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純粋蒸気または純粋蒸気を用いた医薬品システムには、発生器、制御弁、分配管またはパイプライン、熱力学的または平衡型のサーモスタットトラップ、圧力計、減圧弁、安全弁、および容積式アキュムレータが含まれる。
これらの部品のほとんどは316Lステンレス鋼で作られており、フッ素樹脂ガスケット（一般的にはポリテトラフルオロエチレン、別名テフロンまたはPTFE）や、半金属またはその他の弾性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を起こしやすく、それが最終的なクリーン蒸気（CS）ユーティリティ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システム事例からステンレス鋼の試験片を評価し、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の影響リスクを査定し、凝縮水中の微粒子および金属の検査を実施しました。
腐食した配管や配水システム部品のサンプルを設置し、腐食生成物を調査します。9 それぞれのケースについて、異なる表面状態を評価しました。例えば、標準的な白濁や腐食の影響を評価しました。
参照試料の表面は、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）を用いて、ブラッシュ堆積物の有無について評価された。
これらの手法を用いることで、腐食や堆積物の物理的・原子的な特性を明らかにすることができ、さらに工業用流体や最終製品の特性に影響を与える主要因を特定することもできる。
ステンレス鋼の腐食生成物は、表面の酸化鉄層（黒色または灰色）の下または上に、酸化鉄のカーマイン層（茶色または赤色）など、さまざまな形態をとることがあります。2. 下流へ移動する能力。
蒸気滅菌後、滅菌室や装置、容器の表面に粒子や堆積物が見られることからわかるように、沈着物がより顕著になるにつれて、酸化鉄層（黒ずみ）は時間の経過とともに厚くなる可能性があり、移動が生じます。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示されました。4
この現象には多くの原因が考えられますが、通常はCS発生器が主な原因です。表面に赤色の酸化鉄（茶色/赤色）が付着し、通気口内には酸化鉄（黒色/灰色）が付着してCS配管システムをゆっくりと移動していく様子がよく見られます。6
CS配管システムは、複数の使用ポイントが遠隔地またはメインヘッダーと複数の分岐サブヘッダーの終端で終端する分岐構成となっています。このシステムには、腐食の可能性のある特定の使用ポイントで圧力/温度を下げるためのレギュレーターが複数設置されている場合があります。
腐食は、システム内のさまざまな場所に設置され、トラップ、下流配管／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、逆方向への移動が起こりやすく、錆の堆積物がトラップ上に蓄積し、上流に向かって隣接するパイプラインや使用地点の集塵装置へと広がっていくことがあります。トラップやその他の部品に形成された錆は、発生源の上流で見られ、下流と上流に絶えず移動しています。
ステンレス鋼部品の中には、デルタフェライトを含む、中程度から高度なレベルの様々な冶金組織を示すものもある。フェライト結晶は、たとえ1～5％程度しか存在しなくても、耐食性を低下させると考えられている。
フェライトはオーステナイト結晶構造ほど耐食性がないため、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、大きな制約があります。
システムのセットアップから初期試運転、新しいCS発電機と配管の起動に至るまで、腐食を引き起こす要因は数多くあります。
時間の経過とともに、このような腐食性物質は、鉄と鉄の混合物と接触、結合、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。黒い煤は通常、最初に発電機で見られ、次に発電機の排出配管に現れ、最終的にはCS配電システム全体に広がります。
SEM分析を実施し、結晶やその他の粒子で表面全体を覆う腐食副生成物の微細構造を明らかにした。粒子が存在する背景または下地表面は、さまざまなグレードの鉄（図1-3）から、シリカ/鉄、砂状、ガラス質、均質な堆積物（図4）といった一般的なサンプルまで多岐にわたる。スチームトラップベローズも分析した（図5-6）。
AES試験は、ステンレス鋼の表面化学を判定し、耐食性を診断するために用いられる分析手法です。また、腐食による表面劣化に伴う不動態皮膜の劣化や、不動態皮膜中のクロム濃度の低下も明らかにします。
各試料の表面の元素組成を特徴づけるために、AESスキャン（表面元素の深さ方向の濃度プロファイル）が用いられた。
SEM分析および画像拡張に使用された各サイトは、典型的な領域からの情報が得られるように慎重に選択されました。各研究では、最上部の数分子層（1層あたり約10オングストローム[Å]と推定）から金属合金の深さ（200～1000Å）までの情報が得られました。
ルージュの全地域で、鉄（Fe）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、酸素（O）、炭素（C）が相当量検出された。AESデータと結果については、事例研究のセクションで概説する。
初期条件におけるAES分析結果全体から、表面の鉄（Fe）と酸素（O）の濃度が異常に高く、クロム（Cr）含有量が低いサンプルでは、​​強い酸化反応が起こることが示された。この赤褐色の析出物によって粒子が放出され、製品および製品と接触する表面を汚染する可能性がある。
表面の光沢を除去した後、「不動態化」されたサンプルでは、​​不動態皮膜が完全に回復し、Crの濃度がFeよりも高くなり、Cr:Feの表面比は1.0～2.0の範囲となり、酸化鉄は全体的に消失した。
XPS/ESCAを用いて様々な粗面を分析し、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た（表A）。
Cr含有量には、不動態化層に近い値から、基合金によく見られる低い値まで、明確な違いが見られます。表面に存在する鉄とクロムのレベルは、粗粒堆積物の厚さとグレードの違いを表しています。XPS分析では、洗浄および不動態化処理された表面と比較して、粗い表面ではNa、C、またはCaが増加していることが示されています。
XPS分析の結果、鉄赤（黒）には高濃度のCが、また赤色にはFe(x)O(y)（酸化鉄）が検出された。XPSデータは、赤色金属と基材金属の両方を評価するため、腐食中の表面変化を理解する上で有用ではない。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分析が必要である。
以前の著者もXPSデータの評価に苦労していた。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わかった。しわ除去処理の前後に撮影されたSEM顕微鏡写真では、腐食に直接影響を与えるピットや多孔性など、これらの堆積物によって引き起こされる表面損傷が示されている。
不動態化処理後のXPS分析結果から、不動態皮膜が再形成された際に表面のCr:Fe含有比が大幅に上昇し、腐食速度や表面へのその他の悪影響が低減されることが示された。
試験片サンプルでは、​​未処理表面と不動態化処理後の表面との間でCr:Fe比が著しく増加していることが示された。初期のCr:Fe比は0.6～1.0の範囲で測定されたが、処理後の不動態化比は1.0～2.5の範囲であった。電解研磨および不動態化処理を施したステンレス鋼の値は1.5～2.5である。
後処理を施したサンプルでは、​​Cr:Fe比の最大深さ（AESを用いて測定）は3～16Åの範囲であった。これは、Coleman2およびRoll9によって発表された以前の研究のデータとよく一致している。すべてのサンプルの表面には、Fe、Ni、O、Cr、Cが標準レベルで含まれていた。また、ほとんどのサンプルで、P、Cl、S、N、Ca、Naが低レベルで検出された。
これらの残留物は、化学洗浄剤、精製水、または電解研磨によく見られるものです。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結晶内部の様々な層にシリコン汚染が認められました。その原因は、水／蒸気中のシリカ含有量、機械研磨剤、またはCS発生セル内の溶解もしくはエッチングされたサイトグラスであると考えられます。
CSシステムで発見される腐食生成物は、非常に多様であることが報告されている。これは、これらのシステムの様々な条件や、バルブ、トラップ、その他の付属品など、腐食環境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の違いによるものである。
さらに、交換部品が適切に不動態化処理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発生器の設計や水質にも大きく影響されます。発生器セットには、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発生器は通常、エンドスクリーンを使用して清浄蒸気から水分を除去しますが、他の発生器ではバッフルやサイクロンを使用します。
配管内にほぼ完全な鉄の緑青が生じ、その上に赤い鉄が覆うものもあります。バッフルブロックは、その下に酸化鉄の薄片を伴う黒い鉄の膜を形成し、さらに表面には拭き取りやすい煤状の薄片という別の現象を生み出します。
一般的に、この鉄分を多く含む煤状の堆積物は、鉄赤色の堆積物よりもはるかに顕著で、移動性も高い。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発生するスラッジには、鉄スラッジの上に酸化鉄スラッジが堆積する。
酸化鉄の沈殿物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、表面の最上層は簡単にこすり落とせる。水質は沈殿物の化学組成に重要な役割を果たす。
炭化水素含有量が高いと口紅に煤が多く含まれ、シリカ含有量が高いと口紅の表面が滑らかでつやのある仕上がりになります。前述のとおり、水位計も腐食しやすく、破片やシリカがシステム内に混入する可能性があります。
蒸気システムでは、ガンによって厚い層が形成され、粒子が発生する可能性があるため、ガンは懸念事項となります。これらの粒子は、蒸気表面や蒸気滅菌装置内に存在します。以下のセクションでは、考えられる薬剤の影響について説明します。
図7および図8の現状のSEM画像は、ケース1におけるクラス2カーマインの微結晶構造を示している。表面には、微細な残留物として、特に密度の高い酸化鉄結晶のマトリックスが形成されている。除染および不動態化処理された表面は腐食による損傷を受けており、図9および図10に示すように、表面は粗く、わずかに多孔質になっている。
図11のNPPスキャンは、表面に大量の酸化鉄が付着した初期状態を示している。 不動態化および脱鉄された表面（図12）は、不動態皮膜のCr（赤線）含有量がFe（黒線）よりも高く、Cr：Fe比が1.0以上であることを示している。 不動態化および脱鉄された表面（図12）は、不動態皮膜のCr（赤線）含有量がFe（黒線）よりも高く、Cr：Fe比が1.0以上であることを示している。 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。 不動態化され非通電状態の表面（図12）は、不動態皮膜のCr含有量がFe（黒線）に比べて増加し、Cr：Feの比率が1.0以上になっていることを示している（赤線）。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、しわの寄った表面（図12）は、不動態化膜がCr:Fe比が1.0を超えるFe（黒線）よりもCr（赤線）の含有量が高くなっていることを示している。
厚さが80オングストローム未満の薄い不動態化クロム酸化物膜は、鉄含有量が65%を超える基材金属およびスケール層から、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性能が高い。
不動態化処理され、しわが寄った表面の化学組成は、不動態化処理された研磨材の化学組成とほぼ同等である。ケース1の堆積物は、その場で形成され得るクラス2の堆積物であり、堆積が進むにつれて、蒸気とともに移動するより大きな粒子が形成される。
この場合、示されている腐食は、深刻な欠陥や表面品質の劣化にはつながりません。通常のしわは表面への腐食作用を軽減し、目に見えるようになる可能性のある粒子の強い移動を排除します。
図11では、AESの結果から、表面近くの厚い層ではFeとOの濃度が高く（酸化鉄500Å、それぞれレモングリーンと青の線）、Fe、Ni、Cr、Oのドーピング濃度へと変化していることがわかります。Fe濃度（青の線）は他のどの金属よりもはるかに高く、表面の35%から合金中では65%以上に増加しています。
表面では、O濃度（薄緑色の線）は合金中のほぼ50%から、酸化膜の厚さが700Åを超えるとほぼゼロにまで低下する。 Ni（濃い緑色の線）とCr（赤色の線）の濃度は表面では非常に低く（4%未満）、合金の深さでは通常の濃度（それぞれ11%と17%）まで上昇します。 Ni（濃い緑色の線）とCr（赤色の線）の濃度は表面では非常に低く（4%未満）、合金の深さでは通常の濃度（それぞれ11%と17%）まで上昇します。 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. ニッケル（濃い緑色の線）とクロム（赤色の線）の濃度は表面では非常に低く（4%未満）、合金の深部では通常の濃度（それぞれ11%と17%）まで上昇する。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)。 表面におけるNi（濃い緑色の線）とCr（赤色の線）の濃度は極めて低く（4%未満）、合金内部の深部では通常の濃度（それぞれ11%と17%）まで上昇する。
図12のAES画像は、ルージュ（酸化鉄）層が除去され、不動態皮膜が回復したことを示しています。15Åの一次層では、Crレベル（赤線）がFeレベル（黒線）よりも高く、これは不動態皮膜です。当初、表面のNi含有量は9%でしたが、Crレベル（±16%）より60～70Å増加し、その後、合金レベルである200Åまで増加しました。
炭素含有量（青線）は2%から始まり、30Åでゼロに低下する。 Feの含有量は最初は低く（15%未満）、その後15ÅではCrの含有量と等しくなり、150Åでは65%を超える合金レベルまで増加し続けます。 Feの含有量は最初は低く（15%未満）、その後15ÅではCrの含有量と等しくなり、150Åでは65%を超える合金レベルまで増加し続けます。 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の含有量は最初は低く（15%未満）、その後15ÅでCrの含有量と等しくなり、150Åでは合金の65%を超える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した。 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した。 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%未満）、その後15ÅでCr含有量と等しくなり、150Åで合金含有量が65%を超えるまで増加し続けます。Cr濃度は30Åの表面で25%まで増加し、合金中では17%まで減少する。
表面付近の酸素濃度の上昇（薄緑色の線）は、深さ120Åを超えるとゼロに低下します。この分析により、表面パッシベーション膜が十分に発達していることが示されました。図13および14のSEM写真は、表面の第1および第2酸化鉄層の粗く多孔質な結晶構造を示しています。しわのある表面は、部分的にピットのある粗い表面に対する腐食の影響を示しています（図18～19）。
図13および図14に示す不動態化され、しわの寄った表面は、激しい酸化に耐えられない。図15および図16は、金属表面に修復された不動態皮膜を示している。