本站原创摘 要 ：通过对一台不锈钢蒸汽灭菌柜发生应力腐蚀开裂现象的原因分析,总结出不锈钢蒸汽灭菌柜使用条件、焊接残余应力及氯离子环境对不锈钢灭菌器产生内壁应力腐蚀开裂失效的影响,提出了预防措施及定期检验重点.
关 键 词 ：不锈钢蒸汽灭菌柜 应力腐蚀 焊接残余应力 氯离子环境
Abstract：This paper discusses the accident of a stainless steel steam sterilizer caused by the stress corrosion. Analysis of equipment storage environment, the and chloride ion environment which influenced the inner crack failure of stainless steel autocle, and give out the prevention measures and the key inspection in the future.
Key words：stainless steel steam sterilizer, stress corrosion, welding residual stress,chloride ion environment
进入21世纪以来,随着我国医疗水平及医药卫生需求的不断提高,蒸汽灭菌柜在我国医院及生物医学行业内使用数量逐年增加.同时,不锈钢蒸汽灭菌柜发生应力腐蚀开裂失效现象也时有发生,大大缩短了设备的使用寿命,这就给怎样正确使用不锈钢灭菌柜,确保使用安全和延寿提出了新的课题.特别是灭菌柜不锈钢内筒在蒸汽的往复压力作用下,受力状况为疲劳载荷,同时在灭菌工作过程中物料残留氯离子的影响下,容易出现应力腐蚀开裂,导致灭菌器失效,严重时可造成财产损失及人员伤害.
一、 案例概况
在某次对一生物制药公司蒸汽灭菌柜进行定期检验中的常规耐压试验时,发现一蒸汽灭菌柜出现内筒泄漏现象.经检测人员现场确认：该灭菌柜所在房间是一个化学品制样室,房间内除灭菌柜外,还有一个专门存放用于制样的化学物品的不锈钢储存架,架上仍有不少含氯化学品.据该公司设备操作人员介绍,此设备在定期检验前已经出现干燥效果不佳,干度不达标的情况,说明该设备已经存在裂纹穿孔,出现蒸汽泄漏现象.
经宏观检查：该灭菌柜内筒表面已出现严重的腐蚀和起皮（图1）,与我们常见的304不锈钢的光亮表面完全不同.在内筒左右两侧壁面上各焊有两条不锈钢钢棒（支承杆）,用于支承放置灭菌物料的隔板,由（图2）可见支承杆与内筒的焊接部位多处断开.
2. 缺陷产生机理
304不锈钢因含有铬使得表面存在一层很薄的钝化膜,可以隔离氧气起到耐氧腐蚀的作用,因此广泛使用于我国的工业设备中.而由于该材料不含钛和铌元素且未做稳定化处理,导致碳在不锈钢晶粒内部往边界扩散并与铬结合在晶间形成碳化铬,在晶界形成“贫铬区”,在腐蚀介质的作用下,贫铬区会失去耐腐蚀能力,产生晶间腐蚀.
而当不锈钢在含氯离子的介质中时,由于不锈钢表面的各种缺陷如表面粗糙及非金属夹杂等地方,氧化膜首先遭到破坏露出金属出现蚀孔,这些蚀孔成为点腐蚀生成的活性中心.氯离子在蚀孔中不断累积、浓缩,并在该处产生了电化学反应造成电化学腐蚀.金属发生点蚀时具有下述特征：
1）蚀孔小且深,随机分布；
2）腐蚀从起始到暴露期经历一个诱导期,但长短不一；
3）蚀孔通常沿重力方向或横向发展.点蚀是一种破坏性大而又难以及时发现的一种腐蚀.
应力腐蚀开裂（SCC）是危害性最大的局部腐蚀形态破坏形式之一,在腐蚀过程中,若有微裂纹形成,其扩展速度比其它类型的局部腐蚀速度要快几个数量级,是一种“灾难性的腐蚀”.应力腐蚀存在以下几个特征：
1）造成应力腐蚀破坏的是静应力,远低于材料的屈服强度,而且一般是拉伸应力.这个应力可以是外加应力,也可以是焊接、冷加工或热处理产生的残留拉应力.
2）应力腐蚀造成的破坏,是脆性断裂,没有明显的塑性变形.
3）只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀.
4）应力腐蚀的裂纹扩展速率是渐进缓慢的,有点象疲劳裂纹,这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸,使剩余下的断面不能承受外载时,就突然发生断裂.
5）应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处,而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴.
6）应力腐蚀破坏的断口,其颜色灰暗,表面常有腐蚀产物,而疲劳断口的表面,如果是新鲜断口常常较光滑,有光泽.
7）应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝.但不要形成绝对化的概念,应力腐蚀裂纹并不总是分枝的.
8）应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂,也可以是晶间断裂.如果是穿晶断裂,其断口是解理或准解理的,其裂纹有似人字形或羽毛状的标记.
3.设备事故分析
在检验过程中可以发现,304不锈钢内筒表面出现许多腐蚀麻点是304不锈钢在含氯环境中发生的点蚀,有关资料显示,一般在常温常压下水中Cl离子的含量在300mg/L对不锈钢设备影响不大,但在一定的压力条件下,比如不锈钢设备试压时Cl离子的含量必须控制在25mg/L以下.而该设备在使用过程经常接触高浓度氯离子蒸汽,与内壁金属接触后会产生腐蚀现象.
同时,灭菌器裂纹均出现在支撑杆角焊缝焊接部位周边,表明该处裂纹与其角焊缝中存在的焊接残余应力、操作应力（支承杆的承重）有关.而裂纹微观形貌呈现树枝状、有大量分支、尖端尖锐、裂纹内有腐蚀产物.结合灭菌柜的周围环境：氯离子浓度高、挥发性化学气体浓度高,可以推断出该灭菌器开裂泄漏的原因是由于使用过程中发生了氯离子气氛下的应力腐蚀开裂. 三、 案例总结及对策
由上述可知,应力腐蚀是一种金属或者合金在腐蚀介质和拉应力的协同作用下引起的金属或者合金的破裂现象.该现象的产生包含了必需的三个条件：也就是特定的腐蚀介质以及对该腐蚀介质具有应力腐蚀敏感特性的钢材和超过应力腐蚀应力门槛值的应力,三个条件缺一不可.
在本案例中可以发现,该灭菌器由304不锈钢制造,使用时处于在具有高浓度的氯、硫等易引起应力腐蚀的介质环境之中,同时由于制造时,对设备支撑杆等焊接部位的消除应力措施进行不到位,导致焊接残余应力过大.上述几个诱因合在一起便引起该灭菌器产生应力腐蚀现象.
因此,为避免304不锈钢制灭菌器出现应力腐蚀现象进而导致设备穿孔失效等事故,使用单位应严格执行操作规程,尽量控制灭菌物料中氯离子含量,每次使用完毕后对灭菌器内壁用洁净水清洗干净,特别是容易聚集浓缩氯离子的部位,如角焊缝、门封条等窄隙部位.对于设计而言,应考虑改变目前的悬臂点支撑为导轨式线支撑,减少应力集中.而对于制造单位来说,只有采用耐氯离子应力腐蚀的不锈钢材料来设计及制造此类容器,以及在制造过程中严格按照制造和焊接工艺,降低焊接残余应力,才能从根本上解决此类蒸汽灭菌器的应力腐蚀导致开裂现象.
而针对应力腐蚀裂纹在开始阶段扩展速率比后期要快的特点,特种设备在对此类蒸汽灭菌器进行定期检验时,除对容器进行宏观检查以外,还应通过渗透检测等检验方法,及时发现应力腐蚀裂纹,防止其进一步扩展导致设备失效.避免人身伤害及财产损失.