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立式蒸汽灭菌器筒体法兰裂纹的实验

[导读]小型立式电热蒸汽灭菌器,价格便宜,使用方便,占地面积小, 不需要配套锅炉,是乡镇卫生院非常理想的消毒杀菌器械。

小型立式电热蒸汽灭菌器,价格便宜,使用方便,占地面积小, 不需要配套锅炉,是乡镇卫生院非常理想的消毒杀菌器械。

2011年对某些乡镇卫生院的这种灭菌器的定期检验中,考虑到这种设备为频繁使用非连续工作,长期承受循环载荷作用,有可能产生疲劳失效的风险。 在制定检验方案时,针对有可能产生疲劳裂纹缺陷,特别增加了表面探伤的抽查比例。在实际检验中,果然发现有的灭菌器筒体法兰表面产生径向裂纹,裂纹由内向外延伸,分布整个法兰面。

现就其中情况严重的一台,对产生裂纹的原因进行分析。

1设备参数

工作压力:0.165MPa;工作温度:130°C;法兰材质:304;筒体厚度3mm;介质:水蒸气;筒体直径;500mm;容积:50L;电源:220V/4.5KW;出厂日期2002.3;

2设备使用及检验情况

该灭菌器于2002年7月投入使用,每天至少使用1次。在2005年7月定期检验中,未发现设备缺陷,按《压力容器定期检验规则》,安全等级评为2级,下次检验日期定为2011年7月。经过6年的使用周期后,于2011年7月再次进行定期检验,着色渗透探伤发现设备法兰有裂纹。

检验发现法兰内圆端面倒角约1mm左右,经仔细辨别裂纹密集区均在法兰拼焊焊接缝及其热影响区。

发现裂纹后,对法兰材质采用XLT898SW合金成分分析仪测定其化学成分,符合304材质。

3裂纹产生原因分析

疲劳裂纹形成机理:在循环载荷的作用下,即便循环应力未超过金属的屈服强度,也会在金属表面形成循环滑移带。循环滑移带集中于高应力区,薄弱区等。随着加载循环次数的增加,循环滑移带会不断地加宽。在加宽过程中,还会出现挤出脊和挤入沟。在这些地方引起应力集中,经过一定循环后引发微裂纹。随着应力不断循环,挤出脊高度与挤入沟深度不断增加,挤入沟就像尖锐的微观缺口,应力集中严重,疲劳裂纹就产生了。

乡镇卫生院的灭菌器基本上每天至少工作一次,工作过程:升压---恒压---降压,长此以往循环往复,承受循环载荷,使设备材料极易疲劳。灭菌器工作介质为水蒸汽,304材料不会产生应力腐蚀。

由于裂纹走向为径向,那么使法兰开裂的力一定是周向应力。现在分析法兰周向应力分布情况,由于法兰弯曲力矩只影响法兰看着承受内压的厚壁圆筒,灭菌器法兰在承受内压时,周向应力有一个公式。裂纹从内壁开裂,沿径向延伸,在内壁有一定深度,符合周向应力分布规律。另外该设备工作9年,按每天使用一次计算,总共使用3285次,循环作用的周向应力导致了法兰的疲劳开裂。另外开裂严重部位在法兰贫寒焊缝及其热影响区,这个里焊接残余应力大,再加上法兰内圆端面倒角小,也产生一定的应力集中。因此,该灭菌器法兰长期承受循环载荷的作用,在应力集中部位产生疲劳开裂,裂纹由内壁向外壁径向延伸,该裂纹属疲劳裂纹。

4 灭菌器法兰裂纹引起的思考

疲劳破坏是一种潜藏的突发破坏,在静载下显示韧性的材料,在疲劳破坏钱均不会发生明显的塑性变形,破坏发生时,呈脆性断裂。疲劳破坏属于地应力循环延时破坏,其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度,甚至低于其屈服强度。疲劳对缺陷(缺口,裂纹,粗织)十分敏感,对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或者裂纹会引起应力集中,加大对金属材料的损伤作用,组织缺陷(特别是焊缝组织中夹渣,气孔,白点,脱碳等)将降低金属材料的局部强度,二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。

由于乡镇卫生院规模小,无压力容器专业人员管理灭菌器械,灭菌器一般由医生,护士兼职操作,缺乏灭菌器这样易产生疲劳破坏的压力容器的专业认识。再者,这种小型立式电热蒸汽灭菌器,是价格低廉的简单灭菌器械,制造厂往往为了节约成本,设备法兰一般采用焊接拼接而节省不锈钢材料,这样增加了设备应力集中部位。另外,按《压力容器定期检验规则》,在定期检验中未发现缺陷的压力容器,安全等级评为1或者2级,检验周期一般为6年。长期往复循环工作的灭菌器与连续工作的压力容器产生的失效模式不同,在这样的长的使用周期内,足够孕育疲劳裂纹的产生,知道破坏,三者综合更易造成疲劳破坏的发生,造成严重后果。

我国在1995年颁布实施的《钢制压力容器----分析设计标准》JB4732-1995附录C规定:对于常温抗拉强度小于或等于550MPa的钢材,包括启动与停产在内的全范围压力循环的预计(设计)循环次数的综合不超过1000次,可免做疲劳分析。实际上这种小型立式电热蒸汽灭菌器疲劳破坏的发生,对正在制造的和在使用的建议:

1)在循环载荷作用下,金属材料产生疲劳是不可避免的。因此压力容器的设计单位,对灭菌器的设计要按JB4732-2005(已颁布JB4732-2005)标准进行疲劳分析,确保压力容器在设计使用年限内的安全。

2)制造灭菌器法兰应采用整体法兰,拼接法兰应进行整体热处理,消除焊接应力。

3)制造厂最好对所晟昌的灭菌器规定使用次数,在工作电源电路部分增加一个计数器,在操作部位显示灭菌器的工作次数,警示操作人员对灭菌器的使用,并且在达到规定使用次数时,自动锁定电源,任何情况下,灭菌器都不能工作。

4)在定期检验中,对灭菌器应力集中部位要增加表面探伤抽查比例,尽可能不让危害性缺陷漏检。

另外,对这种灭菌器定期检验应缩短检验周期,尽可能保障使用安全。

5结束语

这种小型电热蒸汽灭菌器,结垢简单价格低廉,数量多,使用非常广泛,但是人们对它的疲劳破坏危害往往教忽视,为了防患于未然,要从设计,制造,使用和定期检验等各方面加以重视,保障这种设备的安全使用。


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