矩形脈動(dòng)真空滅菌器內(nèi)室裂紋分析

黃 健

(廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西南寧530219)

2017年2月，本人參與了我院安排的對(duì)南寧市某醫(yī)院到期檢驗(yàn)報(bào)檢的1臺(tái)脈動(dòng)真空滅菌器進(jìn)行定期檢驗(yàn)，在對(duì)滲透無損檢測(cè)（PT）時(shí)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)室下部折彎有多處斷續(xù)的裂紋和氣孔。本文對(duì)本次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了分析。

1 容器的基本狀況

該容器為全電腦脈動(dòng)真空滅菌器，形狀結(jié)構(gòu)：臥式矩形，雙層結(jié)構(gòu)（分為內(nèi)室和夾套）；規(guī)格：680 mm×1 480 mm×1 660 mm；主體材質(zhì)：內(nèi)筒體，S30408/6 mm，夾套：Q245R/8 mm；工況：工作介質(zhì)為水蒸汽，工作壓力為0.25 MPa，工作溫度：135℃.

2 檢驗(yàn)過程與發(fā)現(xiàn)

2.1 宏觀檢查

在本次定期檢驗(yàn)的宏觀檢查時(shí)，內(nèi)室對(duì)接焊縫已打磨平整，發(fā)現(xiàn)底部有積液，在內(nèi)室下部折彎附近有泄漏痕跡，肉眼觀察未能發(fā)現(xiàn)具體缺陷位置。

2.2 滲透無損檢測(cè)（PT）

宏觀檢查完畢，根據(jù)懷疑部位對(duì)矩形內(nèi)室四個(gè)方位的折彎部位（寬200 mm）進(jìn)行無損檢測(cè)，由于是不銹鋼材質(zhì)，選取滲透檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在內(nèi)室下部折彎處發(fā)現(xiàn)多處斷續(xù)的裂紋和氣孔，如圖1所示。

圖1 滲透無損檢測(cè)（PT）

2.3 金相檢驗(yàn)

由于該臺(tái)滅菌器使用單位已經(jīng)決定不用，故對(duì)內(nèi)室裂紋部位取樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，該滅菌器內(nèi)室材質(zhì)為S30408，金相組織為奧氏體，通過高倍顯微鏡可見裂紋的斷裂方主要是穿晶的，也有沿晶的，晶界的連接遭到破壞，如圖2所示。

圖2 裂紋金相圖

2.4 化學(xué)成分分析

對(duì)滅菌器底部的殘夜取樣，帶回院里進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)水成分里面含有氯離子。說明高溫蒸汽含有Cl-、Na+，凝結(jié)后存在于底部的殘夜中。

3 奧氏體不銹鋼材料特性

3.1 奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分

該滅菌器內(nèi)室所用材料為奧氏體不銹鋼，成分如表1.

表1 奧氏體不銹鋼主要化學(xué)成分（wt.%）

3.2 奧氏體不銹鋼的顯微組織圖[1]

奧氏體不銹鋼的顯微組織圖見圖3.

圖3 奧氏體不銹鋼顯微組織

3.3 奧氏體不銹鋼材料特性

不銹鋼耐蝕性的基本原因（機(jī)理）是鈍化膜理論[2]。所謂鈍化膜就是在不銹鋼的表面有一層以Cr2O3為主的薄膜[2]。一般情況下，有了這層膜的保護(hù)，使不銹鋼具有一定的耐腐蝕性，不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于12%.當(dāng)溫度升高時(shí)，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度。因?yàn)槭覝貢r(shí)碳在奧氏體中的熔解度很小，約為0.02%～0.03%，而一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過此值，故多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如（CrFe）23C8等。但是由于鉻的擴(kuò)散速度較小，來不及向晶界擴(kuò)散，所以在晶間所形成的碳化鉻所需的鉻主要不是來自奧氏體晶粒內(nèi)部，而是來自晶界附近，結(jié)果就使晶界附近的含鉻量大為減少，當(dāng)晶界的鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低到小于12%時(shí)，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”，在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)就會(huì)失去耐腐蝕能力，而產(chǎn)生晶間腐蝕。不銹鋼去應(yīng)力處理是消除不銹鋼在冷加工或焊接后的殘余應(yīng)力的熱處理工藝一般加熱到300～350℃回火。對(duì)取于不含穩(wěn)定化元素Ti、Nb的鋼，加熱溫度不超過450℃，以免析出鉻的碳化物而引起晶間腐蝕。

4 缺陷分析

4.1 應(yīng)力腐蝕分析

脈動(dòng)真空滅菌器的工作過程較為復(fù)雜，主要分為以下幾個(gè)階段：（1）首先脈動(dòng)抽真空階段，設(shè)定脈動(dòng)次數(shù)反復(fù)抽真空，內(nèi)室壓力承受從-0.098 MPa～0.1 MPa的交變載荷，徹底排除內(nèi)室的空氣，以滅菌效果（2）升壓升溫階段，夾套預(yù)先已進(jìn)入蒸汽，夾套內(nèi)蒸汽壓力已達(dá)到0.21 MPa，當(dāng)內(nèi)室壓力抽到-0.098 MPa時(shí)，打開進(jìn)汽閥，內(nèi)室壓力從-0.098 MPa至0.21 MPa.（3）滅菌階段，壓力一直保持在0.21 MPa.（4）排汽階段，壓力從0.21 MPa降至常壓。從以上滅菌器的工作流程看，由于內(nèi)室在整個(gè)階段中承受的是交變載荷，所以產(chǎn)生疲勞問題。另外本脈動(dòng)真空滅菌器為雙層結(jié)構(gòu)（分為內(nèi)室和夾套），內(nèi)室材料為S30408奧氏體不銹鋼材料，厚度為6 mm，夾套為Q245R，厚度為8 mm，為了使內(nèi)室和夾套的剛度穩(wěn)定，需要在兩者之間焊上加強(qiáng)筋，內(nèi)室四個(gè)方位折彎處剛好為內(nèi)室斷續(xù)焊接部位，這樣就使得加強(qiáng)筋和內(nèi)壁的斷續(xù)焊縫和熱影響區(qū)易產(chǎn)生應(yīng)力集中。另外通過了解情況，該滅菌器消毒主要是手術(shù)用的面料布料，在這線面料布料在預(yù)清洗消毒時(shí)，都會(huì)用到含Cl-的溶液，比如次氯酸鈉等。消毒滅菌過程中和結(jié)束后因清理不及時(shí)，Cl-就會(huì)在內(nèi)壁上聚集，奧氏體不銹鋼最怕Cl-，雖然Cl-的半徑非常小，但其穿透力極強(qiáng)，Cl-能在奧氏體的晶間與不銹鋼中Cr生成鉻化物，在晶間上造成貧鉻區(qū)，使不銹鋼在晶間發(fā)生率先發(fā)生腐蝕，奧氏體不銹鋼在拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)的共同作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。所以經(jīng)PT檢測(cè)出現(xiàn)了斷續(xù)的裂紋顯示，這與之前分析的相吻合。

4.2 點(diǎn)蝕

本次檢驗(yàn)中，PT檢測(cè)除了發(fā)現(xiàn)多處斷續(xù)的裂紋外，還發(fā)現(xiàn)大量的氣孔，經(jīng)過分析由點(diǎn)腐蝕引起。前面提到由于物料中含有Cl-、Na+離子。一般認(rèn)為發(fā)生點(diǎn)蝕的第一步是在鈍化金屬表面上局部吸附具有侵蝕性的陰離子。點(diǎn)腐蝕坑的過程的如圖4所示[1]。

圖4 點(diǎn)腐蝕過程

5 結(jié)論

脈動(dòng)真空滅菌器內(nèi)室折彎處為豎加強(qiáng)筋末端與內(nèi)殼焊接區(qū)，造成應(yīng)力集中，而且脈動(dòng)真空滅菌器是間歇性工作狀態(tài)，承受交變載荷，內(nèi)室應(yīng)力集中處容易出現(xiàn)疲勞。滅菌物料遺留有Cl-離子，存在有特定的腐蝕介質(zhì)，以上幾項(xiàng)是造成應(yīng)力腐蝕裂紋的因素。

本次PT發(fā)現(xiàn)的大量氣孔說明雖然奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性，但在特定的環(huán)境（比如Cl-，Na+超標(biāo)）作用下，在長(zhǎng)期使用過程中仍然會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕，點(diǎn)腐蝕的存在造成了氣孔的產(chǎn)生，時(shí)間一長(zhǎng)，夾套和內(nèi)室就會(huì)漏氣，影響滅菌效果。

[1]蔡林.316L奧氏體不銹鋼箱式儲(chǔ)罐應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生機(jī)理研究[D].天津：天津大學(xué)，2015.

[2]郭新剛，宋鵬濤，王永寧.奧氏體不銹鋼的腐蝕機(jī)理研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(17)：8-9.