塑料水井的發(fā)展及應用

  一、水井的發(fā)展概況

 

  世界各國在水井工程設計和施工方面有著(zhù)不同的工藝和特色，在鉆進(jìn)方法井管材料選擇水井殺菌消毒管理規范化方面有著(zhù)嚴格要求和規范。在四十年代開(kāi)始嘗試采用塑料井管，七十年代初期，發(fā)現，重量輕的塑料管，能為輕型鉆機和有少數鉆工組成的機組所操控和掌握，早年建造的水井在長(cháng)期使用中也表明，塑料井管不受土壤和地下水的化學(xué)影響不適于鐵細菌生長(cháng)，壽命長(cháng)，僅需少量維護和保養，并且在必要時(shí)可對水井進(jìn)行化學(xué)處理而不損傷井管，在力學(xué)性能上，仍能承受通常地層壓力達300米效果仍然很好。到目前，國外水井工業(yè)中，井管和濾水管約有70%都為塑料管有30%左右為鋼管和鑄鐵管，水泥類(lèi)管道由于成井質(zhì)量等原因已被淘汰。

 

  我國水井工程的井管材料一般為鋼管、鑄鐵管和水泥管，城鎮供水主要以鑄鐵管和鋼管為主，通過(guò)對當前水井調查研究，施工水井的成井結構設計、盡管和濾水管的選擇都不合理，井管腐蝕嚴重，造成井管腐蝕變形、破裂，水井涌沙等問(wèn)題突出。七十年代開(kāi)始，對塑料井管、濾水管進(jìn)行了小批量推廣應用，取得里較好的效果，但由于生產(chǎn)技術(shù)和成井工藝等原因，未能進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。目前，國內大口徑水井工程，鑄鐵管在成井管材中占70%左右，其余的以水泥類(lèi)管為主，對于小口徑水井，塑料井管和濾水管的開(kāi)發(fā)和應用逐年上升，但由于傳統觀(guān)念和塑料井管產(chǎn)品質(zhì)量標準等問(wèn)題，成井工藝上又缺乏指導，致使這項技術(shù)發(fā)展緩慢，也影響了塑料井管在國內的推廣。

 

  水資源的短缺是一個(gè)全球性問(wèn)題，對地下水資源的開(kāi)發(fā)和利用顯得日益重要，由于地熱資源的潔凈性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)也得到很大的開(kāi)發(fā)和利用，在所有這些鉆井中所使用的井管多時(shí)傳統的金屬管材，由于井管腐蝕造成的浪費和損失以及一系列、其他不良后果一直沒(méi)有得到很好的解決。

 

  本世紀50年代以后，隨著(zhù)石油化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展，石油深加工技術(shù)日趨完善，塑料制品種類(lèi)多樣化，產(chǎn)量迅速增長(cháng)，使之逐步發(fā)展成為一種新型工程材料。塑料管和傳統管材相比，塑料井管性能均一，抗腐蝕能力強，且具有重量輕，抗磨損和生物惰性、水流阻力小，，使用壽命長(cháng)，安裝簡(jiǎn)便迅速，造價(jià)較低等顯著(zhù)優(yōu)勢，受到了管道工程界的青睞。

 

  結合以上特點(diǎn)，塑料井管具有廣闊的應用前景，研究開(kāi)發(fā)塑料井管意義重大。

 

  二、傳統井管（鐵管）的腐蝕機理研究

 

  1、井管的腐蝕類(lèi)型

 

  2、井管的腐蝕機理

 

  1）氧化理論（Acid.theory）：由于水中的碳酸（H2CO3）作用，鐵變成碳酸亞鐵，接著(zhù)再被水中的氧所氧化，成為氫氧化鐵。

 

  2）過(guò)氧化理論（Peroxide.theory）：鐵首先和水化合成氫氧化亞鐵，這時(shí)產(chǎn)生的氫氣和水中的氧化合生成 H2O2 之后，氫氧化亞鐵和 H2O2 化合生成氫氧化鐵。

 

  Fe+2H2O → Fe（OH）2 +H2↑

 

  H2+O2 → H2O2

 

  2Fe（OH）2 + H2O2 → 2Fe（OH）3（銹）

 

  3）電化學(xué)理論（ Electrochemical . theory ）：腐蝕是由電化學(xué)反應而引起的，首先生成的是氫氧化亞鐵，在堿性水中，與氧化合生成氫氧化鐵，形成膜而停留在金屬表面。在酸性水時(shí)，先與水中碳酸形成的 CO2 化合成重碳酸亞鐵 [Fe（HCO3）2] 后再與水中氧化合成的氫氧化鐵，以浮游形成從水中析出沉淀。

 

  此外，在腐蝕中，還有一些能用微電池——濃差電池或氧差電池機理說(shuō)明的腐蝕。

 

  當水在管道里與鐵接觸，通過(guò)各種途徑開(kāi)始腐蝕，在氧化皮的縫隙或管內凹凸不平的粗糙面上，形成許多微小的腐蝕電池 , 開(kāi)始腐化，產(chǎn)生沿著(zhù)水流方向的膜或殼。如果這種電化學(xué)或微電池作用代表全部腐蝕過(guò)程的話(huà)，我們應該看到的是一個(gè)空泡，但實(shí)際上，我們發(fā)現的這些空泡，經(jīng)過(guò)一段時(shí)期后，變成了大小不均的瘤狀結垢，硬殼內充滿(mǎn)了氧化亞鐵和硫化鐵等物質(zhì)。這是因為，當金屬表面由于氧化形成二價(jià)氫氧化鐵與中性水接觸形成的三價(jià)鐵（膜或空殼）并不是永遠貼附在管壁上，保持靜止。只要水中不斷有 O2 溶入，就可能通過(guò)破裂的膜向內一層層運動(dòng)，把部分亞鐵離子氧化成鐵離子，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，這些氧化鐵濃度超過(guò)一定的比例，磁性氧化鐵或其它亞鐵化合物就會(huì )不斷地析出，并產(chǎn)生酸性物質(zhì)，后者繼續與金屬作用，在產(chǎn)生新地亞鐵鹽，不斷循環(huán)。在不斷氧化循環(huán)腐蝕的同時(shí)，銹殼內的各種鹽類(lèi)不斷積累，促使鐵細菌依靠鹽類(lèi)的氧化而不斷繁殖，尤其是靠近管壁，氧的含量比外界較貧乏，更加有利于鐵細菌的生存。鐵細菌在生存過(guò)程中吸收亞鐵鹽，排除的氫氧化鐵產(chǎn)生大量沉淀，細菌周?chē)蜁?huì )有大量的粘泥，使殼體充滿(mǎn)并不斷增大，引起管道的嚴重堵塞。這種堵塞是沿管壁四周均勻逐漸生長(cháng)的，并可形成管道內壁的垢下腐蝕現象。所以，水中氧是電腐蝕的開(kāi)始，而硫酸鹽類(lèi)還原細菌是腐蝕結垢的原因，鐵細菌則是大面積腐蝕管道的另一原因。

 

  3、結論與建議

 

  1）井管的腐蝕不是由某一單一腐蝕作用造成的，而是聯(lián)合腐蝕作用的結果，并且大多以局部腐蝕為主。不同的井管-環(huán)境腐蝕體系，腐蝕機理有所差別，但都有多種因素共同影響，只是作用重點(diǎn)有所不同。

 

  2）一般PH〈5、酸洗井或有酸性物質(zhì)滲漏的環(huán)境下，井管發(fā)生化學(xué)腐蝕，這種腐蝕速度快，危害大，在井管材質(zhì)不均勻，或其他條件形成電極電位差時(shí)形成電偶腐蝕，腐蝕速度快，危害較大；在井管有表面泥砂、水垢等屏蔽作用下，發(fā)生縫隙腐蝕，雖然腐蝕速度較慢，但危害較大；井中含有Cl-、ClO4- 等離子偏高時(shí)，易發(fā)生孔蝕，腐蝕速度快，危害很大；由于地下水流速高，含砂量大，對井管造成磨損腐蝕，雖然腐蝕速度慢但對濾水管危害很大；井管本身或環(huán)境造成的應力的存在，使井管承受應力腐蝕，腐蝕速度慢，但在長(cháng)期作用下造成潛在危害。

 

  3）對金屬腐蝕速度的影響因素很多，主要有環(huán)境因素井管體系本身因素及其他一些因素。環(huán)境方面，地下水的溫度、溶解氧的濃度，流動(dòng)等因素對腐蝕速度影響較大。井管體系的材料性質(zhì)、晶體缺陷及表面狀態(tài)等因素影響著(zhù)井管的腐蝕。其他因素，諸如電泵的使用，成井工藝方面造成的缺陷等對腐蝕速度造成影響。

 

  4）可用井下彩色電視系統（直接法）和試片法（間接法）對井管的腐蝕進(jìn)行檢測，以便控制。

 

  5）通過(guò)以上分析，要解決供水井金屬井管的腐蝕難題，建議采用塑料供水井管，PVC-U管材作為發(fā)展最早，應用最成熟、價(jià)格最低的塑料管材，理應成為井壁管的最佳之選。

 

  三、PVC-U井壁管簡(jiǎn)介

 

  1、PVC-U管材性能概述

 

  與傳統管材相比，PVC-U管材具有以下特點(diǎn)：

 

  1）重量輕、運輸和安裝方便。PVC-U塑料管比重略大于1，在1.35—1.46之間，管材自重略大于泥漿的浮力，依次下管時(shí)不需很大的提吊力即可順利下管，安全可靠，勞動(dòng)強度小，井管的搬運更是省力方便。

 

  2）抗腐蝕能力強，耐久性好。塑料是一種十分穩定的高分子聚合物，幾乎不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)反應，在太陽(yáng)紫外線(xiàn)照射不到的幾水中，使用壽命至少50年以上，適用于各種水質(zhì)的水井，尤其近年來(lái)潛水電泵的廣泛應用，在水中產(chǎn)生的感應電流加速了傳統井管的腐蝕，而塑料井管卻不受此影響。

 

  3）單根長(cháng)度大，井管接頭少。塑料管長(cháng)度一般為6米，也可根據要求定作，大大減少了接頭數量，節約了下管時(shí)間和接頭材料，更重要的是減少了因接頭不佳出現的錯口、漏沙而報廢井的機會(huì )，也避免了井管對進(jìn)水的二次污染。

 

  4）水質(zhì)好。衛生級PVC-U管材衛生、無(wú)毒、不滋生細菌，不污染水質(zhì)。

 

  5）管材便宜，成井造價(jià)低。

 

  6）內壁光滑，水力條件好。摩阻系數僅為00008，能耗小。

 

  7）柔性好，抗沖擊強度高。