滅菌器防范應力腐蝕措施及結構優化分析

黎天標 楊俊強 黃博偉

（廣州特種承壓設備檢測研究院 廣州510000）

隨著醫療食品行業的快速發展和人們生活水平的迅速提高，人們對醫療和食品等行業的衛生要求也隨之提高，滅菌器的應用變得越來越廣泛。蒸汽滅菌器屬于壓力容器，其運行加載工況復雜，屬于生產工藝中的關鍵設備，一旦發生開裂失效，可能危及人身和財產安全，造成嚴重的生產安全事故，特別是在人口稠密的醫院，一旦出現事故，危害非常嚴重。國內研究人員通過多種實驗手段并結合有限元分析，研究了滅菌器內筒與門圈法蘭連接焊縫部門開裂失效的原因，總結失效開裂的裂紋機理，歸納出氯離子應力腐蝕開裂是滅菌器發生開裂失效的直接原因[1]。因而控制應力腐蝕對于滅菌器的安全使用起著至關重要的作用，下面從使用管理、制造和設計優化三方面總結控制應力腐蝕的措施。

1 使用管理方面

1.1 嚴格控制介質中的氯離子含量

在滅菌器的日常使用中，往往出現應力腐蝕開裂的現象，而介質敏感材料、腐蝕介質和應力是導致滅菌器發生應力腐蝕開裂的三個主要因素。氯離子是一種強腐蝕性離子，屬于腐蝕介質，介質中氯離子的含量超標，是導致滅菌器發生腐蝕從而出現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所含的氯離子含量，定期檢測滅菌器用介質中的氯離子含量，是控制氯離子腐蝕的最直接手段，首先應定期檢測氯離子濃度，嚴格控制氯離子含量不超過規范的限值，檢測中若發現氯離子超標時，應及時停機檢測，并查找超標原因，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，將含氯離子介質和滅菌器進行有效的隔離；對于其他含有氯離子的其他物料，應采取有效的隔離措施，不得在滅菌處理過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，應及時清理滅菌器，特別是內筒和焊縫部位，防止外溢殘留物造成氯離子腐蝕。

1.2 使用運行管理

滅菌器的日常使用管理，對滅菌器的防腐也起著至關重要的作用，建立運行管理制度，并嚴格按照相關法律法規的要求使用，包括：（1）對于日常運行發現的缺陷，要及時委托有資質的公司進行修復，避免缺陷擴大從而造成滅菌器失效；（2）落實使用責任制，操作人員嚴格按照規范的要求持證上崗，在每次使用中建立相應臺賬，做到誰使用誰負責的責任制。（3）編制滅菌器的操作流程，并嚴格按照操作流程進行上崗培訓，避免滅菌器的日常使用因操作人員的個人操作水平而影響滅菌器的正常使用；（4）建立滅菌器的設備臺賬，特別是原始資料如設計文件、產品合格證、產品質量證明文件、安裝竣工材料及使用保養說明等資料，以便后期改造維修及檢驗中做到有據可查；（5）做好定期維護保養及日常安全檢查工作，有必要時委托有資質的公司對設備進行維護管理，并加強日常的檢查工作，對易腐蝕部位進行定期檢查，發現問題，及時處理。

1.3 做好定期檢驗工作

使用單位應嚴格遵守國家法律法規的規定，在定期檢驗到期前，要及時委托有資質的檢驗機構對滅菌器進行定期檢驗[2]，確保滅菌器在使用過程中產生的腐蝕等缺陷得到及時的發現。在日常運行中，若發現滅菌器運行異常，應及時停機檢測，發現缺陷的，應及時按照相關法規對缺陷進行修復，并按照要求再次檢驗合格后，方可投入使用。

1.4 人員培訓教育

滅菌器作為特種承壓設備，具有一定的危險性，操作不當容易引起安全事故。對滅菌器操作人員的培訓教育，主要包括特種設備作業人員證書培訓和使用單位的內部培訓兩方面。（1）特種設備作業人員證書培訓，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，應經過培訓，并取得相應操作證書后，方可上崗操作；（2）使用單位內部應該對滅菌器作業人員進行內部的安全教育培訓，并邀請設備方對作業人員進行設備操作培訓，確保作業人員具備相應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運行。

2 設計和制造優化方面

應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的改變應力集中的措施。

2.1 滅菌器制造材料優化

對滅菌器進行設計制造時，為避免應力集中腐蝕，應選擇具有更好韌性和足夠強度的材料，盡量優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力腐蝕開裂的材料。在結構的連接處，應盡可能避免出現線膨脹系數和彈性模量值相差較大材料的相互連接，材料性能不連續的結構容易引起附加應力。

應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生氣泡、裂紋等缺陷。因而在設計選材時，要確保焊縫質量，應優先選用具有良好焊接性能的中低強度鋼，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力水平。

2.2 滅菌器結構形狀優化

結構形狀的設計對于消除應力集中起著至關重要的作用，設計的合理性能大大減少滅菌器在使用過程中出現的應力腐蝕現場。然而，在實際的應用設計過程中，要避免幾何形狀或載荷完全不連續的容器是不可能的?？梢宰龅?，就是在設計階段盡可能減少各種不必要的不連續。在設計的過程中，盡量減少滅菌器結構上的倒圓和倒角等容易產生應力集中的不連續結構，盡可能延長圓弧的圓角半徑尺寸，在必須要出現的尖角位置進行圓角或者縮放。接管與滅菌器的連接處在制造條件許可時采用整體鍛造工藝或者采用接管補強方法，當需要采用補強圈時，器厚度應盡量與滅菌器或接管的厚度相一致，避免在滅菌器上出現垂直于容器壁的集中載荷。當集中載荷不可避免時，則宜在容器上設置墊板以使載荷盡量均勻、分散。

2.3 滅菌器的結構型式優化

由殼體的應力分析可知，球殼的應力分布最為合理，盡量向應力分布最合理的球殼靠近，降低邊緣應力。使滅菌器的各元件的幾何形狀與球殼相接近，使各元件的應力分布合理，減少幾何機構上的突變，盡量減少滅菌器結構上的不連續。機構上能設計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。在滅菌器的機構上，盡量減少不必要的接管，焊接的容易破壞結構延續性的現象。同時，要避免在焊縫附近開孔等情況，支座或其他約束件的設置，應符合滅菌器的受力情況，減少應力集中。支座等的設置應盡量避免對元件產生垂直方向的支承反力。

2.4 對滅菌器焊接工藝優化

焊接工藝對于滅菌器的影響尤為重要，在滅菌器的設計制造過程中，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程中，能采用對接式的焊接工藝應盡量采用對接式，與角接式相比，對接式能有效避免應力集中。另外，在角焊縫上，應采用平滑的過渡，焊接中應采用合理的焊接材料，焊接后不降低母材的強度，同時，要合理使用合適的焊接工藝，焊機過程中盡可能避免出現降低焊接接頭的應力值的現場。在焊接時，應采用多層多道焊降低焊接殘余應力，并采用焊后熱處理的工藝降低應力集中。

另外，要盡可能避免焊接過程中出現氣泡、裂縫、咬邊等焊接缺陷，從而影響容器的質量，咬邊、裂紋等出現的形狀突變處，往往容易產生應力集中，而且該焊縫缺陷是造成滅菌器失效的重要原因之一。盡管國標中規定了部分特殊的容器不得有咬邊的存在，但從整個滅菌器的行業競爭來看，從減少應力集中這個角度出發，國內容器應進一步向國外看齊，提高容器產品的外觀質量，增加在國際市場競爭力度[3]。另外，焊接過程應嚴格遵守操作規程中的工藝操作和工藝條件，提高焊縫的質量，減少不必要的應力集中現場，對預防滅菌器的腐蝕有直接的作用。

焊后對接接頭表面應與母材表面齊平，去除余高，角焊縫不應留有凸度，要磨成圓角，與母材圓滑過渡；接管與容器的相對位置應采用徑向正交，填角焊表面應打磨成圓滑過渡；伸入容器殼壁內的接管端面內側應打磨成圓角；焊縫外形應盡量連續、圓滑，減少應力集中。

在焊接接頭焊接完成后，應對焊后的余高進行處理，余高的存在滅菌器的安全運行有著重要的影響。因為余高的存在，使得焊縫表面的幾何形狀出現了不連續性，這種不連續性，極容易造成局部的應力集中，給滅菌器的安全運行帶來影響。因此，在焊后完成后，應采用修磨等方法將余高去除，避免出現局部應力，同時也使焊縫外觀與母材保持一致。

余高的存在不僅會縮短滅菌器的使用壽命，還會給滅菌器的安全運行帶來風險，處理不好會造成人員傷亡的情況。因此，國內、外標準（如JB4732）都作出了相關規定，所有需要疲勞分析設計的容器均應將余高去除，使焊縫表面與母材表面保持齊平一致。而對無需疲勞分析設計的容器，國內外絕大多數標準都允許保留一定量的余高，盡管如何，在實際的生產應用中，我們應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力集中，提高滅菌器的使用壽命和安全，同時也利于安全檢驗開展的無損檢測操作，保證防腐涂料的涂敷質量，進而提高產品的水平，從而提高產品在國際市場上的競爭力。另外焊縫表面存在咬邊、裂紋、氣泡、夾雜等缺陷，是造成焊縫開裂的疲勞裂紋源。這些因焊接缺陷造成的裂紋源，會在局部應力的作用下延伸并最終導致整個滅菌器失效。

3 結論

滅菌器的安全運行，對于企業的安全生產乃至整個社會的繁榮穩定起著重要的作用。應力腐蝕是造成滅菌器開裂失效的主要原因，通過優化前期的設計制造，選用合適的材料，選擇合理的結構型式，消除焊接應力等措施和后期的安全運行管理對滅菌器的安全運行都缺一不可，做好各個環節，才能更大程度地實現滅菌器的安全穩定運行，推動整個社會安全發展。