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      矩形培養(yǎng)基滅菌器側(cè)板局部腐蝕研究

      2024-01-11 08:33:16
      中國特種設(shè)備安全 2023年12期
      關(guān)鍵詞:彎曲應(yīng)力滅菌器側(cè)板

      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。

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