Строительство и архитектура /7. Водоснабжение и канализация

д.т.н. Доманцевич Н.І., аспірант Шунькіна О.В., д.т.н. Яцишин Б.П.

Львівська комерційна академія, Україна

Сольові відкладення на внутрішній поверхні труби як фактор сприяння деструкції полімеру

На сьогодні, у багатьох країнах є актуальна проблема ‒ утворення осаду та сольових відкладень на внутрішній поверхні водопровідних трубопроводів (у тому числі полімерних). Основними факторами впливу на утворення осаду та сольових відкладень на стінках трубопроводу є фізичні, хімічні та біологічні показники водопровідної води. Встановлення значно жорсткіших вимог до якості питної води у багатьох країнах Європи та СНД не вирішило даної проблеми. Так у директиві ЄС з якості питної води 98/83 від 1998 р. підвищили вимоги до вмісту органічних домішок; врахувавши вимоги директиви ЄС та дані порівняльного аналізу національних стандартів України, США, Росії і країн Європи в Україні введено в дію нові Державні санітарні норми та правила ДСанПІН 2.2.4-171-10 у 2010 р [1-2].

Сольові відкладення, які утворюються на внутрішній поверхні труб можуть мати різну структуру: порошкоподібну, рихлу-слоїсту або тверду (подібну каменю масу). Утворення осаду та сольових відкладень на внутрішній стінці труби призводить до втрати внутрішньо-трубного тиску з-за тертя при русі води, яка транспортується по даному трубопроводу.

Дослідженню підлягала внутрішня поверхня полімерної труби із поліетиленових матеріалів, яка була в експлуатації протягом 5 років для подачі питної холодної води у Пустомитівському районі (Львівська обл., Україна). На внутрішній стінці водопровідної труби, було виявлено осад та сольові відкладення у вигляді порошкоподібної маси на всій внутрішній поверхні труби.

Дослідження поверхні зразків проводилися на скануючому електронному мікроскопі ЕVO-40XVP з високою роздільною здатністю. Результати дослідження структури поверхні осаду та сольових відкладень на внутрішній поверхні труби показані на рисунку 1.

0а б

Рис. 1. Осадові формування та сольові відкладення на внутрішній стінці полімерної труби із поліетиленових матеріалів, яка перебувала в експлуатації протягом 5 років: а - Х 500; б - Х 1000

Виявлені сольові нарости та структуроутворення, без сумніву, зумовлюють зміни на внутрішній поверхні труби під час експлуатації, оскільки щільно заповнюють пори та тріщини поверхні полімерної матриці-основи та приводять до наступної руйнації.

Поелементне дослідження виявленого осаду та сольових відкладень методом енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDX) дозволило визначити їх якісний склад. По отриманих характеристичних спектрах встановлено наявність на поверхні досліджуваного зразка іонів Mn²⁺, Ca²⁺, K⁺, Fe²⁺, Cl^-, Zn²⁺, Si⁴⁺, P³⁺ у різній концентрації, перелік яких подано у таблиці 1.

Значний вміст важких металів у водопровідній воді сприяє утворенню сольових відкладень на внутрішній стінці труби. Найвагоміший вплив на утворення осаду та сольових відкладень створюють катіони кальцію (Са²⁺), які при взаємодії з аніонами утворюють зародки та комплекси, що осідають на внутрішній поверхні труби. Такі утворення мають тенденцію до постійного поступового зростання за рахунок адсорбції іонів на дефектних ділянках поверхні, збільшуючи свої розміри, що в свою чергу, обумовлено зменшенням їх вільної поверхневої енергії.

Таблиця 1

Поелементний склад мінеральних відкладень

Елементи	Ваговий, %	Атомний, %
O	45,01	69,85
Si	1,74	1,54
P	4,64	3,72
K	0,57	0,36
Ca	15,36	9,51
Mn	9,01	4,07
Fe	16,86	7,50
Zn	4,26	1,62
Сума	100,00	-

Зростання кількості і розмірів утворень, формування осаду та ріст кристалів прискорюється за рахунок процесів гетерогенної нуклеації, що активно проходять на межі розділу твердої і рідкої фаз ‒ полімерної труби і води. Такими місцями є дефекти внутрішньої поверхні труби, нерівності, перфораційні отвори, а також стики і зварювальні шви труб. Утворенню осаду на стінці полімерної труби може сприяти високий тиск подачі водопровідної води при зменшенні швидкості її протікання.

При утворенні осаду та сольових відкладень основну роль відіграє склад води, оскільки вона є їхнім джерелом утворення. Вода являє собою розчинник для багатьох речовин і здатна при цьому переносити велику кількість розчинених мінеральних солей. Всі природні води містять розчинені компоненти, отримані при її попередньому контакті з середовищем, що призводить до утворення складних розчинів багатих іонами [3-5].

Дослідженнями якісного складу води зі свердловини “Хоросно” (Львівська обл., Україна), з якої протягом всього терміну експлуатації трубопроводу постачалась вода встановлено значний вміст компонентів, таких як марганець, свинець, натрій та калій. Виявлений поелементний склад відкладень на внутрішній поверхні труб із поліетиленових матеріалів частково відповідає хімічному складу досліджуваної води із свердловини, що підтверджує взаємозв’язок утворень на внутрішній стінці труби з хімічним складом води, а також виділяє такі процеси як експлуатаційний фактор, що може призводити до збільшення дефектності полімерних труб та до зниження експлуатаційних характеристик водопровідної мережі в цілому. Даний фактор не відноситься до агресивного впливу на фізичні та хімічні характеристики виробу, проте вимагає вивчення при збільшенні термінів експлуатації поліетиленових виробів.

Література:

1. Council Directive 98/83/EC of 3 November 1998 on the quality of water intended for human consumption. Official Journal of the European Communities. 1998. No. L 330/32, EN. P. 1-23.

2. Державні санітарні норми та правила “Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною” (ДСанПІН 2.2.4-171-10). МОЗ України. Наказ від 12.05.2010 р. № 400.

3. J. Hassinen, M. Lundback, W. Ifwarson, and U. W. Gedde, Deterioration of polyethylene pipes exposed to chlorinated water, Polymer Degradation and Stability, № 84, 2004 pp. 261-267.

4. Топольников А. С. Прогнозирование солеотложения в скважине при автоматизированном подборе насосного оборудования / А. С. Топольников // Производственно-технический нефтегазовый журнал “Инженерная практика”. Пилотный выпуск. – 2009. – № 1.

5. Крабтри М. Борьба с солеотложениями – удаление и предотвращение их образования / М. Крабтри, Д. Эслингер, Ф. Флетчер, М. Миллер, Ш. Лэнд, Э. Джонсон, Д. Кинг // Нефтегазовое обозрение. – 2002. – Осень – С. 52-73.