改性橡膠滲灌管性能分析研究

焦麗娜，史慶生，李鑫

（天津市水利科學(xué)研究院，天津300061）

改性橡膠滲灌管性能分析研究

焦麗娜，史慶生，李鑫

（天津市水利科學(xué)研究院，天津300061）

以一種新改性橡膠滲灌管為材料，與美國（USA）滲灌管進(jìn)行對比，通過對比試驗(yàn)方法研究滲灌管的滲水性能和力學(xué)性能。結(jié)果表明，在滲水性能方面自制改性滲灌管較USA滲灌管滲水均勻性好且在0.1 MPa下滲水均勻性最好，在力學(xué)性能方面自制改性滲灌管的抗拉伸破壞性能和抗壓扁性能均優(yōu)于USA滲灌管。

改性橡膠滲水管；水壓；滲水量；壓扁；拉伸

1 引言

滲灌是繼噴灌和滴灌之后，最初由美國于20世紀(jì)80年代中期開發(fā)成功的一項(xiàng)新型節(jié)水灌溉技術(shù)。滲灌管是一種在制造過程中通過擠出成型工藝，使管壁內(nèi)呈不規(guī)則的彎曲微細(xì)流道和管內(nèi)表面呈微孔結(jié)構(gòu)的灌溉用圓形管，灌溉水在通過圓形管輸水的同時(shí)通過管壁微孔及彎曲微細(xì)管道向壁外呈發(fā)汗?fàn)顫B水，濕潤其周圍土壤并滲透擴(kuò)散至作物根層，實(shí)現(xiàn)對作物灌溉的目標(biāo)。其具有節(jié)水、節(jié)能、省工、增產(chǎn)、改善土壤環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn)，在水資源短缺的國家和地區(qū)得到了一定范圍的應(yīng)用。

早在20世紀(jì)70年代，美國等西方國家開發(fā)出多孔橡塑滲灌管，使?jié)B灌技術(shù)應(yīng)用得到較快發(fā)展。20世紀(jì)90年代中期，中國北方一些地區(qū)先后引進(jìn)和開發(fā)了以廢舊輪胎橡膠和廢舊塑料為主要原料經(jīng)過塑化擠出生產(chǎn)橡塑滲灌管的工藝，從而推動(dòng)了滲灌技術(shù)在中國的應(yīng)用。但研究表明，橡塑滲灌管存在著滲水速率隨滲水時(shí)間不斷降低、滲水微孔發(fā)生堵塞現(xiàn)象、滲水均勻性較差、抗拉伸破壞性能差、易斷裂、彈性差、抗壓扁恢復(fù)能力弱等問題，嚴(yán)重影響著滲灌管的推廣應(yīng)用。

因此，筆者針對滲灌管在推廣應(yīng)用中存在的實(shí)際問題，重點(diǎn)對新型滲灌管材的滲水性能和力學(xué)性能進(jìn)行專題研究。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 滲灌管

本研究所用的滲灌管是以橡膠粉、聚乙烯為主料，氧化鋅、Ac發(fā)泡劑、炭黑等為輔料制作而成的，規(guī)格為外徑18.30 mm、內(nèi)徑12.60 mm。

經(jīng)過調(diào)研，目前市面上性能較好的滲灌管為美國的一款滲灌管，但由于其價(jià)格較高，國內(nèi)尚沒有大量引進(jìn)和推廣。筆者研制的改性滲灌管的滲水性能將與美國滲灌管進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

力學(xué)實(shí)驗(yàn)使用儀器有中國科學(xué)院長春科新試驗(yàn)儀器研究所研制的WD4050型電子萬能試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺、直尺。

滲水性能實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有流量測試臺、秒表、量筒。流量測試臺主要由增壓泵、壓力表及蓄水槽組成，可通過閥門控制水流從而控制壓力表讀數(shù)。測試臺結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 測試臺結(jié)構(gòu)

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）滲水性能實(shí)驗(yàn)。滲灌管水平安裝在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，尾部安裝壓力表測試滲水過程中管內(nèi)出水口的壓力。滲灌管用地下水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)應(yīng)在室溫自然干燥狀態(tài)下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前排除滲灌管內(nèi)殘留的水，檢查儀表讀數(shù)有無異常，滲灌管兩端水壓無明顯差異。

（2）力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。取3個(gè)試樣，長度均為100mm。將1個(gè)試樣固定在拉力試驗(yàn)機(jī)上下夾具內(nèi)，逐漸施加拉力至其斷裂，并記錄至其斷裂的最大拉力；壓扁實(shí)驗(yàn)首先將第1個(gè)試樣平放于兩壓板間，以壓縮速度20 mm/min對試樣施加負(fù)荷200 N，測量試樣尺寸，取出試樣使其恢復(fù)至內(nèi)徑不再變化。待其呈開放狀態(tài)后，測量試樣直徑。分別做3組后取平均數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 滲水性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 流量均勻性

考慮到農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉用水實(shí)際使用壓力（0.4 MPa以下），隨機(jī)截取本滲灌管和USA滲灌管各5根、每根長為100 cm的滲灌管，分別在0.05、0.1、0.2、0.3、0.4 MPa的水壓下通水5 min，對這10根滲灌管進(jìn)行滲水量測定，測試結(jié)果見表1—2。

表1 改性滲灌管滲水量隨壓力測試數(shù)據(jù)L/h

表2USA滲灌管滲水量隨壓力測試數(shù)據(jù)L/h

圖2 改性滲灌管滲水均勻性與壓力變化關(guān)系

圖3USA滲灌管滲水均勻性與壓力變化關(guān)系

由圖2可知，自制滲灌管在0.1 MPa出水口壓力下，滲水量曲線波動(dòng)最小，方差為0.306 4，滲水最均勻。由圖3可知，USA滲灌管在0.1 MPa出水口壓力下，滲水量曲線波動(dòng)最小，方差為1.184，滲水最均勻，但兩者相比較還是自制滲灌管滲水量更均勻。因此，本滲灌管的最佳工作壓力為0.1 MPa。

3.1.2 隨時(shí)間延長滲水量的變化

考慮到灌水定額及農(nóng)業(yè)灌溉用水開泵時(shí)間為10 h/d，因此該實(shí)驗(yàn)設(shè)定時(shí)間為12 h。上面實(shí)驗(yàn)表明，滲灌管在0.1 MPa工作壓力下滲水量最均勻，因此該實(shí)驗(yàn)選定0.1 MPa工作壓力。在上述條件下，觀察每個(gè)小時(shí)滲水量的變化，對不同型號滲灌管進(jìn)行滲水量測定。測試結(jié)果，見表3。

表3 滲水量隨時(shí)間延長變化測試數(shù)據(jù)

圖4 滲水量隨時(shí)間延長變化

由圖4可知，2種滲灌管的滲水量均隨著時(shí)間的延長而衰減，USA滲灌管的衰減從1～12 h滲水量變化量為14 L/h，改性滲灌管的衰減從1～12 h滲水量變化量為3.6 L/h，因此改性滲灌管的滲水量衰減程度較USA滲灌管平緩。

3.2 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 抗拉伸破壞性能

滲灌管的抗拉伸破壞性能嚴(yán)重影響滲灌管的使用，取改性滲灌管和USA滲灌管各3組，在測試機(jī)上將其拉伸至斷裂，兩滲灌管的抗拉伸破壞性能對比見表4。

表4 改性滲灌管和USA滲灌管抗拉伸破壞性能對比

由表4可以看出，3組改性滲灌管的斷裂最大力分別為384.58、360.83、375.42 N，明顯高于USA滲灌管的斷裂最大力；而改性滲灌管的變形率平均為30.36%，低于USA滲灌管的72.00%。因此，可以得出改性滲灌管的抗拉伸破壞能力強(qiáng)于USA滲灌管的抗拉伸破壞能力的結(jié)論。

3.2.2 抗壓扁性能

滲灌管必須埋在土壤里，須承受一定的壓力，一般滲灌管在土壤中所承受的壓力不會超過200 N，所以滲灌管的抗壓變性能與恢復(fù)性能即彈性性能對于滲灌管的日常使用與推廣尤為重要。分別選取3組長度為80 mm的改性滲灌管和USA滲灌管，測量改性滲灌管外徑18.30 mm、內(nèi)徑12.60 mm，USA滲灌管外徑13.73 mm、內(nèi)徑8.03 mm，進(jìn)行滲灌管在200 N壓力下的壓扁實(shí)驗(yàn)，測量變形直徑。2種滲灌管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表5。

表5 改性滲灌管和USA滲灌管的壓扁實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5可以看出，在200 N的壓力下，改性滲灌管內(nèi)徑變化率Cd1均高于USA滲灌管的內(nèi)徑變化率，說明改性滲灌管的彈性性能好于USA滲灌管。當(dāng)撤去壓力待滲灌管恢復(fù)至內(nèi)徑不再變化時(shí)，此時(shí)改性滲灌管的內(nèi)徑變化率Cd2平均為2.22%，USA滲灌管平均為3.99%，由此可以得出改性滲灌管的恢復(fù)性能好于USA滲灌管的結(jié)論。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）隨水壓增大，滲灌管滲水量增大幅度越來越大。自制改性滲灌管滲水量在0.1 MPa水壓下滲水最均勻，因此該滲灌管的最佳工作壓力設(shè)為0.1 MPa。

（2）自制滲灌管與USA滲灌管對比，其滲水均勻性要好于USA滲灌管。

（3）由于橡膠滲灌管吸水膨脹細(xì)微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其在滲水初期的滲水速率較大。隨著滲水時(shí)間的延長，其滲水速率逐漸減小，最終趨于相對平穩(wěn)。

（4）USA滲灌管的滲水量衰減程度較自制改性滲灌管大，改性滲灌管的滲水量衰減程度較平緩。

（5）改性滲灌管的抗拉伸破壞能力強(qiáng)于USA滲灌管，斷裂最大力高于USA滲灌管，伸長率低于USA滲灌管。

（6）在200 N的壓力下，改性滲灌管的彈性性能好于USA滲灌管。當(dāng)撤去壓力待滲灌管恢復(fù)至內(nèi)徑不再變化時(shí)，改性滲灌管的恢復(fù)性能也好于USA滲灌管。

4.2 建議

自制改性滲灌管在滲水量均勻性、抗拉伸破壞、壓扁恢復(fù)中取得一定進(jìn)步，但水質(zhì)要求、抗阻塞問題尚未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，建議可通過在水源處加裝過濾裝置、在管材入水口增大水流的瞬時(shí)壓力和采取反沖洗等方式改善和解決水質(zhì)、管道阻塞的問題，提高滲灌管的使用壽命。

TV93；S275.9

A

1004-7328（2016）06-0057-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.018

2016—09—20

天津市水務(wù)局2014年科研項(xiàng)目（KY2014-16）

焦麗娜（1982—），女，碩士，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉研究工作。