医用脉动真空灭菌器内腔开裂裂纹分析

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摘要： 目的：探讨医用脉动真空灭菌器内腔开裂裂纹的原因，并提出相应的改进措施。方法：对嘉峪关市铁路医院一台机动门真空灭菌器已发生内腔开裂裂纹进行分析，使用外观查验与断口化学成分分析的方法进行，判断裂纹的性质及发生原因。结果：（1） 灭菌器消毒物品类型（2） 氯离子的化学腐蚀作用（3） 主体材质设计缺陷（4） 灭菌过程中蒸气的影响是内腔开裂出现裂纹的主要原因。结论：可以通过改变焊缝位置，增加防腐蚀涂层，规范操作及减少氯离子含量等方式进行改进，减少或者避免医用脉动真空灭菌器内腔开裂。

关键词：医用脉动真空灭菌器 内腔开裂 原因 改进

脉动真空灭菌器是利用饱和蒸汽在冷凝时释放出大量潜热的物理特性，使待灭菌的物品处于高温和潮湿的状态，经过一段时间的保温从而达到灭菌的目的。广泛用于医用敷料及手术器械的高温灭菌。2010年4月，本所对嘉峪关市铁路医院一台机动门真空灭菌器进行检验时发现，其内腔后壁发现开裂裂纹，起始端有裂纹分支，裂纹长约500mm。现对其开裂裂纹进行分析，以期提出改进方案。

1.容器的基本状况

该容器为机动门真空灭菌器，呈卧式矩形，夹层结构。规格为600×900×1200，0.6M3。主体材质为筒体封头，SUS304 厚度6/8mm。夹套材质：Q235B，厚度8mm。内筒操作压力为0.21MPa，操作温度：134℃。

2.裂纹产生的部位与类型：

2.1外观检验：仔细检查内腔后壁，可见一穿透性裂纹，如图1。观察可见裂纹起于后壁焊缝及热影响区，有分支，裂纹呈现树枝状，主干垂直于焊缝，长约500mm。裂纹走向是穿晶的，裂纹呈树枝状，可见有分叉，此为典型的奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹形貌。[1]经询问医务人员，该灭菌器主要用于对器械、生理盐水、药液等进行消毒。辅助佐证了该裂纹为应力腐蚀裂纹。

2.2断口化学成分分析：将灭菌器沿裂纹取样，对断口及腐蚀产物分别进行能谱分析，见表1。可见裂纹附近区域及腐蚀小颗粒均含有氯、硫及铁锈等物质，说明高温蒸汽含有Cl-和SO42-。应力与灭菌器使用环境中应力腐蚀介质共同作用造成应力腐蚀是造成脉动真空内腔开裂的重要原因。

3.产生裂纹原因：

3.1.焊接位置不当易产生裂纹：医用脉动真空灭菌器通常分为内壳和外壳。通常采用防腐蚀且经过抛光处理的不锈钢作为内壳的主要材料，优质碳素钢板则用于外壳。同时，在内外壳之间用加强筋连接以增强内外壳的刚度，并改善受力状况。加强筋与外壳之间采用塞焊方式，而与内壳之间则采用断续焊，是一种典型的异种钢 T 型角焊缝，[2]因此有可能存在焊接残余应力分布不均。

3.2主体材质设计缺陷：该灭菌器内壁主体材质SUS304，为奥氏体不锈钢，18-8不锈钢，GB牌号为0Cr18Ni9。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。该灭菌器为卧式矩形夹层结构，夹层材质为Q235B，为普通碳素结构钢。为了保证内壁及夹套的稳定，在夹套内设置了槽钢作为加强筋，这样就使得加强筋和内壁的焊缝和热影响区易产生应力集中，各种材质的线性膨胀系数不同，也为产生应力腐蚀裂纹提供了条件。在焊接完成后的冷却阶段，各种材质的收缩量也不同，也会产生残余应力。这些残余应力在在高温蒸气工作环境下，易导致焊接接头提前失效，从而出现裂纹。另外，奥氏体不锈钢的晶体结构为面心立方，其碳含量很高。敏化温度范围通常在450～850℃之间。如果焊接时间过长或者由于焊接技术不熟练，则会在敏化温度范围内较长时间地存在焊接后热影响区，从而导致不锈钢母材两侧的焊缝遭受到较严重的敏化处理。发生敏化处理时，强碳化物形成元素Cr会与C元素一起形成（Fe，Cr）23C6为主的碳化物，分布在晶界上。从表1也可见内腔含有一定量的Cr元素。因为其晶体结构，所以Cr在奥氏体钢内的扩散速度非常慢。而消耗的Cr不能通过晶体扩散得以及时补充，必然会造成晶体附近的Cr含量低于维持钝化所须的含量。一旦钝化平衡被破坏，就易受到腐蚀，成为腐蚀的薄弱点。[3]

3.3灭菌器消毒物品类型：通过询问使用情况，可知该灭菌器消毒物品含有生理盐水和药液，即氯化钠溶液及含有Cl-的溶液。在操作中，也存在有瓶子破损，溶液溢出等情况。一旦出现瓶子破损情况，则会使氯化钠溶液附着到灭菌器的奥氏体不锈钢内壁上。消毒灭菌过程结束后，清理不及时，Cl-就会在内壁上聚集，从而破坏不锈钢表面出现选择性的腐蚀[[3]]。

3.4氯离子的化学腐蚀作用：虽然Cl-的半径非常小，但其穿透力极强，易吸附于铬离子较少的区域，替换表面膜上的氧离子。溶解后生成FeCl2，在膜中形成孔隙。[4]此脉动灭菌器的操作温度为134℃，在此高温及有活性Cl离子的情况下，只要有几个10-6的Cl离子即可导致应力腐蚀的发生。通过表2可见，内腔Cl离子虽然极少，却使得Fe离子的量较多。形成微裂纹后，随着氯离子在内腔表面的继续吸附与聚集，会不断渗入微裂纹中，从而促使裂纹扩大，形成穿透性裂纹。此脉动真空灭菌器裂纹在断口面可见大量的铁锈也是因为化学腐蚀的作用。

3.5灭菌过程中蒸气的影响：夹套通蒸汽，加热内腔；抽取内腔空气，真空度达到-90kpa；内腔通入蒸汽到常压；第二次抽取内腔真空度达到-90kpa；内腔再次通入蒸汽到常压；第三次抽取内腔真空度达到-90kpa；内腔通入蒸汽到220kpa消毒灭菌一段时间；灭菌时间结束后，抽取内腔蒸汽到-90kpa；内腔通入洁净空气到-10kpa；根据不同要求，再重复数次抽真空和通空气过程；内腔通空气至常压后，灭菌过程结束。在整个过程中，夹套始终通有220 kpa左右的蒸汽加热内腔。由次可见，内腔是在夹套蒸汽的外压作用下承受多次压力波动，内腔受力为负压疲劳载荷，焊缝及热影响区易产生疲劳应力。也为应力腐蚀裂纹提供了条件。

综上可见，焊缝的位置、主材质的选择及高温蒸气的压力加剧Cl离子的活性与危害性，是脉动真空灭菌器内腔开裂的主要原因。

4.改进措施

4.1焊接操作：通过原因分析可知，裂纹易出现于形状突变部位的焊缝部分。因此，在焊接时，避开形状突变部位，避免产生残余应力。同时，焊接时间过长或者操作不熟练，导致敏化处理的发生也是裂纹产生的主要原因。因此，在操作过程中，应尽量减少在敏化温度范围内的存留时间，减少碳化物从晶体内析出，减少腐蚀薄弱点。

4.2焊后处理：残余应力的存在一个重要的原因是由于焊接加强筋板的存在，因此焊接后可选择适当合理的整体热处理方式消除焊接残余应力。固溶热处理可以使碳的铬化物溶入奥氏体中，从而使不锈钢具有良好的耐蚀性能。[5]还可以通过喷丸对灭菌器内腔处理，使内腔表面层产生塑性变形，造成压应力，从而起到降低表面应力腐蚀敏感性的作用。

4.3主体材质的选择：在选择内壳、外壳及加强筋的材质时，尽量选择同一种或者相近材质。在线性膨胀系数相同或者相似的情况下，焊接可以更紧密，不产生残余应力。在高温高压蒸气的工作环境下，不易出现孔隙，而导致裂纹的发生。

4.4灭菌操作注意事项：有研究文献表明，灭菌器开裂泄漏大多发生在化验室、液体药品等湿类物品环境中。[6]因此在操作过程中，应避免瓶体破碎，如发现有漏液，及时清洗灭菌器内壁。控制Cl离子含量：在使用过程中，合理控制水质，可通过离子交换法或者蒸馏等方法去除有害离子及氧化物，可适量加入碱性磷酸盐等物质置换Cl离子，减少腐蚀的发生。

综上，通过对医用脉动真空灭菌器内腔开裂裂纹原因分析，可以从焊接技术、材质选择以及规范操作等方面进行改进，以更好地质量服务于医药事业。

参考文献

[1]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（物理分册），2009（5）：70-71+74.

[2]程军明.脉动真空灭菌器内腔开裂模拟分析及优化设计研究[D].[出版地不详]：武汉工程大学，2012.

[3]唐建群，张礼敬，巩建鸣.304不锈钢蒸发器开裂原因分析[J].腐蚀与防护，2003（4）：43-46.

[4]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（3）：51-61+57.

[5]丁大伟，徐学东.脉动真空灭菌器内腔开裂原因分析及改进方案[J].物理测试，2008（4）：60-61+64.

[6]严瑞霖.一台脉动真空灭菌器的裂纹分析及修理方案[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2013（1）：303-304.