基于生物安全實驗裝備不銹鋼箱體的制造工藝研究

常宗湧 滕獻銀 鮑昀利

　　引言

　　生物安全實驗裝備是生物安全實驗和研究領(lǐng)域重要的安全保障設(shè)備，也是物理隔離的關(guān)鍵屏障。生物安全裝備的質(zhì)量關(guān)系到使用人員的生命安全，關(guān)系到實驗室周圍環(huán)境的生物安全，當然也影響實驗結(jié)果的準確性。當類似于sars，埃博拉等重大疫情出現(xiàn)時，生物安全裝備有著不可替代的作用。

　　我國衛(wèi)生、醫(yī)療、生物、反恐等事業(yè)的快速發(fā)展，對生物安全裝備研發(fā)、制造和使用提出了更高的要求?？梢哉f生物安全裝備的研發(fā)制造，已經(jīng)上升到了國家戰(zhàn)略。天津昌特凈化設(shè)備有限公司作為國內(nèi)較早介入生物安全裝備制造和參與研發(fā)的企業(yè)，經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐，在不銹鋼箱體類零件的制造工藝方面形成了比較成熟的制造優(yōu)勢。

　　本文結(jié)合多年參與研發(fā)制造的體會，從生物安全裝備的工作環(huán)境、生物安全裝備的常用材料以及生物安全裝備的制造工藝等三個方面，論述生物安全實驗裝備的箱體類零件制造工藝。

　　1．生物安全裝備的工作環(huán)境

　　生物安全裝備箱體類零件通常在高濃度消毒液介質(zhì)中使用，這些消毒液有過氧化氫、過氧乙酸和二氧化氯等等，它們都屬于強腐蝕劑。

　　過氧化氫化學式為H2O2，其水溶液俗稱雙氧水，外觀為無色透明液體，是一種強氧化劑消毒液。過氧乙酸化學式為C2H4O3，過氧乙酸是由碳、氫、氧三種元素組成的。也屬強氧化劑對金屬有腐蝕性。化學式為ClO?，二氧化氯是強烈刺激性臭味氣體，也是對金屬具有較強腐蝕性的消毒液。

　　2．生物安全裝備箱體類零件的常用材料及選擇

　　這里重點分析箱體類零件中數(shù)量最多、加工難度較大的不銹鋼板材。生物安全裝備的選材原則首先考慮強度，包括耐腐蝕強度，機械強度，其次要考慮影響成本的性價比，所以國內(nèi)外同行業(yè)通常選用316L和304不銹鋼。其中316L具有非常優(yōu)秀的耐腐蝕能力，考慮制造成本和使用性能，一般只在管道、罐體這類直接接觸液態(tài)腐蝕性介質(zhì)時才選用316L。對于箱體類零件，大多是在霧態(tài)腐蝕性環(huán)境下工作，霧態(tài)相比液態(tài)腐蝕性強度要低一些，再考慮制造成本和加工性能，所以多選用304不銹鋼，足以滿足要求。

　　2.1 304不銹鋼

　　2.1 .1 304不銹鋼的化學元素

　　304是一種通用性的不銹鋼，它廣泛地用于制作要求良好綜合性能（耐腐蝕和成型性）的設(shè)備和機件。 304不銹鋼是按照美國ASTM標準生產(chǎn)出來的不銹鋼的一個牌號。304相當于我國的0Cr19Ni9 (0Cr18Ni9)不銹鋼。304含鉻19%，含鎳9%。對于304不銹鋼來說，其成份中的Ni元素非常重要，直接決定著304不銹鋼的抗腐蝕能力及其的價值。304中最為重要的元素是Ni、Cr，但是又不僅限于這兩個元素。行業(yè)常見判定情況認為只要Ni含量大于8%，Cr含量大于18%，就可以認為是304不銹鋼。這也是為什么業(yè)內(nèi)會把這類不銹鋼叫做18/8不銹鋼的原因。

　　304不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一種鉻-鎳不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強度和機械特性；沖壓、彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現(xiàn)象（使用溫度-196℃～800℃）。

　　作為一種通用性的不銹鋼材料，防銹性能比200系列的不銹鋼材料要強很多。耐高溫方面也比較好，能高到1000-1200度。更由于304不銹鋼具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能，所以304不銹鋼具有良好的焊接性能。此外，304不銹鋼具有很強的抗腐蝕性。它對氧化性酸、對濃度≤65%的沸騰溫度以下的硝酸、對堿溶液及大部分有機酸和無機酸均具有良好的耐腐蝕能力。

　　不銹鋼防銹的機理是合金元素形成致密氧化膜，隔絕氧接觸，阻止繼續(xù)氧化。所以不銹鋼并不是"不銹"。為了保持不銹鋼所固有的耐腐蝕性，鋼必須含有12%以上的鉻。對于304不銹鋼來說，其成份中的Ni元素非常重要，直接決定著304不銹鋼的抗腐蝕能力及其的價值。

　　2.1 .2 304不銹鋼的機械性能

　　抗拉強度σb≥520(MPa),屈服強度σs≥205(MPa)，伸長率δs(%)≥40，斷面收縮率ψ (%)≥60。

　　2.1 .2 304與201區(qū)別

　　不銹鋼之所以能夠較好的防銹,是因為其中含的鉻、鎳元素的多少。201不銹鋼與304不銹鋼的區(qū)別，主要在于鉻（Cr）、鎳（Ni）的含量不同。例如標準的304不銹鋼，其中含鉻18%、含鎳9%。而201不銹鋼含鉻15%、含鎳5%。

　　200系列不銹鋼中的鉻含量13.5%～15%，某些情況下降到了13%～14%，其耐腐蝕性是不能與304和其他類似的鋼相比的。200系列鋼在腐蝕條件下的毀壞速度大約是304不銹鋼的10-100倍。再有201材料比較硬，加工過程中容易產(chǎn)生微小裂紋，影響生物安全裝備的可靠性。所以，201鋼價格比304低很多。

　　2.2不銹鋼板材厚度的選擇

　　從制造成本角度考慮，板材越薄，當然成本越低。但是設(shè)備的可靠性也同時降低。厚度的選擇，應(yīng)該兼顧考慮制造成本和材料力學指標以及箱體的安全使用性能。常用板材厚度選擇的理論依據(jù)是包括以下幾個方面。

　　2.3板材厚度與箱體剛度的關(guān)系

　　從金屬材料學得知，剛度是抵抗變形的能力。生物安全實驗裝備箱體類零件工作性質(zhì)決定了它經(jīng)常在正壓和負壓交替出現(xiàn)的條件下使用。當箱體內(nèi)部為正壓時箱體表面發(fā)生凸起，負壓時箱體表面會發(fā)生凹陷。當箱體內(nèi)外壓力平衡時，箱體表面基本沒有變形。這樣的變形稱之彈性變形。板材越薄，剛度越低，箱體類零件表面彈性變形就越顯著。當這種過大的彈性變形引起結(jié)合處產(chǎn)生間隙，一旦造成箱體密封系統(tǒng)失效，損失無法估量。所以，對于生物安全裝備的箱體厚度，從保證足夠的剛度來說，板材越厚，剛度越大，抵抗變形的能力越強，生物安全裝備的箱體越可靠。

　　2.4板材厚度與焊縫強度的關(guān)系

　　由機械設(shè)計和焊接工藝學可知，對接接頭焊縫拉力=剖切面面積X焊縫抗拉強度。剖切面面積=焊縫長度LX焊縫厚度δ1，厚度δ1越大面積越大，承受拉力越大。焊縫抗拉強度=母材抗拉強度X焊縫抗拉強度減弱系數(shù)f（f=0.75-1,此處取f=0.875）

　　焊接強度計算實例

　　已知兩塊厚度相同鋼板對接接頭，材料為304，焊縫長度為100mm，板厚為δ1=3mm，母材304鋼的許用拉應(yīng)力[σb]為520 Mpa，304鋼的焊縫抗拉強度減弱系數(shù)0.875。

　　求采用3mm厚度該焊縫所能承受的最大拉力F？

　　由材料力學胡克定律可知σ=F/Lδ1≤[σbˊ]得

　　F＝Lδ1[σbˊ]

　　式中F—焊縫拉力，L—焊縫長度，δ1—焊縫厚度，[σbˊ] —焊縫許用拉應(yīng)力已知焊縫長度L＝100mm ，δ1 =3mm ，304焊縫許用拉應(yīng)力[σbˊ]為520X0.875Mpa，[σbˊ]=520*0.875=455 Mpa

　　則：F＝100×3×455＝136500N=13650Kg

　　綜上，該3mm 厚的304對接焊縫最大能承受13650公斤的拉力。

　　若上述計算中其他條件不變，改用2mm,所能承受的最大拉力僅為9100公斤。計算表明板材厚度從3毫米減至2毫米焊縫所能承受拉力降低了34%。

　　2.5板材厚度與抗點蝕能力的關(guān)系

　　生物安全裝備箱體類零件通常在消毒液介質(zhì)中工作，含過氧化氫、過氧乙酸和二氧化氯等都屬于強腐蝕劑。金屬表面長期浸淫于強腐蝕環(huán)境，造成點狀表層金屬脫落，形成表面點蝕。嚴重的點蝕會形成箱體泄漏造成密封失效。

　　避免點蝕的方法一是采用加厚箱體，二是盡量不在箱體表面貼不干膠之類物質(zhì)。有研究表明，不干膠與金屬表面之間容易形成氣泡，使腐蝕性物質(zhì)得以聚集，從而加劇表面點蝕形成和發(fā)展。

　　2.6滿焊焊縫與點焊+涂膠安全性分析

　　在前述焊縫強度中，已經(jīng)證明了厚度降低1毫米，滿縫焊接的拉力降低34%。那么點焊縫基本不能承受拉力是毋庸置疑的。

　　如果為了降低成本改為點焊，輔之密封膠粘，當然制造成本大為降低。但是，前面已經(jīng)分析過了，生物安全裝備通常在正負壓力變換也就是變載荷的工況下使用，正壓使得箱體凸起，負壓使得箱體凹陷，這種變形產(chǎn)生的拉力焊縫能夠承載，但是膠粘縫肯定不能承受如此大的變載荷，加之密封膠在強腐蝕介質(zhì)下工作，碳化速度難以控制，給生物安全設(shè)備帶來極大隱患。綜上，對于生物安全裝備滿焊焊縫強度滿足使用要求，而點焊加密封膠抗拉強度幾乎等于零。

　　2.7焊縫密封檢測

　　在使用過程中，一旦發(fā)現(xiàn)裝置泄露為時已晚，因為病毒病菌已經(jīng)擴散了。所以，生物安全裝備的密封性能檢測是整個制造過程中最為關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)。對于焊縫密封性能檢測方法，分為干式檢測和濕式檢測，正壓檢測和負壓檢測。濕式檢測用于中小尺寸的箱體，效率高查找漏點快。干式檢測通常用于大型箱體，通過檢測單位時間內(nèi)的壓力衰減變化量確定焊縫是否合格。滿焊工藝采用正壓檢測，必須將箱體內(nèi)部壓力加載到5000Pa以上，如果壓力小于5000Pa，則不容易檢測微小漏點。負壓檢測時，真空壓力需達到3000Pa。需要特別指出的是，如果箱體焊接采用點焊加涂膠制造工藝，不能承受如此大的加壓檢測。

　　密封檢測經(jīng)常是一個漫長的過程，經(jīng)常需要耗費較多工時。因為微小裂紋通常隱藏在焊縫晶間，很難發(fā)現(xiàn)。

　　3．提高生物安全裝備箱體類零件質(zhì)量的工藝措施

　　提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵是強化制造工藝，使用數(shù)字化自動化、高精度加工設(shè)備，把由于人為因素造成的誤差減至最低，產(chǎn)品質(zhì)量必然提高了。

　　一般通用機械產(chǎn)品的預(yù)期壽命是按5—10年設(shè)計的。亦即在預(yù)期的壽命內(nèi)不發(fā)生失效。生物安全裝備箱體類零件的制造工藝就是按照設(shè)計壽命來實施的。鈑金加工的工藝隨著科技進步已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，過去由人工劃線、下料、機械加工、折彎、焊接等工藝，現(xiàn)在都被數(shù)字化自動化設(shè)備替代了。常用設(shè)備有激光切割機，數(shù)控折彎機，五軸加工中心，數(shù)控機床，機械手，高精度焊接平臺等等。

　　3.1焊接機械手

　　3.1.1機械手焊接可以提高生產(chǎn)效率

　　焊接機械手響應(yīng)時間短，動作迅速，焊接速度在60-3000px/分鐘，這個速度遠遠高于手工焊接，一臺機械手可以替代2到4名產(chǎn)業(yè)工人，顯著提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

　　3.1.2機械手焊接可以提高產(chǎn)品質(zhì)量

　　焊接機械手在焊接過程中，只要給出焊接參數(shù)，和運動軌跡，機械手就會精確執(zhí)行預(yù)期動作。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接焊絲長度等對焊接結(jié)果起決定作用。采用機械手焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為的因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　3.1.3機械手可以適應(yīng)不同的產(chǎn)品需要

　　我公司針對不同產(chǎn)品的需要，研發(fā)出固定式和移動式焊接機械手。工廠內(nèi)批量生產(chǎn)，用固定式機械手，現(xiàn)場安裝時，工況復(fù)雜，可采用移動式機械手。

　　3.1.4機械手焊接的不足

　　對于焊縫拐角和焊頭達不到的地方，還是需要人工焊接。當然，人工焊接的融深、運行速度等指標比機械手還是有差距。

　　3.2高精度焊接平臺

　　生物安全裝備的設(shè)計基準、制造基準和安裝基準統(tǒng)一，是我們多年來一直執(zhí)行的工藝路線。為了實現(xiàn)這一目標，不光采用了高精度、數(shù)字化、自動化的設(shè)備，還研發(fā)了一系列高精度焊接平臺、組合夾緊等工裝。為了控制焊接應(yīng)力產(chǎn)生的變形，不論是單體還是組合體，都要求在高精度焊接平臺進行。

　　4．結(jié)束語

　　生物安全裝備的質(zhì)量與國家安全緊密相關(guān)，與國家發(fā)展戰(zhàn)略緊密相關(guān)。作為行業(yè)內(nèi)相關(guān)企業(yè)，我們一直秉持以國家利益為重，堅守國家利益至上的原則，堅持產(chǎn)學研結(jié)合，經(jīng)過多年來不懈努力，同有關(guān)科研院所合作研發(fā)出一大批生物安全裝備。我們深知所生產(chǎn)的設(shè)備，關(guān)乎著國家和人民的生物安全，所以質(zhì)量第一，信譽第一始終是我們的目標，做讓祖國和人民放心的良心產(chǎn)品，為我國的生物安全事業(yè)奉獻我們企業(yè)的社會責任。

　　本文也可供同行專家、設(shè)備維修工程師和設(shè)計院專家選型以及相關(guān)技術(shù)人員參考。

　　參考文獻

　　[1]曹國慶張彥國等生物安全實驗室關(guān)鍵防護設(shè)備性能現(xiàn)場檢測與評價[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社2018