In quale combinazione specifica di concentrazione residua di cloramina e pH la guaina del riscaldatore in acciaio inossidabile 316 sviluppa vaiolature nell'acqua calda municipale a 55 gradi

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 a pH 7,0-8,0 o con escursioni del pH. Questa ricerca prevede le soglie di pH e le concentrazioni di cloramina che avviano la vaiolatura su 316 guaine a 55 ⁰C. Meccanismo di vaiolatura indotto dalla cloramina-e dipendenza dal pH La monocloramina (NH2Cl) è un agente ossidante più debole del cloro libero (HOCl/OCl-). La cloramina, tuttavia, viene degradata in numerosi modi a temperature superiori a 50 gradi. A pH da neutro a leggermente alcalino (7,0-8,5) la decomposizione fornisce ammoniaca e azoto con solo piccole quantità di cloro libero rilasciate. A pH < 7,0, la decomposizione si sposta in cloro libero (HOCl) e dicloramina (NHCl 2 ), entrambi ossidanti più potenti in grado di decomporre la pellicola passiva su 316. A pH > 9,0 la cloramina si decompone rapidamente in tricloruro di azoto (NCl3), che è una specie volatile e altamente ossidante. Il meccanismo della vaiolatura è quello del cloro libero. Rottura localizzata del film passivo di Cr 2 O 3 e successiva propagazione delle cavità indotta dal cloruro. Ma la cloramina necessita di una concentrazione maggiore (circa 2-5 volte quella del cloro libero) per provocare vaiolature alla stessa temperatura. Limiti quantificati di vaiolatura a 55 gradi Test di immersione controllata di acciaio inossidabile 316 (finitura elettrolucidata, Ra=0.2 μm) in acqua municipale sintetica (100 ppm Cl−, 80 ppm SO42−, 120 ppm CaCO3) a varie concentrazioni di monoclorammina e pH a 55 gradi per 3000 ore hanno determinato i seguenti limiti per l'inizio della vaiolatura. pH (55 gradi) Monocloramina (ppm come equivalente Cl2) Tempo di inizio vaiolatura per il percorso di decomposizione della cloramina (ore) Profondità massima del pozzo dopo 3.000 ore (micron) Tempo di perforazione (parete da 1,5 mm) 55 gradi Servizio consigliato<1.0 7.0-8.5 Stable >10,000 <10 >30 anni Sì 1.0-2.0 7.5-8.5 Stabile 5.000-10,000 10-20 15-30 anni Sì 2.0-3.0 7.5-8.5 Stabile 20-40 anni Per lo più 8-15 anni 3.000-5.000 Accettabile 3.0-4.0 7.5-8.5 Circa 1.500-3,000 40-80 4-8 anni Decadimento marginale 4.0-5.0 7.5-8.5 Deterioramento moderato da 800-1,500 80-120 2 a 4 anniNon consigliato 5.0-7.0 7.5-8.5 Disintegrazione significativa 400-800 120-200 1-2 anni no 7.0 7.5-8.5 Decadimento rapido<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 Passa all'elettrolucidatura 316L Any con escursioni del 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 Aggiornamento Duplex Identificazione sul campo delle vaiolature prodotte dalla cloramina Per un riscaldatore 316 in acqua calda municipale con poco cloro libero ma noto trattamento con cloramina, le cavità sono generalmente piccole (0,1-0,5 mm di diametro), frequenti (5-20 cavità/cm2) e regolarmente distanziate. La superficie metallica nella cavità è indicativa di una morfologia di vaiolatura guidata da cloruro. La differenza fondamentale è che non c'è cloro libero nell'acqua (un indicatore che la cloramina si sta degradando). Il registro della chimica dell'acqua avrà valori di cloramina superiori a 3-4 ppm e pH inferiore a 7,0 o superiore a 9,0 in momenti diversi. Il test dell'acqua sfusa per il cloro libero e la cloramina confermerà il tipo di disinfezione. La soluzione a questi problemi è abbassare la concentrazione di cloramina a meno di 2,5-3,0 ppm o mantenere il pH attorno a 7,5-8,5 o passare all'acciaio inossidabile duplex 2205. Soluzioni di trattamento per sistemi ad alto contenuto di cloramina Se non è possibile ridurre la concentrazione di cloramina a 3 ppm, le seguenti procedure ridurranno il rischio di vaiolatura: Elettrolucidatura: superficie elettrolucidata (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) o 316L con controllo dell'inclusione di nitruro di titanio (TiN). Conclusione: durata del riscaldatore 316 a pH 55 gradi e controllo della cloramina I riscaldatori con guaina in acciaio inossidabile 316 nell'acqua calda municipale a 55 gradi mostrano un inizio di vaiolatura superiore a circa 3-4 ppm di monocloramina a pH 7,5-8,5 in 1.000-3.000 ore e perforazione in 2-5 anni. Non appena il pH scende sotto 7,0, la cloramina si decompone in cloro libero e anche 2-3 ppm di cloramina sono piuttosto aggressivi e si distruggeranno in 1-2 anni. 316 guaine con dati su cloro e pH e un intervallo di pH di 7,5-8,5 e monocloramina<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.