不同類型滴灌帶的爆破壓力試驗(yàn)研究

張紀(jì)圓，胡文軍，鄧明旭，趙經(jīng)華，王 蓬，阿布都拉江·艾麥爾，阿卜力海提·吾舒爾，莫敏·麥合木提

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆巴州若羌縣紅棗科技服務(wù)中心，新疆 巴州 841800)

近年來隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的大力發(fā)展，在西北、華北和南方得到廣泛應(yīng)用，全國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展進(jìn)入跨越式階段[1]。滴灌的灌溉方式慢慢取代了傳統(tǒng)的漫灌方式，其影響力被稱為第三次農(nóng)業(yè)革命[2]。滴灌作為高效節(jié)水、節(jié)肥和增產(chǎn)增收的一種灌溉技術(shù)，在節(jié)水灌溉發(fā)展的過程中非常重要，滴灌帶在滴灌系統(tǒng)中是重中之重[3]，它的優(yōu)劣和使用成本直接影響滴灌工程質(zhì)量和效益[4]。隨著這項(xiàng)新技術(shù)的運(yùn)用與發(fā)展，隨之而來的問題也越來越多，如滴灌帶在使用中出現(xiàn)破裂、爆管、土壤濕潤不均勻或滴水孔堵塞等，均給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，因此滴灌帶的性能試驗(yàn)也得到了越來越多的關(guān)注[5-8]。其中滴灌帶爆破試驗(yàn)是最基本的強(qiáng)度試驗(yàn)。若使用爆破壓力不合格的產(chǎn)品，在輸水灌溉時(shí)容易出現(xiàn)爆管，造成農(nóng)田局部淹沒，嚴(yán)重時(shí)農(nóng)田全部被水淹沒，不但浪費(fèi)水資源，還會造成農(nóng)作物被澇死[9]。

灌溉水源有地下水和地表水之分，尤其是地下水，抽上來水溫很低，本試驗(yàn)以內(nèi)鑲貼片式滴灌帶為研究對象，探討溫度變化對不同參數(shù)滴灌帶的爆破壓力的影響，常溫常壓下滴頭流量的均勻性。測定滴灌帶的爆破壓力，有利于掌握產(chǎn)品的最大壓力限度值，從而提高產(chǎn)品性能、灌水質(zhì)量和減少投資，為用戶提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)于2019年11月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院農(nóng)水大廳實(shí)驗(yàn)室。選取3種內(nèi)鑲貼片式滴灌帶產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，內(nèi)鑲貼片式滴灌帶相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 滴灌帶規(guī)格

設(shè)備：滴頭和滴灌管(帶)水力性能試驗(yàn)臺。

試驗(yàn)項(xiàng)目包括：環(huán)境溫度下耐靜水壓試驗(yàn)；高溫下耐靜水壓試驗(yàn)；流量均勻性試驗(yàn)；壓力與流量關(guān)系試驗(yàn)；爆破壓力試驗(yàn)；還可進(jìn)行“壓力損失與流量關(guān)系試驗(yàn)”。主要系統(tǒng)是兩部分組成，即硬件和軟件控制。其中，硬件部分由各個(gè)試驗(yàn)裝置組成，全套設(shè)備的特點(diǎn)表現(xiàn)為耐腐蝕、壽命長。軟件控制部分由各種電子設(shè)備構(gòu)成，通過電腦對采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

查GB∕T19812.3-2017塑料節(jié)水灌溉器材第3部分：內(nèi)鑲式滴灌管及滴灌帶的資料如下。

爆破壓力：非復(fù)用型滴灌帶式樣的瞬時(shí)爆破壓力應(yīng)不小于2倍的額定工作壓力。

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

內(nèi)鑲貼片式滴灌帶A、B、C分別在15、23、30、37、45 ℃的情況下測定各個(gè)爆破壓力；在23±2 ℃和正常壓力情況下，測定各類型滴灌帶的流量均勻性。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 滴灌帶爆破壓力

在高溫試驗(yàn)箱中，將試樣依次與試驗(yàn)裝置相連，向試樣內(nèi)充水時(shí)排盡空氣，在增加壓力直到試樣破裂，讀取試樣的瞬時(shí)爆破壓力值為試驗(yàn)結(jié)果，每種滴灌帶做5次重復(fù)。

1.3.2 滴灌帶流量均勻性

使用滴灌管(帶)、滴頭水力性能綜合測試裝置，將試樣水平懸吊在試驗(yàn)裝置上，滴頭朝下，向試樣內(nèi)充水時(shí)排盡空氣，在增加加壓至額定工作壓力并至少保持3 min，測量并記錄每個(gè)滴水孔的出水量，出水時(shí)間為3 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型滴灌帶爆破壓力

滴灌帶爆破壓力指滴灌帶在充滿壓力水時(shí)并持續(xù)加壓下，管壁承受的壓力超過屈服強(qiáng)度并使材料發(fā)生破壞的極限荷載[1]。如表2所示，3種內(nèi)鑲貼片式滴灌帶爆破壓力在各個(gè)溫度下均高于2倍的額定工作壓力，產(chǎn)品合格。滴灌帶的爆破壓力值總體趨勢是隨著溫度的升高在降低，直至37 ℃。滴灌帶最終破壞所需時(shí)間的趨勢一樣，與爆破壓力值的大小呈正比關(guān)系。在15 ℃時(shí)，滴灌帶的爆破壓力最大，用時(shí)最長；溫度升至37 ℃時(shí)，爆破壓力值最低，用時(shí)短，之后又隨溫度的升高爆破所需時(shí)間又延長。37 ℃是一個(gè)分水點(diǎn)，由于管材為熱塑型塑料，水溫引起管材升溫，拉拔伸長率增大管材所承受的荷載增大。隨著溫度的變化滴灌帶爆破壓力值的顯著差異各不相同。A型滴灌帶：23 ℃的爆破壓力值與37 ℃、45 ℃有顯著性差異，與15 ℃、30 ℃無顯著性差異。B、C型滴灌帶：23 ℃的爆破壓力值與15 ℃、37 ℃、45 ℃有顯著性差異，與30 ℃無顯著性差異。由以上可得，溫度變化影響滴灌帶爆破壓力值的大小。

同一溫度不同滴頭間距下，內(nèi)鑲貼片式滴灌帶A和C相比，爆破壓力值A(chǔ)均高于C，兩者各溫度對應(yīng)的差值在81～92 kPa之間，最大差值在23 ℃，相差91.5 kPa；最小差值在30℃，相差81.1 kPa。滴頭間距對滴灌帶爆破壓力的大小影響巨大，滴頭間距大承受的爆破壓力值大。同一溫度不同滴頭流量下，滴灌帶A和B相比，爆破壓力值A(chǔ)大于B，兩者各溫度對應(yīng)的差值在52～71 kPa之間，最大差值在23℃，相差70.93 kPa；最小差值在15 ℃，相差52.66 kPa。滴頭流量對滴灌帶爆破壓力的大小影響較大，滴頭流量大的滴灌帶所承受的爆破壓力值越大。由此可得，滴灌帶參數(shù)的不同影響滴灌帶爆破壓力值的大小。

表2 爆破壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

注:表中同一類型不同字母表示不同溫度間差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同類型滴灌帶的流量均勻性

滴灌帶在生產(chǎn)時(shí)因制造工藝和不同材料等因素，不可避免地會造成偏差。在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中若偏差過大，產(chǎn)品就不能滿足流量均勻度的要求[10]。如表3采用美國ASAE的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)在同等的壓力下進(jìn)行流量均勻性測定的流量偏差系數(shù)。

流量的均勻度主要是檢測滴灌帶的灌水器對水流分布的均勻性，有兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行確定，平均流量相對于額定流量的偏差率(C)和滴水孔流量的變異系數(shù)(CV)[11]。如表4流量均勻性，由公式(1)～(4)得出，內(nèi)鑲貼片式滴灌帶B的每一組平均流量都沒有達(dá)到1.38 L/h，滴灌帶A和滴灌帶C均有一組沒有達(dá)到3 L/h。各類滴灌帶的偏差率(C)都在±7%的范圍內(nèi)；流量的變異系數(shù)(CV)大部分都小于7%，滴灌帶B和滴灌帶C各有一組大于7%。由表3和4可以看出，A型滴灌帶的流量均勻性最好，其次是C型，均小于5為優(yōu)等；則B型的等級為良好。

表3 ASAE推薦的執(zhí)照偏差分級標(biāo)準(zhǔn)

表4 流量均勻性

2.3 不同類型滴灌帶的破裂形式

如圖1、2、3均為爆破試驗(yàn)中滴灌帶破裂試樣。圖1破裂的位置發(fā)生在進(jìn)水口處或者最末端。圖2破裂的位置是發(fā)生在進(jìn)水口處或者最末端有折痕的位置，觀察發(fā)現(xiàn)是直接撕裂，裂縫整齊。在產(chǎn)品加工過程中由于壓輪壓力過大引起，壓力過大造成滴灌帶壓痕邊沿受到過大的剪切力，使材料內(nèi)部破壞，試壓時(shí)就會從此處開裂。圖3破裂的位置是在滴灌帶長度的1/3處，處在滴頭中間的位置，裂縫整齊，壓力過大造成。滴灌帶A破裂后，試樣大部分為圖3的形式。滴灌帶B破裂后，大部分表現(xiàn)為圖2的形式。滴灌帶C破裂后，試樣表現(xiàn)為圖1和圖3的形式。

圖1 破裂形式1

圖2 破裂形式2

圖3 破裂形式3

3 結(jié) 論

(1)爆破試驗(yàn)中，各類滴灌帶隨著溫度的升高，各瞬時(shí)爆破壓力值在減小，與爆破壓力呈負(fù)相關(guān)；溫度至37 ℃后爆破壓力值又增大。由此可知溫度對滴灌帶爆破壓力值的大小有影響。

(2)爆破試驗(yàn)中，相同溫度不同滴頭間距下，滴頭間距越大滴灌帶承受的爆破壓力也越大；相同溫度不同滴頭流量下，滴頭流量越大承受的爆破壓力也越大；滴頭間距和滴頭流量的大小與爆破壓力呈正相關(guān)。

(3)常溫常壓下流量均勻性試驗(yàn)得到內(nèi)鑲貼片式滴灌帶A、B和C的流量均勻性均合格。