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