矩形培養(yǎng)基滅菌器側(cè)板局部腐蝕研究

李 飛

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院連云港分院 連云港 222000）

2020 年9 月30 日，國家市場監(jiān)督管理總局在全國范圍內(nèi)開展快開門式壓力容器專項(xiàng)隱患排查治理工作，防范系統(tǒng)性風(fēng)險，遏制重特大事故發(fā)生。為了有效排查和消除特種設(shè)備事故隱患，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全，連云港市安排了特種設(shè)備安全隱患大排查大整治行動，對各類滅菌器（快開門式壓力容器）使用單位進(jìn)行了監(jiān)督抽查。檢查發(fā)現(xiàn)食用菌行業(yè)的培養(yǎng)基滅菌器存在較多安全隱患，主要是該類滅菌器主體為碳鋼材質(zhì)，在蒸汽長時間作用下，表面油漆防護(hù)層起皮剝落，局部腐蝕較為嚴(yán)重，尤其是底部有物料裝載車進(jìn)出及有冷凝水積聚，腐蝕尤為嚴(yán)重，有的存在重大安全隱患。

本文結(jié)合矩形培養(yǎng)基滅菌器的設(shè)備特點(diǎn)，依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對側(cè)板局部腐蝕情況做了研究，并提出了腐蝕防護(hù)措施及定期檢驗(yàn)要點(diǎn)，對降低設(shè)備腐蝕失效風(fēng)險和開展定期檢驗(yàn)具有一定的參考意義。

1 引言

食用菌是指可供食用的大型真菌，俗稱蘑菇。常見的食用菌有雙孢蘑菇、香菇、牛肝菌、羊肚菌等[1]。食用菌含有豐富的蛋白質(zhì)和氨基酸，其含量是一般蔬菜和水果的幾倍到幾十倍。隨著國內(nèi)外市場對食用菌需求及品質(zhì)要求的提高，食用菌生產(chǎn)已經(jīng)向工廠化、規(guī)?；l(fā)展。

在食用菌制種和栽培過程中，無菌操作非常重要，是熟料栽培成功的關(guān)鍵。無菌操作涉及滅菌和消毒。滅菌又稱滅活，是消除物體內(nèi)、外一切微生物的方法，而消毒是用一定的方法清除物體表面的微生物。熟料栽培的培養(yǎng)料必須經(jīng)過滅菌處理，才能去除培養(yǎng)料中的雜菌，確保栽培成功[2]。

一般培養(yǎng)基可用121 ℃保持20 min 即可達(dá)到滅菌效果，可把菌絲營養(yǎng)體、孢子、芽孢全部殺死。但如果基質(zhì)內(nèi)含有葡萄糖等物質(zhì)則應(yīng)用115 ℃保持20 min 為宜，否則過高溫度會破壞營養(yǎng)物，而產(chǎn)生有毒物質(zhì)不利于食用菌生長。含菌量較大而且含水量較少，需要更高溫度和更長時間滅菌。

目前，食用菌的培養(yǎng)基滅菌多采用大型矩形壓力蒸汽滅菌器，工作壓力一般為0.15 MPa，滅菌工作介質(zhì)為飽和水蒸氣，采用真空系統(tǒng)強(qiáng)制抽出滅菌室內(nèi)的空氣，再導(dǎo)入飽和蒸汽，然后再次抽真空，再次導(dǎo)入蒸汽，如此反復(fù)幾次，達(dá)到盡可能排空空氣的目的，最后一次進(jìn)汽到滅菌溫度，并維持該溫度（壓力）一定的時間。當(dāng)飽和純蒸汽與被滅菌物接觸時利用散熱原理導(dǎo)致細(xì)菌微生物的蛋白質(zhì)變性死亡，從而達(dá)到滅菌作用。也可采用下排汽/重力轉(zhuǎn)換的方式排出滅菌室內(nèi)的空氣，然后滅菌，但這種方式排除空氣的效率沒有抽真空型的好，一般只用于不適合抽真空的工況。

滅菌室大的截面寬高超過2.5 m，長度超過15 m，容積可達(dá)上百立方米，屬快開門式壓力容器。采用矩形主要是為了方便物料裝載和有效利用空間，結(jié)構(gòu)型式基本為GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3 部分：設(shè)計》中附錄 A.5.1.1 中圖1 所示的單層外加強(qiáng)的對稱矩形截面容器[3]。加強(qiáng)件焊接固定在筒體上、下、左、右4 個方向，形成方形。為了保證強(qiáng)度，這種壓力容器的加強(qiáng)件設(shè)置密集才能達(dá)到所需的強(qiáng)度，因整機(jī)金屬耗用量非常大[4]，考慮制造成本一般筒體采用碳錳鋼Q345R，壁厚10 mm 左右，筒體內(nèi)表面涂刷油漆防腐處理。定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)很多設(shè)備使用一段時間后，容器底部多發(fā)局部腐蝕減薄，局部剩余厚度會小于強(qiáng)度計算書的有效厚度。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)及向制造單位了解，矩形壓力容器和圓筒形壓力容器（回轉(zhuǎn)體，受力均勻）不同，其不同截面的不同部位受力不同，有些部位的組合應(yīng)力水平很低，且主要以彎曲應(yīng)力為主，壁板的局部減薄對組合截面的慣性矩的影響較小，當(dāng)校核組合應(yīng)力合格時可不用處理，但要加強(qiáng)防護(hù)，勤于檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

圖1 外加強(qiáng)的對稱矩形截面容器

2 矩形培養(yǎng)基滅菌器的運(yùn)行特點(diǎn)和腐蝕成因

培養(yǎng)基滅菌器在使用時，除了有自動傳送線的，培養(yǎng)基是裝瓶或裝袋放在多輛車架上由人工推入或叉車送入的，而且培養(yǎng)基的滅菌周期一般都很長，大約4 ～10 h，漆膜在壓力蒸汽長時間周期作用下很容易被蒸汽穿透，進(jìn)而鼓泡起皮脫落，失去隔離保護(hù)作用導(dǎo)致腐蝕的產(chǎn)生。由于重力作用，水蒸氣冷凝后流到滅菌器下側(cè)板很大的平面上不能及時排盡，即使在滅菌結(jié)束后底部大部分區(qū)域也會有殘留冷凝水，開門進(jìn)出料，接觸空氣（氧氣），從而產(chǎn)生局部腐蝕，非自動傳送線的滅菌器由于操作人員和車輛的進(jìn)出加劇了下側(cè)板表面的破壞和腐蝕的擴(kuò)展，使得下側(cè)板腐蝕大大超出設(shè)計預(yù)期。筒體內(nèi)表面底部腐蝕見圖2。

圖2 筒體內(nèi)表面底部腐蝕

進(jìn)蒸汽擋板焊接不良時有沖刷，尤其轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生沖刷腐蝕，見圖3。

圖3 沖刷腐蝕

蒸汽冷凝水為弱酸性或中性，底部大面積腐蝕為吸氧腐蝕，其機(jī)理為[5]：

負(fù)極（Fe)：Fe-2e=Fe2+

正極：O2＋2H2O ＋4e=4OH-

總反應(yīng)：2Fe ＋O2＋2H2O=2Fe（OH)2

腐蝕生成的Fe（OH)2被氧氣氧化，生成Fe（OH)3后脫水生成Fe2O3鐵銹。

4Fe（OH)2+O2+2H2O=4Fe（OH)3

2Fe（OH)3=Fe2O3+3H2O

沖刷腐蝕是高速蒸汽的機(jī)械破壞和電化學(xué)腐蝕這兩種作用共同破壞的結(jié)果，為局部腐蝕。

3 矩形培養(yǎng)基滅菌器的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

矩形截面壓力容器作為非回轉(zhuǎn)型容器，其應(yīng)力分布較回轉(zhuǎn)型容器復(fù)雜，其受力以彎曲應(yīng)力為主，薄膜應(yīng)力大約是最大彎曲應(yīng)力的1/10，當(dāng)截面寬、高相近時，每個側(cè)邊受力接近固支梁。

由于培養(yǎng)基滅菌器截面絕大部分在2 000 mm×2 000 mm ～2 400 mm×2 400 mm 之間，截面寬、高接近，一般長邊側(cè)板和短邊側(cè)板的厚度及加強(qiáng)件也取相同，即對邊和鄰邊具有相同的慣性矩?，F(xiàn)以截面寬、高相等情況對組合截面彎曲應(yīng)力作簡化分析如下：

當(dāng)截面寬、高相等（長邊等于短邊），即圖1中h=H時，GB/T 150.3—2011 中附錄A 表A.1 計算參數(shù)表中α=H/h=1、h1=H1、α1=H1/h1=1、k=α=1，根據(jù)GB/T 150.3—2011 中附錄A 表A.5“側(cè)板上焊接接頭處彎曲應(yīng)力計算公式”A.6 欄M 和Q 之間的公式，壁板距離其中點(diǎn)dj處組合截面內(nèi)外表面的彎曲應(yīng)力σb為：

式中：

pc——計算壓力，MPa；

I21——在有效寬度為W范圍內(nèi)厚度為δ2側(cè)板與加強(qiáng)件組合截面慣性矩，mm4；

k，α1——參數(shù)；

c——側(cè)板與加強(qiáng)件組合截面中性軸至計算截面內(nèi)表面的距離ci或至計算截面外表面的距離co。

在對內(nèi)、外表面的彎曲應(yīng)力計算中，應(yīng)分別以ci或co代入，其余符號請參見GB/T 150.3—2011 中附錄A.2。

式中：

I11——在有效寬度為W范圍內(nèi)厚度為δ1側(cè)板與加強(qiáng)件組合截面慣性矩，mm4。

對中點(diǎn)M、N，x=0，代入得σb（x)=-σ0，此處組合截面外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓；

對角點(diǎn)P、Q，x=1，代入得σb（x)=2σ0，此處組合截面外側(cè)受壓、內(nèi)側(cè)受拉；

當(dāng)σb（x)=0 時，，此處組合截面彎曲應(yīng)力最小，是布置焊縫最佳位置；

當(dāng)σb（x)=σ0時，，彎曲應(yīng)力分布如圖4 所示。

圖4 彎曲應(yīng)力分布圖

由圖4 可見，在側(cè)邊中間約80%的區(qū)域，側(cè)板所受彎曲應(yīng)力最大值小于另外20%區(qū)域的最小值，最大值相差1 倍。也就是說當(dāng)兩邊強(qiáng)度滿足時，中間約80%的區(qū)域有較大安全裕量。

根據(jù)GB/T 150.3—2011 中附錄A 的公式A-62和參考文獻(xiàn)6 的結(jié)論1，限制加強(qiáng)件間距是為了限制兩加強(qiáng)件之間那部分殼體（側(cè)板）中的應(yīng)力水平。這部分殼體中的應(yīng)力只與加強(qiáng)件的間距和殼體（側(cè)板）壁厚有關(guān)[6]，對在用設(shè)備而言，加強(qiáng)件的間距已經(jīng)確定，加強(qiáng)件之間側(cè)板中的應(yīng)力水平則由側(cè)板剩余厚度決定，當(dāng)發(fā)生均勻腐蝕時需要根據(jù)側(cè)板剩余厚度校核允許的加強(qiáng)件間距是否還大于實(shí)際加強(qiáng)件間距；而僅有局部腐蝕時不需要校核允許的加強(qiáng)件間距，需要校核局部腐蝕部位的組合應(yīng)力。

由于培養(yǎng)基滅菌器的加強(qiáng)件與側(cè)板采用間斷焊且不與介質(zhì)接觸，且實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn)腐蝕呈多區(qū)域散發(fā)，與側(cè)板縱環(huán)縫位置沒有相關(guān)性，大面積均勻腐蝕不是本文重點(diǎn)討論范圍（可能需要根據(jù)加強(qiáng)件間距和剩余有效厚度反算最高允許工作壓力，降壓使用或報廢處理）。

4 矩形培養(yǎng)基滅菌器定期檢驗(yàn)中側(cè)板局部腐蝕的檢驗(yàn)要點(diǎn)

1）側(cè)板局部腐蝕宏觀檢驗(yàn)。采用目視方法（必要時利用放大鏡或者其他輔助儀器設(shè)備、測量工具) 檢驗(yàn)壓力容器表面情況（如裂紋、腐蝕、泄漏、變形)，以及焊縫、接管、油漆表面等，做好記錄。

2）側(cè)板局部腐蝕部位壁厚測定。壁厚測定，一般采用超聲測厚方法，重點(diǎn)檢驗(yàn)底部的進(jìn)汽口、排水口、低凹處以及截面拐角等易受腐蝕、沖蝕的部位、制造成型時壁厚減薄部位和使用中易產(chǎn)生變形及磨損的部位、接管部位等，記錄局部腐蝕部位、深度及大小。

3）側(cè)板表面缺陷檢測。采用NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4 部分：磁粉檢測》中的磁粉檢測方法檢測側(cè)板表面缺陷。

4）側(cè)板局部腐蝕部位安全狀況等級評定。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（簡稱規(guī)程）中“8.5.7 腐蝕”，對有腐蝕的壓力容器，按照以下要求評定安全狀況等級[7]：

（1）分散的點(diǎn)腐蝕，如果腐蝕深度不超過名義壁厚扣除腐蝕裕量后的1/3，不影響定級；如果在任意200 mm 直徑的范圍內(nèi)，點(diǎn)腐蝕的面積之和不超過4 500 mm2，或者沿任一直線的點(diǎn)腐蝕長度之和不超過50 mm，不影響定級；

（2）均勻腐蝕，如果按照剩余壁厚（實(shí)測壁厚最小值減去至下次檢驗(yàn)日期的腐蝕量)強(qiáng)度校核合格的，不影響定級；經(jīng)過補(bǔ)焊合格的，可以定為2 級或者3 級；

（3）局部腐蝕，腐蝕深度超過壁厚余量的，需要校核局部腐蝕部位的組合應(yīng)力，校核合格的，不影響定級；經(jīng)過補(bǔ)焊合格的，可以定為2 級或者3 級，注意規(guī)程第8.5.4 條“凹坑”無量綱參數(shù)不適合矩形容器。

因矩形滅菌器在設(shè)計時留有一定的安全系數(shù)（按最危險強(qiáng)度條件設(shè)計，大部分區(qū)域安全裕量較高），且設(shè)備壓力不高，當(dāng)局部腐蝕造成設(shè)備壁厚減薄時，如按照規(guī)程 8.3.11（6）強(qiáng)度校核合格的，可暫不處理，但要按照規(guī)程 8.1.7.1（1）縮短檢驗(yàn)周期。

5 腐蝕的防護(hù)

為減輕筒體內(nèi)表面底部腐蝕，可以采取如下措施：1）調(diào)整滅菌器水平度，使底部殘留冷凝水能及時排盡。2）提高筒體內(nèi)表面底部漆膜等保護(hù)層防腐質(zhì)量。3）減少人為操作和車輛進(jìn)出設(shè)備內(nèi)部對防腐保護(hù)層的破壞，例如車輪使用橡塑等非金屬材料且接觸面寬。

為防止蒸汽擋板沖刷腐蝕，需要優(yōu)化擋板設(shè)計和提高擋板焊接質(zhì)量，例如蒸汽使用管式分布，可避免直接沖刷側(cè)板且進(jìn)汽均勻性更好，進(jìn)汽分布管的位置不宜布置在應(yīng)力最高的4 個角附近。

6 安全使用應(yīng)注意的問題

規(guī)范設(shè)備管理制度：1)制定合理的滅菌器維護(hù)保養(yǎng)制度，延長設(shè)備的使用壽命；2)完善運(yùn)行記錄制度，定期了解設(shè)備腐蝕情況，及早發(fā)現(xiàn)問題，及早采取措施；3)建立專管人員制度。

7 結(jié)束語

對于以碳錳鋼為主要制造材料的矩形培養(yǎng)基滅菌器，其使用方式?jīng)Q定了側(cè)板局部腐蝕不可避免，尤其是底部的腐蝕速率高于預(yù)期，使用時一定要加強(qiáng)管理，設(shè)專人定期檢查設(shè)備的腐蝕情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施。除此以外，建議廠家采購滅菌器時，除考慮價格因素，還要考慮更多的使用操作安全風(fēng)險等因素，采用不銹鋼或復(fù)合鋼板等抗腐蝕能力強(qiáng)的材料制造培養(yǎng)基滅菌器，保證產(chǎn)品使用更安全。