滅菌器防范應(yīng)力腐蝕措施及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

黎天標(biāo) 楊俊強(qiáng) 黃博偉

（廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院 廣州510000）

隨著醫(yī)療食品行業(yè)的快速發(fā)展和人們生活水平的迅速提高，人們對(duì)醫(yī)療和食品等行業(yè)的衛(wèi)生要求也隨之提高，滅菌器的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。蒸汽滅菌器屬于壓力容器，其運(yùn)行加載工況復(fù)雜，屬于生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生開(kāi)裂失效，可能危及人身和財(cái)產(chǎn)安全，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故，特別是在人口稠密的醫(yī)院，一旦出現(xiàn)事故，危害非常嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)研究人員通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)手段并結(jié)合有限元分析，研究了滅菌器內(nèi)筒與門圈法蘭連接焊縫部門開(kāi)裂失效的原因，總結(jié)失效開(kāi)裂的裂紋機(jī)理，歸納出氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是滅菌器發(fā)生開(kāi)裂失效的直接原因[1]。因而控制應(yīng)力腐蝕對(duì)于滅菌器的安全使用起著至關(guān)重要的作用，下面從使用管理、制造和設(shè)計(jì)優(yōu)化三方面總結(jié)控制應(yīng)力腐蝕的措施。

1 使用管理方面

1.1 嚴(yán)格控制介質(zhì)中的氯離子含量

在滅菌器的日常使用中，往往出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的現(xiàn)象，而介質(zhì)敏感材料、腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力是導(dǎo)致滅菌器發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的三個(gè)主要因素。氯離子是一種強(qiáng)腐蝕性離子，屬于腐蝕介質(zhì)，介質(zhì)中氯離子的含量超標(biāo)，是導(dǎo)致滅菌器發(fā)生腐蝕從而出現(xiàn)失效的重要原因之一，因而有必要控制與滅菌器直接接觸的介質(zhì)所含的氯離子含量，定期檢測(cè)滅菌器用介質(zhì)中的氯離子含量，是控制氯離子腐蝕的最直接手段，首先應(yīng)定期檢測(cè)氯離子濃度，嚴(yán)格控制氯離子含量不超過(guò)規(guī)范的限值，檢測(cè)中若發(fā)現(xiàn)氯離子超標(biāo)時(shí)，應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢測(cè)，并查找超標(biāo)原因，整改合格后方可再投入使用；其次，可采用耐氯離子防腐涂料，將含氯離子介質(zhì)和滅菌器進(jìn)行有效的隔離；對(duì)于其他含有氯離子的其他物料，應(yīng)采取有效的隔離措施，不得在滅菌處理過(guò)程中濺出污染滅菌器，從而引起腐蝕致使滅菌器失效；另外，要定期做好清潔工作。每次使用后，應(yīng)及時(shí)清理滅菌器，特別是內(nèi)筒和焊縫部位，防止外溢殘留物造成氯離子腐蝕。

1.2 使用運(yùn)行管理

滅菌器的日常使用管理，對(duì)滅菌器的防腐也起著至關(guān)重要的作用，建立運(yùn)行管理制度，并嚴(yán)格按照相關(guān)法律法規(guī)的要求使用，包括：（1）對(duì)于日常運(yùn)行發(fā)現(xiàn)的缺陷，要及時(shí)委托有資質(zhì)的公司進(jìn)行修復(fù)，避免缺陷擴(kuò)大從而造成滅菌器失效；（2）落實(shí)使用責(zé)任制，操作人員嚴(yán)格按照規(guī)范的要求持證上崗，在每次使用中建立相應(yīng)臺(tái)賬，做到誰(shuí)使用誰(shuí)負(fù)責(zé)的責(zé)任制。（3）編制滅菌器的操作流程，并嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行上崗培訓(xùn)，避免滅菌器的日常使用因操作人員的個(gè)人操作水平而影響滅菌器的正常使用；（4）建立滅菌器的設(shè)備臺(tái)賬，特別是原始資料如設(shè)計(jì)文件、產(chǎn)品合格證、產(chǎn)品質(zhì)量證明文件、安裝竣工材料及使用保養(yǎng)說(shuō)明等資料，以便后期改造維修及檢驗(yàn)中做到有據(jù)可查；（5）做好定期維護(hù)保養(yǎng)及日常安全檢查工作，有必要時(shí)委托有資質(zhì)的公司對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理，并加強(qiáng)日常的檢查工作，對(duì)易腐蝕部位進(jìn)行定期檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)處理。

1.3 做好定期檢驗(yàn)工作

使用單位應(yīng)嚴(yán)格遵守國(guó)家法律法規(guī)的規(guī)定，在定期檢驗(yàn)到期前，要及時(shí)委托有資質(zhì)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)滅菌器進(jìn)行定期檢驗(yàn)[2]，確保滅菌器在使用過(guò)程中產(chǎn)生的腐蝕等缺陷得到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)。在日常運(yùn)行中，若發(fā)現(xiàn)滅菌器運(yùn)行異常，應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷的，應(yīng)及時(shí)按照相關(guān)法規(guī)對(duì)缺陷進(jìn)行修復(fù)，并按照要求再次檢驗(yàn)合格后，方可投入使用。

1.4 人員培訓(xùn)教育

滅菌器作為特種承壓設(shè)備，具有一定的危險(xiǎn)性，操作不當(dāng)容易引起安全事故。對(duì)滅菌器操作人員的培訓(xùn)教育，主要包括特種設(shè)備作業(yè)人員證書培訓(xùn)和使用單位的內(nèi)部培訓(xùn)兩方面。（1）特種設(shè)備作業(yè)人員證書培訓(xùn)，滅菌器的操作人員必須要做到百分比持證上崗，所有操作人員，應(yīng)經(jīng)過(guò)培訓(xùn)，并取得相應(yīng)操作證書后，方可上崗操作；（2）使用單位內(nèi)部應(yīng)該對(duì)滅菌器作業(yè)人員進(jìn)行內(nèi)部的安全教育培訓(xùn)，并邀請(qǐng)?jiān)O(shè)備方對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行設(shè)備操作培訓(xùn)，確保作業(yè)人員具備相應(yīng)的滅菌器安全操作技能和故障處理能力，使滅菌器能安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2 設(shè)計(jì)和制造優(yōu)化方面

應(yīng)力集中腐蝕是滅菌器失效的重要原因之一，因而有必要制定相應(yīng)的改變應(yīng)力集中的措施。

2.1 滅菌器制造材料優(yōu)化

對(duì)滅菌器進(jìn)行設(shè)計(jì)制造時(shí)，為避免應(yīng)力集中腐蝕，應(yīng)選擇具有更好韌性和足夠強(qiáng)度的材料，盡量?jī)?yōu)先選用高鎳奧氏體不銹鋼、高純鐵素體不銹鋼等耐氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的材料。在結(jié)構(gòu)的連接處，應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)線膨脹系數(shù)和彈性模量值相差較大材料的相互連接，材料性能不連續(xù)的結(jié)構(gòu)容易引起附加應(yīng)力。

應(yīng)力集中主要集中在孔和缺口等形狀突然幾何形狀突變處，焊接焊縫往往容易產(chǎn)生氣泡、裂紋等缺陷。因而在設(shè)計(jì)選材時(shí)，要確保焊縫質(zhì)量，應(yīng)優(yōu)先選用具有良好焊接性能的中低強(qiáng)度鋼，以避免造成焊接缺陷和延遲裂紋；能采用全焊透的采用全焊透工藝，確保焊縫處處于低應(yīng)力水平。

2.2 滅菌器結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化

結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計(jì)對(duì)于消除應(yīng)力集中起著至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)的合理性能大大減少滅菌器在使用過(guò)程中出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)場(chǎng)。然而，在實(shí)際的應(yīng)用設(shè)計(jì)過(guò)程中，要避免幾何形狀或載荷完全不連續(xù)的容器是不可能的?？梢宰龅?，就是在設(shè)計(jì)階段盡可能減少各種不必要的不連續(xù)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，盡量減少滅菌器結(jié)構(gòu)上的倒圓和倒角等容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，盡可能延長(zhǎng)圓弧的圓角半徑尺寸，在必須要出現(xiàn)的尖角位置進(jìn)行圓角或者縮放。接管與滅菌器的連接處在制造條件許可時(shí)采用整體鍛造工藝或者采用接管補(bǔ)強(qiáng)方法，當(dāng)需要采用補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，器厚度應(yīng)盡量與滅菌器或接管的厚度相一致，避免在滅菌器上出現(xiàn)垂直于容器壁的集中載荷。當(dāng)集中載荷不可避免時(shí)，則宜在容器上設(shè)置墊板以使載荷盡量均勻、分散。

2.3 滅菌器的結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化

由殼體的應(yīng)力分析可知，球殼的應(yīng)力分布最為合理，盡量向應(yīng)力分布最合理的球殼靠近，降低邊緣應(yīng)力。使滅菌器的各元件的幾何形狀與球殼相接近，使各元件的應(yīng)力分布合理，減少幾何機(jī)構(gòu)上的突變，盡量減少滅菌器結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)。機(jī)構(gòu)上能設(shè)計(jì)成球形的不采用圓筒形，封頭能采用半圓形的不采用橢圓形。在滅菌器的機(jī)構(gòu)上，盡量減少不必要的接管，焊接的容易破壞結(jié)構(gòu)延續(xù)性的現(xiàn)象。同時(shí)，要避免在焊縫附近開(kāi)孔等情況，支座或其他約束件的設(shè)置，應(yīng)符合滅菌器的受力情況，減少應(yīng)力集中。支座等的設(shè)置應(yīng)盡量避免對(duì)元件產(chǎn)生垂直方向的支承反力。

2.4 對(duì)滅菌器焊接工藝優(yōu)化

焊接工藝對(duì)于滅菌器的影響尤為重要，在滅菌器的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，避免不了焊接連接工藝，合理的焊接工藝，能大大降低應(yīng)力集中，提高滅菌器的安全性。在直邊、法蘭或者嵌入式接管等焊接過(guò)程中，能采用對(duì)接式的焊接工藝應(yīng)盡量采用對(duì)接式，與角接式相比，對(duì)接式能有效避免應(yīng)力集中。另外，在角焊縫上，應(yīng)采用平滑的過(guò)渡，焊接中應(yīng)采用合理的焊接材料，焊接后不降低母材的強(qiáng)度，同時(shí)，要合理使用合適的焊接工藝，焊機(jī)過(guò)程中盡可能避免出現(xiàn)降低焊接接頭的應(yīng)力值的現(xiàn)場(chǎng)。在焊接時(shí)，應(yīng)采用多層多道焊降低焊接殘余應(yīng)力，并采用焊后熱處理的工藝降低應(yīng)力集中。

另外，要盡可能避免焊接過(guò)程中出現(xiàn)氣泡、裂縫、咬邊等焊接缺陷，從而影響容器的質(zhì)量，咬邊、裂紋等出現(xiàn)的形狀突變處，往往容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且該焊縫缺陷是造成滅菌器失效的重要原因之一。盡管國(guó)標(biāo)中規(guī)定了部分特殊的容器不得有咬邊的存在，但從整個(gè)滅菌器的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)看，從減少應(yīng)力集中這個(gè)角度出發(fā)，國(guó)內(nèi)容器應(yīng)進(jìn)一步向國(guó)外看齊，提高容器產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，增加在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力度[3]。另外，焊接過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程中的工藝操作和工藝條件，提高焊縫的質(zhì)量，減少不必要的應(yīng)力集中現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)預(yù)防滅菌器的腐蝕有直接的作用。

焊后對(duì)接接頭表面應(yīng)與母材表面齊平，去除余高，角焊縫不應(yīng)留有凸度，要磨成圓角，與母材圓滑過(guò)渡；接管與容器的相對(duì)位置應(yīng)采用徑向正交，填角焊表面應(yīng)打磨成圓滑過(guò)渡；伸入容器殼壁內(nèi)的接管端面內(nèi)側(cè)應(yīng)打磨成圓角；焊縫外形應(yīng)盡量連續(xù)、圓滑，減少應(yīng)力集中。

在焊接接頭焊接完成后，應(yīng)對(duì)焊后的余高進(jìn)行處理，余高的存在滅菌器的安全運(yùn)行有著重要的影響。因?yàn)橛喔叩拇嬖?，使得焊縫表面的幾何形狀出現(xiàn)了不連續(xù)性，這種不連續(xù)性，極容易造成局部的應(yīng)力集中，給滅菌器的安全運(yùn)行帶來(lái)影響。因此，在焊后完成后，應(yīng)采用修磨等方法將余高去除，避免出現(xiàn)局部應(yīng)力，同時(shí)也使焊縫外觀與母材保持一致。

余高的存在不僅會(huì)縮短滅菌器的使用壽命，還會(huì)給滅菌器的安全運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，處理不好會(huì)造成人員傷亡的情況。因此，國(guó)內(nèi)、外標(biāo)準(zhǔn)（如JB4732）都作出了相關(guān)規(guī)定，所有需要疲勞分析設(shè)計(jì)的容器均應(yīng)將余高去除，使焊縫表面與母材表面保持齊平一致。而對(duì)無(wú)需疲勞分析設(shè)計(jì)的容器，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都允許保留一定量的余高，盡管如何，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，我們應(yīng)盡可能將焊縫余高去除，使焊縫表面與母材表面保持一致，去掉余高，可以有效減少局部的應(yīng)力集中，提高滅菌器的使用壽命和安全，同時(shí)也利于安全檢驗(yàn)開(kāi)展的無(wú)損檢測(cè)操作，保證防腐涂料的涂敷質(zhì)量，進(jìn)而提高產(chǎn)品的水平，從而提高產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。另外焊縫表面存在咬邊、裂紋、氣泡、夾雜等缺陷，是造成焊縫開(kāi)裂的疲勞裂紋源。這些因焊接缺陷造成的裂紋源，會(huì)在局部應(yīng)力的作用下延伸并最終導(dǎo)致整個(gè)滅菌器失效。

3 結(jié)論

滅菌器的安全運(yùn)行，對(duì)于企業(yè)的安全生產(chǎn)乃至整個(gè)社會(huì)的繁榮穩(wěn)定起著重要的作用。應(yīng)力腐蝕是造成滅菌器開(kāi)裂失效的主要原因，通過(guò)優(yōu)化前期的設(shè)計(jì)制造，選用合適的材料，選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，消除焊接應(yīng)力等措施和后期的安全運(yùn)行管理對(duì)滅菌器的安全運(yùn)行都缺一不可，做好各個(gè)環(huán)節(jié)，才能更大程度地實(shí)現(xiàn)滅菌器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，推動(dòng)整個(gè)社會(huì)安全發(fā)展。