基于生物安全实验装备不锈钢箱体的制造工艺研究
常宗湧 滕献银 鲍昀利
引言
生物安全实验装备是生物安全实验和研究领域重要的安全保障设备，也是物理隔离的关键屏障。生物安全装备的质量关系到使用人员的生命安全，关系到实验室周围环境的生物安全，当然也影响实验结果的准确性。当类似于sars，埃博拉等重大疫情出现时，生物安全装备有着不可替代的作用。
我国卫生、医疗、生物、反恐等事业的快速发展，对生物安全装备研发、制造和使用提出了更高的要求。可以说生物安全装备的研发制造，已经上升到了国家战略。天津昌特净化设备有限公司作为国内较早介入生物安全装备制造和参与研发的企业，经过多年生产实践，在不锈钢箱体类零件的制造工艺方面形成了比较成熟的制造优势。
本文结合多年参与研发制造的体会，从生物安全装备的工作环境、生物安全装备的常用材料以及生物安全装备的制造工艺等三个方面，论述生物安全实验装备的箱体类零件制造工艺。
1．生物安全装备的工作环境
生物安全装备箱体类零件通常在高浓度消毒液介质中使用，这些消毒液有过氧化氢、过氧乙酸和二氧化氯等等，它们都属于强腐蚀剂。
过氧化氢化学式为H2O2，其水溶液俗称双氧水，外观为无色透明液体，是一种强氧化剂消毒液。过氧乙酸化学式为C2H4O3，过氧乙酸是由碳、氢、氧三种元素组成的。也属强氧化剂对金属有腐蚀性。化学式为ClO₂，二氧化氯是强烈刺激性臭味气体，也是对金属具有较强腐蚀性的消毒液。
2．生物安全装备箱体类零件的常用材料及选择
这里重点分析箱体类零件中数量最多、加工难度较大的不锈钢板材。生物安全装备的选材原则首先考虑强度，包括耐腐蚀强度，机械强度，其次要考虑影响成本的性价比，所以国内外同行业通常选用316L和304不锈钢。其中316L具有非常优秀的耐腐蚀能力，考虑制造成本和使用性能，一般只在管道、罐体这类直接接触液态腐蚀性介质时才选用316L。对于箱体类零件，大多是在雾态腐蚀性环境下工作，雾态相比液态腐蚀性强度要低一些，再考虑制造成本和加工性能，所以多选用304不锈钢，足以满足要求。
2.1 304不锈钢
2.1 .1 304不锈钢的化学元素
304是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于制作要求良好综合性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件。 304不锈钢是按照美国ASTM标准生产出来的不锈钢的一个牌号。304相当于我国的0Cr19Ni9 (0Cr18Ni9)不锈钢。304含铬19%，含镍9%。对于304不锈钢来说，其成份中的Ni元素非常重要，直接决定着304不锈钢的抗腐蚀能力及其的价值。304中最为重要的元素是Ni、Cr，但是又不仅限于这两个元素。行业常见判定情况认为只要Ni含量大于8%，Cr含量大于18%，就可以认为是304不锈钢。这也是为什么业内会把这类不锈钢叫做18/8不锈钢的原因。
304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性；冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象（使用温度-196℃～800℃）。
作为一种通用性的不锈钢材料，防锈性能比200系列的不锈钢材料要强很多。耐高温方面也比较好，能高到1000-1200度。更由于304不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能，所以304不锈钢具有良好的焊接性能。此外，304不锈钢具有很强的抗腐蚀性。它对氧化性酸、对浓度≤65%的沸腾温度以下的硝酸、对碱溶液及大部分有机酸和无机酸均具有良好的耐腐蚀能力。
不锈钢防锈的机理是合金元素形成致密氧化膜，隔绝氧接触，阻止继续氧化。所以不锈钢并不是"不锈"。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有12%以上的铬。对于304不锈钢来说，其成份中的Ni元素非常重要，直接决定着304不锈钢的抗腐蚀能力及其的价值。
2.1 .2 304不锈钢的机械性能
抗拉强度σb≥520(MPa),屈服强度σs≥205(MPa)，伸长率δs(%)≥40，断面收缩率ψ (%)≥60。
2.1 .2 304与201区别
不锈钢之所以能够较好的防锈,是因为其中含的铬、镍元素的多少。201不锈钢与304不锈钢的区别，主要在于铬（Cr）、镍（Ni）的含量不同。例如标准的304不锈钢，其中含铬18%、含镍9%。而201不锈钢含铬15%、含镍5%。
200系列不锈钢中的铬含量13.5%～15%，某些情况下降到了13%～14%，其耐腐蚀性是不能与304和其他类似的钢相比的。200系列钢在腐蚀条件下的毁坏速度大约是304不锈钢的10-100倍。再有201材料比较硬，加工过程中容易产生微小裂纹，影响生物安全装备的可靠性。所以，201钢价格比304低很多。
2.2不锈钢板材厚度的选择
从制造成本角度考虑，板材越薄，当然成本越低。但是设备的可靠性也同时降低。厚度的选择，应该兼顾考虑制造成本和材料力学指标以及箱体的安全使用性能。常用板材厚度选择的理论依据是包括以下几个方面。
2.3板材厚度与箱体刚度的关系
从金属材料学得知，刚度是抵抗变形的能力。生物安全实验装备箱体类零件工作性质决定了它经常在正压和负压交替出现的条件下使用。当箱体内部为正压时箱体表面发生凸起，负压时箱体表面会发生凹陷。当箱体内外压力平衡时，箱体表面基本没有变形。这样的变形称之弹性变形。板材越薄，刚度越低，箱体类零件表面弹性变形就越显著。当这种过大的弹性变形引起结合处产生间隙，一旦造成箱体密封系统失效，损失无法估量。所以，对于生物安全装备的箱体厚度，从保证足够的刚度来说，板材越厚，刚度越大，抵抗变形的能力越强，生物安全装备的箱体越可靠。
2.4板材厚度与焊缝强度的关系
由机械设计和焊接工艺学可知，对接接头焊缝拉力=剖切面面积X焊缝抗拉强度。剖切面面积=焊缝长度LX焊缝厚度δ1，厚度δ1越大面积越大，承受拉力越大。焊缝抗拉强度=母材抗拉强度X焊缝抗拉强度减弱系数f（f=0.75-1,此处取f=0.875）
焊接强度计算实例
已知两块厚度相同钢板对接接头，材料为304，焊缝长度为100mm，板厚为δ1=3mm，母材304钢的许用拉应力[σb]为520 Mpa，304钢的焊缝抗拉强度减弱系数0.875。
求采用3mm厚度该焊缝所能承受的最大拉力F？
由材料力学胡克定律可知σ=F/Lδ1≤[σbˊ]得
F＝Lδ1[σbˊ]
式中F—焊缝拉力，L—焊缝长度，δ1—焊缝厚度，[σbˊ] —焊缝许用拉应力已知焊缝长度L＝100mm ，δ1 =3mm ，304焊缝许用拉应力[σbˊ]为520X0.875Mpa，[σbˊ]=520*0.875=455 Mpa
则：F＝100×3×455＝136500N=13650Kg
综上，该3mm 厚的304对接焊缝最大能承受13650公斤的拉力。
若上述计算中其他条件不变，改用2mm,所能承受的最大拉力仅为9100公斤。计算表明板材厚度从3毫米减至2毫米焊缝所能承受拉力降低了34%。
2.5板材厚度与抗点蚀能力的关系
生物安全装备箱体类零件通常在消毒液介质中工作，含过氧化氢、过氧乙酸和二氧化氯等都属于强腐蚀剂。金属表面长期浸淫于强腐蚀环境，造成点状表层金属脱落，形成表面点蚀。严重的点蚀会形成箱体泄漏造成密封失效。
避免点蚀的方法一是采用加厚箱体，二是尽量不在箱体表面贴不干胶之类物质。有研究表明，不干胶与金属表面之间容易形成气泡，使腐蚀性物质得以聚集，从而加剧表面点蚀形成和发展。
2.6满焊焊缝与点焊+涂胶安全性分析
在前述焊缝强度中，已经证明了厚度降低1毫米，满缝焊接的拉力降低34%。那么点焊缝基本不能承受拉力是毋庸置疑的。
如果为了降低成本改为点焊，辅之密封胶粘，当然制造成本大为降低。但是，前面已经分析过了，生物安全装备通常在正负压力变换也就是变载荷的工况下使用，正压使得箱体凸起，负压使得箱体凹陷，这种变形产生的拉力焊缝能够承载，但是胶粘缝肯定不能承受如此大的变载荷，加之密封胶在强腐蚀介质下工作，碳化速度难以控制，给生物安全设备带来极大隐患。综上，对于生物安全装备满焊焊缝强度满足使用要求，而点焊加密封胶抗拉强度几乎等于零。
2.7焊缝密封检测
在使用过程中，一旦发现装置泄露为时已晚，因为病毒病菌已经扩散了。所以，生物安全装备的密封性能检测是整个制造过程中最为关键的工艺环节。对于焊缝密封性能检测方法，分为干式检测和湿式检测，正压检测和负压检测。湿式检测用于中小尺寸的箱体，效率高查找漏点快。干式检测通常用于大型箱体，通过检测单位时间内的压力衰减变化量确定焊缝是否合格。满焊工艺采用正压检测，必须将箱体内部压力加载到5000Pa以上，如果压力小于5000Pa，则不容易检测微小漏点。负压检测时，真空压力需达到3000Pa。需要特别指出的是，如果箱体焊接采用点焊加涂胶制造工艺，不能承受如此大的加压检测。
密封检测经常是一个漫长的过程，经常需要耗费较多工时。因为微小裂纹通常隐藏在焊缝晶间，很难发现。
3．提高生物安全装备箱体类零件质量的工艺措施
提高产品质量的关键是强化制造工艺，使用数字化自动化、高精度加工设备，把由于人为因素造成的误差减至最低，产品质量必然提高了。
一般通用机械产品的预期寿命是按5—10年设计的。亦即在预期的寿命内不发生失效。生物安全装备箱体类零件的制造工艺就是按照设计寿命来实施的。钣金加工的工艺随着科技进步已经发生了翻天覆地的变化，过去由人工划线、下料、机械加工、折弯、焊接等工艺，现在都被数字化自动化设备替代了。常用设备有激光切割机，数控折弯机，五轴加工中心，数控机床，机械手，高精度焊接平台等等。
3.1焊接机械手
3.1.1机械手焊接可以提高生产效率
焊接机械手响应时间短，动作迅速，焊接速度在60-3000px/分钟，这个速度远远高于手工焊接，一台机械手可以替代2到4名产业工人，显著提高了企业的生产效率。
3.1.2机械手焊接可以提高产品质量
焊接机械手在焊接过程中，只要给出焊接参数，和运动轨迹，机械手就会精确执行预期动作。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接焊丝长度等对焊接结果起决定作用。采用机械手焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的，从而保证了产品的质量。
3.1.3机械手可以适应不同的产品需要
我公司针对不同产品的需要，研发出固定式和移动式焊接机械手。工厂内批量生产，用固定式机械手，现场安装时，工况复杂，可采用移动式机械手。
3.1.4机械手焊接的不足
对于焊缝拐角和焊头达不到的地方，还是需要人工焊接。当然，人工焊接的融深、运行速度等指标比机械手还是有差距。
3.2高精度焊接平台
生物安全装备的设计基准、制造基准和安装基准统一，是我们多年来一直执行的工艺路线。为了实现这一目标，不光采用了高精度、数字化、自动化的设备，还研发了一系列高精度焊接平台、组合夹紧等工装。为了控制焊接应力产生的变形，不论是单体还是组合体，都要求在高精度焊接平台进行。
4．结束语
生物安全装备的质量与国家安全紧密相关，与国家发展战略紧密相关。作为行业内相关企业，我们一直秉持以国家利益为重，坚守国家利益至上的原则，坚持产学研结合，经过多年来不懈努力，同有关科研院所合作研发出一大批生物安全装备。我们深知所生产的设备，关乎着国家和人民的生物安全，所以质量第一，信誉第一始终是我们的目标，做让祖国和人民放心的良心产品，为我国的生物安全事业奉献我们企业的社会责任。
本文也可供同行专家、设备维修工程师和设计院专家选型以及相关技术人员参考。
参考文献
[1]曹国庆张彦国等生物安全实验室关键防护设备性能现场检测与评价[M].北京：中国建筑工业出版社2018