第九章　如何選擇井管材質？

井管的材質對井體使用時間具決定性的影響

　　井管（well casing）是井體最主要的部份。無論是地下水觀測井或是生產井，井管的使用壽命，常是影響井體使用時間的最大限制因子。根據英國「水研究中心」（Water Research Center）的研究報告顯示在1990年調查非洲烏干達的地下水補助用水，所開鑿430口地下水井，在30年以後75％的井已經破壞，不能夠再供為抽水補助民生之用，這些井體破壞主要的原因之一，是井管材質的選用不當，加上缺乏維護井管的技術，以致對於烏干達地區的乾旱與飢荒現象，水井並沒有發揮減輕災害的功能。

　　井管使用的目的，在使地面上的井口，可以直接接通到地下水水面，藉此採水或是馬達抽水。地下水也可以透過礫石圈，經過井管的濾水層進入井體。所以井管不僅是地表面與地下水面相通的孔道，也是長期與水－礦物－空氣接觸的界面結構。因此這些自然的環境因子，都會影響井管本身材質，如果井管材質容易因此而改變，則稱為材質不穩定（unstable）。不穩定的井體材質，在承受力的負荷時，具有遞減的負面效果，容易造成井體破裂或變曲，因此在設置井體時，必須選擇合適的井體材質。

由地下水質判斷井管材質

　　根據「國際水井學會」（National Water Well Association）在1989年所出的報告「地下水監測井的設計與建置實際建議手冊」（Handbook of Suggested Practical for the Design and Installation of Ground-Water Monitoring Wells），對井管材質選定的建議是沒有通面性的法則，祗有針對單一井體選擇井管材質的原則，這樣的建議是合理的，因為在田間影響井管材質穩定性的因子很多。

　　這些因子有地質、水質、井深、施工方法、使用時間、經濟考慮與未來鑽井方法等。很遺憾的是，田間實際操作大多是已決定井管材質在先，再作其水質分析，以致井管材質設置在後可能面對的衝擊無法預先知道。瑞典地質系的教授林達布雷－其西（Lindblad-Passe）在1989年，調查瑞典南部在冬天時，使用地下水當做房間暖氣系統的井體問題，發現這在1980年代初期使用的水井，在使用不到十年，許多井體都已呈現阻塞的問題，尤其是在通過砂石層（sandstone）的地下水。當水中的鐵濃度超過2mg/l時，會因抽地下水，造成抽水機擾動地下水流，使更多氧氣進入地下水中，以致地下水中的Fe⁺²，被氧化成Fe⁺³，造成氧化鐵Fe(OH)₃的沈澱，阻塞井體。有一些地下水中含鐵濃度更高達13～21mg/l，甚至在井體抽水後一年不到，即造成嚴重淤塞，即使經常性的洗井，仍無法進行正常之運作。這些有鐵阻塞的井，除了是含Fe⁺²濃度愈高之外，地下水的氧化還原電位皆大於150mv，在小於150mv的地下水中，沒有發現井體有鐵垢的現象。

　　在該地區，部份井中地下水氧化還原電位小於150mv，雖然沒有鐵垢的問題，卻在井體使用後不到一年，井中呈現濃黑、膠黏、惡臭的硫化氫，造成井體的腐蝕，這些含硫化氫的地下含水層，大多是含石灰石，與含古時海底下淤積物組成，如貝殼化石等，所以有機物含量多，在氧氣充足時呈高濃度的SO₄^-2，但是地下水氧氣不足時，則成硫化氫H₂S。根據這些問題井體的研究結果，林達布雷－其西提出在考慮井體放置時，先由地下水質分析判斷，井體將來會面對何種問題去選擇井體材質與濾水層位置，比日後考慮用何種方法清除腐蝕或阻塞更重要，這更證明地下水質是選用井管材質最重要考慮的因素之一。

由井深判斷井管材質

　　井深度是考慮井管材質另一個重要的因子。井管材質必須有足夠的強度才能承受週圍地質的側向土壓力，與地下含水層的靜水壓力。如果井管材質無法承受這些壓力，井體就易塌陷，加速井體淪為廢井。在二十世紀以前，大部份的井是淺井，所使用的井體材質大部份是石頭、木頭或磚造，主要的組成份都是天然物，材質穩定，不易變質與老化腐蝕，惟井設置所承受壓力不大，這些井體使用幾百年，井不會的淤塞、腐蝕或塌陷。

　　1900年初期，鑿井工程才開始大量使用非天然材質，如金屬鐵管，後來高分子聚合物興起，聚乙烯與鐵氟龍更加入新的井體材質選擇。這些材料，尤其是金屬材質能承受更大的壓力，故一躍為井體材質的主要材料，但是這些材質並非十全十美，反而造成深井長期使用上的問題，甚至有時不如早期的材料持久。

井管材質受力特性與楊氏彈性係數

　　井管材質所要承受的壓力最重要的是井管材質本身分裂的強度，這稱為材質的抗延展性（tensile strength）。抗延展性是一種材料在延長上的方向，物質不分裂的最大拉力，抗延展性是物質強度的重要特性。早在十七世紀，大物理學家虎克（Robert Hooke）就提出這種物質承受外力的表示法，當時他稱之為應力（stress）。應力(S)為單位物體面積(A)所承受的力(F)：

                   ................................................................................................ (9-1)

　　應力的單位，一般表示為MN/m²，即單位平方公尺所承受百萬牛頓（meganewtons）的力。物質在承受應力時，在原有長度(L)上所改變的距離(△L)，可以以應變（strain）(ε)之，應變為在受應力情況，物質沿著受力方向長度的改變比值：

                   .............................................................................................. (9-2)

應變無單位。十八世紀初期，英國的科學家楊（Thomas Young）以一個係數表示應力與應變的關係，稱為楊氏彈性係數（Young’s modulus），(Y)：

                   ..............................................................................................  (9-3)

　　楊氏彈性係數的單位為MN/m²。一個物質在受應力影響消失後，物質可以恢復原來的長度，稱為塑性（elastic），在塑性範圍之內，一個物質的Y值是定值，Y值愈大代表物質在承受應力之下，其改變的長度愈小，表示該物質愈剛硬(stiffness)。一般井體常用鐵為金屬材料，是因為鐵的Y值為210,000MN/m²，而聚乙烯材料的Y值才200MN/m²。

井管接頭需要注意焊接施工的原因

　　抗延展性是物質破裂或被分開所承受的應力，故又稱為破裂應力（fracture stress）

                   抗延展性＝..................................................................... (9-4)

　　其中，(9-4)式中的c是在物質破裂的臨界情況（critical condition）。鐵的抗延展性為400～1500MN/m²，聚乙烯的抗延展性為6MN/m²，鐵的抗延展性為其楊氏彈性係數的0.19～0.71％，即鐵管祗要延展0.71％以上長度，就會破裂（crack），而聚乙烯延展3％以上的長度才會破裂。這一特性，使得井管施工時需要非常注意其井管接頭（casing joints）的加熱處理，不適當的加熱焊接井管，對於聚乙烯材質的井管影響較小。因為有3％長度的安全延展性，具有較大的可塑性。但是在鐵管則祗有0.7％長度的安全延展性，在焊接時很容易造成過度延伸，而破壞井體結構，因此一個井管材質抗延展性最弱的部份是在接頭的部份。

軟弱地質與深井需要採用金屬鐵管的原因

　　在地質愈不穩定的地方，井管材質抗延展性需要愈高，因為地質的微小變動，都會對井管造成擠壓，增加井管的表面積，產生延展性。因此這種地方需要採用材質較剛硬的鐵管或不鏽鋼管，在井體愈深的地方或是井孔尺寸愈大的井體，井管被擠壓的可能性愈高，愈需要採用金屬性的鐵管材質。金屬性鐵管材質較聚合物，如聚乙烯、或鐵氟龍剛硬的原因，與材質分子結構的聚合力有關。鐵的聚合力強，不易自結構體中受力崩離，因此其材質的抗延展性也較高。

破裂井體材質的物理原因

　　根據「國際水井學會」在1981年提出因著受力的影響有使井體材質破壞，如下八點：

1. 當地下含水層的水壓，比水井中的水壓高時，井管內外的水壓不同，造成井體受壓力過大，無法承負而破裂。

2. 地質結構的不穩定，以致井體受力不均，而產生局部井體破裂。

3. 填充濾料的速度過快造成井體周圍濾料的不均，使得井管材質受力不均而破裂。

4. 礫石級配的不當，以致礫石細質粒的流失，井管在缺乏支撐摩擦力而破裂，這種情況也可能因為抽水過速時而產生。

5. 在灌水泥漿或封井時，太重的水泥漿也可能造成井體破壞。在水泥漿冷卻過程中會散出水化熱（heat of hydration），也會造成井體受熱而延伸，產生破壞性的應力。

6. 抽水過速，使得井中水位的劇然降低，造成過大的水壓低，而使井體破裂。

7. 洗井時噴頭（jetting）壓力過大，或是局部洗井在某一深度時，不同井深井體的受力不均而破壞。

8. 井體孔的偏斜不正。

避免井體材質破裂的施工時

　　為了避免這些情況，在井體維護上，需要注意：

1.井體保持通直，與乾淨。

2.在井體週圍填充濾料時必須均勻且速度必須緩慢。

3.在使用聚乙烯井管材質時，避免使用釋放高溫的水泥。

4.在填入封水層時，使用放出低水化熱的bentonite。

5.洗井時，注意井中水位不應降低過多。

由經濟因素判斷井體材質

　　判斷井體材質的五個因素，除了使用時間、地下水質、井址地質與施工條件之外，就是經濟因素。不同的井管材質，價格差別很多。在有限的經費之下，比較昂貴的井管材質有時成為井體建造中必須的取捨，但是需要特別注意的是，經濟是一時之慮，工程是長年大計，不該為經濟條件而取不當之井管材質，造成日後工程品質之劣化。而常用的井管材質如下：

1.金屬材質：包括鑄鐵、鍍鋅鋼、不鏽鋼-304與不鏽鋼-316。

2.熱塑材質：聚乙烯。

　　不同材質的價格不用，所使用的時間、適合的水質、地質與施工的條件也皆不同。目前國際上沒有公式或是既定規格去判斷，「必須」使用那一種井體材質。而在判斷單一井址，要以所知的水質、地質、施工去作綜合性判斷最佳井管材質選擇。

金屬鑄鐵井管材質

　　鑄鐵（cast iron）是井體材質中最早使用的金屬物質，其成份是以鐵為主，另加添2～4％的碳與1～3％的矽、鑄鐵的價格，比不鏽鋼便宜，而且又有足夠的抗延展強度，故廣為工程所使用。台灣早期的深水灌溉井亦大多以鑄鐵為主。有微量的碳可以改變鐵晶體的強度，使得鑄鐵有比純鐵更高的負荷強度。

　　鑄鐵適用於暴露在空氣中的工程設施，能夠在時乾時濕的空氣中有較低的腐蝕性，但是長期浸泡水中的情況下，鑄鐵變得容易被腐蝕，其井中容易有紅色的鐵鏽（rust），這是鐵自鑄鐵管中溶解而出，形成的氫氧化鐵或氧化鐵。

鍍鋅鋼井管材質

　　鍍鋅鋼（zinc-coated galvanized steel）主要是用在具有腐蝕性的空氣中，如通風管、門把、烤肉架、鐵欄柵、鐵釘等。鍍鋅是在鋼的表面容易被腐蝕的鋅鍍上金屬，在腐蝕的情況下，鋅等於被犧牲。但是如果地下水井採用鍍鋅鋼材質時，由於長期浸置在水中，尤其是在強腐蝕性情況鋅容易被腐蝕而流失。尤其在井管焊接時，高溫焊接很容易使低熔點的鋅流失。

　　鍍鋅鋼另一個容易遭受腐蝕的地方是井的濾水孔，那是井管材質最脆弱，與地下水接觸面積最多，抽水時最為容易被濾料磨損的部位。但是由於鍍鋅鋼井管材質較為便宜，仍被廣泛的使用。

　　鍍鋅鋼井管材質適合在深井與較大口徑的井體中，但是不適合使用在腐蝕的地下水中。Driecoll 1986年在「地下水與井體」（Groundwater and Wells）一書中對於腐蝕性的地下水，有定量性的敘述，他寫道：「具有腐蝕性的地下水是有如下的水質特性：

1.pH < 7.0－具有潛在性的腐蝕；

2.氧溶解濃度 > 2mg/l－具有潛在性的腐蝕；

3.硫化氫濃度 > 1mg/l－具有嚴重性的腐蝕；

4.總溶解固形物（Total Dissolved Solids, TDS）濃度 > 1000 mg/l－具有嚴重性的腐蝕；

5.溶解二氧化碳（CO_2(aq)）的濃度 > 50mg/l－具有潛在性的腐蝕；

6.氯（chloride, Cl^-）的濃度 > 500 mg/l－具有潛在性的腐蝕。」

不鏽鋼井管材質

　　在具有腐蝕性的地下水中，Barcelona and Helfrich (1988)建議最適用的井管材質是不鏽鋼，具有最好的抗腐蝕性，與長期的抗壓性。不鏽鋼是在金屬鐵中含有鉻。在腐蝕情況下低鉻金屬表面的鐵溶解速率減緩，這種現象稱之為金屬的非活性化（passive）。這是早在1840年代，歷史上最傑出的實驗物理學家法拉第（Michael Faraday）首先發現的。如今不鏽鋼已經有很多種，其中最常見的有二種：Type 304與Type 316的不鏽鋼。Type 304不鏽鋼是含有18～20％的鉻，8～12％的鎳與72％的鐵，碳的含量必須低於0.08％。Type 316不鏽鋼是含有16～18％的鉻、10～14％的鎳、與2～3％的鉬。Type 316不鏽鋼，含鉬的優點是可以耐600℃以上的高溫，大部分是用在高溫溫泉、高壓地下管路，或強酸性高溫溫泉的井體中，這兩者都是最優秀的井管材質。但是值得注意的是，在強腐蝕性的地下水中，如果在老舊的不鏽鋼井體中，發現能夠檢測出的鉻、鎳、鉬重金屬濃度，則是不鏽鋼井管也有腐蝕之慮。

聚氯乙烯井管材質

　　聚氯乙烯（又稱為PVC）是一種高分子的有機聚合物，其分子式為(C₂H₃Cl)_n，分子量在60,000～150,000，屬於高密度的硬塑膠，材質密度為1.406，因此會沉入水中，這在井體材質是很重要的考量，密度太輕的材質，將來會被水浮上，改變井體高度，破壞井體結構。

　　聚氯乙烯是廉價，形狀可塑性高，耐腐蝕的物質。但是對於溫度敏感，在高溫的情況會軟化，祗有保持在常溫的情況才會堅硬，因此又稱為熱塑（thermoplastic）材質。使用聚氯乙烯為井管材質時，在井管的焊接部份，需要特別的注意，溫度過高將是造成井管扭曲、變形。

　　聚氯乙烯井管材質在未使用前，需要放在陽光不能直曬的地方。因為材質對於紫外線非常敏感，容易老化，祗要略為施力即破裂，因此聚氯乙烯井管使用為井體時，接觸地面的部份絕對不能讓陽光直曬，需加套管或有水泥建物隔絕陽光。除了易受紫外線影響外，聚氯乙烯是耐久使用的材質，而且不易與硫化氫起反應，在高腐蝕性的淺井中，尤為適用。

　　聚氯乙烯井管材質最大的缺點，是其抗延展性強度較弱，在深井或在水壓力較大的受壓含水層中使用容易破裂。因此使用聚氯乙烯為井管者大多是淺井，或是井管口徑較小的監測井。如果地下水監測井兼使用為地下水質的監測使用，就要注意聚氯乙烯對於有機質吸附作用，會使得一些環境檢測上因有毒有機物吸著聚氯乙烯井管材質表面的吸附，而使檢測濃度偏低。聚氯乙烯的另一個缺點是不耐低溫，在較寒冷的山區、或是緯度較高地區，地下水溫較低的地方，聚氯乙烯容易脆化，不適合為井體材質。

　　聚氯乙烯尤其也適用在地下水受海水入侵的地方。一般有海水的地方，其受總溶解鹽類影響，金屬材質的腐蝕速率會增加到400倍以上，但是對聚氯乙烯的影響性小。雖然聚氯乙烯有抗腐蝕性，仍有受氧化鐵淤塞的顧慮。在有石油污染的地區，其地下水監測井也不適合以聚氯乙烯為井管材質，因為石油會分解聚氯乙烯，惟目前對多少的石油濃度會溶解聚氯乙烯材質，仍不清楚。除了石油之外，有些有機物如雜酚油對於聚氯乙烯也有溶解性。雜酚油是多種有機酚溶劑的混合液，經常用於殺蟲劑，除臭劑的配製，淋洗至地下水中則會溶解部份的聚氯乙烯井體材質，尤其在垃圾掩埋場的聚氯乙烯井管因此而被破壞，故無論是地下水生產井或是觀測井，需距垃圾掩埋場一般距離。

　　聚氯乙烯的種類很多，在其製造過程加入不同比例的可塑劑與穩定劑，與所含的雜質，都會影響成為井體材質後的使用期限。聚氯乙烯是會有幾個mg/l的濃度溶解在水中，Curran (1983)年分析聚氯乙烯地下水井管，發現微量的2,4,6-三硝基甲苯（2,4,6-Trinitrotolouene），2,4-二硝基甲苯（2,4-dinitrotoluene）會溶於地下水中釋出。

總結

　　由此看來在淺井或小口徑的深井，在經濟上的考慮，可以使用聚氯乙烯井管材質。在深井，而且地下水質無污染或腐蝕的情況，可以使用鍍鋅鋼或鑄鐵井管材質。在有腐蝕性的地下水中，與期待長期使用的水井或觀測井，宜使用不鏽鋼井管材質。

參考文獻

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