60 度での表面脆化を防ぐための PFA ヒーターの水中の最大許容塩素濃度はどれくらいですか?

塩素水システム-、スイミング プール、飲料水の消毒、冷却塔-は、塩素ガス (Cl 2 ) と次亜塩素酸 (HOCl) を溶解して PFA ヒーターをターゲットにします。これらの種は PFA 表面を酸化し、脆化、硬度の増加、そして最終的には破壊を引き起こします。多くの工業用塩素水システムで一般的な 60 度では、5 年間の耐用年数で表面脆化を回避できる最高許容塩素濃度は 2 ～ 3 ppm の遊離塩素です。表面脆化は 2,000 ～ 3,000 時間で 5 ppm で測定でき、亀裂は 5,000 ～ 8,000 時間で観察されます。 10 ppm では 1 ～ 2 年で故障が発生します。 PFA ヒーターには、飲料水システム (通常 0.5 ～ 1 ppm Cl 2) において 10+ 年間にわたり優れた性能を発揮した実績があります。 > 60 C または > 5 ppm Cl 2 の産業システムの場合は、代替材料 (チタン、ECTFE) またはそれより低い温度を検討してください。

塩素による攻撃のメカニズム。温度依存性
In water, chlorine occurs in an equilibrium: Cl₂ + H₂O ⇌ HOCl + H⁺ + Cl⁻. Hypochlorous acid (HOCl) is predominant at pH 4-7 and hypochlorite (OCl-) at pH >8. HOCl は強力な酸化剤であり、PFA 鎖末端から水素原子を除去してフッ化カルボニルとカルボキシル基を生成します。温度が 8 ～ 10℃上昇するごとに反応速度は 2 倍になります。劣化速度は 25 度では遅くなりますが、60 度では 10 ～ 20 倍速くなります。劣化は表面に限定されます。外側の 50 ～ 200 μm は脆化しますが、バルクは延性を保ちます。表面硬度はショア D 65 ～ 68 から 70 ～ 80 に増加します。破断時の表面層の伸びは 300% から 50 ～ 100% に減少します。表面に亀裂が生じると、その亀裂は脆化層を通って延性バルクに達します。

臨界塩素濃度は、脆化速度がヒーターの望ましい寿命を超える濃度です。 5 年間の寿命 (43800 時間) について、最大濃度 C max は C max xt=定数 (塩素暴露生成物) によって求められます。実験データによると、C max × t=100-150 ppm- 年. 5 年? C_max=100/5=20 ppm 高価に思えます。再計算してみましょう: 60 度での積 C (ppm) × 故障寿命 (年)=15-20。したがって、5 年間の寿命では C_max=15/5=3 ppm となります。 2 年間の寿命: C max=15/2=7.5 ppb。これは観察結果と一致しています。

Allowable Chlorine Concentration vs. Service Life at 60°C Free Chlorine (ppm) Time to Surface Hardness >75 ショア D (時間) 目に見える表面亀裂までの時間 (時間) -壁亀裂を貫通するまでの時間 (時間) 推奨最大寿命 (年)
0 (control) >50,000 >50,000 >50,000 10+ 0.5 >50,000 >50,000 >50,000 10+ 1.0 35,000-50,000 >50,000 >50,000 8-10 2.0 20,000-30,000 35,000-50,000 45,000-60,000 5-8 3.0 12,000-18,000 20,000-30,000 30,000-40,000 3-5 5.0 6,000-10,000 10,000-15,000 15,000-20,000 1.5-2.5 7.0 3,000-5,000 5,000-8,000 8,000-12,000 1-1.5 10.0 1,500-2,500 2,500-4,000 4,000-6,000 0.5-0.75
15.0 800–1,200 1,200–2,000 2,000–3,000 0.25–0.35
20.0 400–700 700–1,200 1,200–2,000 0.15–0.25
適用可能な濃度と温度の影響
同じ 5 年の寿命目標の場合、許容塩素濃度は温度とともに指数関数的に低下します。

温度 (度) 5 年間の最大塩素濃度 (ppm) 相対劣化率
30 8-12 1.0 x 40 5-7 1.5-2.0 x 50 3-4 3-4 x 60 2-3 8-12 x 70 1-1.5 20-30 x 80 0.5-0.8 50-80 x (PFA は推奨しません)
塩素-による脆化の検出
ショア D デュロメーター (ASTM D2240) を使用して、稼働中のヒーターの表面硬度を毎年測定します。-。浸漬部分 (液体ラインから離れた場所) で測定値を取得します。 +5 単位の硬度の上昇 (66 から 71) は中程度の劣化を意味します。ヒーターの寿命は 50 ～ 70% 残っています. +10 ユニット (76)=重大な劣化。 6～12 か月未満で交換する . +15 ユニット (～81)、または明らかな表面亀裂がある場合は、迅速な交換が必要です。

表面のひび割れ-細いヘアラインの亀裂-は、人間の目には明らかになる前に、顕微鏡分析（倍率 50 倍）によって検出できます。表面の 10% 以上にひび割れが見つかった場合、ヒーターは寿命です。

高-塩素サービスの軽減
必要な塩素濃度が許容限度を超えた場合、次の 4 つの技術により PFA ヒーターの寿命を延ばすことができます。

温度低下: 設定値を 5 ～ 10℃下げます。劣化率が30～50％低減されます。

より厚い PFA 壁を使用します (例: 2 mm ではなく . 3 mm)。これにより、破損する前により多くの材料を突き破ることができます。これにより寿命が 50 ～ 100% 増加します。

塩素スカベンジャーを使用します。活性炭フィルターを取り付けるか、亜硫酸ナトリウムを注入して、水がヒーターに入る前に遊離塩素レベルを下げます。

Switch material: Titanium (passivates in chlorinated water) or ECTFE (Halar) are more resistant to chlorine than PFA and are suitable for >60度で5ppmの塩素。

フィールドの例
スイミングプールのヒーターには PFA ヒーターが使用されました (60 度、遊離塩素 3 ppm)。ヒーターの表面は硬く（ショア D 78）、4 年間使用すると小さな亀裂が生じました。ヒーターは故障する前に予防的に交換されました。同じ場所にある、温度 50 度、塩素 3 ppm の別のプールには PFA ヒーターがあり、5 年後でも良好な状態 (70 ショア D) でした。温度差10度で寿命が2倍になりました。

結論: 5 年間の寿命で 60oC で最大 2 ～ 3 ppm Cl
60 度での PFA ヒーターの表面脆化を防ぐための水中の塩素の最大許容濃度は、耐用年数 5 年間で 2 ～ 3 ppm です。 5 ppm では寿命が 1.5 ～ 2.5 年に短縮されます。 10 ppm で 6 ～ 9 か月まで。温度が重要です。60 度を超えて 10 度上昇するごとに、許容塩素含有量は 50% 減少します。表面硬度を毎年確認してください。硬度が +10 ショア D 増加したら交換してください。塩素含有量または温度が高い場合は、チタンまたは ECTFE を使用してください。 PFA は低塩素 (<2 ppm) and moderate temperature (<50°C) service. Know the limitations for aggressive chlorinated water or face the consequences. Measuring chlorine. Controlling temperature. Extending life. The life of the heater.