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ダクタイル鋳鉄管は、飲料水の輸送と配水に一般的に使用されるダクタイル鋳鉄製のパイプです。[ 1 ]このタイプのパイプは、以前の鋳鉄管を直接発展させたものであり、以前の鋳鉄管に取って代わりました。[ 1 ]
パイプの製造に使用されるダクタイル鋳鉄は、鉄内部の黒鉛が球状または結節状であるという特徴があります。[ 2 ]通常、パイプは金属または樹脂ライニングの型で遠心鋳造を使用して製造されます。 [ 3 ]腐食を抑制するために、ダクタイル鋳鉄パイプには保護用の内張りや外面コーティングがよく施されます。標準的な内張りはセメントモルタルで、標準的な外面コーティングには、結合亜鉛、アスファルト、または水性塗料が含まれます。腐食性の高い環境では、パイプを覆うための緩いポリエチレンスリーブ（LPS）も使用されることがあります。
保護されていないダクタイル鋳鉄管の寿命は、土壌の腐食性に依存し、土壌の腐食性が高い場所では短くなる傾向がある。[ 4 ]しかし、適切に設置されたLPS（ポリエチレン被覆）の使用を含む「進化した敷設方法」を使用して設置されたダクタイル鋳鉄管の寿命は100年を超えると推定されている。[ 5 ] [ 6 ] ダクタイル鋳鉄管の環境影響に関する研究では、排出量と消費エネルギーに関して異なる結果が出ている。米国で製造されたダクタイル鋳鉄管は、持続可能性への市場変革研究所によって持続可能な製品として認証されている。[ 7 ] [ 8 ]
ダクタイル鋳鉄管のサイズは、管径または公称直径（フランス語の略称DN）と呼ばれる無次元量で表されます。これは、おおよそ管の内径をインチまたはミリメートルで表したものです。ただし、継手や接続部の互換性を維持するため、肉厚の変化に関わらず管の外径は一定に保たれます。そのため、内径は公称サイズから大きく変動することがあります。
パイプの寸法は、米国では相互に互換性のないAWWA C151（米国慣用単位）、ヨーロッパではISO 2531 / EN 545/598（メートル法）、オーストラリアとニュージーランドではAS/NZS 2280（メートル法）に標準化されています。メートル法、ヨーロッパ規格、オーストラリア規格は互換性がなく、同じ公称直径のパイプでも寸法は大きく異なります。
米国では、公称パイプサイズは3 インチから64インチまで 、少なくとも1インチ刻みで変化し、米国AWWA C-151 に従って標準化されています。
ヨーロッパの配管は、 ISO 2531 およびその派生規格であるEN 545 (飲料水) と EN 598 (下水) に準拠して標準化されています。ヨーロッパの配管は、内張り後の内径が公称直径とほぼ一致するようにサイズが決められています。ISO 2531 は、古いドイツの鋳鉄管との寸法互換性を維持しています。しかし、互換性のない帝国規格 BS 78 を使用していた古いイギリスの配管は、新しく設置された配管に接続する際にアダプター部品が必要です。偶然にも、イギリスがヨーロッパの配管規格に統一されたのは、ダクタイル鋳鉄への移行とほぼ同時期であったため、鋳鉄管はほぼすべて帝国規格、ダクタイル鋳鉄管はメートル規格となっています。
その他の欧州規格では、より専門的な製品に関する仕様が規定されています。
EN 15655:2009 – ダクタイル鋳鉄管、継手及び付属品 – 管及び継手用ポリウレタン内張り – 要求事項及び試験方法
EN 877:1999/A1:2006 – 建物からの排水用鋳鉄管及び継手、その接合部及び付属品 – 要求事項、試験方法及び品質保証
CEN/TR 15545:2006 – EN 545の使用ガイド
CEN/TR 16017:2010 – EN 598の使用ガイド
EN 877:1999 – 建物からの排水用鋳鉄管及び継手、それらの接合部及び付属品 – 要求事項、試験方法及び品質保証
EN 877:1999/A1:2006/AC:2008 – 建物からの排水用鋳鉄管及び継手、その接合部及び付属品 – 要求事項、試験方法及び品質保証
EN 598:2007+A1:2009 – 下水道用途のダクタイル鋳鉄管、継手、付属品及びそれらの接合部 – 要求事項及び試験方法
EN 12842:2012 – PVC-UまたはPE配管システム用ダクタイル鋳鉄継手 – 要求事項および試験方法
CEN/TR 16470:2013 – 上下水道用途におけるダクタイル鋳鉄管システムの環境面
EN 14628:2005 – ダクタイル鋳鉄管、継手および付属品 – 管の外部ポリエチレン被覆 – 要求事項および試験方法
EN 15189:2006 – ダクタイル鋳鉄管、継手及び付属品 – 管の外部ポリウレタンコーティング – 要求事項及び試験方法
EN 14901:2014 – ダクタイル鋳鉄管、継手および付属品 – ダクタイル鋳鉄製継手および付属品のエポキシコーティング（高耐久性） – 要求事項および試験方法
EN 969:2009 – ガスパイプライン用ダクタイル鋳鉄管、継手、付属品及びそれらの接合部 – 要求事項及び試験方法
EN 15542:2008 – ダクタイル鋳鉄管、継手及び付属品 – 管用外部セメントモルタルコーティング – 要求事項及び試験方法
EN 545:2010 – 水道管用ダクタイル鋳鉄管、継手、付属品及びそれらの接合部 – 要求事項及び試験方法
EN 14525:2004 – 異なる材質のパイプに使用するためのダクタイル鋳鉄製広公差カップリングおよびフランジアダプタ：ダクタイル鋳鉄、ねずみ鋳鉄、鋼、PVC-U PE、繊維セメント
オーストラリアとニュージーランドのパイプは、AS / NZS [ 9 ] 2280 という独立した規格に基づいてサイズが決められており、同じ名称が使われているにもかかわらず、ヨーロッパのパイプとは互換性がありません。
オーストラリアは早い段階で英国の鋳鉄管規格BS 78を採用したが、英国がISO 2531を採用してこの規格が廃止された際、ヨーロッパと同様に調和するのではなく、外径は変更せずに製造の継続性と後方互換性を確保するために、ヤード・ポンド法からメートル法への「緩やかな」変換を選択し、AS/NSZ 2280として発行した。そのため、ライニングされた管の内径は公称径と大きく異なり、水力計算には管規格に関する特別な知識が必要となる。
ダクタイル鋳鉄管の各部材は、フランジ、カップリング、または何らかのスピゴットとソケットの組み合わせによって接合される。
フランジは、パイプの端に取り付けられた平らなリングで、別のパイプの同等のフランジと嵌合します。2つのフランジは、通常、フランジに開けられた穴に通されたボルトで固定されます。嵌合するフランジの隆起面の間には、通常、エラストマー製の変形可能なガスケットが配置され、シールを提供します。フランジは、パイプのサイズや圧力要件の寸法のばらつき、および独立した規格開発のために、多数の仕様に基づいて設計されています。米国では、フランジはパイプにねじ込まれるか溶接されます。ヨーロッパ市場では、フランジは通常パイプに溶接されます。米国では、フランジは標準的な125 ポンドボルトパターンと250 ポンド（およびそれ以上）のボルトパターン（スチールボルトパターン）で入手可能です。どちらも通常、250 psi （1,700 kPa ）の定格です。フランジ継手は剛性があり、引張と圧縮の両方に耐えることができ、限定的なせん断と曲げにも耐えることができます。また、組み立て後に分解することもできます。接合部の構造が硬く、過度の曲げモーメントが発生する危険性があるため、フランジ付き配管は埋設しないことを推奨します。
水道業界で現在使用されているフランジ規格は、米国ではANSI B16.1、欧州ではEN 1092、オーストラリアとニュージーランドではAS/NZS 4087である。
スピゴットとソケットは、通常のパイプ端部であるスピゴットを、別のパイプまたは継手のソケットまたはベルに挿入し、ソケット内で両者の間にシールを形成するものです。通常のスピゴットとソケットの接合部では、金属同士が直接接触することはなく、すべての力が弾性シールを介して伝達されます。そのため、ある程度の屈曲と回転が可能となり、パイプがずれて土壌の動きによって生じる応力を緩和することができます。当然のことながら、拘束されていないスピゴットとソケットの接合部では、パイプの軸方向に圧縮力や張力がほとんど伝達されず、せん断力もほとんど伝達されません。したがって、曲がり部、T字管、またはバルブには、拘束された接合部、あるいはより一般的には、力を圧縮力として周囲の土壌に伝達するスラストブロックが必要となります。
ソケットとシールには数多くの種類が存在する。最も現代的なのは「プッシュジョイント」または「スリップジョイント」と呼ばれるもので、ソケットとゴムシールは、潤滑剤を塗布した後、パイプのスピゴットをソケットに押し込むだけで接続できる設計になっている。プッシュジョイントは依然として特許技術である。また、ロック式ガスケットシステムも利用可能である。このロック式ガスケットシステムでは、パイプを押し込むことはできるが、ガスケットに特殊な工具やトーチを使用しない限り、ジョイントを外すことはできない。
初期の蛇口とソケット式の鋳鉄管は、ソケットに水、砂、鉄粉、塩化アンモニウム（塩化アンモニウム）の混合物を充填することで接合されていました。ガスケットリングを蛇口の周りのソケットに押し込み、混合物をコーキングツールでソケットに叩き込んでから、先端を塞ぎました。この混合物が固まるまでには数週間かかりましたが、完全に強固な接合部ができました。このような配管システムは、19世紀の教会の暖房設備によく見られます。
1950年代後半、鋳鉄に比べて強度が高く、耐食性も同程度であるダクタイル鋳鉄管が市場に導入されました。[ 10 ] 2004年の調査によると、50年以上にわたる試験結果、現場検査、運用状況に基づくと、ダクタイル鋳鉄管の耐用年数は100年と見込まれています。[ 11 ] 2012年、米国水道協会は、米国の水道管の全国的な分析に基づき、良質な土壌または「進化した敷設方法」を使用してより腐食性の高い土壌に設置されたダクタイル鋳鉄管の耐用年数は最大110年と推定されると報告しました。[ 5 ]
ほとんどの鉄系材料と同様に、ダクタイル鋳鉄は腐食を受けやすく、そのためその耐用年数は腐食の影響に左右されます。[ 1 ]ダクタイル鋳鉄管では、腐食は2つの方法で発生する可能性があります。1つは黒鉛化で、腐食によって鉄分が溶出することで管の構造が全体的に弱くなります。もう1つは腐食孔食で、これはより局所的な影響で、管の構造を弱める原因となります。[ 10 ]
過去 100 年間、鉄管の平均厚さは、冶金技術の進歩と鋳造技術の改善により金属強度が増加したため減少しました。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
腐食によって配管が破損する可能性は、土壌の腐食性によって大きく左右されます。腐食性の高い土壌に保護されていない配管は、寿命が短くなる傾向があります。[ 4 ]適切な保護なしに腐食性の高い環境に設置されたダクタイル鋳鉄管の寿命は、21～40年です。[ 6 ] [ 15 ]ポリエチレンスリーブの使用を含むダクタイル管の腐食抑制方法を導入することで、腐食性土壌が配管に及ぼす影響を制御し、腐食を軽減できます。[ 6 ]
米国では、米国規格協会と米国水道協会が、ダクタイル鋳鉄管を腐食の影響から保護するためにポリエチレンスリーブの使用を標準化している。[ 3 ] [ 16 ]カナダ国立研究評議会の研究者による2003年の報告書では、ポリエチレンスリーブの「良好な性能と不良な性能の両方」が報告されていると指摘されている。[ 10 ]しかし、ダクタイル鋳鉄管研究協会のフロリダ試験場で行われた研究では、腐食環境にさらされたコーティングされていないパイプと比較して、緩いポリエチレンスリーブで覆われたパイプは「優れた状態」であることがわかった。[ 6 ]
2005年に実施された1,379本のパイプサンプルのメタ分析に基づくと、緩いポリエチレンスリーブは腐食の軽減に非常に効果的であることがわかった。分析の結果、ポリエチレンスリーブが効果的な腐食制御を提供しないことが判明した唯一の環境は、「極めて過酷な」環境、つまりまれではあるが非常に腐食性の高い環境であった。この分析では、このような「極めて過酷な」環境では37年の寿命が期待できることがわかった。[ 6 ]
国際標準化機構（ISO）規格に基づいて製造されたパイプは、腐食防止のために通常亜鉛でコーティングされています。より腐食性の高い土壌の場合は、亜鉛コーティングされたパイプの上にポリエチレンスリーブを取り付けて、さらに保護を強化します。[ 10 ] [ 17 ]
陰極防食は腐食防止にも使用でき、腐食性土壌中のパイプに対しては、外部誘電体コーティングに加えて腐食防止エンジニアによって推奨される傾向がある。[ 10 ] [ 18 ]
米国の技術者や水道当局は、さまざまなコーティングや陰極防食の使用について意見が分かれている。すべての防食方法について、結果はまちまちである。しかし、これは、局所的な土壌の腐食性や温度の変動の影響、または設置中に発生した損傷によって、防食コーティングの有効性に影響が生じる可能性があるためである。[ 10 ] [ 18 ]
ダクタイル鋳鉄管は、製造時に施されるライニングのおかげで、飲料水や腐食性の低い下水の内部腐食に対して非常に高い耐性を持っています。腐食生成物が管の内壁に付着する結節は、腐食性水に対する物理的および化学的な障壁となるセメントモルタルライニングによってほぼ完全に解消されています。[ 19 ]最初のセメントライニング鉄管は、1922年にサウスカロライナ州チャールストンに設置され、2022年に市のインフラの定期改修で本管が交換されるまで100年間、自由に流れるサービスを提供しました。
ポリウレタンは、セメントモルタルの代わりにダクタイル鋳鉄管の内張り材として提供されるオプションです。しかし、PURは受動的な保護しか提供しないため、取り扱いおよび設置中にコーティングが損傷しないことが極めて重要になります。メーカーは、PURコーティングが保護されるように、厳格な取り扱い、輸送、および設置手順を指定します。パイプが変形した場合でも、ポリウレタンの弾性により、状況によってはコーティングが損傷せずに済むことがあります。腐食専門家
ポリウレタンコーティングは1972年に初めて使用されました。 他のコーティングと比較して、内部のポリウレタンライニングは、飲料水、廃水、脱塩水、工業用水、ガスなどの様々な媒体、さらには硫酸などの腐食性溶液に対しても高い耐性を示します。
ポリウレタンは溶剤を含まない熱硬化性プラスチックであり、三次元的に連結した分子構造により機械的安定性を有しています。内部コーティングに使用されるポリウレタンライニングは、EN 15655:2009（ダクタイル鋳鉄管、継手および付属品－管および継手用内部ポリウレタンライニング－要求事項および試験方法）によって標準化された以下の標準特性を有しています。
水処理用途におけるライニング材として主流なのは、製造工程で遠心分離によって塗布されるセメントモルタルである。セメントモルタルは、セメントと砂を1：2～1：3.5の比率で混合したものである。飲料水用にはポルトランドセメントが用いられ、下水用には耐硫酸塩セメントまたは高アルミナセメントが一般的に使用される。
セメントモルタルライニングは、内部腐食を劇的に低減することが分かっています。DIPRAの調査によると、セメントライニングのヘーゼン・ウィリアムス係数は130～151の範囲に維持され、経年劣化による低下はわずかです。
鋳鉄と同様に、保護されていないダクタイル鋳鉄は、すべての土壌ではないものの、ほとんどの土壌において本来的に腐食に強い耐性を持っています。しかしながら、土壌の腐食性に関する情報が不足している場合が多く、埋設管の耐用年数を延ばすために、ダクタイル鋳鉄管は一般的に1つ以上の外部コーティングで保護されています。米国とオーストラリアでは、緩いポリエチレンスリーブが好まれています。ヨーロッパでは、ポリエチレンスリーブと併用して、仕上げ層で覆われた亜鉛コーティングを直接接着する、より高度なシステムを使用することが規格で推奨されています。
ルーズポリエチレンスリーブは、腐食性の高い土壌での使用を目的として、1951年に米国でCIPRA（1979年以降はDIPRA）によって初めて開発されました。1950年代後半には米国で広く採用され、1965年には英国で、1960年代半ばにはオーストラリアで初めて使用されました。ルーズポリエチレンスリーブ（LPS）は、信頼性と有効性が実証された、今日でも最も費用対効果の高い腐食防止方法の一つです。
LPSは、継手のベル部を含め、パイプを完全に覆うポリエチレン製の緩いスリーブで構成されています。このスリーブは、いくつかのメカニズムによって腐食を抑制します。スリーブはパイプを土壌粒子から物理的に分離し、直接的なガルバニック腐食を防ぎます。また、スリーブは地下水に対する不透過性のバリアを提供することで、ダクタイル鋳鉄表面への酸素の拡散を抑制し、腐食を促進する電解質の利用可能性を制限します。さらに、パイプ表面に沿って均質な環境を提供することで、腐食がパイプ全体に均一に発生するようにします。スリーブはまた、硫酸還元細菌を支える可能性のある栄養素の利用可能性を制限し、微生物誘発腐食を抑制します。LPSは完全に水密になるように設計されているのではなく、パイプ表面への水の出入りを大幅に制限するように設計されています。[ 20 ]スリーブの下、パイプ表面に接触している水は急速に脱酸素化され、栄養素が枯渇し、それ以上の腐食が限定される安定した環境を形成します。地下水の自由な流れを許容し続ける不適切に設置されたスリーブは、腐食抑制に効果的ではありません。
ポリエチレン製スリーブは、様々な材質で入手可能です。現在最も一般的な材質は、厚さ8ミル（200μm ）の線状低密度ポリエチレン フィルムと、厚さわずか4ミル（100μm）の高密度クロスラミネートポリエチレンフィルムです 。後者は、補強層（スクリム）で補強されている場合とされていない場合があります。
ポリエチレンスリーブには制限があります。ヨーロッパでは、土壌抵抗率が自然土壌で 750 Ω/cm 未満の場合、亜鉛とエポキシの保護コーティングを追加せずに使用することは推奨されていません。抵抗率が 1500 Ω/cm 未満で、パイプが地下水位と同じかそれより下に設置されている場合、追加の人工土壌汚染物質や特に迷走電流がある場合、亜鉛とエポキシのコーティングに加えて使用することが推奨されます。[ 20 ]ポリエチレンは紫外線による劣化に弱いため、スリーブまたはスリーブ付きパイプは日光に当てて保管すべきではありませんが、スリーブに含まれるカーボン顔料はある程度の限定的な保護を提供できます。
ポリエチレン製スリーブは、国際的にはISO 8180、米国ではAWWA C105、英国ではBS 6076、オーストラリアではAS 3680およびAS 3681に基づいて標準化されています。
ヨーロッパとオーストラリアでは、ダクタイル鋳鉄管は通常、亜鉛コーティングの上に瀝青、ポリマー、またはエポキシ仕上げ層を重ねて製造されます。EN 545/598では、亜鉛含有量が200 g/m 2（純度99.99%）以上、仕上げ層の平均厚さが70 μm以上（局所的な最小値は50 μm）以上と規定されています。AS/NZS 2280では、亜鉛含有量が200 g/m 2（純度99.99%で局所的な最小値は180 g/m 2）以上、仕上げ層の平均厚さが80 μm以上と規定されています。
ダクタイル鋳鉄管用の接着コーティング（亜鉛、コールタールエポキシ、鋼管に見られるテープ巻きシステム）に関する現在のAWWA規格はなく、DIPRAは接着コーティングを推奨しておらず、AWWA M41は一般的にそれらを好ましくないものと見ており、陰極防食と併用する場合のみ使用することを推奨している。[ 21 ]
米国では一般的に亜鉛めっきは用いられません。ダクタイル鋳鉄管を設置する前に保護するため、代わりに 厚さ1ミル（25μm）のアスファルト系コーティングを施した状態で供給されます。このコーティングは、設置後の保護を目的としたものではありません。
水性パイプコーティングは、ダクタイル鋳鉄管の内径と外径に塗布される環境に優しいコーティング剤です。内外からの腐食を防ぎ、製品を汚染からも保護します。このコーティング剤は、主にアスファルテンと水から製造されるエマルジョンで、その他の原材料は製造元の仕様に従って配合されます。
これらは1990年代初頭に登場し、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、その他の揮発性有機化合物などの危険で環境に有害な溶剤をベースとした塗料に取って代わった。
米国では、ダクタイル鋳鉄管研究協会がダクタイル鋳鉄管の製造業者を代表しています。同協会は、ダクタイル鋳鉄管の強度、リサイクル性、ライフサイクルコストをPVCなどの代替製品と比較し、公益事業（上下水道）におけるダクタイル鋳鉄管の使用に関する研究と促進を行っています。[ 22 ] [ 23 ]米国の業界は、全米パイプ製造業者協会によっても代表されています。[ 24 ]米国以外では、ダクタイル鋳鉄管業界は、欧州ダクタイル鋳鉄管システム協会などの協会によって支援されています。[ 25 ]
2008年の金融危機後、水道管業界全体としては、自治体が水道本管の交換を延期し、新築住宅建設が減少したため、米国での売上が減少した。[ 26 ]フリードニア・グループが2011年に発表したレポートによると、2008年の危機からの経済回復により、大口径パイプ市場におけるダクタイル鋳鉄の市場シェアが拡大する可能性が高い。[ 27 ]
先進国におけるダクタイル鋳鉄管は通常、スクラップ鋼や再生鉄などの再生材料のみから製造される。[ 28 ] [ 29 ]パイプは使用後にリサイクルできる。[ 30 ]
環境への影響という点では、いくつかの研究がダクタイル鋳鉄管の環境への影響を他の管材の影響と比較している。[ 31 ] 1995年のJescharらの研究では、公称直径100mmから500mmの管を基準として、コンクリート、ダクタイル鋳鉄、鋳鉄、PVCなどのさまざまな材料の管の製造で発生するエネルギー使用量と二酸化炭素（ CO2 ）排出量を比較した。ダクタイル鋳鉄管の製造で消費されるエネルギーは1kgあたり19.55MJ 、製造中に放出される排出量は1kgあたり1.430kg CO2であったのに対し、 PVC管ではエネルギーが1kgあたり68.30MJ、排出量が1kgあたり4.860kg CO2 、同じ直径のコンクリート管ではエネルギーが1kgあたり1.24MJ、排出量が1kgあたり0.148kg CO2であった。 [ 32 ]
翌年、化学環境研究所による別の研究でも同様の結果が得られた。ただし、この研究ではパイプの寿命も考慮に入れた。この研究では、延性鋳鉄管は寿命が長いため、製造時に消費されるエネルギーと発生する排出量の点で環境性能が向上していることがわかった。[ 31 ] 2012年8月にDuらが発表したより最近の研究では、延性鋳鉄、PVC、高密度ポリエチレン（HDPE）、コンクリートなど、水道管や廃水管に使用される6種類の材料についてライフサイクル分析を行った。直径が24インチ以下の場合、製造、輸送、設置時の排出量に基づくと、延性鋳鉄管の「地球温暖化係数」が最も高いことがわかった。直径が30インチ以上の場合、延性鋳鉄管の「地球温暖化係数」は低かったが、PVCが最も高かった。[ 33 ]
Kooらによる2008年の研究によると、ダクタイル鋳鉄管はHDPE管やPVC管と比較して天然資源の枯渇への影響が最も低かった。[ 30 ]
2012年11月、米国で製造されたダクタイル鋳鉄管は、持続可能性への市場変革研究所から持続可能な製品として認証を受けた。[ 7 ] [ 8 ]
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