進(jìn)行消毒滅菌。該方法核心設(shè)備蒸汽滅菌器在使用過(guò)程中帶有一定的壓力與溫度，如果發(fā)生損傷導(dǎo)致失效將對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重傷害。本文引入一個(gè)檢驗(yàn)出裂紋損傷的蒸汽滅菌器實(shí)例，對(duì)其裂紋損傷原因進(jìn)行強(qiáng)度校核、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕破裂、金相檢驗(yàn)等方面的分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)蒸汽滅菌器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用提出了改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：蒸汽滅菌器；損傷；晶間腐蝕；應(yīng)力腐蝕破裂

引言

高壓蒸汽滅菌法可殺滅包括芽胞在內(nèi)的所有微生物，是滅菌效果最好、應(yīng)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(nèi)，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(qiáng)的穿透力，有效殺菌。廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)，科研，農(nóng)業(yè)等單位，對(duì)醫(yī)療器械，敷料，玻璃器皿，溶液培養(yǎng)基等進(jìn)行消毒滅菌。高壓蒸汽滅菌法核心設(shè)備蒸汽滅菌器在使用過(guò)程中承載壓力及溫度循環(huán)載荷，容易產(chǎn)生損傷乃至失效從而危害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，分析蒸汽滅菌器的損傷失效模式對(duì)改進(jìn)其設(shè)計(jì)制造，防止事故有著積極的作用。

1 損傷實(shí)例

某公司于2011年04月購(gòu)買并投入使用一臺(tái)圓形蒸汽滅菌器，該圓形蒸汽滅菌器是2011年04月22日生產(chǎn)，設(shè)計(jì)使用年限是8年，主要設(shè)備參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力0.25MPa，工作壓力0.24MPa，設(shè)計(jì)溫度140℃，工作溫度138℃，材質(zhì)為奧氏體不銹鋼S30408（GB24511-2009），厚度為3mm，內(nèi)徑為600mm，使用介質(zhì)為蒸汽。在2013年的定期檢驗(yàn)中，未發(fā)現(xiàn)厚度減薄，但在滲透檢測(cè)（PT）時(shí)距內(nèi)筒弧頂弧長(zhǎng)470mm、距內(nèi)筒與封頭環(huán)焊縫210mm的內(nèi)筒內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)一條長(zhǎng)為19mm的裂紋（見(jiàn)圖1）。

圖1 缺陷位置示意圖

2 原因分析

2.1 強(qiáng)度校核

首先，我們分析一下這臺(tái)滅菌器受力情況并進(jìn)行強(qiáng)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(jù)GB150-1998，最大允許工作壓力計(jì)算公式如下：

通過(guò)資料審查，可以知道該滅菌器是根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》設(shè)計(jì)、制造，筒體采用相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接接頭，且經(jīng)100%無(wú)損檢測(cè)，所以焊縫系數(shù)？準(zhǔn)=1.0。而？啄e=3mm，Dt=600mm，設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力[？滓]t按GB150查表取值為137MPa。代入公式計(jì)算得[pw]=1.36MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于筒體的工作壓力0.24MPa；且如圖1所示，裂紋為環(huán)向裂紋，根據(jù)GB150我們知道，薄壁圓筒容器的經(jīng)向應(yīng)力為周向應(yīng)力的■，所以通過(guò)強(qiáng)度校核可以排除該裂紋損傷是由于強(qiáng)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(xué)穩(wěn)定性，但在敏化狀態(tài)，存在晶間腐蝕敏感性，并且條件合適的時(shí)候容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂，下面就這兩方面來(lái)分析一下該設(shè)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(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留，鋼中的碳會(huì)向奧氏體晶界擴(kuò)散，并在晶界處與鉻化合析出碳化鉻（Cr23C6），在碳化鉻兩側(cè)出現(xiàn)含鉻低于11.4%、厚度為數(shù)十至數(shù)百納米的貧鉻區(qū)，這樣的晶間對(duì)腐蝕介質(zhì)十分敏感。而上述滅菌器的工作溫度138℃，遠(yuǎn)未達(dá)到敏化溫度區(qū)間450～850℃，不是因?yàn)楣ぷ鳒囟葐?wèn)題導(dǎo)致滅菌器產(chǎn)生晶間腐蝕。該滅菌器是使用焊接方法（鎢極氬弧焊）生產(chǎn)的，焊接熱影響區(qū)會(huì)停留在敏化溫度區(qū)間，那么在焊接生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)不會(huì)產(chǎn)生貧鉻區(qū)呢？熱影響區(qū)的寬度與焊接方法線能量、板厚及焊接工藝有關(guān)，鎢極氬弧焊的特點(diǎn)就是熱量集中、熱影響區(qū)較小，而且板厚只有3mm，查閱相關(guān)資料可知熱影響區(qū)應(yīng)該為數(shù)個(gè)毫米。而裂紋損傷位置距內(nèi)筒與封頭環(huán)焊縫為210mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了焊接熱影響區(qū)的范圍，沒(méi)有產(chǎn)生貧鉻區(qū)的敏化溫度。所以該裂紋損傷應(yīng)該不是由晶間腐蝕產(chǎn)生的。

2.2.2 應(yīng)力腐蝕破裂（SCC）

金屬在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的破裂稱為應(yīng)力腐蝕破裂。對(duì)于應(yīng)力腐蝕破裂，機(jī)械化學(xué)假設(shè)認(rèn)為，對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的合金，在特定的腐蝕介質(zhì)中，其表面會(huì)形成一種保護(hù)膜。如果沒(méi)有應(yīng)力作用，就不會(huì)發(fā)生腐蝕破壞。但如果有應(yīng)力作用，特別是殘余應(yīng)力疊加或存在應(yīng)力集中部位，就會(huì)產(chǎn)生局部滑移，形成滑移臺(tái)階面，破壞保護(hù)膜，露出新的金屬表面。由于滑移臺(tái)階附近的滑移帶中堆集了大量的位錯(cuò)，甚至伴隨著孔洞及少量合金元素原子和雜質(zhì)原子在滑移帶上析出等，使滑移臺(tái)階處金屬活化，加速化學(xué)溶解，并形成電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極，保護(hù)膜未被破壞區(qū)則成為陰極。在發(fā)生表面滑移的陽(yáng)極溶解時(shí)放出的電子直接流入陰極，被電解質(zhì)中的H+所吸收而成為H，這樣促使電子不斷流動(dòng)，加快腐蝕速度，就造成吸氫腐蝕。應(yīng)力腐蝕破裂必須具備一定條件才能產(chǎn)生：（1）敏感金屬；（2）對(duì)應(yīng)于敏感金屬的特定介質(zhì)環(huán)境；（3）必須有應(yīng)力，特別是拉應(yīng)力分量的存在。

通過(guò)查閱該蒸汽滅菌器的操作記錄和該公司的生產(chǎn)工藝，我們知道該設(shè)備是用來(lái)消毒實(shí)驗(yàn)室用于進(jìn)行菌落總數(shù)和大腸桿菌檢測(cè)的器皿。而這兩項(xiàng)檢測(cè)，都需要用器皿裝入生理鹽水（NaCl溶液）到該臺(tái)滅菌器進(jìn)行滅菌而取得滅菌生理鹽水。滅菌的過(guò)程中，盛裝生理鹽水的器皿有時(shí)候會(huì)破裂，導(dǎo)致生理鹽水會(huì)流出來(lái)接觸到滅菌器筒體。奧氏體不銹鋼容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的環(huán)境見(jiàn)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(duì)形成了敏感金屬及其敏感的介質(zhì)環(huán)境。現(xiàn)在剩下第（3）點(diǎn)應(yīng)力水平，應(yīng)力是應(yīng)力腐蝕破裂的重要因素，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破裂的應(yīng)力不一定很大，試驗(yàn)表明，只要存在能引起滑移的的很低的應(yīng)力水平（奧氏體不銹鋼引起滑移的應(yīng)力水平大約0.2～0.3MPa），即可促使產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。該臺(tái)圓形蒸汽滅菌器筒體的生產(chǎn)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(yīng)力。另外，筒體在工作載荷下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力，滅菌器不斷地開(kāi)機(jī)停機(jī)也會(huì)產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力及溫差應(yīng)力。該臺(tái)設(shè)備的應(yīng)力因素十分復(fù)雜，不過(guò)我們可以肯定的是，該設(shè)備存在相應(yīng)的應(yīng)力水平。綜上所述，該設(shè)備滿足了應(yīng)力腐蝕破裂的三項(xiàng)條件，該裂紋損傷很可能屬于應(yīng)力腐蝕破裂。

表1 奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的環(huán)境

2.2.3 金相檢驗(yàn)

奧氏體不銹鋼的氯離子（Cl-）應(yīng)力腐蝕裂紋的金相圖片是典型的樹(shù)枝狀穿晶型裂紋。檢驗(yàn)人員對(duì)裂紋檢出部位進(jìn)行了機(jī)械打磨，用王水腐蝕后進(jìn)行金相檢驗(yàn)。金相組織顯示該處為奧氏體組織，裂紋呈樹(shù)枝狀擴(kuò)展具有穿晶的特點(diǎn)，并由粗逐漸變細(xì)，末端出現(xiàn)相鄰隔斷的應(yīng)力開(kāi)裂裂紋（見(jiàn)圖2）。這個(gè)金相圖片與奧氏體不銹鋼的氯離子（Cl-）應(yīng)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(yīng)力腐蝕破裂。

3 改進(jìn)方法探討

應(yīng)力腐蝕引起的失效是一種低應(yīng)力脆性斷裂，其引起的破壞在事先往往沒(méi)有明顯的變形預(yù)兆，突然發(fā)生斷裂，故危害性很大，避免應(yīng)力腐蝕破裂顯得尤其重要。

由前面分析我們知道，應(yīng)力腐蝕破裂的三個(gè)必要因素是敏感材料、特定介質(zhì)、應(yīng)力水平，要想避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂就要避免這三個(gè)因素同時(shí)出現(xiàn)。首先，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免存在產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置，生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)避免因?yàn)槔涑尚秃秃附赢a(chǎn)生的殘余應(yīng)力。其次，應(yīng)避免金屬材料與介質(zhì)組成敏感金屬與特定的腐蝕環(huán)境，盡量選用對(duì)介質(zhì)環(huán)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(yīng)力腐蝕破裂最有效的措施。這臺(tái)蒸汽滅菌器，筒體使用的奧氏體不銹鋼S30408，工作介質(zhì)為蒸汽，本不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂，但因?yàn)楣に囈笥眠@臺(tái)蒸汽滅菌器對(duì)生理鹽水（NaCl溶液）滅菌，而裝NaCl溶液的玻璃瓶在高溫滅菌過(guò)程中會(huì)破裂，導(dǎo)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(huán)境，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。所以在設(shè)計(jì)、挑選設(shè)備時(shí)，應(yīng)對(duì)使用設(shè)備的工藝有一定的了解，針對(duì)工藝過(guò)程挑選合適的設(shè)備，才能最大限度避免應(yīng)力腐蝕破裂的產(chǎn)生。

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