谢柳辉1,吕 浩1,周胜金1,陈 虎2,肖冬飞2,杨中志1
(1.广东省特种设备检测研究院东莞检测院,东莞 523120; 2.东莞市特种设备检测与节能技术服务中心有限公司,东莞 523120)
摘 要:某医院矩形脉动真空灭菌器内腔发生开裂事故,通过宏观分析、金相检验和光谱分析等 方法,结合工作介质,对内腔开裂的原因进行了分析。结果表明:灭菌器内腔与加强筋不连续焊接 处存在焊接残余应力,且靠近内腔弯折处存在局部应力集中现象;灭菌器内腔的工作介质中含有氯 离子,而氯离子水溶液是300系列不锈钢发生应力腐蚀开裂的敏感介质。灭菌器内腔在焊接残余 应力、含氯离子介质等因素的综合作用下发生起始于靠近内腔弯折的焊接起始处的应力腐蚀开裂。
关键词:矩形脉动真空灭菌器;内腔;残余应力;应力集中;裂纹 中图分类号:TG156.7 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)03-0065-03
2019年6月在对东莞市某医院一台矩形脉动 真空灭菌器进行定期检验时,发现该灭菌器内腔存 在4条肉眼可见的裂纹。此灭菌器为夹套式结构, 内腔长、宽、高分别为1500,680,1180mm,于2010 年6月5日投入使用,其设计压力、设计温度、材料 等基本信息如表1所示。为了找到灭菌器内腔裂纹 的产生原因,笔者对其进行了宏观分析、金相检验和 光谱分析。
1 理化检验
1.1 宏观分析
灭菌器内腔有4条肉眼可见的裂纹,编号分别 为1,2,3,4,其位置及宏观形貌如图1所示。裂纹1 位于内腔左壁,呈弧形,中间宽、两端细,方向与折弯 同向,长 度 约 10 mm,其 中 心 离 左 壁 前 侧 边 缘 约 350mm,与底部垂直距离约50mm,其宏观形貌如 图1d)所示;裂纹2位于内腔左壁,长度约15mm, 其中心离裂纹1中心距离约190 mm,与底部垂直 距 离 约 50mm;裂 纹3位 于 内 腔 右 壁 ,长 度 约20mm,其中心与后壁垂直距离约350mm,与顶部 垂直距离约50 mm;裂纹4位于内腔右壁,主体呈 直线型,裂纹一端出现分叉,中间宽度明显大于两端 的,长 度 约 15 mm,其 中 心 与 裂 纹 3 中 心 距 离 约 190mm,与顶部垂直距离约50mm,其宏观形貌如 图1e)所示。灭菌器内腔右壁可以明显观察到右壁 外表面与加强筋支撑结构的断续焊接痕迹。4条裂 纹中心均离内腔两内壁折弯约50mm,且均位于所 在加强筋支撑结构与内腔外表面的焊接起始处。
1.2 金相检验
采用复膜金相技术对该灭菌器内腔裂纹1进行 现场金相组织复膜,再采用 DM6M 型金相显微镜对 复膜金相进行观察[1-2],其显微组织形貌如图 2 所 示。可知,基体为均匀等轴奥氏体组织。由图2a) 可见显微组织中存在大量走向一致的裂纹,方向与 内腔折弯的一致;由图2b)~c)可见主裂纹附近存在大量树枝状细裂纹;由图2d)可见裂纹主要呈穿 晶扩展,为典型的氯化物应力腐蚀开裂形貌[3-5]。
1.3 光谱分析
灭菌器内腔的材料为 SUS304不锈钢,属日本 材料标准牌号[6]。采用手持式光谱仪对灭菌器内腔 裂纹1、裂纹4及远离裂纹处进行化学成分分析,结 果如表2所示。可见灭菌器内腔的材料满足JISG 4303:2012StainlessSteelBars 对 SUS304不锈钢 化学成分的要求,其铬、镍和锰元素的含量均在标准 规定的范围内。
1.4 工作介质分析
采用761CompactIC型离子色谱仪对灭菌器水 蒸气冷却液进行阴离子浓度测量,可知灭菌器工作介 质呈弱碱性,pH 为7.22,氯离子含量为39mg·L -1。
2 分析与讨论
从受力方面分析,灭菌器内腔裂纹处主要受3 方面应力作用。一是受内腔外表面与加强筋断续焊 的焊接残余应力作用,灭菌器内腔与外套通过加强 筋焊接连 接 在 一 起,内 腔 与 加 强 筋 采 用 断 续 焊 焊 接[7],每条加强筋两端分别距内腔折弯约50 mm; 二是受内腔弯折机械加工及焊接成型应力作用,内 腔是由钢板弯折后焊接而成,因弯折对装存在的误 差会产生较大内应力,在折弯50mm 处,即加强筋 焊接起始处因结构突变造成应力集中;三是受灭菌 器工作应力作用,脉动真空灭菌器工作时,夹套内一 直通有压力为0.21 MPa左右的水蒸气用来加热内 腔,内腔内则经历多次抽真空、加热、灭菌、干燥等工 作过程,因此内腔受脉动循坏载荷作用,且此灭菌器 是矩形结构,最大应力位于内腔折弯处[8-9]。 从工作介质方面分析,灭菌器水蒸气冷却液中 氯离子含量为39mg·L -1,工作介质中的氯离子浓 度虽然不高,但会在介质流动不畅、结构突变等处残 留、浓缩。 从材料方面分析,灭菌器内壁材料为 SUS304 不锈 钢,其 中 铬 元 素 含 量 (质 量 分 数,下 同 )为 18.12%,镍 元 素 含 量 为 8.02%。 镍 元 素 含 量 在 8%~12%时,奥氏体不锈钢开裂敏感性最大。 综上所述,在灭菌器内腔与加强筋焊接起始处 受到较大焊接残余应力及成形焊接应力,并因内腔 折弯的结构突变造成应力集中。在灭菌器加强筋阻 流的作用下,水蒸气附着残留量增大,使得氯离子在 结构突变处或焊接缺陷处不断聚集浓缩,而氯离子 水溶液是300系列不锈钢发生应力腐蚀开裂的敏感 介质。灭菌器奥氏体不锈钢内腔长期在残余应力和 氯离子环境作用下,发生起始于内腔与加强筋焊接 起始应力集中处的应力腐蚀开裂。
3 结论及建议
灭菌器内腔与加强筋不连续焊接处存在焊接残 余应力,且靠近内腔弯折处局部存在应力集中;灭菌 器内腔的工作介质中含有氯离子,而氯离子水溶液 是300系列不锈钢发生应力腐蚀开裂的敏感介质。 灭菌器内腔在加工及焊接残余应力、含氯离子介质 等因素的综合作用下发生起始于靠近内腔弯折的焊 接起始处的应力腐蚀开裂。针对此次开裂事故提出 以下建议。 (1)优化加强筋与内腔焊接位置与结构,避免 内腔折弯与加强筋焊接起始处两种结构突变叠加的 情况。内腔与加强筋焊接后做整体去应力热处理, 尽量消除焊接残余应力及机加工成型应力的影响。 (2)使用单位应加强对工作介质中氯离子的净 化处理,降低工作介质中的氯离子含量。定期对灭 菌器进行安全检查,当发现泄漏、裂纹等异常情况 时,立即停止使用,并上报单位安全管理部门。 (3)制造单位应采用渗透检测、涡流检测等无 损检测手段增加对此类产品内腔弯折处表面裂纹的 检测,避免因冷成形加工造成表面开裂缺陷。 (4)检测机构在开展此类矩形脉动真空灭菌器 定期检测时,除重点检查开孔接管处、底部导轨焊接 处等部位外,还应加强对内腔折弯附近与加强筋焊 接起始处的检查。
来源：材料与测试网