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。在四十年代开始尝试采用塑料井管，七十年代初期，发现，重量轻的塑料管，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%都为塑料管有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。七十年代开始，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。塑料管和传统管材相比，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结垢，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，磁性氧化铁或其它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结垢的原因，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、价格最低的塑料管材，理应成为井壁管的最佳之选。 三、PVC-U井壁管简介 1、PVC-U管材性能概述 与传统管材相比，PVC-U管材具有以下特点： 1）重量轻、运输和安装方便。PVC-U塑料管比重略大于1，在1.35—1.46之间，管材自重略大于泥浆的浮力，依次下管时不需很大的提吊力即可顺利下管，安全可靠，劳动强度小，井管的搬运更是省力方便。 2）抗腐蚀能力强，耐久性好。塑料是一种十分稳定的高分子聚合物，几乎不与酸碱盐等化学物质反应，在太阳紫外线照射不到的几水中，使用寿命至少50年以上，适用于各种水质的水井，尤其近年来潜水电泵的广泛应用，在水中产生的感应电流加速了传统井管的腐蚀，而塑料井管却不受此影响。 3）单根长度大，井管接头少。塑料管长度一般为6米，也可根据要求定作，大大减少了接头数量，节约了下管时间和接头材料，更重要的是减少了因接头不佳出现的错口、漏沙而报废井的机会，也避免了井管对进水的二次污染。 4）水质好。卫生级PVC-U管材卫生、无毒、不滋生细菌，不污染水质。 5）管材便宜，成井造价低。 6）内壁光滑，水力条件好。摩阻系数仅为00008，能耗小。 7）柔性好，抗冲击强度高。 8）耐磨损。 2、PVC-U管材生产工艺流程 通过混料系统将管材所需各种原料经热混、冷混等步骤均匀混合后，吹入干料仓中待用。罗茨风机将料吸入主机下料斗，通过各种不同的加料方式，如KMD-60螺杆采用计量加料，KMD-114采用重力加料等送入挤出机，物料在挤出机中通过螺杆的剪切和外热的作用，平均塑化后进入挤出机机头，物料在机头中被赋予一定的行状，并进一步塑化后离开挤出机。 管材定型可采用内压和真空定径两种方法。我公司普遍采用的是真空定径法。在机头初步成型后的管材首先进入喷淋定径箱，管材经过定径套，通过在管材外壁喷淋定径箱内抽真空，使管材受内压而紧贴定径套套内壁，同时管材在喷淋水的作用下冷却成型。 在喷定径箱内完全冷却的管材在牵引机的作用下匀速前进，在计量装置的控制下，行星锯可切割预定长度的管材，最后经过扩口工序，就完成了管材的生产。 流程图： 倒料站—储料罐—主称—副称—热混—冷混—干料仓—主机料斗—剂出机—机头—定径套—喷淋箱—喷码机—牵引机—行星锯—加热炉—胀口机—翻管机—检测—入库 3、PVC-U井管工程的连接方式 1）柔性连接： 对于￠63以上的管材一般采用橡胶圈接口； 2）刚性连接： 对于￠20—￠160mm的管材一般采用粘接剂连接；螺纹连接多用于￠20—￠63mm PVC-U管材和其他管道的连接；塑料焊接用于低压化工管道。 管道采用橡胶圈连接时的安装步骤： 1） 安装前，首先检查管材、管件及橡胶圈质量，并把承接口 和插口工作面擦拭干净。 2） 将橡胶圈按规定的方向放入承口凹槽内，不得扭曲。 3） 胶圈和插入部分涂刷润滑剂。 4） 承插口对口并保持管线轴线平直。 5） 承插口两边套好合适的钢丝绳套用紧线器（或手板葫芦） 拉入至标线。 6） 插入塞尺转一周检查胶圈所处的位置是否合适 连接程序：清理工作面—上胶圈—刷润滑剂—对口插入—塞尺检查。 胶圈连接注意事项： 1、 胶圈按正确位置放入承口内，承口一定要干净。 2、涂润滑剂于管材插口坡面上和橡胶圈内侧，应防止润滑剂流入承口槽（易顶翻胶圈）。 3、安装时，尽量保持管材处于一条轴线上，如插入困难（非胶圈顶翻），可左右移动管尾，以利插入。 4、如插入困难，力量较大，应先检测，确认胶圈位置正确后，方可安装。 管道采用粘接剂连接时的安装步骤： 1） 管材、管件粘接前，应用干布将承口内侧和插口外侧擦拭干净，当表面粘有油污时需用丙酮擦拭干净确保承口干净。 2） 管材断面应平整、垂直管轴线并进行倒角处理，粘接前应进行试插，试插深度只能插道原定深度的1/3—1/2，间隙过大时严禁使用粘接方法。 3） 涂抹粘接剂时，应先涂抹承口内侧，后涂抹承插口外侧，涂抹承插口时应顺轴线由里向外均匀涂抹适量，不得漏涂。 4） 粘接剂涂抹后宜在20秒内对准轴线一次插到所画标线，将管材或管件旋转90度并在1分钟内保持施加的外力不变，保持接口的直度和位置正确。 5） 粘接完毕后及时将挤出的多余粘接剂擦拭净，在固化时间得受力或强行加载。 连接程序：清理工作面—试插—刷粘接剂—粘接—养护 粘接注意事项： 1、 粘接接口不得在雨中或水中施工，不得在5度以下操作。 2、 粘接剂不得使用已出现絮状物的粘接剂；低温下不采用明火或电炉等设施加热粘接剂。 3、 涂抹粘合剂前，务必使管道胶粘面清洁干净。若粘面不洁净，如油污、潮湿、灰尘等存在，会使胶粘力减低。表面沾有油污时，必须用棉花纱蘸丙酮等清洁剂擦净。 4、 管材在铺设中需要切割时，切割要平直。插入式接头的插口端应削倒角，倒角坡口管端厚度一般为管壁厚的1/3—1/2，倒角一般为15°。完成后应将残屑清除干净，不留毛屑。 5、 粘接前必须将两管试插一次，使插入深度及松紧配合情况符合要求，并在插口端表面划出插入深度的标线。 6、 涂刷粘合剂先涂承口，后涂插口，宜轴向涂刷，均匀适量，不得漏涂。（若间隙略大，应先将插口多次涂胶，承口内不宜过量）。 7、 承插口涂刷粘合剂后，应立即找正方向，将管端插入承口，用力挤压并将管旋转1/4圈，使插入深度至标线，并保持一段时间（1分钟以上）。另外，气温较高时，粘合剂涂抹后插接应迅速，以避免未插入时粘合剂干固；气温较低时，粘合剂 涂抹后，待部分溶剂挥发粘度增加时，始予插接。 8、 涂抹粘合剂并套接后，在套接处如有渗出（挤出）之粘合剂，务必擦拭干净，反之该处可能受过量粘合剂浸泡而软化，并失去原有的水压强度。 9、 管道粘接好后，粘着力会随时间加长而增加。管道粘合后，至少务必待48小时，否则管道连接处可能会出现渗水、漏水甚至脱开等现象。（气候寒冷或潮湿环境，最好能在72小时后再通水试压。） 四、内蒙古地区全塑成井野外生产试验 2001年7月，吉林大学建设工程学院组织，内蒙古包钢勘察设计院、河北保定中水勘察技术公司和河北宝硕管材有限公司共同参与，在内蒙古西部乌拉特前旗高腐蚀水质地区为华章纸业集团完成一口全塑成井示范工程井，整个工程从2001年7月2日开始，至7月28日全部结束，历时27天。本地区水质腐蚀性尤为严重，在造纸厂院内，有许多水井由于井管腐蚀而不得不提前报废，井并管和井泵有的不到一年就锈蚀腐烂，不得不更换，此次试验就位于一口提前报废井附近。 1、地理位置及地质条件 该工程位于内蒙古西部乌拉特前旗西山嘴造纸厂院内，地处乌拉山之西山嘴地区，交通很便利，北侧受大青山、乌拉山之山前大断裂乌梁素海北北东向断裂影响，卧羊台第三系红层横卧北部，为一隔水屏障，西至南部为河套平原与三湖河平原交界处，该地区属于山前冲击、洪击裙及冲击与湖积平原，分布着丰富的孔隙潜水和深部承压水。 ２、水文地质条件 根据该地区的勘察资料，该区域潜水水位埋深１.２４—１.７０米，含水层厚２１.００－３８.００米，潜水分布较为广泛，且比较稳定，含水层岩性以细砂、粉沙为主，该井位地下水水质类型按舒卡列夫分类为 Cl-Hco3-K*Na型，总硬度为85.07mg/l，总矿化度为1078.35mg/l，PH值为7.85，水温在14℃。承压水水头很高，含水层埋置较深，厚在12.0-56.0米，含水层岩性以砾砂、圆砾为主，粗砂、细砂次之。地下水的静水位在 地下16.4米，动水位为6.5米。 3、钻孔结构设计 根据地层资料和含水层状况，井深设计为240米，终孔直径500mm，一径到底，不变径，出水量在80m3/h。 因施工地层较软，采用回转钻进，钻机为上海探矿机械厂产SPS-400型，技术参数如下：钻深为：400m；塔高为12m ；孔径500mm；钻塔额定负荷270KN ；主卷扬机提升能力：30KN，动力设备为电动机。 4、钻进规程参数 由现场根据地层变化情况具体确定和调整，由于地层以第四纪松散地层和粘土层为主，故钻进总体规程总体以小钻压、中等转速、大泵量为原则。泥浆采用自然造浆，比重控制在1.1左右。为保证成井质量，在钻进过程中严格保持钻孔的垂直度。先用小钻头破碎钻进，后用大钻头分级扩孔钻进。 5、PVC-U井管和滤水管和加工 1）PVC-U管的选择 井壁管采用250mm*11.9mm PVC-U管，技术性能参数如下：公称直径：250mm ；公称压力 1.25MPa ；抗拉强度大于45MPa；纵向回缩率 ≤5%；落锤冲击实验（0℃）TIR：≤10%；汞的萃取值≤0.001mg/l；锡的萃取值 ≤0.02mg/l ；氯乙烯单体含量≤1.0mg/kg；过滤管采用PVC-U管贴砾滤水管，由井壁管加工而成。 2）PVC-U滤水管加工 准备工作包括钻探现场的准备和井管的加工准备。钻探准备工作由包钢勘察院实施，包括清理现场、安装钻进等。井壁管单根长5.8米。滤水管在中水公司由井壁管加工而成，单根长1.45m，总长40m。 事先在衬管上钻φ16mm透水孔18×34 个/根，错位均布，然后将1-3mm石英砂料用模具进行环状粘贴，粘贴剂严格按配比（环氧树脂、丙酮加上固化剂）配合，既要保证滤水管的胶粘强度，有不能让胶粘剂堵住透水孔隙，在贴砾25mm后，既成φ300mm外径的贴砾滤水管。滤水管在加工好以后，孔隙率可达到8%。对其强度进行了试验，抗压强度大于10.6MPa，抗拉大于5吨。 根据地层条件，对井管强度分别进行了校核均满足要求。井管加工完就运到现场，在运输过程中采取了防护措施，轻拿轻放，滤水管外用草席包裹。 6、安装井管： 1）下管前的准备 2001年7月22日完成钻孔工作以后，即准备下管，在下管前进行了充分准备，对工序的各个环节进行了严格设计和把关。 在钻孔结束后，立即进行了电测井工作。测点间距100m以上为2m，100m以下为1m，取得地层曲线。 校正井深，以防止由于井深误差而造成滤水管与含水层错位，用测绳测量了井深为243.00mm。 探孔，防止下入井管时遇阻。用探孔器下入孔底，证明井壁圆滑、规整，垂直度也较好。 冲孔换浆，防止孔内残留岩粉沉淀影响井管下入深度和阻塞含水层，用清水循环，替出孔内稠泥浆，换浆12小时后，上返冲洗液基本不含岩粉和沙砾。 2）井管安装 在井管下入孔内之前，依据含水层情况，对井管进行排序排列并编号，保证滤水管与含水层对位，保证/水量。 井管的连接采用橡胶圈连接，管材接口设计安排了两排12×25mm共八根防锈螺栓加固（见图2.2），在下管过程中边攻丝边旋紧即可。这种设计可承受不小于80KN的拉力，保证了下管的安全，为防止螺钉对水井的污染，并会造成井管的穿孔，降低强度，本次所选螺栓均为不锈钢材质。 塑料管质量轻，井壁管和滤水管的总重量不到3吨，钻机起吊设备完全能够承受，故采用提吊法一次下管即可。 考虑塑料管比钢管强度低，对下管夹具进行了改进设计，采用钢板锚内衬滞带方式，滞带使用厚8mm刹车滞带即可，如图2.3所示。为使井管垂直下入孔底和防止井壁碰撞井管，在井管上每间隔6m安装一组正管木，每组用铁丝绑扎3快，正管木长15cm，两头锯成半楔形。 孔深243米，但井管设计下到238米，留下5米防止井底淤泥沉淀，最下面一根井壁管作为沉砂管。 用φ8钢筋焊一圆锥形套笼，套在井管底部，以顺利下管，并防止下管过程中井管碰撞井壁而使管头开裂。 3）下管工序： a.吊起井管最底部一节下入井孔内，并将其卡在枕木上。 b.吊起第二节井管，井管顶端套好加力帽，并使井管垂直。 c.将上、下两节井管的承插部分清擦干净，并用毛刷涂上 一层润滑剂，以便顺利承插。若不能自然插入时，可由4人均匀用力向下拉动加力帽，以带动井管承插。对承插过紧难以拉动井管时，可让一人上到塔架上，用手锤轻轻锤击加力帽，至达到设计承插深度为止。 d.持电钻用φ10mm钻头迅速钻孔。 e.用丝锥迅速套丝。 f.用12×25mm十字头螺栓加上弹簧垫迅速拧紧。 作业中d、e、f三项可以交叉操作。 g.将井管慢慢吊起，观察接头无异常时拆掉夹板，将正管木扎紧。 h.将井管慢慢放入井孔内。重复上述程序，直至下完全部井管为止。 整个下管作业从晚上9：00开始，到第二天上午9：30结束，其间修理工具4小时。 7、填砾与止水封闭 下管结束后，即进行填砾。砾料为磨圆度较好的硅制砾石，其粒径D50=1-3mm。填砾时，从井口四周均匀、连续填入，严禁单侧填入和猛倒猛填，严防蓬堵，并及时测量填砾高度，设计填砾高110m。 封闭要选用直径为20～30mm的优质粘土球，及粘土碎快。利用粘土球封闭至少20m，然后用优质粘土回填，共填入粘土3.5m3。在封闭与回填过程中，一定要严格掌握缓慢、连续、均匀，使井管径向均匀受力，避免井管突然遭受冲击力的现象。回填要在不再下沉时停止。 8、洗井 要在全部回填完毕后及时洗井，因黏土层泥皮较厚，采用活塞与空压机联合洗井。首先采用空压机进行抽水洗井，空压机采用沈阳空压机厂生产的YV-6/8型移动式空压机，技术参数如下：排量：6m/min；额定压力 8kgf/cm2；轴功率 37kw；转速 980转/分。 风管与扬水管并列式连接，风管直径为32mm，下入到离井口60m处，为防止洗井过程中钻杆震动碰撞损坏井管，在钻杆上每隔7m绑一圈橡胶管作为防护。 空压机洗井一昼夜后，采用活塞洗井，先用活塞在井管内自上而下慢慢提拉几次，速度一般在0.3～0.5 m/s，活塞外径220mm。用空压机洗井时一定要注意慢慢加压，自上而下，直至达到洗井质量要求为止。 9、下泵与抽水试验 通过洗井，进行试抽水，证明出水量稳定，周水一段时间后，水清砂净，水质稳定，决定下泵蹦进行抽水实验。此次采用的水泵为乌海水泵厂生产的200J80-89型潜水电泵，水泵下置深度为离井口100m，泵管使用河北衡水塑料厂生产的ABS管，下泵时，泵头加套一个套笼，避免下泵时碰坏井管。 10、经济技术评价分析 这次全塑成井工程虽然由于钻探工作影响了一点进度，但整个工程是非常成功的，取得了另人非常满意的效果。不仅在技术上有许多创新点，在整个过程中也取得了不少经验，为进一步开发和推广全塑成井工艺打下了基础，作了一个良好的开端。对于水井本身、出水量、水质等各项指标也均达到了设计要求，出水清澈，无色无味无嗅透明无悬浮物，井下基本无腐蚀条件，预测长期使用效果也一定优于一般管材水井。 在经济角度，与传统井管成井从下面几个方面进行比较。首先是材料方面，塑料井管由于材料便宜，其市场价格也要比钢管低的多；从工艺方面，用塑料井管成井对钻孔的要求严格一些但这只是对施工人员要求技术高一些，并/有增加其他设备或材料。经测算比较，单井成本采用钢管和铸铁管-贴砾混合管比塑料井管都要高，使用铸铁管其成本与塑料井管相当，而最重要的是，塑料井管由于其防腐蚀作用，可以保证比传统井管有更长的使用寿命，考虑长期效益，塑料井管比传统井管更具有经济优越性。