Cementowanie rurociągów
Cementowanie to bardzo powszechna metoda renowacji rurociągów przy pomocy wykładziny z zaprawy cementowej. Jaki ma wpływ na jakość wody? I jaka powinna być wyprawa, by zminimalizować zmiany jej parametrów?

Cementowanie wewnętrzne rurociągów żeliwnych i stalowych nie tylko chroni przewody metalowe przed wewnętrzną korozją, ale również w dłuższym okresie przyczynia się do wyraźnej poprawy jakości przesyłanej wody, eliminując procesy korozyjne. Jednakże bezpośrednio po przeprowadzonym zabiegu może stać się powodem niepożądanych zmian parametrów jakościowych. Do zmian tych należą: podniesione wartości pH, stężenia glinu, chromu oraz wapnia. W przypadkach ekstremalnych, przykładowo podczas awarii urządzeń do uzdatniania wody dla hemodializy w szpitalach może to wręcz zagrozić życiu pacjentów[1]. Cementowanie nie powinno być stosowane w przypadku szczególnie miękkich wód o niskiej wartości pH, tym bardziej, gdy rurociągi mają małą średnicę.
Zabieg cementowania
Współcześnie wszystkie nowe rurociągi żeliwne (w zakresie średnic od 80 mm do 2000 mm) [2,4] i stalowe stosowane do przesyłu wody pitnej i przemysłowej są wewnętrznie chronione przed korozją. Najczęściej ochronę tę stanowi wykonana fabrycznie wyprawa cementowa, której grubość uzależniona jest od średnicy rurociągu i zawiera się w granicach od 4 mm – dla najmniejszych średnic, do 9 mm – dla największych [10]. O ile przewody żeliwne fabrycznie pokryte są wyprawą cementową, o tyle przewody stalowe produkowane są zarówno z wyprawą, jak i bez niej. Różnica w sposobie zabezpieczenia wynika z rodzaju stosowanego łączenia rur. Zewnętrzne przewody żeliwne łączone są obecnie kielichowo na uszczelki elastomerowe [10], a stalowe są zazwyczaj spawane. Armaturę montuje się z wykorzystaniem sztywnych lub elastycznych połączeń kołnierzowych. W kielichach rur żeliwnych nie ma miejsca na wyprawę cementową i są one chronione wewnętrznie jedynie przez cynkowanie. Dlatego też wolna od warstwy cementu powierzchnia kielicha wykorzystywana jest przez producentów do umieszczania wszystkich informacji wymaganych przez normę [10].
W przeciwieństwie do połączeń kielichowych przy spawaniu rurociągów konieczne jest usunięcie w miejscu spawu wyprawy cementowej, co najmniej na szerokości 1 milimetra z obydwu stron spawu. W rurociągach o średnicy do 600 mm po zespawaniu pozostawia się tę powierzchnię bez bezpośredniej ochrony, mając nadzieję, że w wyniku rozpuszczania wodorotlenku wapnia i wytrącania węglanu wapnia dojdzie do zabliźnienia przerwy w wyprawie. Od średnicy przewodów 600 mm wzwyż usuwa się nieco szerszą warstwę wyprawy cementowej, a po wykonaniu spawu przerwa w wyprawie jest uzupełniana ręcznie przez pracownika poruszającego się wzdłuż rurociągu na wózku specjalnej konstrukcji [4].
![]() |
Natrysk głowicą obrotową, wykonywany po wybudowaniu rurociągu, powoduje powstanie równomiernej warstwy wyprawy cementowopiaskowej. |
Tak więc, dla przewodów łączonych przez spawanie dla średnic poniżej 600 mm, większą pewność zabezpieczenia spawów przed korozją może dać natrysk zaprawy cementowej już po wykonaniu przewodu.
Natrysk podczas cementowania
W procesie cementyzacji przewodów stosuje się dwie różne metody natrysku. W przewodach zabezpieczanych fabrycznie w czasie narzucania zaprawy i przez pewien czas potem rura szybko obraca się wokół swojej osi. Pozwala to na utrzymanie bardziej równomiernej grubości wyprawy cementowej niż przy natrysku na budowie, zapewnia jej większą gładkość i – co ważniejsze – powoduje, że ziarna piasku penetrują w kierunku ściany przewodu, a od strony wody powstaje drobnoziarnista struktura wyprawy cementowej o bardzo małej przesiąkliwości [9]. Wykonując natrysk zaprawą po zespawaniu rur stalowych, unika się ewentualnych pęknięć wyprawy cementowej w czasie transportu, ale mogą łatwiej wystąpić pęknięcia spowodowane dojrzewaniem wyprawy w zbyt suchym powietrzu [6,9,14]. Drobne pęknięcia są dopuszczalne i zabliźniają się od kilku tygodni, do paru miesięcy [7].
Drugą z metod jest przeprowadzany w warunkach polowych natrysk głowicą obrotową. Wykonywany po wybudowaniu rurociągu powoduje powstanie równomiernej warstwy wyprawy cementowo-piaskowej o stosunkowo dużej i równomiernej porowatości. Testy empiryczne [8] wykazały, że tak narzucana wyprawa w mniejszym stopniu chroni samą wyprawę, a później rurociąg przed korozją.
Natrysk wyprawą cementową jest również stosowany powszechnie w istniejących sieciach wodociągowych wykonanych z przewodów stalowych i żeliwnych. Po natrysku wyprawa dojrzewa przez co najmniej 24 godziny, a następnie przewód jest płukany, dezynfekowany i napełniany wodą. Jeżeli transportuje wodę pitną, to przepisy obowiązujące zarówno w Wielkiej Brytanii, jak i w Niemczech wymagają, aby po 24 godzinach wszystkie parametry fizyczno-chemiczne wody przetrzymywanej w takim rurociągu odpowiadały parametrom wymaganym od wody pitnej. Dopiero po spełnieniu tego warunku można rurociąg oddać do użytku. Przy dużych średnicach i małych długościach odnawianego rurociągu oraz twardej wodzie, o wysokiej zasadowości ogólnej, rzadko natrafia się na trudności związane ze spełnieniem tego warunku. Problemy pojawiają się, gdy przewodem o niedużej średnicy dostarczana jest woda o niskiej zasadowości ogólnej.
Przy transportowaniu wody przemysłowej w szczególnych przypadkach procesy technologiczne mogą ulec zakłóceniom wynikającym z podwyższonej przez cementowanie rurociągów wartości pH, jak i stężenia glinu i chromu. Dlatego podjęto problem badania wpływu cementacji przewodów na zmiany jakości transportowanej wody w przeciągu dni, a później miesięcy po wykonaniu wyprawy cementowej.
Wpływ średnicy rurociągu
Objętość przewodu kołowego jest proporcjonalna do kwadratu jego średnicy wewnętrznej, a powierzchnia ścian pozostaje wprost proporcjonalna do średnicy. Tak więc czym większa jest średnica, tym mniejsza powierzchnia ściany przypada na jednostkę objętości rury i tym mniejszy jest wpływ cementowania na jakość przesyłanej wody. Dla rurociągów żeliwnych średnica wewnętrzna jest równocześnie nominalną Dn, a więc iloraz objętości rurociągu V[m3] do powierzchni ściany F [m2] wynosi Dn/4 [m]. Tak więc w żeliwnym przewodzie o średnicy 80 mm na jeden metr sześcienny stojącej wody przypada 50 m2 powierzchni ściany wewnętrznej, w rurociągu o średnicy 1000 mm 4 m2, a o średnicy 2000 mm zaledwie 2 m2.
![]() |
Im większa średnica rurociągu, tym mniejsza powierzchnia ściany przypada na jednostkę objętości rury. |
Naprężenia ścinające w przewodach rurowych
Średnia wartość naprężenia ścinającego τ [N/m2] na granicy ściana przewodu i przepływająca woda może być obliczona z powszechnie znanego wzoru (1), w którym przyjęto, że średnica nominalna Dn jest jednocześnie średnicą wewnętrzną przewodu, wyrażoną w metrach, przez ρ oznaczono gęstość wody [kg/m3], przez g przyspieszenie ziemskie [m/s2], a przez S[-] spadek linii energii.
τ = (Dn/4)·ρ·g·S (1)
Czym większa średnica, tym większa prędkość ekonomiczna przepływu i większe naprężenie ścinające na granicy ściana przewodu – woda, ale tym większym średnicom, prędkościom i naprężeniom odpowiadają mniejsze spadki S linii energii, gdyż we wzorze Darcy-Weisbacha na hydrauliczne opory przepływu średnica wewnętrzna przewodu znajduje się w mianowniku. Ekonomiczna prędkość przepływu zależy od średnicy przewodu i od wartości zastępczej chropowatości piaskowej ścian przewodu. Wieloletnie doświadczenia ze stosowaniem cementowania dostarczyły licznych dowodów na to, że po cementowaniu opory hydrauliczne przepływu bardzo wolno rosną w czasie [4,11]. Niestety, niemal wszystkie obserwacje dotyczą krajów, w których opory przepływu oblicza się ze wzoru Hazena – Williamsa. Niemniej oszacowano [4, 11] na podstawie tych wyników, że współczynnik zastępczej chropowatości piaskowej dla przewodów nowo wycementowanych wynosi około 0,0135 mm i wolno wzrasta w czasie. Przyjmując, że ekonomiczny spadek hydrauliczny dla rur żeliwnych o średnicy 100 mm wynosi 13‰, a dla średnicy 1600 mm 2‰, otrzymujemy zakres naprężeń ścinających w przewodach wodociągowych pomiędzy 3N/m2 a 8N/m2.
Skład wyprawy cementowej
Skład wyprawy cementowej rurociągów żeliwnych i stalowych jest normowany w różnorodny sposób wieloma przepisami międzynarodowymi [3,5,9,12] i krajowymi. W odniesieniu do nowo wyprodukowanych rur żeliwnych informacje na ten temat podaje również norma [10]. W praktyce stosunek wagowy cementu do piasku przyjmuje się w zakresie 1:1 do 1:2, chociaż normy dopuszczają nawet 1:3,5. Stosuje się zasadę, że im mniejsza średnica rurociągu, tym bardziej uzasadniony jest dobór tego ilorazu jako równego 1:1. Woda do przygotowania zaprawy powinna spełniać wymagania w zakresie wskaźników fizyczno-chemicznych stawianych wodzie pitnej i dodawana jest jedynie w najmniejszej ilości powodującej uplastycznienie zaprawy i umożliwiającej podanie jej pod ciśnieniem do obrotowej głowicy rozpryskującej. Normy nie określają rodzaju cementu, który powinien być stosowany i niektórzy wykonawcy stosują cementy portlandzkie, a inni hutnicze.
Badania wpływu rodzaju cementu
Zarówno rodzaj cementu, sposób prowadzenia zabiegu cementyzacji, jak i warunki, w których dojrzewa wyprawa, mają znaczenie dla jakości transportowanej wody oraz dla trwałości wyprawy. Na podstawie przedstawionych w artykule informacji przystąpiono do budowy stanowiska badawczego. Pozwoli ono na poddanie wyprawy cementowej naprężeniu ścinającemu przepływającej wody od 3N/m2 do 8N/m2, a na metr3 wody przypadać będzie od 2 do 50 m2 powierzchni wyprawy. Dotychczasowe testy [8] prowadzone były w warunkach statycznych przez okres 64 dni w roztworze kwasu octowego o pH 4,6. Stałą wartość pH zapewniał roztwór buforowy, którego jednym ze składników był kwas octowy. Przebadano wyprawy sporządzone z cementu portlandzkiego popiołowego, cementu żużlowego oraz cementu glinowego. Na podstawie tych badań laboratoryjnych oraz po przebadaniu dodatkowo piętnastu eksploatowanych rur sformułowano szereg wniosków:
• fabrycznie wykonana wyprawa jest mniej podatna na wymywanie glinu i w eksperymentach laboratoryjnych nie zmniejszyła swojej grubości,
• cementy glinowe są bardziej odporne na korozję od przepływającej wody, ale mogą uwalniać do niej bardzo duże ilości glinu (ponad 30-krotnie więcej niż pozostałe wyprawy),
• wyprawy z cementu żużlowego o ponad 10% mniej uwolniły glinu i wapnia niż z portlandzkiego popiołowego,
• w badaniach polowych stwierdzono, że po 20 latach przepływu wody o pH 6,5, zawierającej zaledwie 1,5mg Ca/l wapnia wyprawa cementowa była całkowicie zniszczona.
Podziękowania
Budowa stanowiska finansowana jest z projektu badawczego własnego MNiSW nr 5633/B/T02/2010/38.
Literatura
[1]Besend K., Criminal prosecution for the death of patients, The Netherlands Journal of Medicine, Special Report, June 2009, vol.67,no.6 p.240-242.
[2] Bonds R.W., Cement – mortar linings for ductile iron pipe, report Ductile Iron Pipe Research Association, 2005.
[3] California Department of Transportation – Division of Engineering Services – Corrosion Technology Branch, 5900 Folsom Blvd. Sacramento, CA 95819, Corrosion guidelines, wrzesień , 2003, 47 stron.
[4] Dąbrowski W., Cementyzacja na tle innych metod renowacji – zastosowanie, koszty, zalety i wady – część I, BMP Ochrona Środowiska, 2008,3,32-35.
[5] DIN 50930:1993 Korozja metali. Korozja materiałów metalicznych przewodów i urządzeń pod wpływem wody, 1993.
[6] ISO 6600- 1980 Ductile Iron Pipes, Centrifugal cement mortar lining. Composition controls of freshly applied mortar, 1980.
[7] Kuliczkowski A., Kuliczkowska E., Technologie bezwykopowej renowacji i rekonstrukcji z wyjątkiem technologii utwardzanych powłok żywicznych, rozdział 9 z książki pod redakcją A. Kuliczkowskiego, autorstwa: Kuliczkowski A., Kuliczkowska E., Zwierzchowska A., Zwierzchowski D., Dańczuk P., Kubicka U., Kuliczkowski P., Lisowska J., Technologie bezwykopowe w inżynierii środowiska, Seidel – Przywiecki sp. z o.o. 2010, 735, str.
[8] Meland I.S., Durability of mortar linings in ductile iron pipes, 8th International Conference on Durability of Building Materials and Components, Vancouver 1999, 170-179
[9] North American Society for Trenchless Technology, Cement Mortar Lining (non – reinforced) , marzec 1999.
[10] PN-EN 545:2010, Rury, kształtki i wyposażenie z żeliwa sferoidalnego oraz ich złącza do rurociągów wodnych – Wymagania i metody badań, PKN, 2010.
[11] Pont a Mousson. Ductile Iron Pipe Compendium, Nancy 1986.
[12] Roberge P.R., Handbook of Corrosion Engineering, McGraw-Hill, 2000, 1140 stron.
[13] Vinidex, Systems & Solutions, Ductile Iron Pipe & Fittings Systems, Vinidex – Saint Gobain PAM Ductile Iron Pipe, poradnik, Vinidex Pty Limited Corporate Head Office, 8 str.
[14] Water Industry Technical Standards – specification No.: 95-048.1, Mortar lining of steel pipe fittings and steel pipe field joints, Yarra Valey Water Ltd., 1995.
Autorzy: Wojciech Dąbrowski, Krzysztof Głód - Politechnika Krakowska
Artykuł został opublikowany w magazynie "Chemia Przemysłowa" nr 4/2011