なぜPEパイプが地下水道プロジェクトで広く使用されているのですか?

短い答え: なぜ PEパイプ地下水道に適合

PEパイプは以下の機能を備えているため、地下水供給プロジェクトで広く使用されています。 漏れ防止溶融接合、地盤の動きに対する柔軟性、耐腐食性、滑らかなボア、50 年以上の設計寿命 軽量素材で素早く取り付けられます。これらの特性はそれぞれ、土壌化学、沈下、交通負荷、圧力サージ、破綻した送水管を掘り起こす費用など、埋設送水管が日々直面する問題に対処します。

この性能の背後にある材料は高密度ポリエチレンであり、ほとんどの場合、給水用の ISO 4427 シリーズに基づいて PE100 または PE80 コンパウンドとして供給されます。 PE100 コンパウンドの最低必要強度は 10MPa であり、設計者は、低グレードのコンパウンドよりも特定の圧力に対して薄い壁を選択できます。複数のパイプを突合せ融着または電気融着によって連続的に接続することができ、この場合、接合部はパイプ壁と同じ強度になるように設計されています。

この記事ではその理由を詳しく説明します。材料の挙動、接合部の完全性、PE パイプの仕様、PE パイプの圧力定格、PE パイプの用途、設置方法、PE パイプの耐用年数をカバーしており、数値を比較しやすい図表と表も備えています。

埋設水管にPEパイプが選ばれる主な理由

プロジェクトオーナー、公益事業者、設計エンジニアは、地下工事に PE パイプを指定する理由を尋ねられると、いくつかの同じ理由を挙げる傾向があります。以下のリストは、それぞれが解決する問題ごとにそれらをグループ化しています。

腐食挙動: ポリエチレンは錆びず、保護のためにコーティングやライニングに依存しないため、攻撃的な土壌や変化しやすい土壌は壁にほとんど影響を与えません。
融合ジョイント: 熱融着により均一な接合が形成され、ラインに沿った潜在的な漏れ経路の数が減少します。
柔軟性: パイプは緩やかな曲線に沿って曲げることができ、ひび割れすることなく土壌の動きに耐えることができます。
軽量: 密度が 0.95 g/cm3 に近いということは、作業員が軽い装備で多くのサイズを扱うことができ、長尺物を効率的に輸送できることを意味します。
スムーズなボア: PPI の設計基準では、一般にヘイゼン・ウィリアムズ C ファクター 150 が使用されており、内壁は時間が経っても腐食によって荒れることはありません。
トレンチレスの互換性: 水平方向の穴あけ、パイプの破裂、スリップライニングはすべて PE パイプに適しており、表面の破壊を軽減します。
長い設計寿命: ISO 4427 の圧力定格は、摂氏 20 度における 50 年間の設計基準に基づいています。
サージ耐性: ポリエチレンの弾性率が比較的低いため、圧力波の速度が低下し、より硬い材料に比べてサージイベントのサイズが小さくなります。

PE パイプ材料が地下でどのように動作するか

地下には水道管があり、過酷な環境の中で生きています。内部圧力を伝え、上からの土壌や交通の荷重を支え、地下水、鉱物、微生物と接触しています。これらの条件下でのポリエチレンの挙動は、この分野でのポリエチレンの成功のほとんどを説明します。

土壌および地下水に対する耐性

ポリエチレンは非極性炭化水素ポリマーです。自然土壌に一般的に含まれる塩、酸、アルカリとは反応せず、電気化学的腐食も起こりません。埋設ラインの場合、これにより陰極防食システム、外部ラップ、内部ライニングの必要性がなくなり、設計の複雑さと長期の検査作業の両方が軽減されます。

柔軟性と地面の動き

土壌が安定していることはほとんどありません。季節的な湿気の変化、近くの掘削、小さな沈下はすべて、パイプラインに沿って小さな動きを引き起こします。 PE パイプは弾性率が低く、ひずみ容量が大きいため、これらの動きに弾性的に追従します。ポリエチレンパイプの PPI ハンドブックと AWWA M55 は両方とも、パイプの周囲の土が荷重の一部を支え、その下でパイプがわずかにたわむ柔軟なパイプ設計について説明しています。適切な寝具と圧縮がこのシステムを機能させるのです。

油圧性能

PE パイプの内壁は滑らかで、腐食生成物が蓄積しないため、滑らかな状態が維持されます。したがって、特定の直径での流量容量は、数十年の使用期間にわたって予測しやすくなります。摩擦損失が低いと、ポンプの小型化やポンピングエネルギーの低減も可能になり、これは長い伝送ラインでは重要になります。

亀裂の成長が遅く、靭性が高い

最新の PE100 コンパウンドは二峰性樹脂です。つまり、強力な結晶性部分と、亀裂の成長に抵抗するより強靭な部分を組み合わせています。この設計は、PE100 が溝内の石からの点荷重に対する優れた耐性を維持しながら、より高い応力を評価できる理由です。この記事で後ほど説明するように、砂床を指定すると、点接触のリスクがさらに軽減されます。

PE製水道管材質の代表的な参考値です。出典: ISO 4427 シリーズおよびポリエチレンパイプの PPI ハンドブック。
プロパティ	代表値	なぜ地下で重要なのか
密度	約0.95g/cm3	取り扱いが容易になり、輸送負荷が軽減されます
MRS、PE100	10 MPa	特定の壁でのより高い圧力容量
MRS、PE80	8MPa	中程度の圧力の任務に適しています
設計応力、PE100 / PE80	8MPa / 6.3 MPa	設計係数1.25に基づく
Hazen-Williams C	約150	スムーズなボアによりフリクションロスを低く抑えます
線形熱膨張	摂氏 1 度あたり 1 メートルあたり約 0.2 mm	長時間エクスポージャのランやエントリーポイントで考慮される

融着ジョイントとそれが漏れのリスクを軽減する理由

多くの埋設ネットワークでは、接合部から漏れが発生する最も一般的な場所です。 PE パイプは熱融着によってこの問題に直接対処します。突合せ融合中、パイプの端はプレートに対して加熱され、制御された圧力下で一緒に押し付けられ、その場で冷却されます。 2 本のパイプは連続した 1 つの材料になります。電気融着では、電熱線が埋め込まれたカップリングまたはサドルが接合部の表面を溶かします。

その結果、融着ジョイントが引き抜きに抵抗するため、多くの継手でスラストブロックを使用せずにパイプラインを設計できるようになります。また、長いランをトレンチの横の地上で溶接し、その後所定の位置に降ろすことができるため、トレンチが開いたままになる時間が短縮されます。

一般的な結合方法

バットフュージョン： 通常、パイプと継手の肉厚が一致する、より大きな直径の直線管に使用されます。
電気融合: 修理、タイイン、タッピングサドル、狭い作業スペースに適しています。
機械的カップリング: カップリング設計による拘束により、他のシステムへの接続や迅速な修理に使用されます。

融合の品質は、オペレーター、装置、プロセスによって決まります。パイプメーカーの手順の融合パラメータに従い、各ジョイントを記録することは、うまく運営されているプロジェクトでは一般的な方法です。

給水用PE管仕様

PE パイプの仕様を理解するには、dn と表記される公称外径と、SDR と表記される標準寸法比という 2 つの数字から始まります。 SDR は外径を肉厚で割ったものです。 SDR が低いほど、壁が厚く、圧力クラスが高いことを意味します。比率は 1 つの SDR 内で固定されているため、同じ圧力定格がサイズ間で適用され、設計が簡素化されます。

サイズ範囲と供給形式

PE 水道管は通常、外径約 20 mm から最大 1000 mm 以上まで製造されます。小さいサイズは通常コイルで供給され、大きいサイズは 6 メートルや 12 メートルなどの直線の長さで供給されます。コイルは引き込み線のジョイントの数を減らし、ストレートの長さは突合せ融着によって設置される主電源に適しています。

一目でわかる肉厚

特定の直径の壁の厚さは、e = dn を SDR で割って標準値に四捨五入した式に従います。以下の表は、一般的な SDR シリーズ全体の 110 mm PE パイプの壁厚を示しています。

SDR による 110 mm PE パイプの壁の厚さ (mm)。 e = dn / SDR から計算され、標準サイズに四捨五入された値。

直径とともに肉厚がどのように増加するか

SDR を固定すると、壁は直径に比例して大きくなります。折れ線グラフは、PE100 の PN10 定格の水道本管に一般的に選択される SDR 17 PE パイプを示しています。

標準 ISO 4427 寸法に基づく、SDR 17 PE パイプの呼び径に対する肉厚 (mm)。

仕様書の確認事項

PE100 や PE80 などの材料グレード。
公称直径と SDR、および結果として得られる PN クラス。
長さと供給形式、コイルまたはストレート。
飲料水の用途を色またはストライプで識別します。
パイプが製造される製品規格は、たとえば ISO 4427 シリーズです。
融着接合用に同じ SDR 内で適合する継手。

PE パイプの定格圧力の説明

PE パイプ圧力定格は、摂氏 20 度における水の公称圧力 (bar) である PN で表されます。 PN10 パイプの作動圧力は 10 bar (約 1 MPa) と評価されています。 ISO 4427 シリーズで使用される関係は次のとおりです。

PN = 20 x MRS / (C x (SDR - 1)) ここで、C は設計係数で、水の場合は通常少なくとも 1.25 です。

SDR 17 の PE100 の場合、これは 20 x 10 / (1.25 x 16) となり、10 bar に相当します。 PE100 の場合、SDR 11 では 16 bar になります。この計算は、高グレードの樹脂がなぜ役立つのかを示しています。同じ壁にはより多くの圧力がかかる、または薄い壁には同じ圧力がかかるということです。

ISO 4427 の関係から計算された、摂氏 20 度、C = 1.25 における PE100 および PE80 水道管の SDR 別の圧力クラス。
SDR	PE100 PN(バー)	PE80 PN(バー)	DN 110 の壁 (mm)
41	4	3.2	2.7
33	5	4	3.4
26	6	5	4.2
21	8	6	5.3
17	10	8	6.6
13.6	12.5	10	8.1
11	16	12.5	10.0

摂氏 20 度における SDR による PE100 の圧力クラス (bar)。

温度とサージに関する考慮事項

上記の PN 値は、摂氏 20 度の水に関するものです。水温が高くなると、パイプメーカーまたは PPI ハンドブックが提供する再評価係数を使用して、許容圧力が低下します。設計者はサージ圧力もチェックします。 PE は弾性率が低いため、圧力波はよりゆっくりと伝わり、より剛性の高いシステムに比べて小さくなることがよくありますが、このチェックは依然としてポンプ駆動電源の通常の設計慣行の一部です。

地下水供給におけるPEパイプの用途

PE パイプアプリケーションは、処理プラントの出口から顧客接続まで、水道ネットワークのほぼすべての段階をカバーします。最も一般的な使用法を以下に説明します。

地方自治体の配電本管

サイズが 110 mm から 630 mm の都市幹線は、SDR 17 または SDR 11 で PE100 で敷設されることがよくあります。連続融着ラインにより、修復作業が中断される道路下の接合部の数が減少します。

サービス接続

細径PE管をコイル状に本管から敷地境界まで通します。コイルの長さが長いため、多くの場合、中間ジョイントなしで 1 本のパイプがタッピングサドルからメーターボックスまで到達できます。

農村部の供給

開けた地形を横切る長い伝送線は、軽量で長いことが利点となります。作業員はルートの横のセクションを溶接して溝に引き込むことができるため、機器へのアクセスが制限されているプロジェクトに適しています。

工業用水とプロセス水

工場、鉱山、キャンパスでは、冷却水、プロセス水、消火用水に埋設 PE ラインが使用されており、土壌や水中の化学物質にさらされると他の材料の寿命が短くなる可能性があります。

横断歩道と非開削工事

河川、道路、鉄道の交差点は、多くの場合、水平方向の掘削によって完成します。 PE パイプはボアパスに追従するのに十分な柔軟性があり、溶融接合部が引っ張り力を支えるため、この方法に適しています。

在来線の改修

スリップライニングでは、古いホストパイプ内に小さい PE パイプを配置し、パイプバーストでは、同じ線形に沿って古いラインを同等以上のサイズの新しい PE パイプに置き換えます。どちらの方法でも、市街地の表面の掘削を軽減します。

地殻変動のある地域

沈下土壌、鉱山の沈下、または地震活動が発生している地域では、接合部が分離することなく動きに対応できるため、柔軟な融着ラインが好まれることがよくあります。

設置方法とトレンチの実践

地中の PE パイプの性能は、パイプ自体だけでなく設置にも依存します。十分に準備された溝がパイプを均等に支え、点荷重が壁から遠ざかるのを防ぎます。以下の等角図は、典型的な埋設断面を示しています。

両側に砂敷き、圧縮埋め戻し、自然土を備えた埋設PEパイプの等角図。縮尺通りではありません。

典型的なオープントレンチシーケンス

岩石の点のない安定した基礎を備えた、設計の深さと幅までトレンチを掘削します。
砂または細かい粒状材料の層を置き、パイプが全長に沿って静止するように水平にします。
トレンチの横のパイプセクションを融着し、接合ビードを検査して融着データを記録します。
ポリエチレンに適したスリングを使用して、パイプを鋭く曲げずに溝に下げます。
パイプの周囲の土が荷重の一部を担うため、サイドフィルを層状に配置し、両側を均等に締め固めます。
クラウンの上に最初のカバーを追加し、次に地面レベルまで何層にもわたって埋め戻しを完了します。
プロジェクト仕様書の方法に従って圧力試験を実行し、試験中の PE の粘弾性挙動を考慮します。
試運転前にラインを洗い流し、消毒してください。

溝なしオプション

水平方向の掘削は、地表の破壊を制限する必要がある交差点や長い掘削に適しています。パイプの破裂やスリップライニングは、既存の配置の交換または更新に適しています。 3 つすべてにおいて、パイプは張力がかかっている状態で取り付けられるため、選択した SDR の引っ張り力の制限を、引っ張りを開始する前にメーカーに確認する必要があります。曲げ半径も重要です。一般的に引用されているガイダンスの範囲は、壁の厚さと温度に応じて外径の約 20 ～ 35 倍です。

地下でのPEパイプの耐用年数

50年以上

PE パイプの耐用年数は、摂氏 20 度での耐用年数 50 年間の圧力を評価する ISO 4427 の設計基準に関連付けられています。プラスチックパイプ研究所などの業界関係者は、動作条件が設計限界内に収まる場合の 50 年を超えた寿命について議論しています。実際の寿命は、動作圧力、温度、設置品質、水の化学的性質によって異なります。

耐用年数に影響を与える要因

動作ストレス: 定格圧力を大幅に下回って運転しても、長期的なストレスに対する余裕が残ります。
温度: 高い水温が続くと、ポリエチレンパイプの長期的な強度が低下します。
ポイントロード: 石、不均一な床材、不十分な締固めにより、壁に局所的な応力が生じます。
サージイベント: 大きな圧力波が繰り返されると疲労応力が増加するため、ポンプの制御とバルブの閉じる時間が重要になります。
消毒剤への曝露: 飲料水中の塩素とクロラミンのレベルは化合物の選択時に考慮され、最新の PE100 水化合物にはこの目的のために安定剤が配合されています。
埋葬前の紫外線照射： 屋外に長期間保管されるパイプは、黒または縞模様の水道管に安定剤が含まれている場合でも、通常カバーされます。

パイプは腐食しないため、寿命の終わりに利用できる壁の厚さは、設置初日の壁にはるかに近くなります。これは、埋設PEパイプの耐用年数の計画方法における重要な違いです。

適切な PE パイプグレードと SDR の選択

PE100 と PE80 のどちらを選択するかは、圧力、直径、取り扱いのニーズによって決まります。 PE100 を使用すると、同じ圧力でより薄い壁が可能になり、内径と流量が増加します。 PE80 は同じ SDR でわずかに柔軟性があり、中程度の圧力での作業に使用されます。レーダーチャートは、5 段階のスケールで定性的な比較を示します。

5 段階評価による編集上の比較を図解で示します。相対的な傾向を示すものであり、測定された試験データではありません。

単純な選択パス

サージの許容値を含む最大使用圧力を定義します。
予想される最高水温での圧力を満たすグレードとSDRを選択してください。
必要な流量および許容可能な速度に対して内径を確認してください。
引っ張り設置では壁の厚さと張力の制限にさらに注意を払う必要があるため、設置方法に合わせてください。
同じ SDR で融着結合用の継手が利用可能であることを確認します。

地下PEパイププロジェクトの実践的なチェックリスト

以下のチェックリストは、経験豊富な請負業者や公益事業エンジニアが埋設 PE 水プロジェクトに一般的に適用する実践方法をまとめたものです。

納品時にパイプのマーキングを確認します: グレード、SDR、直径、規格、製造バッチ。
パイプは平らな場所に保管し、その長さに沿って支え、コイルが鋭利な端に触れないようにしてください。
訓練を受けた核融合オペレーターと校正された機械を使用し、共同記録を保管してください。
敷き床や初期埋め戻し材から石を取り除きます。
コンパクトなサイドフィル層で、パイプの両側に等しい圧力を保ちます。
パイプの上に警告テープでルートをマークし、位置特定が必要な場所にトレーサーワイヤーを追加します。
パイプは温度によって膨張したり収縮したりするため、最終接続の前にパイプが地面の温度に達するまで待ちます。
指定された方法に従って圧力テストを行った後、洗い流して消毒します。
将来の作業でラインを特定できるように、建設時の位置を記録します。

江陰華達とそのPEパイプ供給について

Jiangyin Huada は 2003 年に設立され、専門的な研究開発、生産、テスト、製品と付属品の販売を統合したプラスチックパイプ業界の先駆者です。カスタマイズされた設計、製造から調達、設置、アフターメンテナンスまで、包括的なワンストップエクスペリエンスをお客様に提供します。

製品システムは完全かつ多様で、製品は西ヨーロッパ、東アフリカ、東南アジア、北米、中東を含む30以上の国と地域に輸出されています。パイプは、第三者機関からの独立したテストレポートによってサポートされています。同社は、バングラデシュ原子力発電所、ベルギー電気通信パイプラインネットワーク、北京大興空港など、国内外で多くのハイレベルプロジェクトを完了してきました。

地下水供給の場合、この経験は、小さな引込線から大口径幹線まで、プロジェクトチームが PE パイプグレード、SDR、継手を任務に適合させるのをサポートします。