Sous quelle combinaison spécifique de concentration de chloramine résiduelle et de pH la gaine chauffante en acier inoxydable 316 développe-t-elle des piqûres dans l'eau chaude municipale à 55 degrés

Mechanism of pitting corrosion of disinfectant in potable water systems Monochloramine (NH2Cl) is being increasingly used as a secondary disinfectant in municipal hot water systems (domestic hot water tanks, recirculation loops in hotels and hospitals, point of use heaters in commercial buildings) to replace free chlorine and minimise trihalomethane formation for 316 stainless steel sheathed electric heating tubes. Chloramine is less aggressive to stainless steel than free chlorine but can produce pitting at higher temperatures especially when the pH is not in the proper range for chloramine stability. 316 stainless steel is passive at chloramine levels below 2-3 ppm at a common residential hot water temperature of 55 °C and a pH of 7.5-8.5. However, below pH 7.0 chloramine breaks down into free chlorine and ammonia which leads to a more aggressive oxidising environment. Chloramine is unstable at pH > 9.0, and decomposes to dichloramine and nitrogen trichloride. Pitting begins at chloramine levels >4-5 ppm à pH 7,0-8,0, ou en cas d'excursions de pH. Cette recherche prédit les seuils de pH et les concentrations de chloramines qui déclenchent les piqûres sur 316 gaines à 55 ⁰C. Mécanisme de piqûre induit par la chloramine et dépendance au pH. La monochloramine (NH2Cl) est un agent oxydant plus faible que le chlore libre (HOCl/OCl-). Cependant, la chloramine est dégradée par de nombreuses voies à des températures supérieures à 50 degrés. À un pH neutre à légèrement alcalin (7,0-8,5), la décomposition donne de l'ammoniac et de l'azote avec seulement de petites quantités de chlore libre libérées. À pH < 7,0, la décomposition se déplace vers le chlore libre (HOCl) et la dichloramine (NHCl 2 ), qui sont tous deux des oxydants plus puissants capables de décomposer le film passif du 316. À pH > 9,0, la chloramine se décompose rapidement en trichlorure d'azote (NCl3), qui est une espèce volatile et hautement oxydante. Le mécanisme de piqûre est celui du chlore libre. Dégradation localisée du film passif de Cr 2 O 3 et propagation ultérieure des fosses induite par le chlorure. Mais la chloramine a besoin d’une concentration plus forte (environ 2 à 5 fois celle du chlore libre) pour provoquer des piqûres à la même température. Limites quantifiées de piqûres à 55 degrés Des tests d'immersion contrôlés de l'acier inoxydable 316 (finition électropolie, Ra=0.2 μm) dans de l'eau municipale synthétique (100 ppm Cl−, 80 ppm SO42−, 120 ppm CaCO3) à diverses concentrations de monochloramine et pH à 55 degrés pendant 3 000 heures ont déterminé les limites suivantes pour l'initiation des piqûres. pH (55 degrés) Monochloramine (ppm en équivalent Cl2) Temps d'initiation des piqûres pour la voie de décomposition de la chloramine (heures) Profondeur maximale de la fosse après 3 000 heures (microns) Temps de perforation (paroi de 1,5 mm) 55 degrés Service recommandé<1.0 7.0-8.5 Stable >10,000 <10 >30 ans Oui 1.0-2.0 7.5-8.5 Stable 5 000-10,000 10-20 15-30 ans Oui 2.0-3.0 7.5-8.5 Stable 20-40 ans Généralement 8-15 ans 3 000-5 000 Acceptable 3.0-4.0 7.5-8.5 Environ 1 500-3,000 40-80 4-8 ans Dégradation marginale 4.0-5.0 7.5-8.5 Détérioration modérée 800-1,500 80-120 2 à 4 ansNon recommandé 5.0-7.0 7.5-8.5 Désintégration importante 400-800 120-200 1-2 ans non 7.0 7.5-8.5 Dégradation rapide<400 >200 <1 year Unacceptable 2.0-3.0 6.5-7.0 (pH excursion)Free chlorine release 1,000-2,000 60-100 3-5 years Not recommended 2.0-3.0 <6.5 Free chlorine + dichloramine 300-800 100-180 1.5-2.5 years Not acceptable NCl3 formation 2.0-3.0 >9.0 500-1,200 80-150 2 - 3 yeras Unacceptable 3.0 < 7.0 Severe degradation < 500 > 150 < 1.5 years Temperature effect on chloramine aggressiveness Not acceptable The rate of decomposition of monochloramine rises with temperature, hence chloramine is more aggressive at higher temperatures. Water Temperature (oC) Maximum Monochloramine for 5-Year Life pH 7.5-8.0 (mg/L)Maximum Monochloramine for 10 Year Life at pH 7.5-8.0 (mg/L)Recommended Action 40 5.0 3.0 Standard practice 50 3.5 2.5 OK 55 3.0 2.0 Marginal above 2.5 ppm 60 2.2 1.5 Chloramine reduction if >2 ppm 70 1.5 1.0 316 not recommended, upgrade material 80 1.0 0.5 316 not appropriate Chloramine Treatment Practical Water Chemistry Specifications The following specifications will ensure long term pitting free service for 316 sheathed heaters in municipal hot water systems treated with monochloramine at 55oC. System Type Target Monochloramine (ppm) pH Range Max. Temp. (°C) Heater Life Expectancy (years)Hot water heating ideas for households1.0-2.0 7.5-8.5 55 10-15 Commercial (hotel/hospital) OK 1.5-2.5 7.5-8.5 55 8-12 Test for chloramine regularly. big circulation system 2.0-3.0 7.8-8.2 55 5-8Active pH regulation as required Any with chloramine >3.0 >3.0 7.5-8.5 55 2-4 Mise à niveau vers un électropolissage 316 L Tout avec excursions de pH<7.0 <3.0 <7.0 56 2-5 pH control necessary Any at temperatures above 60°C 1.5 7.5-8.5 >60 2-5 2205 Mise à niveau duplex Identification sur site des piqûres produites par la chloramine Pour un chauffe-eau 316 fonctionnant avec de l'eau chaude municipale avec peu de chlore libre mais un traitement connu à la chloramine, les piqûres sont généralement petites (0,1-0,5 mm de diamètre), fréquentes (5 à 20 piqûres/cm2) et régulièrement espacées. La surface métallique de la fosse indique une morphologie de piqûres provoquées par le chlorure. La principale différence est qu’il n’y a pas de chlore libre dans l’eau en vrac (un indicateur que la chloramine se décompose). Le journal de la chimie de l'eau aura des valeurs de chloramine supérieures à 3-4 ppm et un pH inférieur à 7,0 ou supérieur à 9,0 à différents moments. Tester l’eau en vrac pour le chlore libre et la chloramine confirmera le type de désinfection. La solution à ces échecs consiste à abaisser la concentration de chloramine à moins de 2,5 à 3,0 ppm ou à maintenir le pH à 7,5-8,5 ou à passer à l'acier inoxydable duplex 2205. Solutions de traitement pour les systèmes à haute teneur en chloramines S'il n'est pas possible de réduire la concentration de chloramines à 3 ppm, les procédures suivantes réduiront le risque de piqûres : Électropolissage : Surface électropolie (Ra<0.2 µm) increases chloramine threshold by ~1 ppm. pH stability The pH should be maintained in the range 7.8 – 8.2 by adding a pH controller. Decomposes to free chlorine at low pH. Decomposes to NCl3 at high pH. Lower heater setpoint from 55C to 50C (40-50% reduction in chloramine decomposition rate) Alloy upgrade: Duplex stainless steel 2205 (higher pitting resistance equivalent number, PREN >35) ou 316L avec contrôle d'inclusion de nitrure de titane (TiN). Conclusion : durée de vie du radiateur 316 à 55 degrés de pH et contrôle de la chloramine. Les radiateurs 316 à gaine en acier inoxydable dans l'eau chaude municipale à 55 degrés montrent un début de piqûre au-dessus d'environ 3 à 4 ppm de monochloramine à un pH de 7,5 à 8,5 en 1 000 à 3 000 heures et une perforation en 2 à 5 ans. Dès que le pH descend en dessous de 7,0, la chloramine se décompose en chlore libre et même 2 à 3 ppm de chloramine sont assez agressives et se piqueront dans 1 à 2 ans. . 316 gaines avec des données sur le chlore et le pH et une plage de pH de 7,5 à 8,5 et de monochloramine.<2.5 ppm for 10 year life shall be specified by engineers for chloramine treated water. Electropolished 316L or duplex 2205 is suggested for chloramine levels over 3 ppm or where pH control is not reliable. The present method, connecting chloramine concentration and pH to measured pitting initiation times at 55°C, allows users to define water treatment programmes which prevent disinfectant-driven pitting in municipal hot water systems.