Unter welcher spezifischen Kombination aus Restchloraminkonzentration und pH-Wert entwickelt ein Heizmantel aus Edelstahl 316 Lochfraß in kommunalem Warmwasser bei 55 Grad?

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 bei pH 7,0-8,0 oder bei pH-Abweichungen. Diese Forschung sagt die pH-Grenzwerte und Chloraminkonzentrationen voraus, die bei 55 °C Lochfraß an 316-Hüllen auslösen. Chloramin-induzierter Lochfraßmechanismus und pH-Abhängigkeit Monochloramin (NH2Cl) ist ein schwächeres Oxidationsmittel als freies Chlor (HOCl/OCl-). Chloramin wird jedoch bei Temperaturen über 50 Grad auf zahlreichen Wegen abgebaut. Bei neutralem bis leicht alkalischem pH-Wert (7,0–8,5) entstehen bei der Zersetzung Ammoniak und Stickstoff, wobei nur geringe Mengen an freiem Chlor freigesetzt werden. Bei einem pH-Wert < 7,0 verlagert sich die Zersetzung auf freies Chlor (HOCl) und Dichloramin (NHCl 2), beides stärkere Oxidationsmittel, die den Passivfilm auf 316 zersetzen können. Bei einem pH-Wert > 9,0 zerfällt Chloramin schnell zu Stickstofftrichlorid (NCl3), einer flüchtigen und stark oxidierenden Spezies. Der Lochfraßmechanismus ist der von freiem Chlor. Örtlich begrenzter Zusammenbruch des passiven Cr 2 O 3 -Films und anschließende Ausbreitung von Grübchen durch Chlorid. Chloramin benötigt jedoch eine höhere Konzentration (etwa das 2- bis 5-fache der Konzentration von freiem Chlor), um bei gleicher Temperatur Lochfraß zu verursachen. Quantifizierte Grenzen der Lochfraßbildung bei 55 Grad. Durch kontrollierte Eintauchtests von Edelstahl 316 (elektropolierte Oberfläche, Ra=0.2 μm) in synthetisches kommunales Wasser (100 ppm Cl−, 80 ppm SO42−, 120 ppm CaCO3) bei verschiedenen Monochloraminkonzentrationen und pH-Werten bei 55 Grad über 3000 Stunden wurden die folgenden Grenzen für die Entstehung von Lochfraß ermittelt. pH-Wert (55 Grad) Monochloramin (ppm als Cl2-Äquivalent) Beginn der Lochfraßbildung für den Chloramin-Zersetzungsweg (Stunden) Maximale Lochtiefe nach 3000 Stunden (Mikron) Zeit bis zur Perforation (1,5 mm Wand) 55 Grad Empfohlener Service<1.0 7.0-8.5 Stable >10,000 <10 >30 Jahre Ja 1.0-2.0 7.5-8.5 Stabil 5.000-10,000 10-20 15-30 Jahre Ja 2.0-3.0 7.5-8.5 Stabil 20-40 Jahre Meistens 8-15 Jahre 3.000-5.000 Akzeptabel 3.0-4.0 7.5-8.5 Etwa 1.500-3,000 40-80 4-8 Jahre Geringfügiger Verfall 4.0-5.0 7.5-8.5 Mäßige Verschlechterung 800-1,500 80-120 2 bis 4 JahreNicht empfohlen 5.0-7.0 7.5-8.5 Erheblicher Zerfall 400-800 120-200 1-2 Jahre nein 7.0 7.5-8.5 Schneller Zerfall<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 Upgrade auf 316L Elektropolitur Alle mit pH-Abweichungen<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 Duplex-Upgrade Feldidentifizierung von Lochfraß durch Chloramin Bei einem 316-Heizgerät in kommunalem Warmwasser mit wenig freiem Chlor, aber bekannter Chloraminbehandlung sind die Lochfraß typischerweise klein (0,1-0,5 mm Durchmesser), häufig (5–20 Lochfraß/cm2) und regelmäßig verteilt. Die Metalloberfläche in der Grube weist auf eine durch Chlorid verursachte Lochfraßmorphologie hin. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das Hauptwasser kein freies Chlor enthält (ein Indikator dafür, dass das Chloramin abgebaut wird). Das Wasserchemie-Protokoll weist zu verschiedenen Zeiten Chloraminwerte über 3–4 ppm und einen pH-Wert unter 7,0 oder über 9,0 auf. Durch Testen des Grundwassers auf freies Chlor und Chloramin wird die Art der Desinfektion bestätigt. Die Lösung für diese Fehler besteht darin, die Chloraminkonzentration auf weniger als 2,5–3,0 ppm zu senken oder den pH-Wert nahe bei 7,5–8,5 zu halten oder auf Duplex-2205-Edelstahl umzusteigen. Behandlungslösungen für Systeme mit hohem Chloramingehalt. Wenn es nicht möglich ist, die Chloraminkonzentration auf 3 ppm zu reduzieren, verringern die folgenden Verfahren das Risiko von Lochfraß: Elektropolieren: Elektropolierte Oberfläche (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) oder 316L mit Titannitrid (TiN)-Einschlusskontrolle. Fazit: Die Lebensdauer des Heizgeräts 316 bei einem pH-Wert von 55 Grad und einer Chloraminkontrolle. Heizgeräte mit Edelstahlmantel 316 in kommunalem Warmwasser bei 55 Grad zeigen Lochfraßbildung ab etwa 3–4 ppm Monochloramin bei pH 7,5–8,5 in 1.000–3.000 Stunden und Perforation in 2–5 Jahren. Sobald der pH-Wert unter 7,0 sinkt, zerfällt Chloramin zu freiem Chlor, und selbst 2–3 ppm Chloramin sind ziemlich aggressiv und bilden sich in 1–2 Jahren. . 316 Hüllen mit Daten zu Chlor und pH und einem pH-Bereich von 7,5–8,5 und Monochloramin<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.