交变载荷对脉动真空灭菌器内腔开裂影响的研究

蔡昌全 程军明 郭 靖 魏雨婷 刘 凯 夏寅波

（1.武汉工程大学机电工程学院 2.武汉市锅炉压力容器检验研究所)

交变载荷对脉动真空灭菌器内腔开裂影响的研究

蔡昌全*程军明 郭 靖 魏雨婷 刘 凯 夏寅波

（1.武汉工程大学机电工程学院 2.武汉市锅炉压力容器检验研究所)

针对脉动真空灭菌器内壳与横加强筋末端焊接区产生裂纹的问题，应用ANSYS有限元分析软件对其进行交变载荷疲劳分析。其结论对脉动真空灭菌器的设计及优化均有参考价值。

脉动真空灭菌器 疲劳分析 压力容器 裂纹 ANSYS

0 引言

脉动真空灭菌器通常为矩形夹套结构，分为内壳和外壳。内壳材料采用防腐蚀且经过抛光处理的不锈钢；外壳采用优质碳素钢板。为加强内外壳的刚度以及改善受力状况，通常在内外壳之间用加强筋连接。加强筋与内壳之间为断续焊，与外壳之间为塞焊。在工作时候关闭柜门，使其形成一个密闭的空间。脉动真空灭菌器的工作过程较为复杂，主要分为以下几个阶段： （1）抽真空阶段。在此过程中内壳里面的压力是-0.08 MPa至0.10 MPa的交变载荷，通常需要反复脉动多次以彻底排除内腔空气。 （2）升温灭菌阶段。空气排除之后就可以进行灭菌，在此阶段中内腔蒸汽压力保持在0.21 MPa，并持续6 min左右。 （3）排气阶段。灭菌完成之后抽取内腔蒸汽达到常压。 （4）干燥阶段。抽取内腔蒸汽到-0.10 MPa并持续9 min左右，使物品能够达到充分的干燥。内壳中压力变化如图1所示。在灭菌器的整个工作过程中，夹套内始终保持0.22 MPa的蒸汽压力，并且变化不是太大。

图1 内壳中压力变化

灭菌器的设计寿命一般在7年左右，但在工程实际中发现，其实际使用寿命远未达到设计寿命。许多用户发现，当灭菌器使用一段时间后内壳壁会不同程度地产生裂纹。灭菌器属于压力容器，如果不注意裂纹则有可能引发事故。再者，裂纹的产生会影响灭菌效果，容易引起医疗事故。因此分析裂纹产生的原因以及采取合理的措施延长灭菌器的使用寿命，显得至关重要。据某检测中心检测发现，产生裂纹的地方比较确定，大多集中在横加强筋末端与内壳的焊接处，如图2白圈所示。通过分析灭菌器的工作过程及其介质特性可以初步地预测内壳失效原因。 （1）由于内壳在整个工作阶段承受的是交变载荷，所以有可能产生疲劳问题。 （2）由于水蒸气中含有Cl-1,所以有可能产生应力腐蚀。（3）焊接残余应力、应力集中等都是产生裂纹的影响因素。

图2 灭菌器裂纹发生处

1 建立模型与划分网格

本文以武汉江汉医疗制药设备有限公司制造的一台型号为MZQ·JDM-1.2B的灭菌器为研究对象，应用ANSYS有限元分析软件对其进行有限元分析。由于裂纹仅产生在内壳而且内壳为对称结构，其几何形状、约束和载荷也是对称的，所以利用对称结构，采用三维模型，可取其1/2进行建模，有限元单元选用solid 45。有限元模型如图3所示。设计温度为136℃，介质为饱和水蒸气，材料密度ρ=7.8×103kg/m3， 模 型长 L=1 500 mm， 宽 W=672 mm，高H=1 192 mm。灭菌器有关参数见表1。

加强筋与内壳采用断续焊，加强筋均布、对称排列，且采用角焊缝。模型边界条件是根据壳体在实际工作过程中的约束情况定义的，对称面进行对称约束，壳体的前后端采用全约束；划分网格采用扫略分网，共划分网格89 389个。

表1 灭菌器参数

图3 有限元模型

2 加载计算与应力分析

2.1 加载计算

在压力容器的疲劳设计中，一般不采用ANSYS的FATIGUE模块进行计算，而是以应力分析为基础，确定交变应力幅值，再根据交变应力幅值由设计疲劳曲线确定允许循环次数，进行疲劳强度校核[1]。因此本文根据工程实际中的疲劳计算方法进行分析。脉动真空灭菌器循环周期为1 200 s，一年按照360天计，按7年计算，对该灭菌器进行疲劳分析。

载荷循环次数的确定：

由前面介绍的灭菌器工作阶段可知，在灭菌和干燥阶段压力变化最大，因此确定应力强度幅时采用由这两种工况计算所得的结果，并进而确定最大应力强度幅的位置，最终确定最大应力强度幅值。

图4和图5分别为灭菌器在灭菌 （内壳压力为0.21 MPa，夹套压力为0.22 MPa）和干燥 (内壳压力为-0.10 MPa，夹套压力为0.22 MPa)情况下的应力云图。从图中可以看出，在最高和最低工作压力下应力云图形貌相似，最大应力强度的位置也相同，都出现在横加强筋末端与壳体焊接的部位，与实际情况中横加强筋末端与壳体焊接位置最早出现裂纹相符合。由图可见，灭菌阶段的最大应力值为3.47 MPa，干燥阶段的最大应力值为133 MPa。

图4 灭菌阶段应力云图

图5 干燥阶段应力云图

2.2 疲劳分析

疲劳分析以前面计算的应力幅值为依据，采用最大应力强度减去最小应力强度，即可得到应力幅值。由图6可以看出，最大应力幅值为131 MPa,出现的位置也在横加强筋末端与壳体焊接的位置。查JB 4732—1995提供的06Cr19Ni10的疲劳曲线，对应于该最大应力幅值131 MPa允许的循环次数为Nf＞106。 由于 N＜Nf， 故该部位满足疲劳强度的要求。

3 结束语

综上所述，应用ANSYS对脉动真空灭菌器进行疲劳分析，可以得出以下结论：

图6 应力分析图

（1）脉动真空灭菌器工作过程中交变载荷使横加强筋末端与内壳的焊接区应力集中，这与实际情况此处最早出现裂纹相吻合，故此处裂纹主要是由应力腐蚀引起的。通过分析应力幅值，得出允许循环次数Nf大于实际循环次数N，所以疲劳并不是灭菌器产生裂纹的真正原因。但脉动真空灭菌器工作过程中压力频繁地交变，这就使得内壳的实际强度小于壳体在静载荷作用下的强度，因此在灭菌器工作过程中交变载荷会加快该处裂纹的产生速度。

（2）裂纹的产生与焊接残余应力、水蒸气中的Cl-1引起的腐蚀应力等其他因素也是密不可分的。在对脉动真空灭菌器内腔做进一步优化时，若只从疲劳方面考虑，在某种程度上可以延长实际使用寿命，但效果不佳。因此在其设计、制造及使用过程中应该综合考虑各种因素的影响，以找到更优的解决办法，才能进一步延长灭菌器的实际使用寿命。

[1]余伟炜,高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].第2版.北京:中国水利水电出版社，2005.

[2]刘梅.脉动真空灭菌器的原理与部分故障分析 [J].医疗装备， 2008(11)： 52-53．

[3]程红伟，张亦良，刘金艳.脉动真空灭菌器内腔开裂原因分析 [J].压力容器,2009，26(3):54-58.

[4]丁大伟，徐学东，姜公锋.脉动真空灭菌器内腔开裂分析[J].理化检验（物化分册），2009，45(5):318-320.

Cracking Study of Pulsation Vacuum Sterilizer Inner Cavity Based on Alternating Load

Cai Changquan Cheng Junming Guo Jing Wei Yuting Liu KaiXia Yinbo

For the problems that cracks appear in welding area of pulsing vacuum sterilizer inner cavity and transierse stiffener ends,using FEM ANASYS to analyze the fatigue property of alternating load.The conclusion is of reference value for design and further optimization of pulse vacuum sterilizer studies.

Pulse Vacuum Sterilizer;Fatigue Analysis;Pressure vessel;Cracking;ANSYS

TQ 053.3

*蔡昌全，男，1962年生，教授级高工。武汉市，430205。

2011-06-08）