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純粋または純蒸気製薬システムには、ジェネレーター、制御弁、配管またはパイプライン、熱力学的または平衡サーモスタットトラップ、圧力計、減圧器、安全弁、および容積式アキュムレーターが含まれます。
これらの部品のほとんどは 316 L ステンレス鋼で作られており、フッ素ポリマー ガスケット (通常はポリテトラフルオロエチレン、テフロンまたは PTFE とも呼ばれます) や半金属またはその他のエラストマー材料が含まれています。
これらの部品は使用中に腐食や劣化の影響を受けやすく、クリーンスチーム（CS）ユーティリティの最終製品の品質に影響を与えます。本稿で詳述するプロジェクトでは、4つのCSシステムケーススタディからステンレス鋼試験片を評価し、プロセスおよび重要なエンジニアリングシステムへの潜在的な腐食影響のリスクを評価し、凝縮水中の微粒子および金属の検査を実施しました。
腐食した配管および配管システム部品のサンプルを設置し、腐食副生成物を調査しました。9 それぞれのケースにおいて、異なる表面状態が評価されました。例えば、標準的なブラッシュと腐食の影響が評価されました。
参照サンプルの表面は、目視検査、オージェ電子分光法 (AES)、化学分析用電子分光法 (ESCA)、走査型電子顕微鏡 (SEM)、および X 線光電子分光法 (XPS) を使用して、ブラッシュ堆積物の存在について評価されました。
これらの方法により、腐食や堆積物の物理的特性や原子特性を明らかにすることができるほか、技術流体や最終製品の特性に影響を与える重要な要因を特定することができます。
ステンレス鋼の腐食生成物は、鉄酸化物層（黒色または灰色）の下または上の表面に鉄酸化物のカルミン層（茶色または赤色）を形成するなど、様々な形態をとることがあります2。下流に移動する能力があります。
鉄酸化物層（黒ずみ）は、蒸気滅菌後の滅菌室や機器、容器の表面に粒子や堆積物が見られるように、堆積物が顕著になり、時間の経過とともに厚くなることがあります。また、移行も見られます。凝縮液サンプルの実験室分析では、スラッジの分散性とCS液中の可溶性金属の量が確認されました。
この現象には多くの原因がありますが、通常、CS発生装置が主な原因です。表面に赤色酸化鉄（茶色/赤色）が見られたり、通気孔に酸化鉄（黒色/灰色）が見られたりすることは珍しくありません。これらの酸化鉄はCS配管系をゆっくりと移動します。6
CS配水システムは、複数の使用点が遠隔地または主ヘッダーと複数の分岐サブヘッダーの末端で終わる分岐構成です。システムには、腐食の危険性がある特定の使用点において圧力/温度を下げるためのレギュレーターが複数設置される場合があります。
腐食は、トラップ、下流の配管/排出配管、または凝縮水ヘッダーを通過する清浄な蒸気から凝縮水と空気を除去するためにシステム内のさまざまなポイントに配置されている衛生設計のトラップでも発生する可能性があります。
ほとんどの場合、逆移動は、トラップ上に錆の堆積物が蓄積し、上流で隣接するパイプラインまたは使用時点のコレクターにまで成長した場合に発生する可能性があります。トラップまたはその他のコンポーネントに形成された錆は、発生源の上流で見られ、下流および上流に継続的に移動します。
一部のステンレス鋼部品には、デルタフェライトを含む様々な中程度から高レベルの冶金組織が見られます。フェライト結晶は、1～5%程度の微量であっても、耐食性を低下させると考えられています。
フェライトはオーステナイト結晶構造ほど耐食性が高くないため、優先的に腐食します。フェライトはフェライトプローブで正確に検出でき、磁石でもある程度正確に検出できますが、大きな制限があります。
システムのセットアップから初期試運転、新しい CS ジェネレータと配管の起動まで、腐食に寄与する要因は数多くあります。
時間の経過とともに、これらの腐食性元素は鉄と鉄の混合物と接触し、結合し、重なり合うことで腐食生成物を生成する可能性があります。通常、黒い煤は最初に発電機内で発生し、次に発電機の排出配管に現れ、最終的にはCS配管システム全体に広がります。
SEM分析により、結晶やその他の粒子で表面全体を覆っている腐食副生成物の微細構造を明らかにしました。粒子が認められる背景または下層表面は、様々な鉄のグレード（図1-3）から、一般的なサンプルであるシリカ/鉄、砂質、ガラス質、均質な堆積物（図4）まで多岐にわたります。また、スチームトラップのベローズも分析しました（図5-6）。
AES試験は、ステンレス鋼の表面化学組成を判定し、耐食性を診断するために使用される分析方法です。また、腐食による表面劣化に伴い、不動態皮膜の劣化と不動態皮膜中のクロム濃度の低下も確認できます。
各サンプルの表面の元素組成を特徴付けるために、AES スキャン (深さ方向の表面元素の濃度プロファイル) が使用されました。
SEM分析および画像増強に使用された各部位は、典型的な領域から情報が得られるよう慎重に選択されています。各研究では、最上層の数分子層（1層あたり10オングストローム[Å]と推定）から金属合金の深部（200～1000Å）までの情報が得られました。
ルージュ全域で、鉄 (Fe)、クロム (Cr)、ニッケル (Ni)、酸素 (O)、炭素 (C) が多量に検出されたことが記録されています。AESデータと結果はケーススタディのセクションで概説されています。
初期条件におけるAES分析の全体的な結果は、表面のFeとO（酸化鉄）の濃度が異常に高く、Cr含有量が低いサンプルでは、​​強い酸化が起こることを示しています。この赤みがかった析出物から粒子が放出され、製品および製品と接触する表面を汚染する可能性があります。
ブラッシュを除去した後、「不動態化」サンプルでは不動態膜が完全に回復し、Cr の濃度が Fe よりも高くなり、Cr:Fe の表面比は 1.0 ～ 2.0 となり、全体的に酸化鉄は見られなくなりました。
XPS/ESCA を使用してさまざまな粗い表面を分析し、Fe、Cr、硫黄 (S)、カルシウム (Ca)、ナトリウム (Na)、リン (P)、窒素 (N)、O、C の元素濃度とスペクトル酸化状態を比較しました (表 A)。
Cr含有量は、不動態化層に近い値から、ベース合金に典型的に見られる低い値まで、明確な差があります。表面に存在する鉄とクロムの含有量は、ルージュ堆積物の厚さと程度の違いを示しています。XPS試験では、洗浄および不動態化処理された表面と比較して、粗面ではNa、C、またはCaが増加していることが示されています。
XPS試験では、鉄赤（黒色）と鉄赤（赤色）に高濃度のCが、鉄赤（赤色）にはFe(x)O(y)（酸化鉄）が検出された。XPSデータは赤色金属と母材の両方を評価するため、腐食中の表面変化を理解するのには役立たない。結果を適切に評価するには、より大きなサンプルを用いた追加のXPS試験が必要である。
以前の著者らもXPSデータの評価に苦労していました。10 除去プロセス中の現場観察では、炭素含有量が高く、通常は処理中にろ過によって除去されることが示されています。しわ除去処理の前後で撮影されたSEM顕微鏡写真は、これらの堆積物によって引き起こされた表面損傷（孔食や多孔性など）を示しており、これらは腐食に直接影響を及ぼします。
不動態化後の XPS 結果では、不動態化膜が再形成されたときに表面の Cr:Fe 含有率が大幅に高くなり、腐食速度や表面へのその他の悪影響が低減したことが示されました。
試験片サンプルでは、​​「そのまま」の表面と不動態化処理後の表面におけるCr:Fe比の顕著な増加が見られました。初期のCr:Fe比は0.6～1.0の範囲で試験されましたが、処理後の不動態化比は1.0～2.5の範囲でした。電解研磨および不動態化処理されたステンレス鋼の値は1.5～2.5です。
後処理を施したサンプルでは、​​Cr:Fe比（AESを用いて決定）の最大深度は3～16Åでした。これは、Coleman2とRoll9が発表した以前の研究データとほぼ一致しています。すべてのサンプルの表面には、Fe、Ni、O、Cr、Cが標準レベルでした。また、ほとんどのサンプルで、P、Cl、S、N、Ca、Naも低レベルで検出されました。
これらの残留物は、化学洗浄剤、精製水、または電解研磨に典型的に見られるものです。さらに分析したところ、オーステナイト結晶の表面および様々な層にシリコン汚染が認められました。発生源は、水／蒸気、機械研磨、またはCS生成セル内の溶解またはエッチングされたサイトグラスに含まれるシリカと考えられます。
CSシステムで検出される腐食生成物は大きく異なることが報告されています。これは、システムの状態や、バルブ、トラップ、その他の付属品など、腐食状態や腐食生成物の発生につながる様々なコンポーネントの配置が異なることに起因します。
さらに、交換部品が適切に不動態化されていない状態でシステムに導入されることも少なくありません。腐食生成物は、CSジェネレータの設計と水質にも大きく影響されます。ジェネレータセットの種類には、リボイラー式とチューブラーフラッシャー式があります。CSジェネレータでは通常、クリーン蒸気から水分を除去するためにエンドスクリーンが使用されますが、バッフルやサイクロンを使用するジェネレータもあります。
配管内にほぼ固体の鉄緑青を形成し、それを覆っている赤鉄もあります。バッフルブロックは、その下層に酸化鉄の赤みを帯びた黒色の鉄膜を形成し、さらに表面を煤けた赤みという第二の表面現象を引き起こします。この現象は表面から拭き取りやすくなっています。
一般的に、この鉄分を含んだ煤状の堆積物は、鉄赤色の堆積物よりもはるかに顕著で、より流動性が高いです。凝縮水中の鉄の酸化状態が上昇するため、配管底部の凝縮水流路で生成されるスラッジには、鉄スラッジの上に酸化鉄スラッジが堆積します。
酸化鉄ブラッシュは凝縮水コレクターを通過し、排水口で目に見えるようになり、最上層は表面から簡単に擦り落とされます。ブラッシュの化学組成は水質に大きく依存します。
炭化水素含有量が多いと口紅に煤が多すぎる原因となり、シリカ含有量が多いとシリカ含有量も高くなり、口紅層が滑らかになったり、光沢のある状態になったりします。前述のように、水位サイトグラスも腐食しやすく、異物やシリカがシステム内に侵入する可能性があります。
蒸気システムにおいて、ガンは厚い層を形成し、粒子を形成する可能性があるため、懸念材料となります。これらの粒子は蒸気表面または蒸気滅菌装置内に存在します。以下のセクションでは、薬剤への影響の可能性について説明します。
図7および図8のAs-Is SEM像は、ケース1のクラス2カルミンの微結晶性を示しています。表面には、非常に緻密な酸化鉄結晶のマトリックスが、細粒の残留物として形成されていました。除染および不動態化処理された表面は、図9および図10に示すように、腐食による損傷が見られ、粗く、わずかに多孔質の表面組織を形成していました。
図 11 の NPP スキャンは、重質酸化鉄が存在する元の表面の初期状態を示しています。 不動態化され、脱皮した表面 (図 12) は、不動態膜の Cr (赤線) 含有量が Fe (黒線) より高く、Cr:Fe 比が 1.0 を超えていることを示しています。 不動態化され、脱皮した表面 (図 12) は、不動態膜の Cr (赤線) 含有量が Fe (黒線) より高く、Cr:Fe 比が 1.0 を超えていることを示しています。 Пассивированная и обесточенная поверхность (рис. 12) указывает на то, что пассивная пленка теперь имеет Cr (красная линия) と Fe (черная линия) の Cr:Fe > 1,0。 不動態化され非活性化された表面 (図 12) は、不動態膜の Cr 含有量 (赤線) が Fe 含有量 (黒線) と比較して増加し、Cr:Fe 比率が 1.0 を超えていることを示しています。表面のメッキおよび脱塩（図１２）は、メッキ膜に存在するＣｒ（線）含有量がＦｅ（線）よりも高く、Ｃｒ：Ｆｅ比＞１．０であることを示している。 Cr（線）含有量がFe（線）より高く、Cr:Fe比> 1.0。 Пассивированная и морщинистая поверхность (рис. 12) показывает, что пассивированная пленка теперь имеет более Cr (красная линия)、чем Fe (черная линия)、Cr:Fe > 1,0。 不動態化されしわになった表面 (図 12) は、不動態化されたフィルムの Cr 含有量 (赤線) が Fe 含有量 (黒線) より高く、Cr:Fe 比が 1.0 を超えていることを示しています。
より薄い（80 Å 未満）不動態化酸化クロム膜は、鉄含有量が 65% を超えるベースメタルおよびスケール層からの数百オングストロームの厚さの結晶性酸化鉄膜よりも保護力が高くなります。
不動態化され、しわが寄った表面の化学組成は、不動態化された研磨材と同等です。ケース1の堆積物は、現場で形成される可能性のあるクラス2の堆積物であり、堆積するにつれて、より大きな粒子が形成され、蒸気とともに移動します。
この場合、腐食は深刻な欠陥や表面品質の劣化につながることはありません。通常のしわは表面への腐食効果を軽減し、目に見える可能性のある粒子の大きな移動の可能性を排除します。
図 11 の AES 結果では、表面近くの厚い層に Fe および O のレベルが高く (500 Å の酸化鉄、それぞれレモン グリーンとブルーの線)、Fe、Ni、Cr、および O のドープ レベルに移行していることがわかります。Fe 濃度 (青線) は他のどの金属よりもはるかに高く、表面の 35% から合金では 65% 以上に増加しています。
表面では、O レベル (薄緑色の線) は合金中のほぼ 50% から、酸化膜厚が 700 Å を超えるとほぼゼロになります。 Ni (濃い緑の線) と Cr (赤の線) のレベルは表面では非常に低く (< 4%)、合金の深部では通常のレベル (それぞれ 11% と 17%) まで増加します。 Ni (濃い緑の線) と Cr (赤の線) のレベルは表面では非常に低く (< 4%)、合金の深部では通常のレベル (それぞれ 11% と 17%) まで増加します。 Уровни Ni (темно-зеленая линия) и Cr (красная линия) чрезвычайно низки на поверхности (<4%) и увеличиваются до нормального уровня (11% и 17% соответственно) в глубине сплава. Ni (濃い緑の線) と Cr (赤の線) のレベルは表面では非常に低く (<4%)、合金の深部では通常のレベル (それぞれ 11% と 17%) まで増加します。表面のNi（深線）およびCr（線）レベルは非常に低い（<4%）が、合金の深さでは正常レベル（それぞれ11%および17%）に増加しています。表面のNi（深線）とCr（線）のレベルは非常に低い（< 4%）が、合金の深さでは歌常レベル（それぞれ11%）に増加 Уровни Ni (темно-зеленая линия) и Cr (красная линия) на поверхности чрезвычайно низки (<4%) и увеличиваются до (11% と 17% の соответственно)。 表面の Ni (濃い緑の線) と Cr (赤の線) のレベルは非常に低く (<4%)、合金の深部では通常のレベルまで増加します (それぞれ 11% と 17%)。
図12のAES像は、ルージュ（酸化鉄）層が除去され、不動態膜が回復していることを示しています。15Åの一次層では、Crレベル（赤線）が不動態膜であるFeレベル（黒線）よりも高くなっています。表面のNi含有量は当初9%でしたが、Crレベル（±16%）を超えて60～70Å増加し、その後200Åの合金レベルまで増加しました。
2% から始まり、炭素レベル (青い線) は 30 Å でゼロに低下します。 Fe レベルは最初は低く (< 15%)、その後 15 Å で Cr レベルと等しくなり、その後増加し続け、150 Å で 65% を超える合金レベルになります。 Fe レベルは最初は低く (< 15%)、その後 15 Å で Cr レベルと等しくなり、その後増加し続け、150 Å で 65% を超える合金レベルになります。 Уровень Fe вначале низкий (< 15%), позже равен уровню Cr при 15 Å и продолжает увеличиваться до уровня сплава 65% および 150 Å。 Fe レベルは最初は低く (< 15%)、その後 15 Å で Cr レベルに等しくなり、150 Å で 65% を超える合金レベルまで増加し続けます。 Fe 含有量は最初は非常に低く (< 15%)、その後 15 Å では Cr 含有量と等しく、150 Åでは合金含有量が 65% を超えて増加し続けます。 Fe 含有量は最初は非常に低く (< 15%)、その後 15 Å では Cr 含有量と等しく、150 Åでは合金含有量が 65% を超えて増加し続けます。 Содержание Fe изначально низкое (< 15 %), позже оно равняется содержанию Cr при 15 Å и продолжает увеличиваться 65 % 150 Å を保証します。 Fe 含有量は最初は低く (< 15%)、後に 15 Å で Cr 含有量と等しくなり、合金含有量が 150 Å で 65% を超えるまで増加し続けます。Cr レベルは 30 Å で表面の 25% まで増加し、合金では 17% まで減少します。
表面付近のOレベル（薄緑色の線）は上昇していますが、深さ120Åを超えるとゼロに減少しています。この分析は、表面不動態膜が十分に発達していることを示しています。図13および14のSEM写真は、表面の第1および第2鉄酸化物層の粗く、粗く、多孔質の結晶構造を示しています。しわのある表面は、部分的にピットが発生した粗い表面への腐食の影響を示しています（図18～19）。
図13と図14に示す不動態化され、しわが寄った表面は、激しい酸化には耐えられません。図15と図16は、金属表面の不動態化膜が修復された状態を示しています。