残留塩素濃度と pH の特定の組み合わせにより、60 度の家庭用熱水中で 316 ステンレス鋼ヒーター シースが不動態から孔食に移行します。

消毒によって引き起こされる飲料水システムの不動性の破壊

316 ステンレス鋼のシース電熱管を使用する家庭用給湯システム (使用箇所ヒーター、温水タンク、再循環ループなど) では、残留塩素 (消毒用の塩素ガス、次亜塩素酸ナトリウム、またはクロラミンとして添加) を使用すると、未処理の水では見られない孔食のリスクが生じます。 316 上の不動態皮膜の安定性または局所的な破壊は、遊離残留塩素 (Cl2、HOCl、OCl-) と 60 度 (住宅の平均温水温度) での pH. 316 に依存し、pH 7.5 で遊離塩素濃度のしきい値 ~2 ppm 未満では不動態のままです。同じ pH で 3-4 ppm を超えると、数週間から数か月で孔食が始まります。 pH の影響は重要です。pH 8.5 では塩素の許容濃度は 2 倍になり、pH 6.5 では半分になります。この記事では、60 度の飲料水の 316 シースで始まる孔食の塩素 pH 閾値を推定し、ヒーターの寿命に関する水処理基準を示します。

塩素による孔食のメカニズム

水中の遊離残留塩素は次亜塩素酸 (HOCl) と次亜塩素酸イオン (OCl-) の間で平衡状態にあり、その比は pH に依存します。 pH < 7.5 では HOCl が優勢になります。 OCl- は pH > 7.5 で優勢になります。 HOCl は OCl- より強力な酸化剤であり、ステンレス鋼の不動態皮膜に対してより敵対的です。金属表面の塩素種は、可溶性クロムクロロ-錯体の形成、または超不動態溶解（Cr 3+ の可溶性 Cr 6+ への酸化）を引き起こす高度な酸化条件の生成により、酸化クロム膜の形成を局所的に破壊する可能性があります。塩素の強い酸化力により、局所的な化学反応が活発に維持され、不動態皮膜が弱い部分 (通常は MnS 介在物や表面の傷) で破壊された後も安定したピットが形成されます。塩素誘発孔食は、数百から数千 ppm の Cl- が必要な塩化物誘発孔食とは異なり、塩素はかなり強力な酸化剤であり、孔食は 1 ～ 5 ppm の遊離塩素レベルで発生する可能性があります。

60度の家庭用温水における孔食の定量化された閾値

316 ステンレス鋼 (Ra= 0.4 μm 研磨仕上げ) を家庭用合成温水 (100 ppm Cl-、80 ppm SO4-2、120 ppm CaCO3 硬度) に、制御された遊離塩素残留物 (Cl2 として測定) と pH を使用して 60 度で系統的に浸漬試験した結果、1,000 時間の曝露後に以下の孔食開始境界が特定されました。

遊離残留塩素 (Cl2 としての ppm) pH 主要な塩素種 孔食開始時間 (時間) 1,000 時間後の最大孔深さ (μm) 穿孔までの時間 (壁 1.5 mm) 家庭用給湯サービスに推奨<0.5 6.5-8.5 Mixed No pitting <5 >30年 はい
0.5-1.0 7.0-8.5 Mixed >5,000（起動しない場合あり）<10 >20年 はい
7.5-8.5 1.0-1.5 OCl⁻ 優勢 2,000-5、000 10-30 10-20 年 監督下で許容可能 1.0-1.5 6.5-7.5 HOCl 優勢 1,000-2、000 30-60 5-10 年 限界
1.5-2.0 7.5-8.5 Fl⁻ 優勢 1,000-2、000 40-80 4-8 年限界
1.5-2.0 6.5-7.5 HOCl 優勢 500-1、000 80-150 2-5 年非推奨
2.0-3.0 7.5-8.5 OCl⁻ が優勢な 300-800 100-200 2-4 年 推奨されません
2.0-3.0 6.5-7.5 HOCl が優勢な 100-300 200-400 1-2 年 受け入れられません
3.0-5.0 7.5-8.5 OCl- が 100-300 200-500 1-2 年間支配的
3.0-5.0 6.5-7.5 HOCl が優勢な 50-100 400-800 6-12 か月 許容不可5.0 HOCl または OCl のいずれか⁻<50 >500 <6 months Unacceptable
塩素の攻撃性に対する温度の影響

表内のしきい値は 60 度の場合です。温度が上昇すると、拡散速度が増加し、不動態皮膜の安定性が低下するため、塩素の攻撃性が高まります。 60 度未満では、許容塩素含有量は温度の低下に伴ってほぼ直線的に増加します。

水温 (度) 5 年間の最大遊離塩素 pH 7.5 (ppm) での孔食フリー寿命 推奨処置
40 3.0 特別なアクションは必要ありません
50 2.2 Monitor if >2.0 ppm 60 1.5 Dechlorinate if >1.5 ppm 70 1.0 脱塩素を推奨 80 0.7 脱塩素が必要 90 0.5 316 推奨されません。チタンにアップグレード
家庭用給湯器の水処理に関する実際的な推奨事項

60 度の家庭用温水システムの 316 個の密閉型ヒーターには、長期的な孔食のないサービスのために次の水処理基準があります。

遊離残留塩素 (ppm) pH 推奨処置<0.5 Any No action required
>7.5 アクションを起こさない。許容範囲 0.5 ～ 1.0
0.5-1.0 <7.5 Adjust pH to >7.5 水酸化ナトリウムを使用するか、注意深く観察してください
1.0-1.5 >8.0 許容可能。 2年ごとに検査する
1.0-1.5 7.0-8.0 塩素を減らすか、電解研磨仕上げの 316L にアップグレードしてください
1.5-2.0 >8.0 塩素を下げるかヒーターを更新する
1.5-2.0 <8.0 Dechlorination (injection of activated carbon or sodium sulphite) necessary2.0 Any Dechlorination necessary; upgrade to titanium?
フィールドでの塩素の特定-孔食の原因

残留塩素の孔食は、一般に小さく（直径 0.1-0.5 mm）、多数の、シース表面全体に均一に分布する孔を引き起こします（塩化物によって引き起こされる孔食が大きくて数が少ないのとは対照的です）。ピットは明るい陰極リングで囲まれていることが多く、中心は暗褐色または黒色 (包有物の溶解による酸化マンガン) です。高塩素と高塩化物 (200 ppm 以上) の両方が水中に存在する場合、2 つの効果が相乗的に作用し、閾値が 30 ～ 50% 低下します。家庭用給湯システムのヒーターが 2 ～ 3 年以内に穴があいて故障した場合は、いくつかの場所 (入口、タンク、出口) で残留塩素をテストし、スパイクがしきい値を超えているかどうかを確認する必要があります。

結論 316 ヒーターの寿命 @ 60 度 残留塩素の管理

pH 7.5では、残留遊離塩素濃度が1.5 ppmを超えると、60度の家庭用温水中で2-5年以内に316ステンレス鋼製ヒーターの孔食が促進され、脱塩素水と比較してヒーターの寿命が3～10倍短くなります。 pH が高くなると (8.0 ～ 8.5)、塩素濃度が 2 倍になることがあります。 pH が低くなると (6.5 ～ 7.0)、許容限度が半分になります。飲料水加熱用の 316 シースを指定するエンジニアは、推定動作温度での遊離残留塩素と pH を含む水質データを収集する必要があります。塩素が 1.5 ppm を超えるシステムの場合は、脱塩素処理 (活性炭濾過または亜硫酸ナトリウム注入) または電解研磨仕上げの 316L にアップグレードすることをお勧めします。ここでは、塩素濃度と pH を定量化可能な孔食開始期間と相関させることにより、購入者が家庭用温水サービスにおける消毒剤による腐食から 316 のシースを保護する水処理プログラムを選択できる方法論を提供します。