PVC-U管材在水井工程中的应用

摘要:水井是一种古老的取水工程,水井在我国对开发和利用地下水资源、发展农田灌溉和人畜用水方面起着重要作用。而在水井工程中,传统用于成井的管材以铸铁管、钢管和水泥管等为主,这些管材存在严重的腐蚀老化问题一直难以解决。

关键词:腐蚀 井壁管 PVC-U管 成井工艺

一、水井的发展概况

世界各国在水井工程设计和施工方面有着不同的工艺和特色,在钻进方法井管材料选择水井杀菌消毒管理规范化方面有着严格要求和规范。在四十年始尝试采用塑料井管,七十年代初期,发现,重量轻的,能为轻型钻机和有少数钻工组成的机组所操控和掌握,早年建造的水井在长期使用中也表明,塑料井管不受土壤和地下水的化学影响不适于铁细菌生长,寿命长,仅需少量维护和保养,并且在必要时可对水井进行化学处理而不损伤井管,在力学性能上,仍能承受通常地层压力达300米效果仍然很好。到目前,国外水井工业中,井管和滤水管约有70%都为有30%左右为钢管和铸铁管,水泥类管道由于成井质量等原因已被淘汰。

我国水井工程的井管材料一般为钢管、铸铁管和水泥管,城镇供水主要以铸铁管和钢管为主,通过对当前水井调查研究,施工水井的成井结构设计、尽管和滤水管的选择都不合理,井管腐蚀严重,造成井管腐蚀变形、破裂,水井涌沙等问题突出。七十年始,对塑料井管、滤水管进行了小批量推广应用,取得里较好的效果,但由于生产技术和成井工艺等原因,未能进一步开发。目前,国内大口径水井工程,铸铁管在成井管材中占70%左右,其余的以水泥类管为主,对于小口径水井,塑料井管和滤水管的开发和应用逐年上升,但由于传统观念和塑料井管产品质量标准等问题,成井工艺上又缺乏指导,致使这项技术发展缓慢,也影响了塑料井管在国内的推广。

水资源的短缺是一个全球性问题,对地下水资源的开发和利用显得日益重要,由于地热资源的洁净性等优点,近年来也得到很大的开发和利用,在所有这些钻井中所使用的井管多时传统的金属管材,由于井管腐蚀造成的浪费和损失以及一系列、其他不良后果一直没有得到很好的解决。

本世纪50年代以后,随着石油化学工业的飞速发展,石油深加工技术日趋完善,塑料制品种类多样化,产量迅速增长,使之逐步发展成为一种新型工程材料。和传统管材相比,塑料井管性能均一,抗腐蚀能力强,且具有重量轻,抗磨损和生物惰性、水流阻力小,,使用寿命长,安装简便迅速,造价较低等显著优势,受到了管道工程界的青睐。

结合以上特点,塑料井管具有广阔的应用前景,研究开发塑料井管意义重大。

二、传统井管(铁管)的腐蚀机理研究

1、井管的腐蚀类型

腐蚀类型

腐蚀成因

危害及速度

化学腐蚀

电偶腐蚀

缝隙腐蚀

孔蚀

磨损腐蚀

应力腐蚀

PH〈5;酸洗井;酸物质渗透

材质不均;形成电极电位差

表面泥砂、水垢屏蔽作用等

Cl、ClO4等含量较高

含砂量大、水流速度高等

焊接加工造成的应力等

危害大、腐蚀速度快

危害大、腐蚀速度快

危害大、腐蚀速度慢

危害大、腐蚀速度快

危害大、腐蚀速度慢

危害大、腐蚀速度慢

 

2、井管的腐蚀机理

1)氧化理论(Acid.theory):由于水中的碳酸(H2CO3)作用,铁变成碳酸亚铁,接着再被水中的氧所氧化,成为氢氧化铁。

2)过氧化理论(Peroxide.theory):铁首先和水化合成氢氧化亚铁,这时产生的氢气和水中的氧化合生成 H2O2 之后,氢氧化亚铁和 H2O2 化合生成氢氧化铁。

Fe+2H2O → Fe(OH)2 +H2

H2+O2 → H2O2

2Fe(OH)2 + H2O2 → 2Fe(OH)3(锈)

3)电化学理论( Electrochemical . theory ):腐蚀是由电化学反应而引起的,首先生成的是氢氧化亚铁,在碱性水中,与氧化合生成氢氧化铁,形成膜而停留在金属表面。在酸性水时,先与水中碳酸形成的 CO2 化合成重碳酸亚铁 [Fe(HCO3)2] 后再与水中氧化合成的氢氧化铁,以浮游形成从水中析出沉淀。

此外,在腐蚀中,还有一些能用微电池——浓差电池或氧差电池机理说明的腐蚀。

当水在管道里与铁接触,通过各种途径开始腐蚀,在氧化皮的缝隙或管内凹凸不平的粗糙面上,形成许多微小的腐蚀电池 , 开始腐化,产生沿着水流方向的膜或壳。如果这种电化学或微电池作用代表全部腐蚀过程的话,我们应该看到的是一个空泡,但实际上,我们发现的这些空泡,经过一段时期后,变成了大小不均的瘤状,硬壳内充满了氧化亚铁和硫化铁等物质。这是因为,当金属表面由于氧化形成二价氢氧化铁与中性水接触形成的三价铁(膜或空壳)并不是永远贴附在管壁上,保持静止。只要水中不断有 O2 溶入,就可能通过破裂的膜向内一层层运动,把部分亚铁离子氧化成铁离子,经过一段时间,这些氧化铁浓度超过一定的比例,磁性氧化铁或亚铁化合物就会不断地析出,并产生酸性物质,后者继续与金属作用,在产生新地亚铁盐,不断循环。在不断氧化循环腐蚀的同时,锈壳内的各种盐类不断积累,促使铁细菌依靠盐类的氧化而不断繁殖,尤其是靠近管壁,氧的含量比外界较贫乏,更加有利于铁细菌的生存。铁细菌在生存过程中吸收亚铁盐,排除的氢氧化铁产生大量沉淀,细菌周围就会有大量的粘泥,使壳体充满并不断增大,引起管道的严重堵塞。这种堵塞是沿管壁四周均匀逐渐生长的,并可形成管道内壁的垢下腐蚀现象。所以,水中氧是电腐蚀的开始,而硫酸盐类还原细菌是腐蚀的原因,铁细菌则是大面积腐蚀管道的另一原因。

3、结论与建议

1)井管的腐蚀不是由某一单一腐蚀作用造成的,而是联合腐蚀作用的结果,并且大多以局部腐蚀为主。不同的井管-环境腐蚀体系,腐蚀机理有所差别,但都有多种因素共同影响,只是作用重点有所不同。

2)一般PH〈5、酸洗井或有酸性物质渗漏的环境下,井管发生化学腐蚀,这种腐蚀速度快,危害大,在井管材质不均匀,或其他条件形成电极电位差时形成电偶腐蚀,腐蚀速度快,危害较大;在井管有表面泥砂、水垢等屏蔽作用下,发生缝隙腐蚀,虽然腐蚀速度较慢,但危害较大;井中含有Cl、ClO4等离子偏高时,易发生孔蚀,腐蚀速度快,危害很大;由于地下水流速高,含砂量大,对井管造成磨损腐蚀,虽然腐蚀速度慢但对滤水管危害很大;井管本身或环境造成的应力的存在,使井管承受应力腐蚀,腐蚀速度慢,但在长期作用下造成潜在危害。

3)对金属腐蚀速度的影响因素很多,主要有环境因素井管体系本身因素及其他一些因素。环境方面,地下水的温度、溶解氧的浓度,流动等因素对腐蚀速度影响较大。井管体系的材料性质、晶体缺陷及表面状态等因素影响着井管的腐蚀。其他因素,诸如电泵的使用,成井工艺方面造成的缺陷等对腐蚀速度造成影响。

4)可用井下彩色电视系统(直接法)和试片法(间接法)对井管的腐蚀进行检测,以便控制。

5)通过以上分析,要解决供水井金属井管的腐蚀难题,建议采用塑料供水井管,PVC-U管材作为发展最早,应用最成熟、价格最低的材,理应成为井壁管的最佳之选。

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