矩形脉动真空灭菌器内室裂纹分析

黄 健

(广西壮族自治区特种设备检验研究院，广西南宁530219)

2017年2月，本人参与了我院安排的对南宁市某医院到期检验报检的1台脉动真空灭菌器进行定期检验，在对渗透无损检测（PT）时发现，内室下部折弯有多处断续的裂纹和气孔。本文对本次检验发现的缺陷进行了分析。

1 容器的基本状况

该容器为全电脑脉动真空灭菌器，形状结构：卧式矩形，双层结构（分为内室和夹套）；规格：680 mm×1 480 mm×1 660 mm；主体材质：内筒体，S30408/6 mm，夹套：Q245R/8 mm；工况：工作介质为水蒸汽，工作压力为0.25 MPa，工作温度：135℃.

2 检验过程与发现

2.1 宏观检查

在本次定期检验的宏观检查时，内室对接焊缝已打磨平整，发现底部有积液，在内室下部折弯附近有泄漏痕迹，肉眼观察未能发现具体缺陷位置。

2.2 渗透无损检测（PT）

宏观检查完毕，根据怀疑部位对矩形内室四个方位的折弯部位（宽200 mm）进行无损检测，由于是不锈钢材质，选取渗透检测，检测发现在内室下部折弯处发现多处断续的裂纹和气孔，如图1所示。

图1 渗透无损检测（PT）

2.3 金相检验

由于该台灭菌器使用单位已经决定不用，故对内室裂纹部位取样进行金相组织检验，该灭菌器内室材质为S30408，金相组织为奥氏体，通过高倍显微镜可见裂纹的断裂方主要是穿晶的，也有沿晶的，晶界的连接遭到破坏，如图2所示。

图2 裂纹金相图

2.4 化学成分分析

对灭菌器底部的残夜取样，带回院里进行化学成分分析，检测结果发现水成分里面含有氯离子。说明高温蒸汽含有Cl-、Na+，凝结后存在于底部的残夜中。

3 奥氏体不锈钢材料特性

3.1 奥氏体不锈钢的化学成分

该灭菌器内室所用材料为奥氏体不锈钢，成分如表1.

表1 奥氏体不锈钢主要化学成分（wt.%）

3.2 奥氏体不锈钢的显微组织图[1]

奥氏体不锈钢的显微组织图见图3.

图3 奥氏体不锈钢显微组织

3.3 奥氏体不锈钢材料特性

不锈钢耐蚀性的基本原因（机理）是钝化膜理论[2]。所谓钝化膜就是在不锈钢的表面有一层以Cr2O3为主的薄膜[2]。一般情况下，有了这层膜的保护，使不锈钢具有一定的耐腐蚀性，不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于12%.当温度升高时，碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。因为室温时碳在奥氏体中的熔解度很小，约为0.02%～0.03%，而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值，故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合，在晶间形成碳化铬的化合物，如（CrFe）23C8等。但是由于铬的扩散速度较小，来不及向晶界扩散，所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部，而是来自晶界附近，结果就使晶界附近的含铬量大为减少，当晶界的铬的质量分数低到小于12%时，就形成所谓的“贫铬区”，在腐蚀介质作用下，贫铬区就会失去耐腐蚀能力，而产生晶间腐蚀。不锈钢去应力处理是消除不锈钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺一般加热到300～350℃回火。对取于不含稳定化元素Ti、Nb的钢，加热温度不超过450℃，以免析出铬的碳化物而引起晶间腐蚀。

4 缺陷分析

4.1 应力腐蚀分析

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）首先脉动抽真空阶段，设定脉动次数反复抽真空，内室压力承受从-0.098 MPa～0.1 MPa的交变载荷，彻底排除内室的空气，以灭菌效果（2）升压升温阶段，夹套预先已进入蒸汽，夹套内蒸汽压力已达到0.21 MPa，当内室压力抽到-0.098 MPa时，打开进汽阀，内室压力从-0.098 MPa至0.21 MPa.（3）灭菌阶段，压力一直保持在0.21 MPa.（4）排汽阶段，压力从0.21 MPa降至常压。从以上灭菌器的工作流程看，由于内室在整个阶段中承受的是交变载荷，所以产生疲劳问题。另外本脉动真空灭菌器为双层结构（分为内室和夹套），内室材料为S30408奥氏体不锈钢材料，厚度为6 mm，夹套为Q245R，厚度为8 mm，为了使内室和夹套的刚度稳定，需要在两者之间焊上加强筋，内室四个方位折弯处刚好为内室断续焊接部位，这样就使得加强筋和内壁的断续焊缝和热影响区易产生应力集中。另外通过了解情况，该灭菌器消毒主要是手术用的面料布料，在这线面料布料在预清洗消毒时，都会用到含Cl-的溶液，比如次氯酸钠等。消毒灭菌过程中和结束后因清理不及时，Cl-就会在内壁上聚集，奥氏体不锈钢最怕Cl-，虽然Cl-的半径非常小，但其穿透力极强，Cl-能在奥氏体的晶间与不锈钢中Cr生成铬化物，在晶间上造成贫铬区，使不锈钢在晶间发生率先发生腐蚀，奥氏体不锈钢在拉应力和特定腐蚀介质的共同作用下会产生应力腐蚀裂纹。所以经PT检测出现了断续的裂纹显示，这与之前分析的相吻合。

4.2 点蚀

本次检验中，PT检测除了发现多处断续的裂纹外，还发现大量的气孔，经过分析由点腐蚀引起。前面提到由于物料中含有Cl-、Na+离子。一般认为发生点蚀的第一步是在钝化金属表面上局部吸附具有侵蚀性的阴离子。点腐蚀坑的过程的如图4所示[1]。

图4 点腐蚀过程

5 结论

脉动真空灭菌器内室折弯处为竖加强筋末端与内壳焊接区，造成应力集中，而且脉动真空灭菌器是间歇性工作状态，承受交变载荷，内室应力集中处容易出现疲劳。灭菌物料遗留有Cl-离子，存在有特定的腐蚀介质，以上几项是造成应力腐蚀裂纹的因素。

本次PT发现的大量气孔说明虽然奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性，但在特定的环境（比如Cl-，Na+超标）作用下，在长期使用过程中仍然会发生点蚀，点腐蚀的存在造成了气孔的产生，时间一长，夹套和内室就会漏气，影响灭菌效果。

[1]蔡林.316L奥氏体不锈钢箱式储罐应力腐蚀裂纹产生机理研究[D].天津：天津大学，2015.

[2]郭新刚，宋鹏涛，王永宁.奥氏体不锈钢的腐蚀机理研究[J].科技创新与应用，2013(17)：8-9.