Wybierając materiał, z którego ma być zbudowana sieć wodno-kanalizacyjna, należy zwrócić uwagę na właściwości eksploatacyjne rur (oddziaływanie na wodę do picia, łatwość wymiany elementów, możliwość renowacji), wytrzymałość konstrukcyjną, podatność na obciążenia i uszkodzenia, łatwość montażu (pracochłonność wykonania połączeń i ciężar rur).
 
Nie bez znaczenia jest również cena materiału i złączek oraz zakres oferty techniczno-asortymentowej1. Trwałość rur wiąże się z ich odpornością na korozję. Naturalnie odporne na korozję są tworzywa sztuczne. Ważna jest również wytrzymałość rur. Decyduje ona o tym, czy rury z danego materiału mogą zostać użyte do budowy przewodów w szczególnych warunkach gruntowych (np. w gruntach narażonych na obciążenia dynamiczne lub przy pokonywaniu przeszkód terenowych). Największą wytrzymałość konstrukcyjną mają przewody z żeliwa sferoidalnego i stali, a najmniejszą tworzywa sztuczne. Szybkość i sprawność budowy przewodu zależy od rodzaju złącz, ciężaru elementów, długości odcinków rur i zakresu przygotowania podłoża pod przewód. Złącza kielichowe z pierścieniem uszczelniającym przyspieszają montaż przewodu. Wolniej przebiega zgrzewanie. Najdłużej trwa łączenie metodami tradycyjnymi, np. spawanie. Długie odcinki i mały ciężar rur umożliwiają szybki montaż. Najlepsze pod tym względem są rury stalowe i tworzywowe. Jakość wymaganego podłoża zależy głównie od rodzaju gruntu, a tylko w niewielkim stopniu od materiału rury. Przewody z żeliwa sferoidalnego i stali mają w tym zakresie mniejsze wymagania niż rury z tworzyw sztucznych. W użytkowaniu wodociągu ważna jest łatwość eksploatacji. Rurociągi, niezależnie od rodzaju materiału, z którego są wykonane, muszą być przecież poddawane renowacji. Odnawianie może się jednak różnić zakresem. Odcinki przewodów, które po uszkodzeniu tracą konstrukcję, muszą być wymienione na nowe (tworzywa). Te, które utrzymały jeszcze swoją konstrukcję (żeliwo i stal), mogą być rekonstruowane przy zachowaniu starego rurociągu. Podczas eksploatacji uciążliwe są uderzenia hydrauliczne. Szybkość rozchodzenia się fali uderzeniowej zależy od materiału rury i grubości ścianki. Najkorzystniejsze jest stosowanie rur z tworzyw sztucznych, w których prędkość rozchodzenia się fali ciśnienia jest najmniejsza.
 
Podział na grupy
Ze względu na materiał, z którego wykonane są rury wodociągowe, możemy je podzielić na dwie grupy: metalowe i z tworzyw sztucznych. Do produkcji rur do sieci wodociągowych zewnętrznych używa się takich metali jak stal, żeliwo szare i żeliwo sferoidalne. Ze względu na podatność tych materiałów na korozję (oprócz żeliwa szarego), rury są zabezpieczone powłokami ochronnymi w wewnątrz i od zewnątrz. Rury metalowe są szczelne, nie przepuszczają związków chemicznych i gazów, dlatego można je stosować np. w gruntach silnie skażonych.
 
Żeliwo szare posiada bardzo charakterystyczne właściwości, m.in. zdolność do tłumienia drgań, pozostaje obojętne w kontakcie z wodą pitną oraz wykazuje odporność na korozję w odniesieniu do optymalnych właściwości wytrzymałościowych. Do nich zaliczamy przede wszystkim wytrzymałość na rozciąganie, która w tym przypadku wynosi zazwyczaj od 200 do 250 MPa. Stosowane w pierwszym okresie żeliwo dziś sklasyfikowalibyśmy wg norm europejskich (PN-EN 1561:2000) jako materiał klasy EN-GJN-200 lub 250. Wadą żeliwa szarego jest brak wydłużenia, czyli całkowity brak plastyczności, przez co materiał ten jest kruchy. Właściwości te są pochodną charakterystycznej struktury, którą posiada żeliwo szare. Grafit w nim ma postać płatków (na zgładzie płaskim rys. 1), a przestrzennie prezentuje się jako sieć połączonych ze sobą cienkich struktur węglowych.
 
Dlatego też przy niewielkiej ciągłości osnowy metalowej tworzywo to nie wykazuje własności plastycznych. Alternatywą dla tego materiału jest żeliwo sferoidalne, zaliczane do gatunku tworzyw plastycznych – nie należy jednak mylić pojęć i mówić o nim jako o ciągliwym, ponieważ jest to odrębny gatunek żeliwa. W strukturze żeliwa sferoidalnego grafit występuje w postaci sferoidów, czyli kul (rys. 2), których rozłożenie w objętości wyrobu, przy jednoczesnym braku kontaktu między sobą, umożliwia osiągnięcie właściwości plastycznych. Stosowane dziś rury z tego tworzywa należą, wg normy PN-EN 1563:2000, do gatunku EN-GJS-450-10 lub 400-15. W strukturze osnowy metalowej żeliwa tego gatunku występuje ferryt i perlit w procentowo różnym udziale, co skutkuje określeniami struktury ferrytyczno-perlitycznej lub perlityczno-ferrytycznej. Im więcej jest ferrytu, tym plastyczność jest większa. Zdolność do tłumienia drgań pozostaje bez zmian w porównaniu do klasycznego żeliwa szarego.
 
Kwestie finansowe
Istotną rolę w wyborze materiału rur wodociągowych i kanalizacyjnych odgrywają koszty wyrobu. Rury żeliwne są najtańszymi ze względu na charakter tworzywa należącego do najtańszych w produkcji, przy czym należy zaznaczyć, że koszty wytwarzania żeliwa sferoidalnego są wyższe od szarego ze względu na konieczność przeprowadzenia operacji sferoidyzacji wyjściowego żeliwa szarego. Operacja ta, polegająca na dodaniu do ciekłego metalu magnezu, wymaga zastosowania specjalnego urządzenia (zbiornika ciśnieniowego), co podnosi koszty.
 
Wady i zalety
Przewody z żeliwa szarego są odporne na korozję, nawet bez specjalnych zabezpieczeń. Wadą rur z tego materiału jest jednak kruchość oraz mała odporność na uderzenia i zginanie. Ścianki rur są więc stosunkowo grube. Zwiększa to ich ciężar, a więc podwyższa koszty transportu i montażu. Ciężar rur ogranicza ich długość (3-6 m), dlatego montaż jest pracochłonny. Potrzebna jest także duża ilość złączy, które mogą być przyczyną nieszczelności.
Korzystniejsze parametry mają rury z żeliwa sferoidalnego. Ich właściwości mechaniczne są porównywalne lub lepsze od właściwości stali. Charakteryzują się większą niż żeliwo szare wytrzymałością na zginanie, ściskanie i rozciąganie, dobrą twardością i odpornością na obciążenia dynamiczne. Są ciężkie, choć lżejsze od żeliwa szarego. Nie są również tak odporne na korozję jak żeliwo szare. Muszą więc być stosowane powłoki ochronne. Jako zewnętrzne wykorzystuje się cynk + bitumity + PE, a jako wewnętrzne – zaprawę cementową. Przy odpowiedniej strukturze i składzie żeliwa sferoidalnego, jak również przy odpowiednio dobranych i wykonanych warstwach ochronnych, jest to materiał długowieczny. Rury z żeliwa łączy się przeważnie na kielich.
 
Cementyzacja
Współcześnie wszystkie nowe rurociągi żeliwne (w zakresie średnic od 80 mm do 2000 mm) stosowane w przemyśle wody pitnej i przemysłowej są wewnętrznie chronione przed korozją. Najczęściej ochronę tę stanowi wykonana fabrycznie zaprawa cementowa, której grubość uzależniona jest od średnicy rurociągu i zawiera się w granicach od 4 mm – dla najmniejszych średnic, do 9 mm – dla największych3.Cementyzacja stosowana jest w celu ochrony przed wewnętrzną korozją, zapobieżenia odkładaniu się osadu, zabezpieczenia drobnych przecieków i polepszenia właściwości hydraulicznych rurociągów. Zarówno rodzaj cementu, sposób prowadzenia zabiegu cementyzacji, jak i warunki, w których dojrzewa wyprawa, mają znaczenie dla jakości transportowanej wody oraz dla trwałości wyprawy4.
 
Skład wyprawy cementowej rurociągów żeliwnych i stalowych jest normowany w różnorodny sposób wieloma przepisami międzynarodowymi1, 5-7 i krajowymi. W odniesieniu do nowo wyprodukowanych rur żeliwnych informacje na ten temat podaje również norma PN-EN 545:2010, Rury, kształtki i wyposażenie z żeliwa sferoidalnego oraz ich złącza do rurociągów wodnych – Wymagania i metody badań, PKN, 2010.
 
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, stawiane wodzie pitnej i winna być dodawana 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 hutnicze4.
 
W przewodach zabezpieczanych fabrycznie w czasie narzucania zaprawy i przez pewien czas potem rura szybko obraca się wokół swojej osi. Pozwala to na utrzymanie równomiernej grubości wyprawy cementowej, zapewnia jej dużą 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 przesiąkliwości6.
 
W przypadku materiałów cementowych, szczególnie ważnymi wskaźnikami jakości wody są zasadowość oraz zawartość agresywnego dwutlenku węgla i jonów H+, powodujących jej agresywność kwasowęglową, a także siarczanów, chlorków i jonów magnezu. Niektóre badania wskazują na zasadowość wody jako krytyczny wskaźnik mający wpływ na powłokę cementową8. Drugim rodzajem korozji zaprawy cementowej w rurach wodociągowych jest korozja siarczanowa. W przeciwieństwie do korozji kwasowęglowej nie zależy ona od pH transportowanej wody ani na nią nie wpływa, zachodzi natomiast w obecności siarczanów, które reagują ze składnikami cementu i tworzą w jego porach kryształy gipsu i innych złożonych soli. Woda twarda, o dużej zasadowości i pH nie stanowi poważnego zagrożenia dla jakości zaprawy, jednak woda o zbyt dużej twardości może powodować inkrustację rur, co prowadzi do zmniejszenia przepływności rurociągów8. Niektóre badania pokazują także, że po 20 latach przepływu wody o pH 6,5, zawierającej zaledwie 1,5 mg Ca/l wyprawa cementowa może ulec całkowitemu zniszczeniu4.
 
Kiedy cement?
Cementowanie nie powinno być stosowane w przypadku szczególnie miękkich wód o niskiej wartości pH, tym bardziej gdy rurociągi mają małą średnicę. Rury używane do wody pitnej są pokrywane wewnątrz wykładziną cementową, zgodnie z PN-EN 545, a w przypadku zastosowań do wody bardzo miękkiej lub przy niskich przepływach, rury pokrywane są dodatkowo uszczelniającą powłoką epoksydową. Powłoki epoksydowe do stosowania na powierzchniach stalowych i na wykładzinach cementowych rur przesyłowych wody pitnej charakteryzują się doskonałą przyczepnością, doskonałą odpornością na korozje nawet w agresywnych warunkach zanurzeniowych, doskonałą odpornością na ścieranie oraz odpowiednią odpornością termiczną (nadaje się do użycia w temperaturach do 60oC w warunkach eksploatacyjnych zanurzeniowych i w temperaturach do 120oC w suchych warunkach serwisowych). Są nanoszone poprzez natrysk hydrodynamiczny lub pneumatyczny, mogą być także nakładane pędzlem lub rolką. Oprócz powłoki epoksydowej nanoszonej na zaprawę cementową, dostępne są następujące wewnętrzne wykładziny specjalne 9-10:
 
  • pokrycia z grubszej zaprawy cementowej,
  • pokrycia z zaprawy cementowej z „seal coat”,
  • farba bitumiczna,
  • warstwa poliuretanowa.
Rozwój bakterii
W sieciach i instalacjach wodociągowych zależy on od zawartości środka dezynfekcyjnego w wodzie, warunków hydrodynamicznych i szybkości poboru związków pokarmowych przez mikroorganizmy, a także od obecności osadów korozyjnych.
W czasie eksploatacji sieci wodociągowej obserwuje się stały rozwój biofilmu, w którym biomasa bakterii może osiągnąć 95%, przy 5% zawartości mikroorganizmów w wodzie, w postaci tzw. bakterioplanktonu. Rozwój bakterii w biofilmie wpływa na jakość wody, ponieważ odrywanie błony biologicznej powoduje przedostawanie się bakterii do wody płynącej w sieci11.
 
Na wzrost biofilmu oddziałuje materiał, z którego są wykonane przewody wodociągowe. Według niektórych autorów, wzrost biofilmu na materiałach syntetycznych jest wolniejszy niż na stalowych i żeliwnych, ze względu na brak osadów korozyjnych, chroniących bakterie przed siłami ścinającymi i środkami dezynfekcyjnymi. Uważa się również, że warunki rozwoju mikroorganizmów na wykładzinie cementowej są mniej korzystne11.
Cementy stosowane do wykonania wykładziny cementowej mogą zawierać znaczne ilości pierwiastków śladowych, co jest związane ze składem materiałów stosowanych w procesie wypalania klinkieru oraz powszechnym obecnie używanych paliw alternatywnych w procesie wypalania. Pierwiastki wchodzące w skład powłoki cementowej mogą przedostawać się do płynącej rurociągiem wody, dlatego istotne jest sprawdzenie, czy nie stanowią one zagrożenia dla zdrowia ludzi.
Powłoki zewnętrzne zabezpieczają rurę przed korozyjnym działaniem gruntu, wód gruntowych oraz prądów błądzących. Zewnętrzny system ochrony składa się najczęściej z powłoki cynkowo-aluminiowej (Zn/Al) o minimalnej masie nie mniejszej niż 400 g/m2 lub powłoki cynkowej (Zn) o masie nie mniejszej niż 200 g/m2 lub 400 g/m2, w zależności od właściwości gleby w miejscu przeznaczenia. Wierzchnią powłokę, pełniącą funkcję bariery ochronnej, stanowić może warstwa epoksydowa o minimalnej grubości nie mniejszej niż 70 µm, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 545.
 
dr hab. inż. Janusz Mikuła, prof. PK, dr inż. Jerzy Kowalski, Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Krakowska
 
Źródła:
 
  1. California Department of Transportation – Division of Engineering Services – Corrosion Technology Branch. 5900 Folsom Blvd. Sacramento. CA 95819. Corrosion guidelines 2003.
  2. Tabor A.: Odlewnictwo. Politechnika Krakowska. Kraków 2007.
  3. PN-EN 545:2010. Rury, kształtki i wyposażenie z żeliwa sferoidalnego oraz ich złącza do rurociągów wodnych – Wymagania i metody badań. PKN. 2010.
  4. Dąbrowski W., Głód K.: Cementowanie rurociągów. „Chemia Przemysłowa” 4/2011.
  5. DIN 50930:1993 Korozja metali. Korozja materiałów metalicznych przewodów i urządzeń pod wpływem wody. 1993.
  6. North American Society for Trenchless Technology, Cement Mortar Lining (non – reinforced). 1999.
  7. Roberge P.R.: Handbook of Corrosion Engineering. McGraw-Hill. 2000.
  8. Kowalska B., Kowalski D., Kwietniewski M., Miszta-Kruk K., Chudzicki J.: Badania zawartości jonów metali ciężkich w wodzie kontaktującej się z wykładziną cementową rur wodociągowych. „Ochrona Środowiska” 4/2011.
  9. www.dwi.gov.uk/drinking-water-products/index.htm.
  10. LIST OF APPROVED PRODUCTS for use in Public Water Supply in the United Kingdom, Drinking Water Inspectorate. Area 4a. Ergon House. Horseferry Road. London 2012.
  11. Łebkowska M., Pajor E., Rutkowska-Narożniak A., Kwietniewski M., Wąsowski J., Kowalski D., Badania nad rozwojem mikroorganizmów w przewodach wodociągowych z żeliwa sferoidalnego z wykładziną cementową, Ochrona Środowiska nr 4/2011.