灭菌器防范应力腐蚀措施及结构优化分析

黎天标 杨俊强 黄博伟

（广州特种承压设备检测研究院 广州510000）

随着医疗食品行业的快速发展和人们生活水平的迅速提高，人们对医疗和食品等行业的卫生要求也随之提高，灭菌器的应用变得越来越广泛。蒸汽灭菌器属于压力容器，其运行加载工况复杂，属于生产工艺中的关键设备，一旦发生开裂失效，可能危及人身和财产安全，造成严重的生产安全事故，特别是在人口稠密的医院，一旦出现事故，危害非常严重。国内研究人员通过多种实验手段并结合有限元分析，研究了灭菌器内筒与门圈法兰连接焊缝部门开裂失效的原因，总结失效开裂的裂纹机理，归纳出氯离子应力腐蚀开裂是灭菌器发生开裂失效的直接原因[1]。因而控制应力腐蚀对于灭菌器的安全使用起着至关重要的作用，下面从使用管理、制造和设计优化三方面总结控制应力腐蚀的措施。

1 使用管理方面

1.1 严格控制介质中的氯离子含量

在灭菌器的日常使用中，往往出现应力腐蚀开裂的现象，而介质敏感材料、腐蚀介质和应力是导致灭菌器发生应力腐蚀开裂的三个主要因素。氯离子是一种强腐蚀性离子，属于腐蚀介质，介质中氯离子的含量超标，是导致灭菌器发生腐蚀从而出现失效的重要原因之一，因而有必要控制与灭菌器直接接触的介质所含的氯离子含量，定期检测灭菌器用介质中的氯离子含量，是控制氯离子腐蚀的最直接手段，首先应定期检测氯离子浓度，严格控制氯离子含量不超过规范的限值，检测中若发现氯离子超标时，应及时停机检测，并查找超标原因，整改合格后方可再投入使用；其次，可采用耐氯离子防腐涂料，将含氯离子介质和灭菌器进行有效的隔离；对于其他含有氯离子的其他物料，应采取有效的隔离措施，不得在灭菌处理过程中溅出污染灭菌器，从而引起腐蚀致使灭菌器失效；另外，要定期做好清洁工作。每次使用后，应及时清理灭菌器，特别是内筒和焊缝部位，防止外溢残留物造成氯离子腐蚀。

1.2 使用运行管理

灭菌器的日常使用管理，对灭菌器的防腐也起着至关重要的作用，建立运行管理制度，并严格按照相关法律法规的要求使用，包括：（1）对于日常运行发现的缺陷，要及时委托有资质的公司进行修复，避免缺陷扩大从而造成灭菌器失效；（2）落实使用责任制，操作人员严格按照规范的要求持证上岗，在每次使用中建立相应台账，做到谁使用谁负责的责任制。（3）编制灭菌器的操作流程，并严格按照操作流程进行上岗培训，避免灭菌器的日常使用因操作人员的个人操作水平而影响灭菌器的正常使用；（4）建立灭菌器的设备台账，特别是原始资料如设计文件、产品合格证、产品质量证明文件、安装竣工材料及使用保养说明等资料，以便后期改造维修及检验中做到有据可查；（5）做好定期维护保养及日常安全检查工作，有必要时委托有资质的公司对设备进行维护管理，并加强日常的检查工作，对易腐蚀部位进行定期检查，发现问题，及时处理。

1.3 做好定期检验工作

使用单位应严格遵守国家法律法规的规定，在定期检验到期前，要及时委托有资质的检验机构对灭菌器进行定期检验[2]，确保灭菌器在使用过程中产生的腐蚀等缺陷得到及时的发现。在日常运行中，若发现灭菌器运行异常，应及时停机检测，发现缺陷的，应及时按照相关法规对缺陷进行修复，并按照要求再次检验合格后，方可投入使用。

1.4 人员培训教育

灭菌器作为特种承压设备，具有一定的危险性，操作不当容易引起安全事故。对灭菌器操作人员的培训教育，主要包括特种设备作业人员证书培训和使用单位的内部培训两方面。（1）特种设备作业人员证书培训，灭菌器的操作人员必须要做到百分比持证上岗，所有操作人员，应经过培训，并取得相应操作证书后，方可上岗操作；（2）使用单位内部应该对灭菌器作业人员进行内部的安全教育培训，并邀请设备方对作业人员进行设备操作培训，确保作业人员具备相应的灭菌器安全操作技能和故障处理能力，使灭菌器能安全平稳运行。

2 设计和制造优化方面

应力集中腐蚀是灭菌器失效的重要原因之一，因而有必要制定相应的改变应力集中的措施。

2.1 灭菌器制造材料优化

对灭菌器进行设计制造时，为避免应力集中腐蚀，应选择具有更好韧性和足够强度的材料，尽量优先选用高镍奥氏体不锈钢、高纯铁素体不锈钢等耐氯离子应力腐蚀开裂的材料。在结构的连接处，应尽可能避免出现线膨胀系数和弹性模量值相差较大材料的相互连接，材料性能不连续的结构容易引起附加应力。

应力集中主要集中在孔和缺口等形状突然几何形状突变处，焊接焊缝往往容易产生气泡、裂纹等缺陷。因而在设计选材时，要确保焊缝质量，应优先选用具有良好焊接性能的中低强度钢，以避免造成焊接缺陷和延迟裂纹；能采用全焊透的采用全焊透工艺，确保焊缝处处于低应力水平。

2.2 灭菌器结构形状优化

结构形状的设计对于消除应力集中起着至关重要的作用，设计的合理性能大大减少灭菌器在使用过程中出现的应力腐蚀现场。然而，在实际的应用设计过程中，要避免几何形状或载荷完全不连续的容器是不可能的。可以做的，就是在设计阶段尽可能减少各种不必要的不连续。在设计的过程中，尽量减少灭菌器结构上的倒圆和倒角等容易产生应力集中的不连续结构，尽可能延长圆弧的圆角半径尺寸，在必须要出现的尖角位置进行圆角或者缩放。接管与灭菌器的连接处在制造条件许可时采用整体锻造工艺或者采用接管补强方法，当需要采用补强圈时，器厚度应尽量与灭菌器或接管的厚度相一致，避免在灭菌器上出现垂直于容器壁的集中载荷。当集中载荷不可避免时，则宜在容器上设置垫板以使载荷尽量均匀、分散。

2.3 灭菌器的结构型式优化

由壳体的应力分析可知，球壳的应力分布最为合理，尽量向应力分布最合理的球壳靠近，降低边缘应力。使灭菌器的各元件的几何形状与球壳相接近，使各元件的应力分布合理，减少几何机构上的突变，尽量减少灭菌器结构上的不连续。机构上能设计成球形的不采用圆筒形，封头能采用半圆形的不采用椭圆形。在灭菌器的机构上，尽量减少不必要的接管，焊接的容易破坏结构延续性的现象。同时，要避免在焊缝附近开孔等情况，支座或其他约束件的设置，应符合灭菌器的受力情况，减少应力集中。支座等的设置应尽量避免对元件产生垂直方向的支承反力。

2.4 对灭菌器焊接工艺优化

焊接工艺对于灭菌器的影响尤为重要，在灭菌器的设计制造过程中，避免不了焊接连接工艺，合理的焊接工艺，能大大降低应力集中，提高灭菌器的安全性。在直边、法兰或者嵌入式接管等焊接过程中，能采用对接式的焊接工艺应尽量采用对接式，与角接式相比，对接式能有效避免应力集中。另外，在角焊缝上，应采用平滑的过渡，焊接中应采用合理的焊接材料，焊接后不降低母材的强度，同时，要合理使用合适的焊接工艺，焊机过程中尽可能避免出现降低焊接接头的应力值的现场。在焊接时，应采用多层多道焊降低焊接残余应力，并采用焊后热处理的工艺降低应力集中。

另外，要尽可能避免焊接过程中出现气泡、裂缝、咬边等焊接缺陷，从而影响容器的质量，咬边、裂纹等出现的形状突变处，往往容易产生应力集中，而且该焊缝缺陷是造成灭菌器失效的重要原因之一。尽管国标中规定了部分特殊的容器不得有咬边的存在，但从整个灭菌器的行业竞争来看，从减少应力集中这个角度出发，国内容器应进一步向国外看齐，提高容器产品的外观质量，增加在国际市场竞争力度[3]。另外，焊接过程应严格遵守操作规程中的工艺操作和工艺条件，提高焊缝的质量，减少不必要的应力集中现场，对预防灭菌器的腐蚀有直接的作用。

焊后对接接头表面应与母材表面齐平，去除余高，角焊缝不应留有凸度，要磨成圆角，与母材圆滑过渡；接管与容器的相对位置应采用径向正交，填角焊表面应打磨成圆滑过渡；伸入容器壳壁内的接管端面内侧应打磨成圆角；焊缝外形应尽量连续、圆滑，减少应力集中。

在焊接接头焊接完成后，应对焊后的余高进行处理，余高的存在灭菌器的安全运行有着重要的影响。因为余高的存在，使得焊缝表面的几何形状出现了不连续性，这种不连续性，极容易造成局部的应力集中，给灭菌器的安全运行带来影响。因此，在焊后完成后，应采用修磨等方法将余高去除，避免出现局部应力，同时也使焊缝外观与母材保持一致。

余高的存在不仅会缩短灭菌器的使用寿命，还会给灭菌器的安全运行带来风险，处理不好会造成人员伤亡的情况。因此，国内、外标准（如JB4732）都作出了相关规定，所有需要疲劳分析设计的容器均应将余高去除，使焊缝表面与母材表面保持齐平一致。而对无需疲劳分析设计的容器，国内外绝大多数标准都允许保留一定量的余高，尽管如何，在实际的生产应用中，我们应尽可能将焊缝余高去除，使焊缝表面与母材表面保持一致，去掉余高，可以有效减少局部的应力集中，提高灭菌器的使用寿命和安全，同时也利于安全检验开展的无损检测操作，保证防腐涂料的涂敷质量，进而提高产品的水平，从而提高产品在国际市场上的竞争力。另外焊缝表面存在咬边、裂纹、气泡、夹杂等缺陷，是造成焊缝开裂的疲劳裂纹源。这些因焊接缺陷造成的裂纹源，会在局部应力的作用下延伸并最终导致整个灭菌器失效。

3 结论

灭菌器的安全运行，对于企业的安全生产乃至整个社会的繁荣稳定起着重要的作用。应力腐蚀是造成灭菌器开裂失效的主要原因，通过优化前期的设计制造，选用合适的材料，选择合理的结构型式，消除焊接应力等措施和后期的安全运行管理对灭菌器的安全运行都缺一不可，做好各个环节，才能更大程度地实现灭菌器的安全稳定运行，推动整个社会安全发展。