矩形蒸汽滅菌器失效模式分析及改進(jìn)措施

嚴(yán)智勇

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

矩形蒸汽滅菌器失效模式分析及改進(jìn)措施

嚴(yán)智勇

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

矩形蒸汽滅菌器作為杏鮑菇食用菌生產(chǎn)過程中的核心設(shè)備之一，其在使用過程中所承受的壓力和溫度是交替循環(huán)變化的，極易對(duì)設(shè)備造成損壞甚至發(fā)生嚴(yán)重破壞的事故，進(jìn)而危及操作人員的生命安全，對(duì)矩形蒸汽滅菌器的可能發(fā)生的破壞情況進(jìn)行分析，對(duì)改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和預(yù)防發(fā)生事故有著積極的作用。

矩形蒸汽滅菌器；沖刷磨損；腐蝕；焊縫開裂

1 引言

食用菌產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)集生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益為一身的適用于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)短平快發(fā)展的項(xiàng)目在中國農(nóng)村得以迅速發(fā)展，同時(shí)也成為中國種植業(yè)中的一項(xiàng)重要支柱產(chǎn)業(yè)。近幾年，杏鮑菇是中國產(chǎn)業(yè)化食用菌家族中的后起之秀，因其質(zhì)地脆嫩，具有一股淡淡的杏仁香味，適合保鮮、加工和烹調(diào)，深受消費(fèi)者歡迎,杏鮑菇的產(chǎn)量在這幾年迅速增長。而矩形蒸汽滅菌器作為杏鮑菇食用菌生產(chǎn)過程中的核心設(shè)備之一，其在使用過程中所承受的壓力和溫度是交替循環(huán)變化的，極易對(duì)設(shè)備造成損壞甚至發(fā)生嚴(yán)重破壞的事故，進(jìn)而危及操作人員的生命安全，對(duì)矩形蒸汽滅菌器可能發(fā)生的破壞情況進(jìn)行分析，對(duì)改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和預(yù)防發(fā)生事故有著積極的作用。

2 案例分析

漳州某食用菌廠在2012年1月購買并投入使用六臺(tái)矩形蒸汽滅菌器，設(shè)計(jì)使用年限為8年，主要設(shè)備參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力0.2MPa，工作壓力0.15MPa，設(shè)計(jì)溫度134℃，工作溫度127℃，材質(zhì)為Q345R，厚度為10.0mm，矩形截面尺寸為2200mm×2200mm，使用介質(zhì)為水蒸汽和菇包。在2015年的首次定期檢驗(yàn)[1]中，該批滅菌器的前后門板的左右下角存在不同程度的蜂窩狀腐蝕（如圖1），腐蝕深度最深達(dá)5.0mm以上，以及前門板底部焊縫存在不同長度（長度達(dá)560mm-1360mm）的肉眼可見的斷裂情況（如圖2），筒體內(nèi)表面底部都存在大面積沖刷磨損腐蝕坑（如圖3所示），面積占底部40%以上，最小剩余厚度小于筒體的有效厚度，無法滿足容器的安全使用要求。

圖1 蜂窩狀腐蝕

圖2 焊縫開裂

3 原因分析

3.1 沖刷磨損和腐蝕分析

該批滅菌器的蒸汽進(jìn)汽管分布在筒體的內(nèi)表面底部左右兩側(cè)，滅菌時(shí)蒸汽由兩側(cè)噴向裝有菇包的小推車，由于推車的底部高度較低，蒸汽噴向推車的過程中容易形成漩渦，導(dǎo)致對(duì)底板產(chǎn)生沖刷磨損，形成磨損凹坑。另外，此類滅菌器由于體積較大，一般設(shè)有多個(gè)排污口，用于滅菌后快速排除設(shè)備內(nèi)的積水，在安裝的過程中一般會(huì)將各個(gè)排污管并聯(lián)到同一根排污主管，由于排污主管的截面積小于各個(gè)排污管的截面積之和，在排污的過程中也會(huì)對(duì)排污口附近的底板產(chǎn)生沖刷磨損，形成磨損凹坑。加上在蒸汽加熱滅菌過程中菇包中的酸性物質(zhì)受熱揮發(fā)（經(jīng)測(cè)定PH值在3-4之間）與冷凝水一起滴落至底板，在底板的磨損凹陷處匯集。滅菌器筒體采用的材質(zhì)為Q345R，該材質(zhì)雖然具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，但是耐酸性一般，滴落匯集的冷凝水中的酸性物質(zhì)與鋼板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)鋼板產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致最小剩余壁厚小于筒體的有效厚度。

由于滅菌器的蒸汽進(jìn)汽管的前后管頭部位開了一個(gè)小孔（如圖3所示），在滅菌的過程中蒸汽一直對(duì)前后門板的左右下角進(jìn)行沖刷，日積月累產(chǎn)生蜂窩狀腐蝕，加上由于管理不到位，在剛開始產(chǎn)生腐蝕時(shí)，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，最終導(dǎo)致腐蝕加重，腐蝕深度達(dá)5.0mm以上。而進(jìn)汽管管頭部位未開孔的滅菌器，其前后門板則未產(chǎn)生蜂窩狀腐蝕。因此，前后門板的蜂窩狀腐蝕是由于進(jìn)汽管的開孔不當(dāng)引起的。

圖3 沖刷磨損坑

圖4 進(jìn)汽管管頭開孔

3.2 焊縫邊緣開裂

壓力容器在制造時(shí)，在焊接過程中，由于焊縫區(qū)必然產(chǎn)生焊接變形，而工件剛性大，不易隨之變形，存在較大的焊接殘余應(yīng)力，而又沒有經(jīng)過焊后熱處理進(jìn)行消除，則這些殘余應(yīng)力也會(huì)直接或間接地導(dǎo)致設(shè)備的損壞。壓力容器如果存在較大的焊接應(yīng)力，再加上使用壓力下產(chǎn)生的應(yīng)力。經(jīng)過反復(fù)加載，局部就會(huì)產(chǎn)生裂紋最終使設(shè)備破壞[2]。該批矩形蒸汽滅菌器的門板是由Q345R鋼板和門框焊接而成的，由于是不等厚板之間進(jìn)行焊接，厚板又沒有進(jìn)行削薄處理，在焊接的過程中由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)形成較高的焊接殘余應(yīng)力。

一般情況，壓力容器在以下幾種情形下會(huì)形成交變應(yīng)力：

（1）周期性的運(yùn)行和停機(jī)導(dǎo)致壓力載荷周期性變化；

（2）使用過程中設(shè)備溫度周期性變化；

（3）使用過程中壓力波動(dòng)；

（4）外來的載荷周期性變化；

（6）壓力容器膨脹和收縮因受到約束無法正常進(jìn)行。

顯然，該批滅菌器的工作環(huán)境和條件完全符合以上情況，在交變應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的雙重作用下，在受力嚴(yán)重的部位由于超過其承載能力導(dǎo)致產(chǎn)生細(xì)微的裂紋，在運(yùn)行過程中裂紋不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致焊縫開裂。

4 改進(jìn)措施探討

該批滅菌器的蒸汽進(jìn)汽管布置在底部，容易造成沖刷磨損坑，為了避免此類情況的繼續(xù)發(fā)生，建議在設(shè)計(jì)制造時(shí)，可以將進(jìn)汽管設(shè)置在筒體的中部，進(jìn)汽口設(shè)置成水平或向上，避免因在狹窄空間中產(chǎn)生漩渦，造成沖刷磨損；同時(shí)，為了避免對(duì)門板造成沖刷磨損，盡量不要在進(jìn)汽管的管頭部位開孔。同時(shí)，為了減少在排污口附近產(chǎn)生類似情況，在安裝的過程中排污總管的截面積應(yīng)大于各個(gè)排污管的截面積的總和，或者應(yīng)每根排污管單獨(dú)排放。

不等厚板之間進(jìn)行焊接往往容易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，焊接時(shí)在滿足壓力容器強(qiáng)度要求的情況下，最好能夠?qū)癜暹M(jìn)行削薄處理，如果制造條件允許的話，在焊接后進(jìn)行焊后熱處理，從而降低焊接殘余應(yīng)力。由于矩形蒸汽滅菌器的工作條件所限，在使用的過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力。因此，只有在制造的時(shí)候盡量降低焊接殘余應(yīng)力，才能最大限度地避免焊縫開裂，從而延長設(shè)備的使用壽命。

[1]強(qiáng)天鵬.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京：新華出版社，2008.

[2]王文群.碳鋼焊接裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施.中國科技財(cái)富：2008.5：111-112.

Failure Mode Analysis and Improvement Measures of Rectangular Steam Sterilizer

YAN Zhi-Yong
(Fujian Boiler and pressure vessel Inspection and Research Institute Zhangzhou SUB-Institute, Zhangzhou 363000, Fujian, China)

The rectangular steam sterilizer is one of the core equipment in the production of Pleurotus eryngii quel, The pressure and temperature in which it is used vary alternately, damage to the equipment easily, and then harm to the operating personnel. To analyze the damage of rectangular steam sterilizer, improve the structure design have a positive effect on the accident prevention.

Rectangular steam sterilizer; Erosive wear; Corrosion; Weld crack

2017-04-11

嚴(yán)智勇，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，壓力容器檢驗(yàn)師，工程師，碩士