（机械工程专业论文）脉动真空蒸汽灭菌器内腔开裂失效分析.pdfVIP

摘要 摘要 本课题来自北京市朝阳区特种设备检测所的一个科技攻关立项。主旨为分 析脉动真空灭菌器内腔开裂失效的裂纹原因，为改进脉动真空灭菌器结构设计， 降低生产成本，提高使用寿命，确保其使用安全性，为进一步深入研究提供可 靠的实验依据。 本文通过采用宏观检查、扫描电镜、金相检验方法对脉动真空灭菌器内腔 开裂部位进行断口分析；对灭菌器常用材料的疲劳性能进行测试分析。根据脉 动真空灭菌器的内腔结构以及有限元数值模拟结果，对灭菌器内腔不同部位静 态应力和动态应力进行测试分析，得到其工况下的最大工作应力；采用x 射线 衍射法对灭菌器常用材料不同焊接方法制作的试板进行残余应力测试分析：结 果表明，脉动真空灭菌器较高的焊接残余应力与工作应力叠加的总应力大大超 过材料屈服极限，总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灭菌内腔开裂的主要原因，而脉动真空灭菌器内腔较高的 焊接残余应力是造成应力腐蚀的直接原因。 本文还通过对灭菌器常用材料焊接试板采取消除残余应力措施后进行残余 应力测试，与未采取消除残余应力试板的残余应力测试结果对比分析，结合如 上试验分析结果提出防止灭菌器内腔开裂的预防措施。 关键字脉动真空灭菌器；应力测试；焊接残余应力；应力腐蚀 北京t 业大学毕业工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st o p i ci so n eo ft h eb e i j i n gc h a o y a n gd i s t r i c tp r o g r a m sf o rs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i ti st h em a i np u r p o s et oa n a l y s i st h ec a u s e sf o rc r a c k so f p u l s a t i n gv a c u u ms t e r i l i z e ra n do p t i m i z ei t ss t r u c t u r e ，a n dt od e c r e a s ei t sp r o d u c i n g c o s t ，e x t e n di t sl i f e t i m e ，a n dg a i ns e c u r i t ye x p e r i m e n td a t a t h ea r t i c l ee v a l u a t ef a t i g u el i f eo nm a t e r i a lo fp u l s a t i n gv a c u u ms t e r i l i z e r , e v a l u a t et h e w e l dr e s i d u a ls t r e s so fas t e r i l i z e r , w e l dp l a t e sw i t l ld i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s sa r em e a s u r e dw i t h t h ex - r a ym e t h o dm e a s u r es t a t i ca n dd y n a m i cs t r e s s ，t h r o u g ha n a l y z i n gf o rc r a z ei n l u m e no fp u l s ev a c u u ms t e r i l i z e rb yg r a n dc h e c ku p ，s e m ，s t r e s st e s t ，r e m n a n t s t r e s sa n dw e l d i n gp l a t e so fd i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s sm e a s u r e dw i t ht h ex - r a ym e t h o d ： a sar e s u l t ，t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ec o m b i n a t i o no ft h eh i g hr e s i d u a ls t r e s sa n dt h e n o r m a lw o r k i n gs t r e s sm a d et h es t e r i l i z e ri n s i d es u r f a c es t r e s se x c e e d e dt h ey i e l ds t r e s so ft h e s t e r i l i z e rm a t e r i a la tt h ew e l dh e a ta f f e c t e da r e a ，t h i ss t r e s sc o r r o s i o np l a yt h ei m p o r t a n t r o l eo fc r a z i n gl u m e n , m e a n t i m e , t h o s es t r e s sc o r r o s i o nm e d i u ma n dw e l d i n g r e m n a n ts t r e s sa r et h es e c o n d a r yr e a s o n so fs t r e s sc o r r o s i o n b a s e do na b o v e - m e n t i o n e dr e s u l to ft h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ，t h i sa r t i c l eg i v eo u ta m e a s u r et op r e v e n tt h ec r a z ei nl u m e no f p u l s ev a c u u ms t e r i l i z e r k e yw o r d sp u l s a t i n gv a c u b ms t e a ms t e r i l i z e r ；s t r e s sa n a l y s i s ；w e l d i n gr e m n a n t s t r e s s ；s t r e s sc o r r o s i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 繇肄吼出 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：三障导师签名： 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 本课题来自北京市朝阳区特种设备检测所的一个科技攻关立项。由于电子 和控制技术的不断发展，目前由以前的手动开关门和各种阀门、手动控制灭菌 过程已发展到自动化可编程控制。由于自动化程度的逐渐提高，灭菌器在管路、 电磁阀、控制电路等方面增加了许多设施，因此灭菌器价格大幅度增加，导致 灭菌成本成倍增加。 我国的发展相对滞后，二十世纪九十年代逐渐引入和发展预真空灭菌器， 到九十年代末才大量使用脉动真空灭菌器瞄1 。随着我国加入w t o 和各种经济成 分的国际市场化，以及医疗水平和医药卫生要求的不断提高，脉动真空灭菌器 的使用数量逐年增大。新技术的应用带来了新的问题，由于内腔是在夹套蒸汽 的外压下承受多次压力波动，因此内腔的受力状况由以前的恒定载荷变为负压 疲劳载荷，在此工况下，出现了内腔开裂问题，导致灭菌器失效。脉动真空灭 菌器属于压力容器，受国家特种设备监察部门的监督，特种设备安全监察条例 规定特种设备检验部门要对其制造过程做监督检验、对其使用过程做定期的检 验。提高灭菌器使用的安全性是我国政府不可推卸的责任。同时改变我国标准 落后的现状，争取形成具有国际先进水平的标准规范。 1 2 灭菌器使用现状和发展趋势 大量的资料调研表明国外灭菌器发展较早，比较知名的公司有瑞士s a u t e r 、 瑞典g e t t i n g e 、美国s t e r i s 、日本樱花( 千代田) 等等，这些公司的产品无论 在控制系统，还是在灭菌器本体制造质量方面都十分过硬。 这些国外公司都拥有自己的研究发展部门，产品外观和技术性能总在不断 更新。其产品都使用在一些大的单位，例如朝阳医院、中日友好医院、肿瘤医 院、泰德制药等。这些灭菌器无论在操作性、质量稳定性，还是在高等级、高 要求的灭菌场合，都受到使用者的高度评价。但其价格高得惊人，一台内容积 为0 6 m 3 的脉动真空灭菌器售价约为2 0 0 万元人民币左右。如此高额的设备，向 我们提供的资料说明除了一些常用的技术参数外，并没有任何的设计计算过程、 设计计算依据、制造工艺技术内容，对我们实行了严格的技术封锁。 例如瑞典g e t t i n g e 公司的h s 6 6 系列医用灭菌器，灭菌程序经过重新优化， 运行时间明显缩短，完全符合e n 2 8 5 5 5 4 的要求，可选的e c o 系统，可显著降 低真空泵的耗水量，并能分离循环冷却水和废水。与其他标准灭菌器相比，节 水能力高达7 5 ，体现了经济、环保的理念。 由此可见，国外脉动真空灭菌器不仅功能完善，质量可靠，而且外形简洁、 美观，投资效益比高，是代表业内较高水平的现代化灭菌器。 北京i 业人学毕t 程碗学位* i 目前国内主要制造单位有山东新华医疗器械有限公司、连云港千樱医疗设 备有限公司、河北邢台医疗器械有限公司、北京将台医疗器械有限公司，以前 比较大的专业生产单位有辽宁锦州医疗器械厂、上海医用核了仪器厂等。 就国内市场占有量而旨，最大的是山东新华医疗器械有限公司，其生产的 a g i d w v 一7o b 型机动门脉动真空灭菌器( 图卜1 ) 在各大医药公司较为常见。 上海医用核子仪器厂生产的y x 0d y2 5 0 台式压力蒸汽灭菌器具有程控、自锁门 功能是较为完善的小型灭菌器。目前较为常见的卧式蒸汽灭菌器还有江阴滨江 医疗设备厂牛产的w s 一6 0 0 卧式圆形压力蒸汽灭菌器，张家港市神农药机有限 公司生产的y g 系列脉动真空灭菌柜，还有合资企业连云港千樱医疗设备有限公 司生产的s c mg 1 5 a j s b 1 0 a j 型机动门脉动真空灭菌器。 图1 - ia g i d w v - 70 b 型灭苗器 f i g u r e l - ia g id w v - 7o b - m o d e ls t e r i l i z e r 龄1 - 2q m 】05 2 型灭菌器 f i g u r e l - 2q m j o5 - 2 - m o d e ls t 耐1 i z 盯 此外，此次我们还考察了北京将台医疗设备有限公司的t 汕l 1 05 - 2 型全自动 多功能灭菌器( 图卜2 ) ，并在其生产车间考查了灭菌器半成品的内腔构造、 加工工艺、焊接方式等。并与山东新华、北京将台医疗设备有限公司等单位的 专业人员做过专门研讨，分析灭菌器内腔开裂原因。从研讨情况看出国内各制 造单位对内腔开裂原因早就做过不同程度的分析，但所有分析都集中在内腔材 料选择匕，这些单位曾经就不同钢厂生产的相同牌号材料或不同牌号的材料做 过一些试验，认为发达国家生产的3 0 4 类材料性能好不会产生开裂，我国生 产的同类牌号或1 88 系列用铡容易开裂，尤其是台碳量较高的1 g r l 8 n i 9 t i 最 容易发生裂纹。因此许多单位都不再使用这种材料。但通过我们的检验发现， 情况不完全这样，9 台开裂的灭菌器中有3 台为1 g r l s n i 9 t i ，3 台为日本牌号 s u s 3 0 4 ，3 台为美国牌号a 2 4 0 3 0 4 。而日本三洋和樱花的灭菌器同样使用s u s 3 0 4 没有发现开裂，一些公司使用的l g r 8 n i 9 t i 材料使用多年未发现开裂。这充分 第1 苹绪论 说明开裂的根本原因不仅仅是材料问题，还有许多其他原因。 医疗、制药、生物制品、实验动物和食品等行业有各种各样的消毒、灭菌 方式，蒸汽高温灭菌是目前最好的无毒、无害化处理方式，各种物品在1 2 1 - 1 3 2 高温水蒸汽下经过一定时间的透入和保持，可以杀灭各种细菌，灭菌彻 底，且不会有消毒液的污染。手术器械、医疗包裹、医疗和药品器皿、食品等 都采用灭菌器进行灭菌。灭菌器内腔为主要空间，用于放置被灭菌物品。夹层 厚度为5 0 m m 左右，通入蒸汽加热内腔。两端封闭，形成密封空间。一般一端安 装可以开关的快开门，物品从门处放入取出，根据不同要求，有时两端设置成 快开门。为了加强内外腔的刚度，改善受力状况，内外腔之间设有拉撑。 蒸汽加热灭菌时，被灭菌物周围的空气是影响灭菌效果的重要因素，如果 不把空气排尽，由于空气的热传导率很低，一方面被加热物很难快速加热到规 定温度，另外空气周围的蒸汽由于空气的降温，形成大量凝结水不利于灭菌， 空气和蒸汽的相互接触还会产生水击、噪声和设备的振动，造成各种损坏。 早期使用的灭菌器为下排气式，蒸汽从灭菌器上部缓慢进入，把空气从灭 菌器底部挤出。由于蒸汽不可能大面积均匀进入，空气不可能大面积均匀排出， 灭菌器内死角处的空气很难排尽，另外包裹内的空气也很难快速排出，因此这 种灭菌器的灭菌效果不够理想，灭菌时间很长。 为了克服这个缺点，二十世纪七十年代研制了预真空灭菌器，即内腔通入 蒸汽以前，先用真空泵抽出内腔的空气，再通入蒸汽灭菌，灭菌完毕后，再用 真空泵抽出内腔的蒸汽做干燥处理，这种方法缩短了灭菌时间，提高了灭菌效 果。但一次把真空度抽取到理想数值，对真空泵性能和灭菌器本体的密封性能 提出了很高的要求，成本很高。为了克服这种缺点，二十世纪八十年代科研人 员研制了脉动真空灭菌器。 夹套通蒸汽，加热内腔；抽取内腔空气，真空度达到一9 0 k p a ；内腔通入蒸 汽到常压；第二次抽取内腔真空! t ! u - 9 0 k p a ；内腔再次通入蒸汽到常压；第三次 抽取内腔真空至l j - 9 0 k p a ；内腔通入蒸汽到+ 2 2 0 k p a 左右消毒灭菌一定时间；灭 菌时间结束后，抽取内腔蒸汽至i j - 9 0 k p a ；内腔通入洁净的空气到一i o k p a ；根据 不同要求，再重复数次抽真空和通空气过程；内腔通空气到常压后，灭菌过程 结束。在整个过程中，央套始终通有2 2 0 k p a 左右的蒸汽加热内腔晦1 。 由于电子和控制技术的不断发展，脉动真空灭菌器灭菌过程已发展到自动 化可编程控制。我国的发展相对滞后，二十世纪九十年代逐渐引入和发展预真 空灭菌器，到九十年代末才大量使用脉动真空灭菌器。随着我国加入w t o 和各 种经济成分的国际市场化，以及医疗水平和医药食品卫生要求的不断提高，以 前不用灭菌器的单位或场所目前也逐步采用，脉动真空灭菌器的使用数量越来 越大。 3 北京工业大学毕业工程硕十学位论文 1 3 脉动真空灭菌器存在的问题 脉动真空灭菌器的工作整个过程中，内腔是在夹套蒸汽的外压下承受多次 压力波动，因此内腔的受力状况由以前的恒定载荷变为负压疲劳载荷，为了保 证内腔和夹套刚度，内腔与夹套间拉筋增多，焊接残余应力增大，从而出现了 内腔开裂问题。 目前在北京市朝阳区注册登记的灭菌器有3 0 0 余台，使用年限在3 年以上 的脉动真空灭菌器有1 4 0 余台。但仅从2 0 0 5 年6 月到2 0 0 6 年1 2 月，就发现 11 台脉动真空灭菌器内腔开裂泄漏，开裂位置、方向有规律性，在拉撑焊缝边 缘。一旦开裂就已经泄漏，就预示着灭菌器寿命已经结束，同时其配套设施也 一并报废。 这些设备的使用寿命很短，制造厂家出厂资料图纸标明设计寿命8 年，而 正常使用频率下一般寿命在3 - 5 年，最短的实际仅使用了2 年半。而从现有资 料看，国外同类产品使用l o 年以上均未见开裂。可见我国产品与国外先进产品 的差距之大。 1 4 本文研究的目的和意义 灭菌器的内腔开裂后如果继续使用，灭菌效果无法保证，容易引起各种感 染，发生医疗事故。所以，提高灭菌器使用的安全性是我国政府不可推卸的责 任。 随着灭菌器使用寿命的降低，使医疗成本和药品成本的提高，因此找出灭 菌器内腔开裂原因并提出预防措施对降低医疗成本具有现实意义和社会意义。 总之，该研究旨在改变我国灭菌器标准的落后现状，努力争取形成具有国 际先进水平的标准规范。为民族产业的发展提供强大的技术支持，增强民族产 业竞争力。 1 5 本文研究思路和主要工作 本文立足于找出脉动真空灭菌器内腔开裂失效原因及进而提出预防措施。 通过对脉动真空灭菌器不同的设计结构和生产工艺的调研：对国内制造的灭菌 器作解剖实验，进行焊接状态疲劳寿命实验和典型材料的疲劳实验，考察材料 的优劣；进行应力测试，包括静态工作应力、动态工作应力、焊接残余应力测 试，得出总的应力水平；结合金相分析、微观断口分析、数值模拟分析结果， 得出脉动真空灭菌器内腔开裂失效原因并提出预防措施。为新的设计方法、制 造工艺、制造要求的提出提供基础参考数据。 本课题研究思路如下图： 4 第1 章绪论 圜+ 圈 分析 匕宏观残余应力水平与微观组织的关系 5 北京丁业大学毕业工程硕二仁学位论文 第2 章常用灭菌器材料疲劳特性研究 2 1 被测试试件概述 对典型脉动真空灭菌器所用材料的疲劳性能进行测试分析，对二种灭菌器 常用材进行拉伸实验，评价其力学性能。对二种材料进行疲劳试验，其中两种 材料包括焊接正常状态及焊后浇水状态。测试试件如下： ( 1 ) 韩国3 0 4 钢包括母材与焊缝 拉伸：母材3 件；焊缝2 件疲劳：焊缝8 件。 ( 2 ) 德国3 0 4 钢( 0 6 6 8 0 0 ) 全部为焊接态 拉伸：焊缝原始态b ：2 件；浇水态c ：2 件； 疲劳：焊缝原始态b ：3 件；焊缝浇水态c ：5 件。 2 2 拉伸试验 拉伸试验机为德国申克r s a 2 5 0 型电子万能试验机，控制程序为长春仟帮测 试设备有限公司提供的标准拉伸试验系统，可对试验进行实时监控，并可自行 计算结果。 2 2 1 拉伸试验结果 拉伸断裂试件见附录2 - 1 、附录2 - 2 ，对2 种材料拉伸试验结果见表2 1 。 表2 - 1 拉伸试验结果 1 a b l e2 1r e s u l to ft e n s i o nt e s t 材料状态试样号i m p a r m m i a 刖z 焊缝 l3 5 1 26 4 7 8 3 0 4 05 3 1 0 23 5 7 16 5 9 93 2 4 05 1 4 5 a 组 平均值 3 5 4 26 5 3 93 1 4 05 2 2 8 韩国3 0 4 钢 33 1 5 96 6 0 25 9 0 06 8 7 3 母材 43 9 3 86 4 8 56 0 2 06 5 9 l 组53 0 9 16 4 8 9 6 1 8 06 4 2 6 平均值 3 3 9 66 5 2 6 0 3 36 6 3 0 焊缝 b 13 4 5 66 6 9 93 9 4 54 3 ，0 9 原始态 b 24 0 6 16 6 3 93 8 6 54 6 。1 8 德国3 0 4 钢 b 组 平均值3 7 5 96 6 6 93 9 0 5 4 6 6 4 ( 0 6 6 8 0 0 ) c 13 7 0 06 7 7 0 焊缝 浇水态 c 23 9 0 06 7 0 1 平均值 3 8 06 7 3 6 2 2 2 拉伸试验结果分析 2 种材料4 种状态拉伸实验结果平均值比较见图2 - 1 、图2 - 2 。 6 羞：耄兰盘蚕：兰：盆耋盏墨笔2 巷 图2 - 1 材料拉伸强度指标比较 f i g u r e 2 - 1c o m p a r e o f t m s i o n8 h 舶g 山 图2 * 2 材料拉伸塑性指标比较 f i g u r e 2 - 2c o n l p a r c o f t e n s i o n y i e l d 2 22 1 强度指标比较 从图23 、图2 - 4 可见，各种材料强度指标基本相当。 ( 1 ) 二种材料焊接后的比较：韩国3 0 4 钢材中，焊缝与母材抗拉强度仅 相差19 m p a ，为0 2 9 ： ( 2 ) 同种材料焊接后浇水的影响：对于德国3 0 4 钢，焊后浇水使强度指 标略有提高，但数据分散性较大，可见，焊后浇水对强度指标没有大影响。 ( 3 ) 材料屈强比的影响：从表2 1 及图2 - 3 可见，不锈钢材料的屈强比 均较低，在5 0 - - 5 7 之间，说明材料屈服后还有较大的承载能力，从测试数 北京丁业大学毕业工程硕十学位论文 据可见，经过焊接及焊后浇水，对材料的屈强比基本无影响。 2 2 2 2 塑性指标比较 ( 1 ) 焊缝与母材的比较：从韩国3 0 4 钢的母材与焊后比较看，母材塑性 很好，经过焊接后塑性大幅下降，其中延伸率下降4 9 ，断面收缩率下降2 1 。 ( 2 ) 焊接后状态：二种材料塑性指标基本相当，德国材料略占优。 ( 3 ) 焊后浇水的影响：经过焊后浇水处理，塑性指标下降，但降幅不超 过1 0 。 2 2 2 3 断裂位置的影响 ( 1 ) 从断口形貌上看：母材拉伸断裂有明显颈缩。 ( 2 ) 带焊缝试样( 包括焊后及浇水试样) ，断裂位置全部出现在焊缝区， 且断口也有颈缩现象。 ( 3 ) 从拉伸断裂全部位于焊缝的情况可判断：母材强度优于焊缝。 2 3 疲劳实验方案的确定 2 3 1 加载应力的确定 在疲劳试验中，部分试样最大疲劳载荷将超过屈服极限，为克服材料塑性 变形的影响，在疲劳试验前，对其首先进行预拉伸，拉伸载荷为最大疲劳载荷， 由此保证试样在疲劳过程中为弹性变形。 试验机为1 0 吨程序控制高频万能疲劳实验机，控制程序为长春仟帮测试设 备有限公司提供的q b g - 2 0 型试验系统，可自动记录数据。疲劳试验中加载应力 依据拉伸试验中的抗拉强度。韩国3 0 4 不锈钢( a 组) ：将焊接后的抗拉强度取 平均值：取凡( a b ) 为6 6 0 m p a ，其加载应力水平及载荷见表2 2 。德国3 0 4 不锈 钢( 0 6 6 8 0 0 ) ( b 、c 组) 按其抗拉强度，取( o 。) 为6 7 0 m p a ，其加载应力水平 及载荷见表2 - 3 。 2 3 2 应力比的确定 按灭菌器的实际工况，考虑到焊接残余应力的作用，相当于在固定应力的 基础上叠加脉动载荷。因此本实验取应力比为：r = o 5 。载荷形式采用正弦波。 2 4 疲劳性z 日匕1 5 测 试结果及其分析 2 4 1 疲劳试验结果 各组试件疲劳试验结果见表2 - 2 、表2 3 ，疲劳寿命曲线见图2 3 、图2 4 。 第2 章常用灭菌器材料疲劳特性研究 表2 2a 组( 韩国3 0 4 钢) 疲劳试验结果 t a b l e2 - 2a t e a mr e s u l to ff a t i g u et e s t 应力最大应横截面 状态试件号 p 哪卵斟 p 0 k n r 寿命 水平力咐四a积r a m 2 a 10 4 5 0 b3 0 02 6 2 47 8 75 9 00 5 01 0 7 a 20 6 5 0 b4 2 92 7 6 51 1 8 68 9 0o 5 01 0 7 a 30 6 8 0 b4 4 92 7 o1 2 1 29 0 9o 5 01 0 7 a 40 7 0 0 | b4 6 22 8 1 61 3 o l9 7 70 5 09 2 6 x1 0 5 焊缝 a 5o 7 7 a b5 0 82 9 3 81 4 8 81 1 0 00 4 83 8 6 x1 0 5 a 60 8 0 6 b5 2 82 7 4 31 4 4 81 0 8 60 5 01 6 6 x1 0 s 0 8 2 6 b5 4 12 6 1 01 4 1 31 0 6 0o 5 02 5 3 a 80 8 5 0 b5 6 12 8 5 31 6 o l1 2 0 3o 5 05 2 3 表2 - 3b 、c 组( 德国3 0 4 不锈钢) 疲劳试验结果 m l b l e2 3b 、c - t e a mr e s u l to ff a t i g u et e s t 应力最大应横截面 状态试件号p 。k np 0 k n r 寿命 水平力咐四a积m m 2 0 6 6 8 b l 0 7 0 0 b 4 6 92 5 1 1 1 7 7 8 3 30 51 0 7 0 0b 2 0 7 7 曲 5 1 62 3 3 51 2 0 59 0 3o 51 0 7 焊后 b 3 0 8 0 a b 5 3 62 4 9 91 3 3 91 0 0 5o 51 3 3 x 1 0 6 0 6 6 8 c l 0 7 0 0 b 4 6 92 5 1 51 1 8 08 8 50 51 0 7 0 0 c 2 0 7 7 0 b 5 1 62 4 3 01 2 5 49 4 00 51 0 7 焊后c 30 8 0 a b5 3 62 4 7 61 3 2 79 9 5o 51 0 7 浇水 c 4 0 8 3 a b 5 5 62 4 9 21 3 8 51 0 3 90 51 0 7 c 5 0 8 6 a b 5 7 62 5 7 41 4 8 31 1 1 20 51 0 7 o 9 0 8 0 7 0 6 0 5 o 4 2 0 x 10 8 0 0 2 0 x l0 6 4 0 x l0 8 6 0 x l 0 8 8 0 x l0 61 0 x l0 7 寿命n 图2 - 3a 组( 韩国3 0 4 不锈钢) 焊缝疲劳寿命曲线 f i a u r e 2 3a t e a mf a t i g u el i f ec u r d 9 1a 。长r域 北京t 业大学毕业工程硕一e 学位论文 o b 1 斗 * r 趟 寿命n 图2 4b 、c 组( 德国3 0 4 不锈钢) 疲劳寿命曲线 f i g u r e 2 4b 、c t e a mf a t i g u e1i f ec u r v e 2 4 2 疲劳试验结果分析 2 4 2 1 疲劳极限的比较 将循环1 0 7 仍不断裂的应力最高值定义为材料的疲劳极限，不同材料及状态 的疲劳极限见表2 - 4 及图2 - 5 。 ( 1 ) 疲劳极限的整体评价 从表2 4 的疲劳数据整体看，不锈钢的疲劳性能很好，a 组一c 组材料的疲 劳极限均大大高于自身的屈服极限( 最低为1 2 7 6 。) 。焊后a 组的疲劳极限在 0 6 8 6 。、b 组则在o 7 7 瓯。表明该种材料经过焊接后，即使在塑性强化区工作， 仍具有无限寿命。 表2 - 4 不同材料的疲劳极限 t a b l e2 - 4 f a t i g u el i m i to fd i f f e rm a t e r i a l 疲劳极限 6 d v i p aa j l v l p a 材料状态 与比较 与瓯比较 6 0 5 m p a 韩国3 0 4a 焊缝4 4 9 3 5 4 26 5 3 9 o 6 81 2 7 b 焊缝5 1 6 3 7 5 96 6 6 9 0 7 7 1 3 7 德国3 0 4c 焊后浇水5 7 6 3 8 0 06 7 3 6 o 8 61 5 2 e 焊后浇水 5 3 63 8 4 o6 8 4 8 0 8 0 1 4 0 l o 羞：薹盘銮要三：蓥：竺譬譬： 图2 - 5 焊缝疲劳极限比较 f i g t u t 2 - 5c o 卿m e o f w e l d i n g l i n e f m i g a e 址血 ( 2 ) 二种材料焊接后的比较 从图2 - 5 可见；二种材料之问。同样的焊接情况下，b 组( 德国3 0 4 钢焊 接) 的疲劳极限最高，比a 组高l 蹋。 ( 3 ) 焊后浇水的影响 焊接的过程中经过浇水处理，疲劳极限有所提高。从b 、c 组情况看，焊后 浇水均提高了疲劳极限，c 组比b 组提高了1 2 。由于c 组的5 个应力级别试样 ( 最大为08 6 0 b = 5 7 6 m p a ) ，经过1 盯应力循环，均未断裂，故只能得到疲劳极 限下限。事实上，德国3 0 4 不锈钢中焊后浇水的疲劳极限与焊接原始态疲劳极 限之比必大于1 2 9 6 。 2422 疲劳断裂位置 二种材料疲劳试样的断裂形貌见附录2 - 3 、附录2 - 4 。疲劳断裂试样全部断 在焊缝处，这与拉伸试验的断裂结果相吻合，进一步说明了母材的疲劳性能更 优于焊缝。 25 本章小结 通过分析疲劳测试结果可以得出： 1 二种材料焊接后的疲劳性能均达到良好。其中德国产3 0 4 不锈钢焊接疲 劳性能最优。 2 经过焊接过程的浇水处理，从力学性能角度看：对拉伸强度指标略有提 高，其幅度小于1 1 ，但降低了塑性性能，其中延伸率最大降幅为4 9 。 3 母材的疲劳特性优于焊缝，浇水处理使焊缝疲劳极限提高1 2 1 4 以上。 4 从材料的疲劳性能分析，疲劳极限远远大于灭菌器的总应力( 工作应力 北京工业人学毕业工程硕l 学位论文 与残余应力叠加) ，单纯的疲劳不会引起灭菌器内腔开裂。 1 2 ：翟：銮：譬：j ： 第3 章脉动真空灭菌器静、动态工作应力分析 3 1 应力分析基本思路 考虑灭菌器工况下的载荷，模拟实际工况，自行搭建的加压检测实验平台， 进行了多次静、动态的加卸载过程，用电测法测试灭菌器静、动态的工作应力。 依据数值模拟测试结果，对灭菌器内腔关键部位、开裂部位的焊缝区域、热影 响区域、母材区域进行静态应力测试，得到最大应力并分析结果；考虑实际工 况，对灭菌器在加卸载过程中内腔内腔关键部位、开裂部位的焊缝区域、热影 响区域、母材区域进行动态应力测试，得到动态应力结果对静、动态应力结 果进行对比分析，得到灭菌器实际工况时最大工作应力，进行强度、安全裕度 分析。 32 待测灭菌参数及前期研究 本次试验使用的是由山东新华医疗机械厂 出产的灭菌器，见图3 - 1 。此灭菌器存在的问题 是内腔多处开裂导致灭菌器失效，无法彻底消 毒，因而不能在医院继续使用。 该实验灭菌器为手控灭菌器，主体为夹套 矩形结构，通过操作控制总阀实现灭菌室内空 气的排除、物品的灭菌，靠夹层较高的温度实 现对内室物品的干燥。详细参数如下： 物理参数： 工作参数： 内腔材质 设计压力 设计温度 试验压力 产品型号 3 0 4 不锈钢镜面抛光 0 2 3 伸a 1 4 0 0 3 5 a ( 水压) x g i x 图3 - 1 实验灭菌器 f i g u r e 3 - le x p e r i m e n ts t e r i l i z e r 外型尺寸：1 3 0 0 x 9 1 5 1 6 5 0 r a m 灭菌市尺寸：1 0 0 0 x 6 0 0 x 6 0 0 m m 灭苗室容积：03 6 m 3 重量：6 7 0 k g 3 2 1 金相检测结果 金相检测结果见图3 2 、图3 3 ，检验结果分析：由图3 2 看出，试样组织 为奥氏体，并有孪晶，有少量析出碳化物。图3 3 中的裂纹清晰可见，裂纹走 i ：耋：，些奎茎茎些三茎竺耋：善： 向是穿过晶粒的，故为穿晶断裂，为典型的不锈钢应力腐蚀裂纹形貌。 ，o j i 移。 ，努。i 静 鬻 己篓黪。 1 嘲、+ 舞 鹞慧遂 幽3 - 2 金相组纵2 0 0 倍 f i g u r e 3 - 2m e t a l l u r g i c a ls 帆c m 322 数值模拟测试结果 幽3 - 3 金相l h 纵2 0 0 倍 f i g u r e 3 - 3m e t a l l u r g i c a ls i i a l c t u t e 为了验证应力测试结果和为应力测试提供参考。利用大型数值分析软件 m s c p a t r a n n a s t r a n 对消毒柜进行了有限元结构分析，其r a i s e s 应力结果见图 3 - 4 ，从图3 - 4 可以发现灭菌器内腔应力的集中点发生出现在拉筋断续焊缝的断 点处。也正是在实际使用的过程中最先出现破坏裂纹的地方“3 。 n s c 2 0 0 5 口0 7 - m a p 0 7 1 7 1 0 8 ：8 8 f n n g e ：d e f a u f f , a s ：s t 砷c s u b c o s es t r e s s t e n s o r w o r lm b e s a t z 2 图3 4v o n m i s e s 应力云图 f i g u r e 3 4v o n m i s e ss n t s s f i g u r e d e f a u i t _ f n n g e h 剖89 4 + 0 0 1 n d 2 1 鹋 m i n0 n d l 4 8 9 6 乏：鉴翟毒言銮：兰：翟三二錾晋：錾 3 3 动、静态应力测试 3 3 1 动、静态应变仪测试方法 33 1 1 静态应变仪测试方法 在本次试验中，静态测量主要对监测点的应变测量。其中，应变测量采集 器上采用四分之一桥的按法，每一区共用公共补偿片的方法。静态测量仪器为 “u c , 删! - 1 0 a ”数据采集器，仪器校准度为土0 1 ，分辨率为1 u g ，该仪器具有多 点快速测量功能，自动采集存储应变数值，可与计算机完成通讯，最终计算出 被测位置应力值。采用2 x 3 三向应变花进行工作应力现场测试。 331 2 动态应变仪测试方法 对灭菌器内壁的动态测量采用的是日本东京测器生产的“d r a - 1 0 1 c ”数字 动态应变仪，该仪器配有笔记本电脑进行实时监测并显示。具有a d 转换，全 数字方式，完全由电脑控制采集、存储数据，通过分析软件可以完成静、动 态测试的全程工作，实时图形监视，采样频率范围宽、并可根据要求选择，特 别适合现场使用，是当今世界上同类产品中最先进的仪器。在本次试验中动态 应变仪主要应用于对监测点的应变测量。 3 3 13 试验方案 加载系统：根据灭菌器的实际工作情况，在本试验中，灭菌器和加压装置 构成加载系统。而加压装置则是由一个压力表和一个水压泵作为动力源，通过 操作控制总阔经由管道将水压传递到灭菌器内壁夹层实现加压。加载系统见图 3 _ 5 。检测系统：灭菌器、加压装置、实验仪器以及电脑构成了实验的整个检 测系统。检测系统见图3 - 6 。 图3 - 5 加载系统 f i g u r e 3 5v o nm i s e s $ t l g s sf i g t t r e 图3 - 6 检测系统 f i g u r e 3 6 v o n m i s e ss h e f i g u r e 332 静态应力测试应变片的分布 由丁二脉动真空灭菌器内腔的结构很复杂，从而应力分布也很复杂，难以确 定最大应力的准确位置，所咀要想知道其应力的分布，实验时必须考虑灭菌器 的焊缝区，母村区，底板等位置，参考有限元数值模拟测试的结果，找到应力 相对大的点进行贴片。本实验全部采用2 x 3 三向应变花，一般情况下三向应 变化吼圆周切向为x 方向粘。实验巾每方向的应变片均接四分之一桥每组线 单独补偿。具体贴片方案如下： 3 321 区域i 区域i i ( 1 ) 贴片测点位置及数量： 区域1 ：灭菌器内腔右壁底部焊缝区，三根拉筋两侧各i 片 区域i i ：灭菌器内腔右壁底部母材区，第一根拉筋左侧i 片，第三根拉 紧右侧1 片 ( 2 ) 贴片测点布置图见图3 7 及方案表见表3l 、表3 2 ： 酗3 4 区域i 区域1 1 测点布置图 f i g u r e 3 - 7i 1 1r e g i o n m e a s u r i n g p o i n t l o c a t i o n s 3 3 22 区域i i i & 区域 ( 1 ) 贴片测点位置及数量： 区域i i i ：灭菌器内腔左壁底部焊缝区，第一根拉筋两侧2 片 区域：灭菌器内腔左壁上部焊缝区，第一根拉筋两侧各1 片 ( 2 ) 贴片测点布置图见图3 8 、图3 - 9 及方案表见表3 - 3 、表3 4 兰：耋兰：銮要：巴：2 銮王：譬盘： 表3 - 1 区域i 测点方案表 t a b l e3 - 11r e g i o n m e a s u r i n g p o i n ts c h e m e 区域片号测点 仪器线号区域片号测点仪器 线号 i 一1 啼i “ i i - x1 0 1i h1 1 l i 1 - xi - 4 - x 1 1 - vi4 v i i 1 y 1 0 2i i 4 - y1 1 2 i - l - v 1 4 叫 i 1 4 51 4 4 5 i - 1 4 51 0 3i 4 _ 4 51 1 3 i 1 m1 - 4 - 4 5 i 一2 - xi - 5 - x i - 2 - x1 0 4i 5 - x1 1 4 i 2 - xl - 5 - x i 2 - v i 5 - v i i i 2 - y 1 0 5 ii 1 - 5 - y 1 1 5 i - 2 vi - 5 - v i 五4 5i - 5 - 4 5 i - 2 - 4 51 0 6 1 4 4 51 1 6 i 之4 5 i 5 - 4 5 i o 嘱i - 6 - x i - 3 - x1 0 71 n 1 1 7 i o 嘱i m i - 3 vi 卜 1 3 - y 1 0 8 i j 却 1 1 8 i - 3 一v1 - 6 - - v i o m1 - 6 - 4 5 i 一3 - 4 51 0 9 i - 6 - 4 51 1 9 i 3 mi 6 4 5 表3 - 2 区域舰i 点方案表 t a b l e3 - 21 r e g i o n m e a s m i n g p o i n ts c h e m e 区域片号测点仪器线号区域片号测点仪器 线号 1 1 1 1 - 2 - x 一i - x1 2 1h - 2 - x1 2 4 i i 1 x1 1 2 - x i i i - 5 2 - v i i i i - i - y 1 2 2i ii i 1 1 - 2 - y 1 2 5 1 1 1 - v1 1 2 - v 1 1 1 4 5i i 2 - 4 5 - 1 4 51 2 3 1 1 - 2 - 4 5 1 2 6 j i 1 4 51 1 2 - 4 5 削3 - 8 区域m 测点布置目 f i g u r e 3 - 8m r e g i o nm e a s u r i n g p o i n tl o c a t i o n s 幽3 - 9 区域测点布置目 f i g u r e 3 - 9i v r e g i o nm e o s u r i n g p o i n tl o c a t i o n s 表3 0 区域i i i n 点方案表 t a b l e3 - 3 i l lr e g i o n m e a s u r i n gp o i n ts c h e m e r 域片号测点 仪器线号 区域片号 测点 仪器线号 l l 幔e 1 2 - x i i i - l - x1 2 11 1 1 2 - x1 2 4 1 1 1 1 - xj i i 2 x 1 1 1 1 v 1 i i 2 v 1 1 i u 1 m - i y 1 2 2 i i ii 1 1 i 一2 一y 1 2 5 i i i 一1 一vi 1 2 - v i i l - 1 - 4 51 1 1 - 2 - 4 5 【- 1 4 51 2 3 h i - 2 4 5 1 2 6 i i i 1 4 5i i i 2 - 4 5 表3 4 医域测点方案表 t a b l e3 - 4 ”g i o a m e 船u h n gp o i n ts c h e m e 区域片号测点仪器线号l z 域片号测点仪器线号 i v 一1 一xi v 2 x i v l - x1 2 1i v 2 - x1 2 4 i v - i xi v 2 x i v - 1 - v2 - v i v 一1 一y 1 2 2 之叫 1 2 5 i v 1 - v i v 2 v - 1 - 4 5i v 2 - 4 5 一1 - 4 51 2 3也4 51 2 6 1 4 52 4 5 33 23 区域v & 区域 ( 1 ) 贴片位置及数量： 区域v ：灭菌器内腔左壁上部焊缝区与母材区之间，第一根拉筋两侧2 片 区域：灭菌器内腔底板，第三根拉筋附近1