矩形脈動(dòng)真空滅菌器內(nèi)腔開裂原因

謝柳輝, 呂 浩, 周勝金, 陳 虎, 肖冬飛, 楊中志

(1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院東莞檢測(cè)院, 東莞 523120； 2.東莞市特種設(shè)備檢測(cè)與節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心有限公司, 東莞 523120)

2019年6月在對(duì)東莞市某醫(yī)院一臺(tái)矩形脈動(dòng)真空滅菌器進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該滅菌器內(nèi)腔存在4條肉眼可見的裂紋。此滅菌器為夾套式結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔長、寬、高分別為1 500,680,1 180 mm，于2010年6月5日投入使用，其設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、材料等基本信息如表1所示。為了找到滅菌器內(nèi)腔裂紋的產(chǎn)生原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了宏觀分析、金相檢驗(yàn)和光譜分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

滅菌器內(nèi)腔有4條肉眼可見的裂紋，編號(hào)分別為1，2，3，4，其位置及宏觀形貌如圖1所示。裂紋1位于內(nèi)腔左壁，呈弧形，中間寬、兩端細(xì)，方向與折彎同向，長度約10 mm，其中心離左壁前側(cè)邊緣約350 mm，與底部垂直距離約50 mm，其宏觀形貌如圖1d)所示;裂紋2位于內(nèi)腔左壁，長度約15 mm，其中心離裂紋1中心距離約190 mm，與底部垂直距離約50 mm;裂紋3位于內(nèi)腔右壁，長度約20 mm，其中心與后壁垂直距離約350 mm，與頂部垂直距離約50 mm;裂紋4位于內(nèi)腔右壁，主體呈直線型，裂紋一端出現(xiàn)分叉，中間寬度明顯大于兩端的，長度約15 mm，其中心與裂紋3中心距離約190 mm，與頂部垂直距離約50 mm，其宏觀形貌如圖1e)所示。滅菌器內(nèi)腔右壁可以明顯觀察到右壁外表面與加強(qiáng)筋支撐結(jié)構(gòu)的斷續(xù)焊接痕跡。4條裂紋中心均離內(nèi)腔兩內(nèi)壁折彎約50 mm，且均位于所在加強(qiáng)筋支撐結(jié)構(gòu)與內(nèi)腔外表面的焊接起始處。

表1 滅菌器的基本信息Tab.1 Basic information of sterilizer

圖1 滅菌器內(nèi)腔裂紋位置及其宏觀形貌Fig.1 Location and macro morphology of cracks in inner cavity of sterilizer:a) cracks distribution diagram; b) location diagram of crack 1 and 2; c) location diagram of crack 3 and 4;d) morphology of crack 1; e) morphology of crack 4

圖2 滅菌器內(nèi)腔裂紋1處的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of crack 1 in inner cavity of sterilizer:a) at low magnification; b) position 1 at medium magnification; c) position 2 at medium magnification; d) at high magnification

1.2 金相檢驗(yàn)

采用復(fù)膜金相技術(shù)對(duì)該滅菌器內(nèi)腔裂紋1進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相組織復(fù)膜，再采用DM6M型金相顯微鏡對(duì)復(fù)膜金相進(jìn)行觀察[1-2]，其顯微組織形貌如圖2所示?？芍w為均勻等軸奧氏體組織。由圖2a)可見顯微組織中存在大量走向一致的裂紋，方向與內(nèi)腔折彎的一致；由圖2b)～c)可見主裂紋附近存在大量樹枝狀細(xì)裂紋;由圖2d)可見裂紋主要呈穿晶擴(kuò)展,為典型的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂形貌[3-5]。

1.3 光譜分析

滅菌器內(nèi)腔的材料為SUS304不銹鋼，屬日本材料標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)[6]。采用手持式光譜儀對(duì)滅菌器內(nèi)腔裂紋1、裂紋4及遠(yuǎn)離裂紋處進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。可見滅菌器內(nèi)腔的材料滿足JIS G 4303：2012StainlessSteelBars對(duì)SUS304不銹鋼化學(xué)成分的要求，其鉻、鎳和錳元素的含量均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

表2 滅菌器內(nèi)腔材料的光譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Spectrum analysis results of the material of sterilizer innercavity (mass fraction) %

1.4 工作介質(zhì)分析

采用761 Compact IC型離子色譜儀對(duì)滅菌器水蒸氣冷卻液進(jìn)行陰離子濃度測(cè)量，可知滅菌器工作介質(zhì)呈弱堿性，pH為7.22，氯離子含量為39 mg·L-1。

2 分析與討論

從受力方面分析，滅菌器內(nèi)腔裂紋處主要受3方面應(yīng)力作用。一是受內(nèi)腔外表面與加強(qiáng)筋斷續(xù)焊的焊接殘余應(yīng)力作用，滅菌器內(nèi)腔與外套通過加強(qiáng)筋焊接連接在一起，內(nèi)腔與加強(qiáng)筋采用斷續(xù)焊焊接[7]，每條加強(qiáng)筋兩端分別距內(nèi)腔折彎約50 mm；二是受內(nèi)腔彎折機(jī)械加工及焊接成型應(yīng)力作用，內(nèi)腔是由鋼板彎折后焊接而成，因彎折對(duì)裝存在的誤差會(huì)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，在折彎50 mm處，即加強(qiáng)筋焊接起始處因結(jié)構(gòu)突變?cè)斐蓱?yīng)力集中；三是受滅菌器工作應(yīng)力作用，脈動(dòng)真空滅菌器工作時(shí)，夾套內(nèi)一直通有壓力為0.21 MPa左右的水蒸氣用來加熱內(nèi)腔，內(nèi)腔內(nèi)則經(jīng)歷多次抽真空、加熱、滅菌、干燥等工作過程，因此內(nèi)腔受脈動(dòng)循壞載荷作用，且此滅菌器是矩形結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力位于內(nèi)腔折彎處[8-9]。

從工作介質(zhì)方面分析，滅菌器水蒸氣冷卻液中氯離子含量為39 mg·L-1，工作介質(zhì)中的氯離子濃度雖然不高，但會(huì)在介質(zhì)流動(dòng)不暢、結(jié)構(gòu)突變等處殘留、濃縮。

從材料方面分析，滅菌器內(nèi)壁材料為SUS304不銹鋼，其中鉻元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為18.12%，鎳元素含量為8.02%。鎳元素含量在8%～12%時(shí)，奧氏體不銹鋼開裂敏感性最大。

綜上所述，在滅菌器內(nèi)腔與加強(qiáng)筋焊接起始處受到較大焊接殘余應(yīng)力及成形焊接應(yīng)力，并因內(nèi)腔折彎的結(jié)構(gòu)突變?cè)斐蓱?yīng)力集中。在滅菌器加強(qiáng)筋阻流的作用下，水蒸氣附著殘留量增大，使得氯離子在結(jié)構(gòu)突變處或焊接缺陷處不斷聚集濃縮，而氯離子水溶液是300系列不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感介質(zhì)。滅菌器奧氏體不銹鋼內(nèi)腔長期在殘余應(yīng)力和氯離子環(huán)境作用下，發(fā)生起始于內(nèi)腔與加強(qiáng)筋焊接起始應(yīng)力集中處的應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論及建議

滅菌器內(nèi)腔與加強(qiáng)筋不連續(xù)焊接處存在焊接殘余應(yīng)力，且靠近內(nèi)腔彎折處局部存在應(yīng)力集中；滅菌器內(nèi)腔的工作介質(zhì)中含有氯離子,而氯離子水溶液是300系列不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感介質(zhì)。滅菌器內(nèi)腔在加工及焊接殘余應(yīng)力、含氯離子介質(zhì)等因素的綜合作用下發(fā)生起始于靠近內(nèi)腔彎折的焊接起始處的應(yīng)力腐蝕開裂。針對(duì)此次開裂事故提出以下建議。

(1) 優(yōu)化加強(qiáng)筋與內(nèi)腔焊接位置與結(jié)構(gòu)，避免內(nèi)腔折彎與加強(qiáng)筋焊接起始處兩種結(jié)構(gòu)突變疊加的情況。內(nèi)腔與加強(qiáng)筋焊接后做整體去應(yīng)力熱處理，盡量消除焊接殘余應(yīng)力及機(jī)加工成型應(yīng)力的影響。

(2) 使用單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工作介質(zhì)中氯離子的凈化處理，降低工作介質(zhì)中的氯離子含量。定期對(duì)滅菌器進(jìn)行安全檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)泄漏、裂紋等異常情況時(shí)，立即停止使用，并上報(bào)單位安全管理部門。

(3) 制造單位應(yīng)采用滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)等無損檢測(cè)手段增加對(duì)此類產(chǎn)品內(nèi)腔彎折處表面裂紋的檢測(cè)，避免因冷成形加工造成表面開裂缺陷。

(4) 檢測(cè)機(jī)構(gòu)在開展此類矩形脈動(dòng)真空滅菌器定期檢測(cè)時(shí)，除重點(diǎn)檢查開孔接管處、底部導(dǎo)軌焊接處等部位外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)內(nèi)腔折彎附近與加強(qiáng)筋焊接起始處的檢查。