矩形蒸汽灭菌器失效模式分析及改进措施

严智勇

（福建省锅炉压力容器检验研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

矩形蒸汽灭菌器失效模式分析及改进措施

严智勇

（福建省锅炉压力容器检验研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

矩形蒸汽灭菌器作为杏鲍菇食用菌生产过程中的核心设备之一，其在使用过程中所承受的压力和温度是交替循环变化的，极易对设备造成损坏甚至发生严重破坏的事故，进而危及操作人员的生命安全，对矩形蒸汽灭菌器的可能发生的破坏情况进行分析，对改进其结构设计和预防发生事故有着积极的作用。

矩形蒸汽灭菌器；冲刷磨损；腐蚀；焊缝开裂

1 引言

食用菌产业作为一个集生态、社会和经济效益为一身的适用于农村经济短平快发展的项目在中国农村得以迅速发展，同时也成为中国种植业中的一项重要支柱产业。近几年，杏鲍菇是中国产业化食用菌家族中的后起之秀，因其质地脆嫩，具有一股淡淡的杏仁香味，适合保鲜、加工和烹调，深受消费者欢迎,杏鲍菇的产量在这几年迅速增长。而矩形蒸汽灭菌器作为杏鲍菇食用菌生产过程中的核心设备之一，其在使用过程中所承受的压力和温度是交替循环变化的，极易对设备造成损坏甚至发生严重破坏的事故，进而危及操作人员的生命安全，对矩形蒸汽灭菌器可能发生的破坏情况进行分析，对改进其结构设计和预防发生事故有着积极的作用。

2 案例分析

漳州某食用菌厂在2012年1月购买并投入使用六台矩形蒸汽灭菌器，设计使用年限为8年，主要设备参数如下：设计压力0.2MPa，工作压力0.15MPa，设计温度134℃，工作温度127℃，材质为Q345R，厚度为10.0mm，矩形截面尺寸为2200mm×2200mm，使用介质为水蒸汽和菇包。在2015年的首次定期检验[1]中，该批灭菌器的前后门板的左右下角存在不同程度的蜂窝状腐蚀（如图1），腐蚀深度最深达5.0mm以上，以及前门板底部焊缝存在不同长度（长度达560mm-1360mm）的肉眼可见的断裂情况（如图2），筒体内表面底部都存在大面积冲刷磨损腐蚀坑（如图3所示），面积占底部40%以上，最小剩余厚度小于筒体的有效厚度，无法满足容器的安全使用要求。

图1 蜂窝状腐蚀

图2 焊缝开裂

3 原因分析

3.1 冲刷磨损和腐蚀分析

该批灭菌器的蒸汽进汽管分布在筒体的内表面底部左右两侧，灭菌时蒸汽由两侧喷向装有菇包的小推车，由于推车的底部高度较低，蒸汽喷向推车的过程中容易形成漩涡，导致对底板产生冲刷磨损，形成磨损凹坑。另外，此类灭菌器由于体积较大，一般设有多个排污口，用于灭菌后快速排除设备内的积水，在安装的过程中一般会将各个排污管并联到同一根排污主管，由于排污主管的截面积小于各个排污管的截面积之和，在排污的过程中也会对排污口附近的底板产生冲刷磨损，形成磨损凹坑。加上在蒸汽加热灭菌过程中菇包中的酸性物质受热挥发（经测定PH值在3-4之间）与冷凝水一起滴落至底板，在底板的磨损凹陷处汇集。灭菌器筒体采用的材质为Q345R，该材质虽然具有良好的综合力学性能和工艺性能，但是耐酸性一般，滴落汇集的冷凝水中的酸性物质与钢板发生化学反应，对钢板产生腐蚀，导致最小剩余壁厚小于筒体的有效厚度。

由于灭菌器的蒸汽进汽管的前后管头部位开了一个小孔（如图3所示），在灭菌的过程中蒸汽一直对前后门板的左右下角进行冲刷，日积月累产生蜂窝状腐蚀，加上由于管理不到位，在刚开始产生腐蚀时，未能及时发现并采取相应措施，最终导致腐蚀加重，腐蚀深度达5.0mm以上。而进汽管管头部位未开孔的灭菌器，其前后门板则未产生蜂窝状腐蚀。因此，前后门板的蜂窝状腐蚀是由于进汽管的开孔不当引起的。

图3 冲刷磨损坑

图4 进汽管管头开孔

3.2 焊缝边缘开裂

压力容器在制造时，在焊接过程中，由于焊缝区必然产生焊接变形，而工件刚性大，不易随之变形，存在较大的焊接残余应力，而又没有经过焊后热处理进行消除，则这些残余应力也会直接或间接地导致设备的损坏。压力容器如果存在较大的焊接应力，再加上使用压力下产生的应力。经过反复加载，局部就会产生裂纹最终使设备破坏[2]。该批矩形蒸汽灭菌器的门板是由Q345R钢板和门框焊接而成的，由于是不等厚板之间进行焊接，厚板又没有进行削薄处理，在焊接的过程中由于结构不连续形成较高的焊接残余应力。

一般情况，压力容器在以下几种情形下会形成交变应力：

（1）周期性的运行和停机导致压力载荷周期性变化；

（2）使用过程中设备温度周期性变化；

（3）使用过程中压力波动；

（4）外来的载荷周期性变化；

（6）压力容器膨胀和收缩因受到约束无法正常进行。

显然，该批灭菌器的工作环境和条件完全符合以上情况，在交变应力和焊接残余应力的双重作用下，在受力严重的部位由于超过其承载能力导致产生细微的裂纹，在运行过程中裂纹不断扩展，最后导致焊缝开裂。

4 改进措施探讨

该批灭菌器的蒸汽进汽管布置在底部，容易造成冲刷磨损坑，为了避免此类情况的继续发生，建议在设计制造时，可以将进汽管设置在筒体的中部，进汽口设置成水平或向上，避免因在狭窄空间中产生漩涡，造成冲刷磨损；同时，为了避免对门板造成冲刷磨损，尽量不要在进汽管的管头部位开孔。同时，为了减少在排污口附近产生类似情况，在安装的过程中排污总管的截面积应大于各个排污管的截面积的总和，或者应每根排污管单独排放。

不等厚板之间进行焊接往往容易产生焊接残余应力，焊接时在满足压力容器强度要求的情况下，最好能够对厚板进行削薄处理，如果制造条件允许的话，在焊接后进行焊后热处理，从而降低焊接残余应力。由于矩形蒸汽灭菌器的工作条件所限，在使用的过程中不可避免会产生交变应力。因此，只有在制造的时候尽量降低焊接残余应力，才能最大限度地避免焊缝开裂，从而延长设备的使用寿命。

[1]强天鹏.压力容器检验[M].北京：新华出版社，2008.

[2]王文群.碳钢焊接裂纹产生的原因及预防措施.中国科技财富：2008.5：111-112.

Failure Mode Analysis and Improvement Measures of Rectangular Steam Sterilizer

YAN Zhi-Yong
(Fujian Boiler and pressure vessel Inspection and Research Institute Zhangzhou SUB-Institute, Zhangzhou 363000, Fujian, China)

The rectangular steam sterilizer is one of the core equipment in the production of Pleurotus eryngii quel, The pressure and temperature in which it is used vary alternately, damage to the equipment easily, and then harm to the operating personnel. To analyze the damage of rectangular steam sterilizer, improve the structure design have a positive effect on the accident prevention.

Rectangular steam sterilizer; Erosive wear; Corrosion; Weld crack

2017-04-11

严智勇，男，福建省锅炉压力容器检验研究院漳州分院，压力容器检验师，工程师，硕士