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S2-22モニタリング井戸に使用する井戸材の選定

第19回地下水土壌汚染とその防止に関する研究集会(2013年)

○佐藤秀之1・横溝透修1
1株式会社ランドコンシェルジュ

1.はじめに

モニタリング井戸に使用される保孔管の材質として、代表的なものにステンレス鋼、炭素鋼、PVC(Polyvinyl Chloride)管が上げられる。モニタリング井戸は用途に合わせて設置条件が異なるが、井戸の材質を選定する際には、採取する試料への影響を考慮に入れる必要がある。PVC管の原料は合成樹脂の一つで、『ポリ塩化ビニル』、『塩化ビニル樹脂』と呼ばれる1)。日本では産業が成り立った当初から、原料や樹脂、そして加工製品までも単に『塩ビ』と略して表現されている。そのため、井戸材として選定する際にも、しばしば混同が見受けられる。PVC製の井戸材は、塩ビ管、またはPVC管と総称されているが、一般用(JIS-K6741)、水道用(K6742)、給湯用(K6776)、更に環境用、海外製のものなど多岐に渡る。それらは製造工程や規格により、その性質は大きく異なる。例として、廃棄物最終処分場の観測井戸に使用される塩ビ管からの鉛の溶出の実態を調べた報告がある2)。報告によると、水道用及び給湯用塩ビ管の鉛含有量の平均値は低く、一般用とダクト用は高濃度の鉛が含まれているとしている。モニタリング用の井戸を設置する際は、用途や設置環境に合わせて保孔菅の材質を適切に選定する必要がある。また、同じ材質でも製造工程や規格により、影響が異なるため注意が必要である。

本稿では、米国環境保護庁(USEPA)が作成した資源回復法(RCRA)の地下水モニタリングガイダンス3)をもとに、モニタリング井戸に使用する井戸材の選定方法について紹介する。

2. ケーシングとスクリーンの材質

モニタリング用井戸に用いられるケーシングとスクリーンの材質は、その使用期間中、個々の環境下で構造的品質と耐久性を維持する必要がある。更に、掘削孔への挿入時に受ける力、吊り下げた時にかかる力、注入、洗浄、パージ、揚水、サンプリング、井戸周辺の地層から受ける物理的な力への耐性が必要である。そこで、ケーシングとスクリーンの材質を選定する際に、考慮すべき性能仕様を示す。

  • ・使用期間を通じて、使用される環境下において構造的な品質と耐久性を維持すること。
  • ・非汚染水および汚染水に対し、化学物質や微生物による腐食や劣化に耐性があること。
  • ・設置時や使用時に受ける物理的な力、周辺の地盤から受ける力に耐性があること。
  • ・採取した地下水の試料に対し、特に吸着、脱着、浸出を起こすことにより化学的に変化させないこと。
2.1 強度について

強度を評価するには、『引張強度』、『圧縮強度』、『外圧強度』の3つが用いられる(表-1参照)。

2.1.1 引張強度

引張強度は、ケーシングを吊り下げたときに、材料自体の重みで破損しない長期間耐えられる最大応力と定義され、組成、製造技術、接続部の形状、寸法によって変動する。ケーシングを連結して吊るした際、自重を支えられる引張強度が必要である。ただし、ケーシングが水面に達すると浮力を考慮することが出来る。更に管同士をつなぐ接続部の引張強度は、ケーシング自体の引張強度と同様に重要である。接続部は一般的にケーシングの中で一番弱い部分であり、その強度はケーシング全体の軸荷重の最大値に影響を与える。また、線荷重により引張強度を分割することにより、吊るすことが出来る理論上の最大深度を計算することが出来る。

2.1.2 圧縮強度

圧縮強度は、材料そのものが変形することなく耐えられる最大応力と定義される。吊り下げられた状態のケーシングは、掘削孔との間を適切に充填され設置されたケーシングより圧縮強度が低い。これは、土壌からの周面摩擦によって鉛直方向の力が大幅に軽減されるためであり、特性として肉厚より圧縮強度がはるかに重要であることを意味している。適切に設置された井戸では、圧縮強度の限界による破損の可能性が軽減される。

2.1.3 外圧強度

外圧強度は引張強度と同様に重要で、掘削孔への挿入前後に受ける外圧に耐えられるケーシングの能力と定義される。外圧への耐久性は、主にパイプの外径と肉厚によって決定される。外圧強度は肉厚の3乗に比例する。よって、肉厚が少し増すと外圧強度が大きく増加する。また、外圧強度は剛性や降伏強度など他の物理的な特性にも影響を受ける。ここで、ケーシングに掛かる可能性のある外圧をいくつか示す。

  • パイプ内の水位より周囲の静水位が高いときに掛かる正味の外部静水圧。
  • 掘削孔とケーシングの間に均等に充填されていない充填剤の影響による非対象の荷重。
  • 不安定な地層の不均質な崩壊。
  • 充填剤として使用されたセメントスラリーの重さと、水和反応の熱による影響。
  • 過度の揚水によるケーシング内の極端な水位低下。
  • 井戸洗浄に関係する力で、ケーシングへの大きな差圧の供給。
  • 不適切な井戸設置の手順に関係する力で、真っすぐ掘られていない掘削孔にケーシングを挿入するときに周りの地層から受ける力や、浮力に抵抗しようとするときに使われる力。
2.2 化学耐性と化学干渉
2.2.1 化学耐性

モニタリング井戸のケーシングとスクリーンの材質は、使用期間中、構造上の品質と耐久性を維持する必要がある。汚染水や非汚染水、更に化学物質や微生物による腐食や劣化への耐性が必要である。特に、金属製のケーシングとスクリーンは腐食を、熱可塑性樹脂は溶剤による化学分解を考慮する必要がある。程度や進行の度合いは、地下水の水質に依存し、酸化還元の化学的条件により変化する。そのため、ケーシングの材質は、予想される地下水の化学的性質をもとに選定する必要がある。更に地下の状態は、試料の採取や分析なしに予測することは困難である。もし、地下水の水質が不明な場合、堅実な材質(例えば、対象物質にもっとも不活性な材質)を使用するのが妥当である。また、材質ごとの化学薬品耐性を参考するのも良い4)。化学的相互作用を最小限に抑えるために、推奨する材質の選定条件を表-2に示す。

2.2.2 化学的干渉

モニタリング井戸のケーシングとスクリーンの材質は、地下水の試料に対し、特に吸着、脱着、浸出を起こすことにより化学的に変化させてはいけない。もし、ケーシングの材質が地下水からある成分を選択的に吸着する場合、地下水試料中の濃度が減少することになる。更に、地下水の化学的な性質が時間とともに変化する場合、予めケーシング材料に吸着していた成分が地下水中に脱着、または浸出する可能性がある。どちらの場合も、地下水試料の水質は本来の数値ではなくなる。これにより、偏りのある汚染プリュームの描写や、検出感度の低下など地下水汚染の評価の間違いをもたらす可能性がある5)。また、地下水中に化学反応性の高い水溶液が存在すると、ケーシングの材質のある成分を脱着させる可能性がある。

2.3 材質の種類

地下水モニタリング用井戸に用いるケーシングの材質として代表的なものを紹介する(表-3参照)。

表-3 ケーシングの材質

材質種類
フッ素重合体 ポリテトラフルオロエチレン(テフロンRPTFE、フルオンRPTFE)、テトラフルオロエチレン(TFE)、フッ素化エチレンプロピレン(テフロンRFEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(テフロンRPFA、フルオンRPFA)、ポリフッ化ビニリデン(カイナーRPVDF、ハイラーRPVDF)など
金属 炭素鋼、低炭素鋼、亜鉛めっき鋼、ステンレス鋼(304や316)など
熱可塑性物質 ポリ塩化ビニル(PVC)、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)など
2.3.1 フッ素重合体

フッ素重合体は多種類のモノマーからなる合成物質で、溶融押出や粉末冶金に似た特殊な方法により成形される。フッ素重合体は化学変化や生物による腐食、酸化、風化、紫外線に耐性がある。また、幅広い適用温度範囲(~280℃)と高い誘電率、低い摩擦係数、低い吸着性、高い熱膨張係数を持つ。

フッ素重合体は、さまざまな商標名で販売されている。PTFEは1938年デュポン社によって開発された。PTFEの特性は広い温度耐性(-240~280℃)、硬質材料の中でもっとも低い摩擦係数を有し、フッ素重合体の中でもっとも使用頻度が高い6)。フッ素エチレンプロピレン(以下、FEPと略記)もデュポン社によって開発され、2番目に使用頻度が高いフッ素重合体である。温度耐性の上限が38℃と低いのを除いて、物理的性質はPTFEと似ている。FEPは溶融押出を用いるため生産性が高いが、原材料のコストが高い。テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(以下、PFAと略記)はPTFEとFEPのすぐれた特性を併せ持つが、PTFEやFEPに比べてかなり高価である。ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記)は他のフッ素重合体より、硬く、高い摩擦性を有し、放射線に耐性があるが、PTFEやPFAに比べ最大温度限界が低い。

フッ素重合体を選定する際、商標名に注意する必要がある。製造各社で異なる材質に対して一つの商標名を使用している。例えば、デュポン社はいくつかのフッ化炭素樹脂を総称してテフロンRと呼んでいるが、製品ごとに異なる物理的特性と製造工程を有する(テフロンRPTFE、テフロンRFEP、テフロンRPFA)。

表-4 PTFE井戸材の長所と短所

長所短所

・幅広い温度下で使用可能。

・環境、酸、溶剤に対して不活性。

・機械加工、成形、押出しが容易。

・金属に対して不活性。

・有機物を溶液から吸着、または溶液に脱着する可能性がある。

・スクリーンはスリットタイプのみ可能。

・クリープ現象により、部分的に開口部の閉塞を生む可能性がある。

・極度な柔軟性により、垂直にならずに弓なりになる可能性がある。

・汚れが付着しない特性から環状シールの不具合が生じる可能性がある。

・他の材料に比べて、単位長さあたりの適度な重さと強度の低さ。

・掘抜き井戸に適さない。

・ステンレス鋼やPVCに比べて高価。

スクリーンに用いる材質の構造強度について、クリープ現象による問題があげられる。例えば、ケーシングに連続的な荷重をかけるような長時間一定の圧力下に置くと、PTFEは塑性的に変形する。その際、掛けた圧力から開放された後も、変形した形状を保持する。そのためPTFEでスクリーンを作ると、開口部の一部、または全部を閉塞させる可能性がある。ただし、浅井戸で使用される場合、PTFEの圧縮に関する物理的な耐性は、塑性変形より高いとされる7), 8)。また、深井戸の場合は、構造強度の問題は比較的大きなスリットを用いることで軽減することが出来る。大きなスリットにより完全に閉塞することを避けることが可能である。また、PTFEに増量剤を添加することによりクリープ現象への耐性が増加し、スクリーン部分の変形を抑える効果が期待される。モニタリング井戸に用いるPTFEの長所と短所を表-4に示す9), 10)

2.3.2 金属材料

金属製の井戸ケーシングとスクリーンでは、特に炭素鋼、低炭素鋼、亜鉛めっき鋼、ステンレス鋼などがモニタリング井戸に使用されている。それらは、一般的に強度があり、曲げに強く、温度感受性が低い。金属材料の強度や曲げへの強さは、地下水モニタリング環境で遭遇する地表面下の条件に十分に耐えられる。反面、長期的に地球化学的な環境下にさらされ、腐食を起こす可能性がある。腐食は、化学作用による劣化や破損として現れる。ケーシング材料の腐食は、モニタリング井戸の設置寿命を短くし、更に地下水試料の分析値に影響を与える可能性がある。環境中での腐食の形体について下記に示す11)

  • 金属表面の酸化や錆びによって、表面の一様な破壊や穴あきを生じる。
  • 選択腐食(脱亜鉛現象)や合金の一つの元素の損失、構造的な弱体化を導く。
  • バイメタルの腐食は2つの異なる材質の結合部や結合部付近でガルバニ電池の形成により起こる(電食)。
  • 孔食や局部的な腐食は、金属表面の損失はほとんどない。
  • 応力腐食、または金属への高応力に誘発された腐食。

亜鉛めっきにより炭素鋼または低炭素鋼の腐食耐性が改善するが、地下水環境下ではその効果は短期間しか持たない。亜鉛めっき鋼が腐食することで生成する物質は、鉄、マンガン、亜鉛、微量のカドミウムである14)

地下水中に腐食生成物が存在すると、試料の化学的性質を変化される可能性が高い。腐食が起きた表面もまた、化学変化と吸着作用を起こす可能性がある。腐食生成物や腐食が起きた表面との相互作用により、地下水試料中に溶解した金属や有機化合物に著しい変化を起こす可能性がある13)。また、試料の採取前にパージを行ったとしても、試料に影響を与える要因を完全に取り去ることは難しいとされている12)。これらの所見により、モニタリング井戸への炭素鋼、低炭素鋼、亜鉛めっき鋼の使用には注意が必要である。

ステンレス鋼で井戸の材料として一般的に使用されているものは、タイプ304(以下、304SSと略記)とタイプ316(以下、316SSと略記)である。304SSは18%強の鉄と0.08%以下の炭素からなり13)、高い腐食耐性とコストの観点からもっとも実用的とされる(腐食耐性を与えているのはクロムとニッケル)。316SSは、組成的には304SSに似ているが、2~3%のモリブデンを含み、ニッケルを多く含有する。316SSは硫黄含有化合物や硫酸溶液への耐性が高い12)。また、還元状態では、304SSより316SSが優れている。

表-5 ステンレス鋼の長所と短所

長所短所

・広い温度範囲に対して、高い強度を有する。

・高開口率のスクリーンが可能。

・掘抜き井戸に適している。

・有機溶剤に耐性がある。

・有機化合物の収着の可能性が低い。

・微量な有機物のモニタリングには最適。

・化学変化、微生物による変化により腐食する可能性がある。

・陽イオン、陰イオンの吸着の可能性がある。

・地下水の試料への金属イオンの溶出の可能性がある。

 (鉄、クロム、ニッケル、マンガン)

・単位長さ当たりの重量が重い。

・304SSと316SSは、無機成分のモニタリングに適さない。

ステンレス鋼も、腐食環境に置かれると、腐食し、クロムやニッケルの脱着により試料の汚染をもたらす可能性がある。316SSは有機酸やハロゲン化物の溶液によって起こる孔食の影響を受けにくい12)。しかし、304SS、316SSともに、溶存酸素濃度の高い地下水にさらされると1~2日以内に錆び始めることが確認されている14), 15)。また、嫌気条件下で、硫酸還元菌がステンレス鋼の腐食を過剰に誘発する16)。ステンレス鋼の長所と短所を表-5に示す9), 10)

2.3.3 熱可塑性物質

熱可塑性物質は、加熱すると柔らかくなり、冷却すると硬くなる。そのため、成形が容易である。一般的なものとして、PVCやアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(以下、ABSと略記)があげられる。

PVCはPVC樹脂を、さまざまなタイプの安定剤、潤滑剤、顔料、増量剤、可塑剤、加工助剤とともに合成して出来る。添加剤の量を変えることにより、特殊な利用に応じた特性を持ったさまざまなPVCが出来る。米国で製造されているPVCの材質は、ASTM(米国材料試験協会)規格の仕様D-1785に従って分類されている17)。この規格は、ある特性(衝撃強度、引張強度、剛性、弾性係数、温度耐性、たわみ温度、化学薬品耐性)によって区分され、セルクラスによって分類されている。ASTM規格の仕様F-480では、水井戸用ケーシングパイプとネジ部を製造する際の基準寸法の割合を示している。PVC製井戸用ケーシングは、特定のセルクラスからのみ製造される。中でもPVC 12454-Bが多く利用され、PVC 12454-C、PVC 14333-CとDも利用されている18)

熱可塑性物質の分解、汚染物質の吸着、脱着に関する報告がある9)。脱着や化学分解による化学干渉の原因として、1) ケーシングは塩ビモノマーなどの塩基性モノマーから作られる。2) さまざまな添加剤がケーシングの製造時に使用されていることがあげられる。添加剤には、可塑剤、安定剤(ジメチル錫やジブチル錫のようなPVC熱安定剤など)、増量剤、顔料、潤滑剤がある。また、PVCにより吸着されるいくつかの化学物質の可能性についての報告もある9)。熱可塑性物質の長所と短所を表-6に示す9), 10)

表-6 熱可塑性物質の長所と短所

長所短所

・電解腐食と電食を起こさない。

・軽く、設置が容易。

・耐摩耗性の高さ。

・柔軟性があり、加工しやすく、切断や接合が容易。

・PTFEや金属製の井戸材に比べて安価。

・高開口率のスクリーンが可能。

・低濃度の有機/無機成分を対象としたモニタリングでは、妥当な選択。

・高濃度の有機溶剤(特に低分子量のケトン、アミン、アルデヒド、塩化アルカン、アルカン)に分解する。

・高い差圧に弱い。金属製の井戸材に比べて強度が劣る。

・高温にさらされると弱い。

・直射日光の紫外線や低温に長時間さらされると脆くなり、衝撃強度が徐々に失われる可能性がある。

米国国立衛生財団(以下、NSFと略記)は、PVCの化学成分に関して仕様を定めている(NSF規格14)19)。この仕様により、飲料用に用いるPVC製井戸用ケーシングの添加剤の量をコントロールしている。また、米国以外で製造されているPVCは、安定剤として鉛やクロムを含むものが存在し、それらが浸出する可能性がある。

3. まとめ

分析結果へ深刻な影響を与えないように井戸用ケーシングとスクリーンの材質を選定する必要がある。さまざまな物理的、化学的条件のもと、井戸用ケーシングの材料の選定方法を表-7に示す。

【参考文献】

1)

塩ビ工業・環境協会HP,「塩ビ用語について」http://www.vec.gr.jp/enbi/enbi5.html.

2)

下嵜かえで、小口文子、鹿角孝男、石原祐治(2012) : 長野県環境保全研究所研究報告 8:7-11: pp.7~11.

3)

Office of Solid Waste, U.S. Environmental Protection Agency (1992) : RCRA Ground-Water Monitoring: Draft Technical Guidance: pp.6-16~6-36.

4)

National Water Well Association and Plastic Pipe Institute (1981) : Manual on the Selection and Installation of Thermoplastic Water Well Casing. National Water Well Association, Worthington, Ohio: pp.64.

5)

Cole-Parmer Instrument Company of Chicago (1991~1992 catalog) : Chemical Resistance Chart.

6)

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7)

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8)

Du Pont, reference 1. TEFLON Fluorocarbon Resin: Mechanical Design Data. E.I. DuPont de Nemours & Co., Inc., Wilmington, Delaware: pp.60.

9)

Du Pont, reference 2. Cold Facts About “Cold-flow”. The Journal of TEFLON, Reprint no.39, E.I. DuPont de Nemours & Co., Inc., Wilmington, Delaware: pp.2.

10)

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11)

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12)

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13)

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14)

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15)

Hewitt, A.D (1989) : Leaching of Metal Pollutants from Four Well Casings Used for Ground-Water Monitoring. CRREL Special Report 89-32, U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, NH 03755-1290.

16)

Parker, L.V., A.D. Hewitt, and T.F. Jenkins (1990) : Influence of Casing Material on Trace-Level Chemicals in Well Water. Ground Water Monitoring Review, Vol. 10, No.2: pp.146-156.

17)

Lloyde, J.W. and J.A. Heathcote (1985) : National Inorganic Hydrochemistry in Relation to Ground Water: An Introduction. Clarendon Press, Oxford, England.

18)

American Society of Testing and Materials (ASTM)(1986) : Standard Specification for Poly (vinyl chloride)(PVC) Plastic Pipe, Schedules 40, 80, and 120. D1785, 1987 Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia: pp.89~101.

19)

American Society of Testing and Materials (ASTM)(1981) : Standard Specification for Thermoplastic Water Well Casing Pipe and Couplings Made in Standard Dimension Rations (SDR). F-480, 1987 Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia: pp.1028-1033.

20)

National Sanitation Foundation (1988) : National Sanitation Foundation Standard 1, Ann Arbor, MI: pp.65.

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