水道配水用ポリエチレン管路の 100 年寿命の確立－耐塩素水性寿命に関する報告－
○栗山
山本
鎗水
斉藤

卓 （山形大学大学院）
祐司（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）
隆良（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）
聡 （配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）

水川 賢司 (配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会)
栗尾 浩行 (配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会)
中田 賢太郎（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）
広田 久男 （配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）

１．はじめに水道配水用ポリエチレン管路の 100 年寿命確立に必要な「基本的な考え方」および「評価スキーム」を昨年度提案した 1）．その検証データには，継続して得られるものを含んでおり，今回は，その中の「耐塩素水性」について報告する．
２．耐塩素水性の定義および当協会の管仕様「耐塩素水性」は，1978 年頃に，一部の都市において単層ポリエチレン管（PE50 以下）布設後，数年以上経過した埋設配管の内面に水泡が発生し，稀な例として水接面管壁が薄片状に剥離した問題に由来する 2)．原因の一つとして，管材料に配合されたカーボンブラックによることが明らかにされた．以降，当協会の管仕様は，接水面にカーボンブラックを含有しないものとし，1997 年に制定された日本水道協会規格 JWWA K144（水道配水用ポリエチレン管）及び JWWA K145（水道配水用ポリエチレン管継手）の性能規定項目「耐塩素水性」に関わる「規定条件での水泡発生がないこと」を満足しており，現在まで同種の問題はまったく発生していない．ここでは，100 年寿命確立のため，塩素水による水泡発生時間寿命を再検討し，現行の管体（PE100 HDPE）の持つ「耐塩素水性」性能を明らかにし，加えて長期的に塩素水の影響を受けた管の水質に与える影響等を評価した．
なお，使用条件は，塩素濃度を 1ppm，使用温度 20℃を基準とした．
３．塩素水による水泡発生時間の予測（無負荷状態）
３－１．試験方法
供試管は協会加盟のＡ社のものを用いた．
表１ 水泡発生時間の測定条件
試験は JWWA K144 に準拠し，約 50mm の濃度 N (ppm) 絶対温度 T (K) 水泡発生時間 t (hr)
試験片を 2 個切り採り，24 時間毎に新しく70℃=343K調整した pH6.5±0.5 の塩素濃度 N (ppm) を
3000
60℃=333K
各条件サンプル数2000変えた供試水に漬け，試験温度 T (K)を変え1000
2個40℃=313Kた時の管表面の水泡発生時間 t (hr)を求めた．
500
20℃=293K
表１に，塩素濃度 N および試験温度 T 試
験条件を示した.
３－２．水泡発生寿命式
水泡発生速度 k(=1/ t)は，以下の(1)式に示す一段の反応速度式に従うことが判明した．
 ∆H k = A* N n exp− RT (1)

ここで A*,n は定数，∆H (kJ/mol)はみかけの活性化エネルギー，R=8.31447(J/Kmol)はガス定数である．
これより，水泡発生寿命式として(2)式が得られた．
log(t) = C1 + C2 ⋅1+C 3log(N )T(2)

図１ A 社管の耐塩素水性能(水泡発生時間と予測)

ここで，各係数は，C1 =-7.898，C2 =4396,および C3 =-0.8500 となる．

水道配水用ポリエチレン管路の 100 年寿命の確立－耐塩素水性寿命に関する報告－

３－３．試験結果及び考察
塩素水濃度と水泡発生時間との関係を(2)式より得られる 97.5%信頼下限線とともに図１に示した．
これらの関係より使用条件を塩素濃度 1ppm，使用温度 20℃とすると，供試管（A 社管）は，早ければ 464 万時間(529 年*，97.5%信頼下限値)に水泡が発生することが予測される．また，協会に加盟する他メーカの管の水泡発生寿命は（2）式の結果に良く合うことも確認されている．これらの推定寿命から，1992 年時の LLDPE 製二層管の水泡発生推定寿命の 270 万時間（約 300 年* 母平均値）
2)に比較し，現行の協会仕様である HDPE 製管の「耐塩素水性」は少なくとも 170％以上高性能化していることがわかる．
４．塩素水による水泡発生時間の予測（応力負荷状態）
４－１．試験方法
水泡発生は応力負荷に影響される．その効果を見るため，3-1 で用いた試験片を室温下で治具により強制的に扁平させた負荷試験片と無負荷試験片を，それぞれ，試験温度 60℃，塩素濃度 2000 (ppm)の条件の浸漬により水泡発生時間を調べた．なお，初期扁平時の曲げ歪(εb)は 11.3%となり，PE100材の降伏歪(εy=8%)を超え試験片は弾塑性状態にある．
４－２．試験結果及び考察
表２ 試験結果（水泡発生時間）
無負荷品と負荷品の水泡発生時間を表２に示Ａ社管
Ｂ社管した．また，Ａ社管試験片は，水泡発生後の治無負荷品
負荷品
無負荷品
負荷品
具解放により約 3％の弾性ひずみ回復があり，360hr
192hr
360hr
360hr
浸漬中の応力負荷が確認された．結果が示すよ
発生なし
うに，ポリエチレン管の降伏歪を超える弾塑
性状態においても， JWWA 規格(168hr 水泡発生なし) の耐塩素水性を満足する．また，応力負荷効果を単純比例関係と仮定した場合，弾塑性状態において，A 社管でも 230 年以上の耐塩素水性寿命があることが推定される．
５．長期的に塩素水の影響を受けた管の水質に及ぼす影響
５－１．試験方法
塩素水濃度 2000ppm，60℃，で 168hr 浸漬したサンプルを用い， JWWA K144（水道配水用ポリエチレン）の溶出試験を実施した．
５－２．試験結果
耐塩素水性試験 168hr 後に水泡に発生はなく，表３に示した溶出試験結果が得られた．
表３ 耐塩素水性評価試験後の溶出試験結果
項目
規格値結果判定①味異常でないこと
異常なし
JWWA Z 110:2004 付属書 17(規定)②臭気異常でないこと
異常なし
JWWA Z 110:2004 付属書 18(規定)③色度
0.5 度以下
0.5 度未満JWWA Z 110:2004 付属書 19(規定)④濁度
0.2 度以下
0.1 度未満JWWA Z 110:2004 付属書 20(規定)⑤有機物
0.5mg/l 以下
0.3mg/l 未満
JWWA Z 110:2004 付属書 35(規定)⑥残留塩素の減量 0.7mg/l 以下
0.1mg/l 未満
JWWA Z 110:2004 付属書 4(規定)５－３．考察2000ppm，60℃，168hr は，加速比の関係より 1ppm，20℃で 217 万 hr(247 年)に相当すると予測される．したがって，100 年以上の間，塩素水に浸漬されたポリエチレン管においても、水質基準に影響を与える管材料変化は無いものと考えられる．
６．まとめ
現行のポリエチレン管（PE100 HDPE）の持つ「耐塩素水性」性能（塩素水による水泡発生時間寿命）を検討した結果，LLDPE 製二層管と比べて，170%以上高性能であり，無負荷状態および弾塑性負荷状態で，それぞれ 500 年以上及び 200 年以上の性能寿命があることが推定できた．また，100年間，塩素水に浸漬された管でも水質基準に影響を与える管材料変化は無いと考えられる．
参考文献
1）「水道配水用ポリエチレン管路の 100 年寿命の確立」栗尾（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）他：
第 62 回全国水道研究発表会講演集，pp394-395(2011)
2)「水道用ポリエチレン二層パイプ」日本ポリエチレンパイプ工業会：合成樹脂 Vol.28 No.6
pp14,(1992)