交變載荷對脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂影響的研究

蔡昌全 程軍明 郭 靖 魏雨婷 劉 凱 夏寅波

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所)

交變載荷對脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂影響的研究

蔡昌全*程軍明 郭 靖 魏雨婷 劉 凱 夏寅波

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所)

針對脈動真空滅菌器內(nèi)殼與橫加強(qiáng)筋末端焊接區(qū)產(chǎn)生裂紋的問題，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行交變載荷疲勞分析。其結(jié)論對脈動真空滅菌器的設(shè)計及優(yōu)化均有參考價值。

脈動真空滅菌器 疲勞分析 壓力容器 裂紋 ANSYS

0 引言

脈動真空滅菌器通常為矩形夾套結(jié)構(gòu)，分為內(nèi)殼和外殼。內(nèi)殼材料采用防腐蝕且經(jīng)過拋光處理的不銹鋼；外殼采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼板。為加強(qiáng)內(nèi)外殼的剛度以及改善受力狀況，通常在內(nèi)外殼之間用加強(qiáng)筋連接。加強(qiáng)筋與內(nèi)殼之間為斷續(xù)焊，與外殼之間為塞焊。在工作時候關(guān)閉柜門，使其形成一個密閉的空間。脈動真空滅菌器的工作過程較為復(fù)雜，主要分為以下幾個階段： （1）抽真空階段。在此過程中內(nèi)殼里面的壓力是-0.08 MPa至0.10 MPa的交變載荷，通常需要反復(fù)脈動多次以徹底排除內(nèi)腔空氣。 （2）升溫滅菌階段。空氣排除之后就可以進(jìn)行滅菌，在此階段中內(nèi)腔蒸汽壓力保持在0.21 MPa，并持續(xù)6 min左右。 （3）排氣階段。滅菌完成之后抽取內(nèi)腔蒸汽達(dá)到常壓。 （4）干燥階段。抽取內(nèi)腔蒸汽到-0.10 MPa并持續(xù)9 min左右，使物品能夠達(dá)到充分的干燥。內(nèi)殼中壓力變化如圖1所示。在滅菌器的整個工作過程中，夾套內(nèi)始終保持0.22 MPa的蒸汽壓力，并且變化不是太大。

圖1 內(nèi)殼中壓力變化

滅菌器的設(shè)計壽命一般在7年左右，但在工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，其實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計壽命。許多用戶發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滅菌器使用一段時間后內(nèi)殼壁會不同程度地產(chǎn)生裂紋。滅菌器屬于壓力容器，如果不注意裂紋則有可能引發(fā)事故。再者，裂紋的產(chǎn)生會影響滅菌效果，容易引起醫(yī)療事故。因此分析裂紋產(chǎn)生的原因以及采取合理的措施延長滅菌器的使用壽命，顯得至關(guān)重要。據(jù)某檢測中心檢測發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生裂紋的地方比較確定，大多集中在橫加強(qiáng)筋末端與內(nèi)殼的焊接處，如圖2白圈所示。通過分析滅菌器的工作過程及其介質(zhì)特性可以初步地預(yù)測內(nèi)殼失效原因。 （1）由于內(nèi)殼在整個工作階段承受的是交變載荷，所以有可能產(chǎn)生疲勞問題。 （2）由于水蒸氣中含有Cl-1,所以有可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。（3）焊接殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中等都是產(chǎn)生裂紋的影響因素。

圖2 滅菌器裂紋發(fā)生處

1 建立模型與劃分網(wǎng)格

本文以武漢江漢醫(yī)療制藥設(shè)備有限公司制造的一臺型號為MZQ·JDM-1.2B的滅菌器為研究對象，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行有限元分析。由于裂紋僅產(chǎn)生在內(nèi)殼而且內(nèi)殼為對稱結(jié)構(gòu)，其幾何形狀、約束和載荷也是對稱的，所以利用對稱結(jié)構(gòu)，采用三維模型，可取其1/2進(jìn)行建模，有限元單元選用solid 45。有限元模型如圖3所示。設(shè)計溫度為136℃，介質(zhì)為飽和水蒸氣，材料密度ρ=7.8×103kg/m3， 模 型長 L=1 500 mm， 寬 W=672 mm，高H=1 192 mm。滅菌器有關(guān)參數(shù)見表1。

加強(qiáng)筋與內(nèi)殼采用斷續(xù)焊，加強(qiáng)筋均布、對稱排列，且采用角焊縫。模型邊界條件是根據(jù)殼體在實(shí)際工作過程中的約束情況定義的，對稱面進(jìn)行對稱約束，殼體的前后端采用全約束；劃分網(wǎng)格采用掃略分網(wǎng)，共劃分網(wǎng)格89 389個。

表1 滅菌器參數(shù)

圖3 有限元模型

2 加載計算與應(yīng)力分析

2.1 加載計算

在壓力容器的疲勞設(shè)計中，一般不采用ANSYS的FATIGUE模塊進(jìn)行計算，而是以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，確定交變應(yīng)力幅值，再根據(jù)交變應(yīng)力幅值由設(shè)計疲勞曲線確定允許循環(huán)次數(shù)，進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核[1]。因此本文根據(jù)工程實(shí)際中的疲勞計算方法進(jìn)行分析。脈動真空滅菌器循環(huán)周期為1 200 s，一年按照360天計，按7年計算，對該滅菌器進(jìn)行疲勞分析。

載荷循環(huán)次數(shù)的確定：

由前面介紹的滅菌器工作階段可知，在滅菌和干燥階段壓力變化最大，因此確定應(yīng)力強(qiáng)度幅時采用由這兩種工況計算所得的結(jié)果，并進(jìn)而確定最大應(yīng)力強(qiáng)度幅的位置，最終確定最大應(yīng)力強(qiáng)度幅值。

圖4和圖5分別為滅菌器在滅菌 （內(nèi)殼壓力為0.21 MPa，夾套壓力為0.22 MPa）和干燥 (內(nèi)殼壓力為-0.10 MPa，夾套壓力為0.22 MPa)情況下的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，在最高和最低工作壓力下應(yīng)力云圖形貌相似，最大應(yīng)力強(qiáng)度的位置也相同，都出現(xiàn)在橫加強(qiáng)筋末端與殼體焊接的部位，與實(shí)際情況中橫加強(qiáng)筋末端與殼體焊接位置最早出現(xiàn)裂紋相符合。由圖可見，滅菌階段的最大應(yīng)力值為3.47 MPa，干燥階段的最大應(yīng)力值為133 MPa。

圖4 滅菌階段應(yīng)力云圖

圖5 干燥階段應(yīng)力云圖

2.2 疲勞分析

疲勞分析以前面計算的應(yīng)力幅值為依據(jù)，采用最大應(yīng)力強(qiáng)度減去最小應(yīng)力強(qiáng)度，即可得到應(yīng)力幅值。由圖6可以看出，最大應(yīng)力幅值為131 MPa,出現(xiàn)的位置也在橫加強(qiáng)筋末端與殼體焊接的位置。查JB 4732—1995提供的06Cr19Ni10的疲勞曲線，對應(yīng)于該最大應(yīng)力幅值131 MPa允許的循環(huán)次數(shù)為Nf＞106。 由于 N＜Nf， 故該部位滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

3 結(jié)束語

綜上所述，應(yīng)用ANSYS對脈動真空滅菌器進(jìn)行疲勞分析，可以得出以下結(jié)論：

圖6 應(yīng)力分析圖

（1）脈動真空滅菌器工作過程中交變載荷使橫加強(qiáng)筋末端與內(nèi)殼的焊接區(qū)應(yīng)力集中，這與實(shí)際情況此處最早出現(xiàn)裂紋相吻合，故此處裂紋主要是由應(yīng)力腐蝕引起的。通過分析應(yīng)力幅值，得出允許循環(huán)次數(shù)Nf大于實(shí)際循環(huán)次數(shù)N，所以疲勞并不是滅菌器產(chǎn)生裂紋的真正原因。但脈動真空滅菌器工作過程中壓力頻繁地交變，這就使得內(nèi)殼的實(shí)際強(qiáng)度小于殼體在靜載荷作用下的強(qiáng)度，因此在滅菌器工作過程中交變載荷會加快該處裂紋的產(chǎn)生速度。

（2）裂紋的產(chǎn)生與焊接殘余應(yīng)力、水蒸氣中的Cl-1引起的腐蝕應(yīng)力等其他因素也是密不可分的。在對脈動真空滅菌器內(nèi)腔做進(jìn)一步優(yōu)化時，若只從疲勞方面考慮，在某種程度上可以延長實(shí)際使用壽命，但效果不佳。因此在其設(shè)計、制造及使用過程中應(yīng)該綜合考慮各種因素的影響，以找到更優(yōu)的解決辦法，才能進(jìn)一步延長滅菌器的實(shí)際使用壽命。

[1]余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].第2版.北京:中國水利水電出版社，2005.

[2]劉梅.脈動真空滅菌器的原理與部分故障分析 [J].醫(yī)療裝備， 2008(11)： 52-53．

[3]程紅偉，張亦良，劉金艷.脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂原因分析 [J].壓力容器,2009，26(3):54-58.

[4]丁大偉，徐學(xué)東，姜公鋒.脈動真空滅菌器內(nèi)腔開裂分析[J].理化檢驗(yàn)（物化分冊），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，教授級高工。武漢市，430205。

2011-06-08）