室內泳池上方,A4 也不夠:316L 風管的鏽裡氯占到 35%

2015 年,Yahoo!知恵袋有人問室內泳池的金屬箱體:改用鋁加氟樹脂烤漆,螺絲固定處和「ボルト穴部分等で塩素の影響」會不會出現?唯一的回答說,不論什麼材料,年數一久都會出現氯的影響,不鏽鋼也會開孔,而開孔的原因連廠商也不知道。波蘭 Poznań 工業大學 2015 年發表的一個案例可以補上這個答案:泳池上方的 316L 通風管,成分在規格內,鏽裡的氯最高 34.65%,風管上同時找到孔蝕、應力腐蝕開裂與縫隙腐蝕。本站〈A2 還是 A4〉的環境表寫「泳池 → A4」,這一頁要修正那句話。閱讀約 9 分鐘。

泳池水面上方,兩段方形金屬風管以法蘭和四顆螺栓接合;接頭處有點狀蝕孔與鏽漬,一顆螺栓旁有一道紅色分叉裂紋。

那個問題,沒人回答鋼種

提問在 2015-05-03 發出,416 次閱覽,只有一則回答。工程是室內泳池裡要組成箱形的チャンバーボックス, 業主指定不鏽鋼鏡面;承包商因為要焊接,改提 SUS316 加氟樹脂烤漆。業主接著問:既然要塗裝,鋁烤漆不行嗎? 提問者想知道的,是鋁件的螺絲孔、螺栓孔會不會被氯侵蝕。

被選為最佳解答的是一位塗裝業者。他說不管什麼材料,年數一到都會出現氯的影響,不鏽鋼也會鏽爛, 有時會開出豆粒大的洞,開洞的原因「メーカーもわかっておりません」;所以不鏽鋼、鋁他們都會塗裝。 這是回答者的經驗,沒有附分析資料;不鏽鋼在泳池環境會開孔這一點,下面的資料可以印證,但「為什麼」和「該換成什麼」兩件事都停在那裡。

本站〈A2 還是 A4〉的環境表裡有一列「泳池與其周邊結構 → A4」。 依下面 Nürnberger 與 Euro Inox 兩份資料,這句只對「會定期清潔」的構件成立;泳池上方不清潔的承重件與扣件,A4 這一族不在允許範圍內。

一支成分合格的 316L 風管

Rzeszut、Szumigała 與 Polus 在 2015 年的《Technical Transactions》分析了一處觀光休閒中心的泳池大廳, 通風管裝在池子正上方。要先講清楚:這是通風管,不是扣件。它值得放進扣件網站, 是因為材料屬於 A4 大致對應的 316 系,而失效形態裡有一種會讓承重件無預警斷掉。

風管材料成分與 1.4404 規格(Rzeszut 等,2015,Table 1)
元素樣品(%)1.4404 規格(%)
C0.03≤ 0.03
Cr16.8016.5–18.5
Ni10.0010.0–13.0
Mo2.352.0–2.5

作者據此判定材料是 X2CrNiMo17-12-2(1.4404,也就是 316L)。鉻與鎳落在規格下限,碳在上限, 但每一項都在範圍內。用 Nürnberger 文中的公式 PRE = Cr + 3.3 Mo + 16 N 估算,這支風管約 24.6 (論文沒報告氮,按 0 計;這是本站的計算)。論文說分析所用的結果由承包商提供,沒有交代作者是否另行取樣複驗。

腐蝕產物中的氯(Rzeszut 等,2015,Table 2)
取樣處Cl(%)Fe(%)Cr(%)
124.0929.554.49
234.656.621.76
320.2527.929.43

三處的氯都在兩成以上。論文沒有寫腐蝕產物用什麼方法分析。本站的看法是,這組數字只能看量級,不宜拿去和其他研究的沉積物濃度直接比。

池子上方的風管,三種壞法

作者用目視與照片判讀,在池子上方的這組風管上找到三種損傷:

巨觀檢查到的損傷(Rzeszut 等,2015,§2.1)
型態出現位置驅動條件
孔蝕板面,針孔與微裂空氣裡的氯化物局部破壞鈍化膜,溫度高時加快
應力腐蝕開裂(SCC)板材摺線,沿線排列的蝕點與鏽層冷輾留下的拉應力+游離氯離子
縫隙腐蝕接合處的間隙縫隙裡的 pH 降到去鈍化值
泳池水面冒出上升的蒸氣箭頭,上方吊頂與樓板之間有以螺桿吊掛的金屬風管,頂面積著白色沉積物;三個放大圈分別是板面的孔洞與細裂紋、轉角折線上的紅色分叉裂紋、接縫間隙裡的腐蝕。
泳池上方的含氯沉積物落在風管上,風管上出現三種損傷:板面孔蝕、冷作摺線上的應力腐蝕開裂、接合處縫隙腐蝕。依 Rzeszut 等 2015 的描述繪製。示意,未按比例。

三種裡最危險的是 SCC。作者寫,這個過程在晶粒之間發展,通常要到裂開才察覺得到; 所以設計者要記得,凡是受拉的構件都可能發生,拉應力可以來自外載,也可以是焊接、冷輾、深抽留下的殘留應力。 結論裡作者還點出另一個錯誤:風管用了浪板,冷輾的殘留應力高,摺痕又讓含氯沉積物清不掉。

要注意的是,SCC 的判定來自巨觀檢查,論文沒有附金相或斷口照片。作者的結論是 1.4404 用在泳池風管是「inappropriate choice」。

最嚴苛的是池子上方的空氣

Rzeszut 等引用 Houska 與 Fritz 的說法:消毒池水用的含氯藥劑會產生氯胺,進入空氣,沉積在金屬表面。 Euro Inox 2013 年的泳池指南把位置講得更具體:最嚴苛的條件在池子上方的空氣裡,特別是吊頂後方,接觸池水的地方反而沒那麼嚴苛。 同一份指南提到,SCC 只關係到池子大氣中的構件,完全浸在池水裡的不算。

泳池上方沉積物的條件
項目數值出處
沉積物含氯(自來水泳池)最高 5%(質量)Nürnberger 2020,§2.2
沉積物含氯(礦泉池/鹵水池)18% / 40%Nürnberger 2020,§2.2
典型沉積物氯 2–5%,pH 3–4Euro Inox 2013,p.4
足以引發 SCC 的溫度26–32 °CEuro Inox 2013,p.6
氯化鈣、氯化鎂潮解相對濕度略高於 30%Nürnberger 2020,§2.2

Euro Inox 指南記載,在 1985 年瑞士 Uster 的室內泳池天花板倒塌之前,一般認為 50 °C 以下不會發生 SCC; 那次的原因是 1.4301 吊桿的應力腐蝕開裂。Nürnberger 則指出,泳池構件上的拉應力多半來自冷作或焊接的殘留應力, 而鎳含量約 10% 的沃斯田鐵鋼對 SCC 最敏感。A2、A4 大致對應的 304、316 系,鎳都在這個區間。

A4 在哪裡夠,在哪裡不夠

Nürnberger(2020)依德國建築許可 Z-30.3-6 與 DIN EN 1993-1-4(2015)整理了一張表,把結構用不鏽鋼分成耐蝕等級 CRC I 到 V, 並寫明哪些可以用在室內泳池大氣中:

室內泳池大氣中的承重構件與扣件(Nürnberger 2020,Table 1)
CRC鋼號(PRE)泳池上方可否使用
II1.4301(18)、1.4307(18)等,A2 大致對應的 304 系承重件不准用
III1.4401(24)、1.4404(23)、1.4571(24)、1.4578(24),A4 大致對應的 316 系只限定期清潔的構件
IV1.4439(36)、1.4539(37)、雙相 1.4462(34)只限定期清潔的構件
V1.4565(43)、1.4529(42)、1.4547(45)不定期清潔也可

這張表的範圍是用氯化自來水的室內泳池裡受力的構件與連接件。原文的句子是:不定期清潔的構件與扣件,只能用 CRC V、PRE 大於 40 的 1.4565、1.4529、1.4547。 Euro Inox 依 EN 13451-1:2011 列的不清潔結構件,基本清單也是這三個,但池水氯離子濃度低於 250 mg/l 時另列 1.4539; 指南第 3 頁還明寫,室內泳池吊頂用的扣件必須用高合金不鏽鋼。

扣件本身也有失效紀錄。Nürnberger 看過約 30 座有腐蝕損傷的室內泳池,照片裡有 1.4401 的蓋型螺帽在 13 年後同時出現孔蝕與 SCC, 1.4571 的燈具夾 2 年就出現 SCC。這兩個鋼號都屬於 A4 大致對應的 316 系。

三份資料有一處對不上。Rzeszut 等依波蘭版 PN-EN 1993-1-4:2007 建議的鋼種是 1.4439、1.4539、1.4547、1.4529 與雙相 1.4462; 其中 1.4439 與 1.4462 在另外兩份資料裡只列在「定期清潔」那一欄,Euro Inox 還寫明雙相不建議用於泳池大氣的承重件。 可能是標準版次不同,本站沒有讀到 EN 1993-1-4 本文,無法確認。本站建議的保守讀法是照較嚴的那兩份。

塗裝與鍍鋅,各自能做什麼

回到知恵袋那個方案:SUS316 加氟樹脂烤漆。Euro Inox 指南第 6 節針對的就是這種做法: 在不鏽鋼表面塗裝不會提供額外的防蝕保護,漆膜剝落後反而形成容易腐蝕的縫隙, 有機塗層不能拿來當選用較低鋼種的理由。縫隙裡會發生什麼,見螺帽蓋住的那幾圈牙。

另一條路是碳鋼鍍鋅。Rzeszut 等在結論裡建議考慮鍍鋅;Nürnberger 也寫,在用自來水的室內泳池,鍍鋅鋼從安全角度看問題相對小, 在應力腐蝕開裂方面也完全不成問題,缺點是外觀與清潔,所以適合用在看不到的地方,例如吊頂吊件。 兩條路的取捨見鍍鋅還是不鏽鋼。

指定泳池上方的扣件,照這個順序問

  1. 它是不是承重或安全相關?Euro Inox 舉的例子包括吊頂、牆與天花板面板、標示、燈具、空調風管。這些掉下來會傷人,本站建議設計階段就列出來。
  2. 會不會定期清潔、清潔得到嗎?Euro Inox 舉吊頂的吊桿為難以甚至無法清潔的例子,吊頂後方、風管上方多半也屬於這類。EN 13451-1 要求泳池要有書面的檢查與清潔程序(Euro Inox,p.10);本站建議,拿不出這份程序並確實執行的,選材時就當作不清潔。
  3. 不清潔的承重件與扣件:1.4565、1.4529、1.4547(Euro Inox 另允許池水氯離子低於 250 mg/l 時用 1.4539);或看不到的位置改用鍍鋅鋼。A4 不在這一欄。
  4. 能定期清潔的:316 系的 1.4401、1.4404、1.4571 可以,前提是清潔真的執行。
  5. 減少拉應力與縫隙:避免冷作摺痕與浪板,焊後去除回火色,接合處不要留積鹽的間隙(本站依三份資料整理)。
  6. 池水不是自來水時另算:礦泉池、鹵水池的沉積物含氯可到 18% 與 40%,吸濕性的氯化鈣、氯化鎂在乾燥室內也會潮解。
  7. 檢查不能只靠看:SCC 在斷之前表面幾乎看不出來,安全相關件要排定期檢查。

環境分級的一般做法見先把環境定到 ISO 9223 的哪一級; Euro Inox 指南提醒,用鋅腐蝕速率量出來的 C 級是為其他金屬設計的,不一定能預測不鏽鋼的表現。 不鏽鋼表面的一般生鏽,見不鏽鋼螺絲還是生鏽了。

這一頁不能下的結論

Rzeszut 等的失效案例是通風管,不是扣件;案例資料出自該文參考文獻 [18] 的 2011 年鑑定報告,本站沒有取得那份報告。成分數據由承包商提供,SCC 是巨觀判定,沒有金相佐證,腐蝕產物的分析方法也沒寫。 扣件的失效紀錄來自 Nürnberger 的照片,論文沒有給樣本數或失效比例。鋼種清單是本站從 Nürnberger 與 Euro Inox 轉述的, 沒有讀到 EN 1993-1-4 與 EN 13451-1 本文;Nürnberger 的表限定在氯化自來水室內泳池的受力構件與連接件,Euro Inox 也聲明其文件只供一般參考,都不能直接推到所有池水或個案設計。 A2、A4 與 304、316 系的對應依本站〈A2 還是 A4〉,這三份資料本身沒有談 A2/A4;台灣與日本的法規要求本站沒有查。

這一頁也不是說 A4 在泳池裡一定會壞:定期清潔的構件,兩份資料都允許。這裡沒有任何年數可以換算成你的現場壽命。 知恵袋提問裡鋁件的部分,本頁沒有回答。

這一篇屬於第 1 步,母材。完整的順序是母材、牙、頭型、驅動、表面處理、文件;至於為什麼順序做反了是重工而不是微調,見指定一顆螺絲。

常見問題

室內泳池用 A4(316)不鏽鋼螺絲夠嗎?

要看會不會定期清潔。依 Nürnberger 2020 整理的德國規定(Z-30.3-6 與 DIN EN 1993-1-4),A4 大致對應的 316 系鋼號 1.4401、1.4404、1.4571 只限定期清潔的構件;泳池上方不清潔的承重件與扣件,只能用 PRE 大於 40 的 1.4565、1.4529、1.4547。Euro Inox 依 EN 13451-1 給的基本清單也是這三個,但池水氯離子低於 250 mg/l 時另列 1.4539。

為什麼泳池上方比池水裡更容易腐蝕?

氯胺與含鹽氣霧沉積在池子上方的金屬表面,沒有被水沖掉,就越積越濃。Euro Inox 指南記載典型沉積物含氯 2–5%、pH 3–4;溫度 26–32 °C 就足以引發應力腐蝕開裂。完全浸在池水裡的構件反而不在 SCC 的範圍內。

不鏽鋼加塗裝可以撐得住泳池環境嗎?

塗裝不能拿來當作降低鋼種的依據。Euro Inox 指南寫,在不鏽鋼上塗裝不提供額外的防蝕保護,漆膜剝落後會形成容易腐蝕的縫隙,有機塗層不能當作選用較低鋼種的理由。

泳池裡的不鏽鋼斷掉前看得出來嗎?

應力腐蝕開裂通常看不出來。Rzeszut 等寫它在晶粒之間發展,裂開前難以察覺;Euro Inox 指南也寫表面幾乎沒有腐蝕痕跡,可能無預警斷裂。安全相關件要排定期檢查。

參考資料

三份資料都由本站讀過全文。風管成分與腐蝕產物的氯含量照 Rzeszut 等 Table 1、2;鋼種與 CRC 照 Nürnberger Table 1;沉積物條件與塗裝的說法照 Euro Inox 指南。PRE 24.6 是本站以論文成分計算(氮未報告,按 0 計)。EN 1993-1-4 與 EN 13451-1 本文本站沒有讀到。

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