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）滲灌管進行對比，通過對比試驗方法研究滲灌管的滲水性能和力學性能。結果表明，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80年代中期開發成功的一項新型節水灌溉技術。滲灌管是一種在制造過程中通過擠出成型工藝，使管壁內呈不規則的彎曲微細流道和管內表面呈微孔結構的灌溉用圓形管，灌溉水在通過圓形管輸水的同時通過管壁微孔及彎曲微細管道向壁外呈發汗狀滲水，濕潤其周圍土壤并滲透擴散至作物根層，實現對作物灌溉的目標。其具有節水、節能、省工、增產、改善土壤環境條件等優點，在水資源短缺的國家和地區得到了一定范圍的應用。

早在20世紀70年代，美國等西方國家開發出多孔橡塑滲灌管，使滲灌技術應用得到較快發展。20世紀90年代中期，中國北方一些地區先后引進和開發了以廢舊輪胎橡膠和廢舊塑料為主要原料經過塑化擠出生產橡塑滲灌管的工藝，從而推動了滲灌技術在中國的應用。但研究表明，橡塑滲灌管存在著滲水速率隨滲水時間不斷降低、滲水微孔發生堵塞現象、滲水均勻性較差、抗拉伸破壞性能差、易斷裂、彈性差、抗壓扁恢復能力弱等問題，嚴重影響著滲灌管的推廣應用。

因此，筆者針對滲灌管在推廣應用中存在的實際問題，重點對新型滲灌管材的滲水性能和力學性能進行專題研究。

2 實驗材料與方法

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發泡劑、炭黑等為輔料制作而成的，規格為外徑18.30 mm、內徑12.60 mm。

經過調研，目前市面上性能較好的滲灌管為美國的一款滲灌管，但由于其價格較高，國內尚沒有大量引進和推廣。筆者研制的改性滲灌管的滲水性能將與美國滲灌管進行對比實驗。

2.2 實驗設備

力學實驗使用儀器有中國科學院長春科新試驗儀器研究所研制的WD4050型電子萬能試驗機、游標卡尺、直尺。

滲水性能實驗設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。測試臺結構，如圖1所示。

圖1 測試臺結構

2.3 實驗方法

（1）滲水性能實驗。滲灌管水平安裝在實驗設備上，尾部安裝壓力表測試滲水過程中管內出水口的壓力。滲灌管用地下水進行實驗，實驗應在室溫自然干燥狀態下進行，實驗前排除滲灌管內殘留的水，檢查儀表讀數有無異常，滲灌管兩端水壓無明顯差異。

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

3 結果與分析

3.1 滲水性能實驗結果與分析

3.1.1 流量均勻性

考慮到農業節水灌溉用水實際使用壓力（0.4 MPa以下），隨機截取本滲灌管和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根滲灌管進行滲水量測定，測試結果見表1—2。

表1 改性滲灌管滲水量隨壓力測試數據L/h

表2USA滲灌管滲水量隨壓力測試數據L/h

圖2 改性滲灌管滲水均勻性與壓力變化關系

圖3USA滲灌管滲水均勻性與壓力變化關系

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 隨時間延長滲水量的變化

考慮到灌水定額及農業灌溉用水開泵時間為10 h/d，因此該實驗設定時間為12 h。上面實驗表明，滲灌管在0.1 MPa工作壓力下滲水量最均勻，因此該實驗選定0.1 MPa工作壓力。在上述條件下，觀察每個小時滲水量的變化，對不同型號滲灌管進行滲水量測定。測試結果，見表3。

表3 滲水量隨時間延長變化測試數據

圖4 滲水量隨時間延長變化

由圖4可知，2種滲灌管的滲水量均隨著時間的延長而衰減，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 力學性能實驗結果與分析

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于USA滲灌管的抗拉伸破壞能力的結論。

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、內徑12.60 mm，USA滲灌管外徑13.73 mm、內徑8.03 mm，進行滲灌管在200 N壓力下的壓扁實驗，測量變形直徑。2種滲灌管實驗數據，見表5。

表5 改性滲灌管和USA滲灌管的壓扁實驗數據

由表5可以看出，在200 N的壓力下，改性滲灌管內徑變化率Cd1均高于USA滲灌管的內徑變化率，說明改性滲灌管的彈性性能好于USA滲灌管。當撤去壓力待滲灌管恢復至內徑不再變化時，此時改性滲灌管的內徑變化率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性能好于USA滲灌管的結論。

4 結論與建議

4.1 結論

（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微結構發生改變，其在滲水初期的滲水速率較大。隨著滲水時間的延長，其滲水速率逐漸減小，最終趨于相對平穩。

（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。當撤去壓力待滲灌管恢復至內徑不再變化時，改性滲灌管的恢復性能也好于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、壓扁恢復中取得一定進步，但水質要求、抗阻塞問題尚未進行實驗研究，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壓力和采取反沖洗等方式改善和解決水質、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

天津市水務局2014年科研項目（KY2014-16）

焦麗娜（1982—），女，碩士，高級工程師，主要從事農業節水灌溉研究工作。