Sous quelle combinaison spécifique de concentration de chlore résiduel et de pH la gaine chauffante en acier inoxydable 316 passe-t-elle du passif au piquage dans l'eau chaude domestique à 60 degrés

Perturbation de la passivité dans les systèmes d’eau potable induite par la désinfection

Dans les systèmes d'eau chaude sanitaire utilisant des tubes de chauffage électriques gainés en acier inoxydable 316 (réchauffeurs de point d'utilisation-, ballons d'eau chaude, boucles de recirculation, etc.), l'utilisation de chlore résiduel (ajouté sous forme de chlore gazeux, d'hypochlorite de sodium ou de chloramine pour la désinfection) représente un risque de corrosion par piqûre non observé dans l'eau non traitée. La stabilité ou la dégradation locale du film passif sur 316 dépend du chlore résiduel libre (Cl2, HOCl, OCl-) et du pH à 60 degrés (température moyenne de l'eau chaude résidentielle). 316 reste passif en dessous d'un seuil de concentration de chlore libre d'environ 2 ppm à pH 7,5. Au-dessus de 3-4 ppm au même pH, les piqûres commencent en quelques semaines, voire mois. L'influence du pH est importante : à pH 8,5 la concentration admissible de chlore double et à pH 6,5 elle est divisée par deux. Cet article estime les seuils de pH-chlore pour les piqûres commençant sur 316 gaines dans de l'eau potable à 60 degrés et donne des normes de traitement de l'eau pour la longévité du réchauffeur.

Le mécanisme des piqûres induites par le chlore

Le chlore résiduel libre dans l'eau est en équilibre entre l'acide hypochloreux (HOCl) et l'ion hypochlorite (OCl-), le rapport dépendant du pH. HOCl prédomine à pH <7,5 ; OCl- prédomine à pH > 7,5. HOCl est un oxydant plus puissant que OCl- et plus hostile aux films passifs en acier inoxydable. Les espèces de chlore à la surface du métal peuvent localement briser la formation du film d'oxyde de chrome en formant des complexes solubles de chrome chloro- ou en créant des conditions hautement oxydantes qui conduisent à une dissolution transpassive (oxydation du Cr 3+ en Cr soluble 6+). Le fort potentiel oxydant du chlore maintient une chimie locale vigoureuse qui conduit à la formation de piqûres stables après la rupture du film passif à un point faible, normalement au niveau d'une inclusion de MnS ou d'une rayure de surface. Les piqûres induites par le chlore sont différentes des piqûres induites par le chlorure où des centaines, voire des milliers de ppm de Cl- sont nécessaires, le chlore est un oxydant considérablement plus puissant et des piqûres peuvent se développer à des niveaux de chlore libre de 1 à 5 ppm.

Seuils quantifiés pour les piqûres dans l'eau chaude sanitaire à 60 degrés

Suite à des tests d'immersion systématiques de l'acier inoxydable 316 (Ra=0.4 µm finition polie) dans de l'eau chaude domestique synthétique (100 ppm Cl-, 80 ppm SO4-2, 120 ppm CaCO3 dureté) à 60 degrés en utilisant un résidu de chlore libre contrôlé (mesuré en Cl2) et un pH, les limites d'initiation de piqûres suivantes ont été identifiées après 1 000 heures d'exposition.

Chlore résiduel libre (ppm en Cl2) pH Espèces de chlore dominantes Temps d'initiation des piqûres (heures) Profondeur maximale de la fosse après 1 000 heures (µm) Temps de perforation (paroi de 1,5 mm) Recommandé pour le service d'eau chaude domestique<0.5 6.5-8.5 Mixed No pitting <5 >30 ans Oui
0.5-1.0 7.0-8.5 Mixed >5 000 (ne peut pas démarrer)<10 >20 ans Oui
7.5-8.5 1.0-1.5 OCl⁻ dominant 2 000-5,000 10-30 10-20 ansAcceptable avec supervision 1.0-1.5 6.5-7.5 HOCl dominant 1 000-2,000 30-60 5-10 ans Marginal
1.5-2.0 7.5-8.5 Fl⁻ dominant 1 000-2,000 40-80 4-8 ans Marginal
1.5-2.0 6.5-7.5 HOCl dominant 500-1,000 80-150 2-5 ansNon conseillé
2.0-3.0 7.5-8.5 OCl⁻ dominant 300-800 100-200 2-4 ans Déconseillé
2.0-3.0 6.5-7.5 HOCl dominant 100-300 200-400 1-2 ans Non acceptable
3.0-5.0 7.5-8.5 OCl- dominant 100-300 200-500 1-2 ans Inacceptable
3.0-5.0 6.5-7.5 HOCl dominant 50-100 400-800 6-12 mois Non acceptable5,0 Tout HOCl ou OCl⁻<50 >500 <6 months Unacceptable
Influence de la température sur l'agressivité du chlore

Les seuils du tableau sont pour 60 degrés. À mesure que la température augmente, le chlore devient plus agressif en raison de l'augmentation des taux de diffusion et d'un film passif moins stable. En dessous de 60 degrés, la teneur en chlore admissible augmente presque linéairement avec la diminution de la température.

Température de l'eau (degrés) Chlore libre maximum pendant 5 ans Durée de vie sans piqûres à pH 7,5 (ppm) Action recommandée
40 3.0 Aucune mesure particulière ne doit être prise
50 2.2 Monitor if >2.0 ppm 60 1.5 Dechlorinate if >1,5 ppm 70 1.0 Déchloration suggérée 80 0.7 Déchloration requise 90 0.5 316 non recommandée ; mise à niveau vers le titane
Recommandations pratiques pour le traitement de l'eau des chauffe-eau domestiques

Les radiateurs encastrés 316 dans les systèmes d'eau chaude domestique à 60 degrés respectent les normes de traitement de l'eau suivantes pour un service sans piqûres à long terme.

Chlore libre résiduel (ppm) pH Action recommandée<0.5 Any No action required
>7.5 Aucune mesure ; tolérable 0,5-1,0
0.5-1.0 <7.5 Adjust pH to >7.5 avec de l'hydroxyde de sodium ou observer attentivement
1.0-1.5 >8,0 Acceptable ; examiner tous les 2 ans
1.0-1.5 7.0-8.0 Réduisez le chlore ou passez au 316 L avec une finition électropolie
1.5-2.0 >8.0 Réduire le chlore ou mettre à jour le chauffage
1.5-2.0 <8.0 Dechlorination (injection of activated carbon or sodium sulphite) necessary2.0 Any Dechlorination necessary; upgrade to titanium?
Identification sur le terrain du chlore-causé par des piqûres

Les piqûres résiduelles de chlore provoquent des piqûres généralement petites (0,1-0,5 mm de diamètre), nombreuses et uniformément réparties sur la surface de la gaine (par opposition aux piqûres induites par le chlorure qui sont plus grandes et moins nombreuses). Les piqûres sont souvent entourées d'un anneau cathodique brillant et ont un centre brun foncé ou noir (oxyde de manganèse issu de la dissolution des inclusions). Lorsque des niveaux élevés de chlore et de chlorure (plus de 200 ppm) sont présents dans l'eau, les deux effets agissent en synergie et le seuil est abaissé de 30 à 50 %. Si un appareil de chauffage d'un système d'eau chaude domestique tombe en panne par piqûre dans les 2 à 3 ans, le chlore résiduel doit être testé à plusieurs endroits (entrée, réservoir, sortie) pour voir si les pics dépassent les seuils.

Conclusion Durée de vie du radiateur 316 à 60 degrés Gestion du chlore résiduel

À pH 7,5, les concentrations résiduelles de chlore libre supérieures à 1,5 ppm accélèrent la corrosion par piqûre des radiateurs en acier inoxydable 316 dans l'eau chaude domestique à 60 degrés en 2-5 ans, réduisant ainsi la durée de vie du radiateur d'un facteur de 3 à 10 par rapport à l'eau déchlorée. Un pH plus élevé (8,0-8,5) peut doubler la concentration de chlore. Un pH plus bas (6,5-7,0) réduit de moitié la limite autorisée. Les ingénieurs qui spécifient 316 gaines pour le chauffage de l'eau potable doivent collecter des données sur la qualité de l'eau, notamment le chlore libre résiduel et le pH à la température de fonctionnement estimée. Pour les systèmes dont le chlore est supérieur à 1,5 ppm, une déchloration (filtration sur charbon actif ou injection de sulfite de sodium) ou une mise à niveau vers 316L avec finition électropolie est suggérée. Nous proposons ici une méthodologie qui permet aux acheteurs de sélectionner des programmes de traitement de l'eau qui protègent les gaines 316 de la corrosion induite par les désinfectants dans les services d'eau chaude sanitaire en corrélant la concentration de chlore et le pH avec des durées de début de piqûre quantifiables.