醫用脈動真空滅菌器內腔開裂裂紋分析

摘要： 目的：探討醫用脈動真空滅菌器內腔開裂裂紋的原因，并提出相應的改進措施。方法：對嘉峪關市鐵路醫院一臺機動門真空滅菌器已發生內腔開裂裂紋進行分析，使用外觀查驗與斷口化學成分分析的方法進行，判斷裂紋的性質及發生原因。結果：（1） 滅菌器消毒物品類型（2） 氯離子的化學腐蝕作用（3） 主體材質設計缺陷（4） 滅菌過程中蒸氣的影響是內腔開裂出現裂紋的主要原因。結論：可以通過改變焊縫位置，增加防腐蝕涂層，規范操作及減少氯離子含量等方式進行改進，減少或者避免醫用脈動真空滅菌器內腔開裂。

關鍵詞：醫用脈動真空滅菌器 內腔開裂 原因 改進

脈動真空滅菌器是利用飽和蒸汽在冷凝時釋放出大量潛熱的物理特性，使待滅菌的物品處于高溫和潮濕的狀態，經過一段時間的保溫從而達到滅菌的目的。廣泛用于醫用敷料及手術器械的高溫滅菌。2010年4月，本所對嘉峪關市鐵路醫院一臺機動門真空滅菌器進行檢驗時發現，其內腔后壁發現開裂裂紋，起始端有裂紋分支，裂紋長約500mm。現對其開裂裂紋進行分析，以期提出改進方案。

1.容器的基本狀況

該容器為機動門真空滅菌器，呈臥式矩形，夾層結構。規格為600×900×1200，0.6M3。主體材質為筒體封頭，SUS304 厚度6/8mm。夾套材質：Q235B，厚度8mm。內筒操作壓力為0.21MPa，操作溫度：134℃。

2.裂紋產生的部位與類型：

2.1外觀檢驗：仔細檢查內腔后壁，可見一穿透性裂紋，如圖1。觀察可見裂紋起于后壁焊縫及熱影響區，有分支，裂紋呈現樹枝狀，主干垂直于焊縫，長約500mm。裂紋走向是穿晶的，裂紋呈樹枝狀，可見有分叉，此為典型的奧氏體不銹鋼應力腐蝕裂紋形貌。[1]經詢問醫務人員，該滅菌器主要用于對器械、生理鹽水、藥液等進行消毒。輔助佐證了該裂紋為應力腐蝕裂紋。

2.2斷口化學成分分析：將滅菌器沿裂紋取樣，對斷口及腐蝕產物分別進行能譜分析，見表1。可見裂紋附近區域及腐蝕小顆粒均含有氯、硫及鐵銹等物質，說明高溫蒸汽含有Cl-和SO42-。應力與滅菌器使用環境中應力腐蝕介質共同作用造成應力腐蝕是造成脈動真空內腔開裂的重要原因。

3.產生裂紋原因：

3.1.焊接位置不當易產生裂紋：醫用脈動真空滅菌器通常分為內殼和外殼。通常采用防腐蝕且經過拋光處理的不銹鋼作為內殼的主要材料，優質碳素鋼板則用于外殼。同時，在內外殼之間用加強筋連接以增強內外殼的剛度，并改善受力狀況。加強筋與外殼之間采用塞焊方式，而與內殼之間則采用斷續焊，是一種典型的異種鋼 T 型角焊縫，[2]因此有可能存在焊接殘余應力分布不均。

3.2主體材質設計缺陷：該滅菌器內壁主體材質SUS304，為奧氏體不銹鋼，18-8不銹鋼，GB牌號為0Cr18Ni9。奧氏體不銹鋼在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下會產生應力腐蝕裂紋。該滅菌器為臥式矩形夾層結構，夾層材質為Q235B，為普通碳素結構鋼。為了保證內壁及夾套的穩定，在夾套內設置了槽鋼作為加強筋，這樣就使得加強筋和內壁的焊縫和熱影響區易產生應力集中，各種材質的線性膨脹系數不同，也為產生應力腐蝕裂紋提供了條件。在焊接完成后的冷卻階段，各種材質的收縮量也不同，也會產生殘余應力。這些殘余應力在在高溫蒸氣工作環境下，易導致焊接接頭提前失效，從而出現裂紋。另外，奧氏體不銹鋼的晶體結構為面心立方，其碳含量很高。敏化溫度范圍通常在450～850℃之間。如果焊接時間過長或者由于焊接技術不熟練，則會在敏化溫度范圍內較長時間地存在焊接后熱影響區，從而導致不銹鋼母材兩側的焊縫遭受到較嚴重的敏化處理。發生敏化處理時，強碳化物形成元素Cr會與C元素一起形成（Fe，Cr）23C6為主的碳化物，分布在晶界上。從表1也可見內腔含有一定量的Cr元素。因為其晶體結構，所以Cr在奧氏體鋼內的擴散速度非常慢。而消耗的Cr不能通過晶體擴散得以及時補充，必然會造成晶體附近的Cr含量低于維持鈍化所須的含量。一旦鈍化平衡被破壞，就易受到腐蝕，成為腐蝕的薄弱點。[3]

3.3滅菌器消毒物品類型：通過詢問使用情況，可知該滅菌器消毒物品含有生理鹽水和藥液，即氯化鈉溶液及含有Cl-的溶液。在操作中，也存在有瓶子破損，溶液溢出等情況。一旦出現瓶子破損情況，則會使氯化鈉溶液附著到滅菌器的奧氏體不銹鋼內壁上。消毒滅菌過程結束后，清理不及時，Cl-就會在內壁上聚集，從而破壞不銹鋼表面出現選擇性的腐蝕[[3]]。

3.4氯離子的化學腐蝕作用：雖然Cl-的半徑非常小，但其穿透力極強，易吸附于鉻離子較少的區域，替換表面膜上的氧離子。溶解后生成FeCl2，在膜中形成孔隙。[4]此脈動滅菌器的操作溫度為134℃，在此高溫及有活性Cl離子的情況下，只要有幾個10-6的Cl離子即可導致應力腐蝕的發生。通過表2可見，內腔Cl離子雖然極少，卻使得Fe離子的量較多。形成微裂紋后，隨著氯離子在內腔表面的繼續吸附與聚集，會不斷滲入微裂紋中，從而促使裂紋擴大，形成穿透性裂紋。此脈動真空滅菌器裂紋在斷口面可見大量的鐵銹也是因為化學腐蝕的作用。

3.5滅菌過程中蒸氣的影響：夾套通蒸汽，加熱內腔；抽取內腔空氣，真空度達到-90kpa；內腔通入蒸汽到常壓；第二次抽取內腔真空度達到-90kpa；內腔再次通入蒸汽到常壓；第三次抽取內腔真空度達到-90kpa；內腔通入蒸汽到220kpa消毒滅菌一段時間；滅菌時間結束后，抽取內腔蒸汽到-90kpa；內腔通入潔凈空氣到-10kpa；根據不同要求，再重復數次抽真空和通空氣過程；內腔通空氣至常壓后，滅菌過程結束。在整個過程中，夾套始終通有220 kpa左右的蒸汽加熱內腔。由次可見，內腔是在夾套蒸汽的外壓作用下承受多次壓力波動，內腔受力為負壓疲勞載荷，焊縫及熱影響區易產生疲勞應力。也為應力腐蝕裂紋提供了條件。

綜上可見，焊縫的位置、主材質的選擇及高溫蒸氣的壓力加劇Cl離子的活性與危害性，是脈動真空滅菌器內腔開裂的主要原因。

4.改進措施

4.1焊接操作：通過原因分析可知，裂紋易出現于形狀突變部位的焊縫部分。因此，在焊接時，避開形狀突變部位，避免產生殘余應力。同時，焊接時間過長或者操作不熟練，導致敏化處理的發生也是裂紋產生的主要原因。因此，在操作過程中，應盡量減少在敏化溫度范圍內的存留時間，減少碳化物從晶體內析出，減少腐蝕薄弱點。

4.2焊后處理：殘余應力的存在一個重要的原因是由于焊接加強筋板的存在，因此焊接后可選擇適當合理的整體熱處理方式消除焊接殘余應力。固溶熱處理可以使碳的鉻化物溶入奧氏體中，從而使不銹鋼具有良好的耐蝕性能。[5]還可以通過噴丸對滅菌器內腔處理，使內腔表面層產生塑性變形，造成壓應力，從而起到降低表面應力腐蝕敏感性的作用。

4.3主體材質的選擇：在選擇內殼、外殼及加強筋的材質時，盡量選擇同一種或者相近材質。在線性膨脹系數相同或者相似的情況下，焊接可以更緊密，不產生殘余應力。在高溫高壓蒸氣的工作環境下，不易出現孔隙，而導致裂紋的發生。

4.4滅菌操作注意事項：有研究文獻表明，滅菌器開裂泄漏大多發生在化驗室、液體藥品等濕類物品環境中。[6]因此在操作過程中，應避免瓶體破碎，如發現有漏液，及時清洗滅菌器內壁。控制Cl離子含量：在使用過程中，合理控制水質，可通過離子交換法或者蒸餾等方法去除有害離子及氧化物，可適量加入堿性磷酸鹽等物質置換Cl離子，減少腐蝕的發生。

綜上，通過對醫用脈動真空滅菌器內腔開裂裂紋原因分析，可以從焊接技術、材質選擇以及規范操作等方面進行改進，以更好地質量服務于醫藥事業。

參考文獻

[1]丁大偉，徐學東，姜公鋒.脈動真空滅菌器內腔開裂分析[J].理化檢驗（物理分冊），2009（5）：70-71+74.

[2]程軍明.脈動真空滅菌器內腔開裂模擬分析及優化設計研究[D].[出版地不詳]：武漢工程大學，2012.

[3]唐建群，張禮敬，鞏建鳴.304不銹鋼蒸發器開裂原因分析[J].腐蝕與防護，2003（4）：43-46.

[4]程紅偉，張亦良，劉金艷.脈動真空滅菌器內腔開裂原因分析[J].壓力容器，2009（3）：51-61+57.

[5]丁大偉，徐學東.脈動真空滅菌器內腔開裂原因分析及改進方案[J].物理測試，2008（4）：60-61+64.

[6]嚴瑞霖.一臺脈動真空滅菌器的裂紋分析及修理方案[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2013（1）：303-304.