改性橡胶渗灌管性能分析研究

焦丽娜，史庆生，李鑫

（天津市水利科学研究院，天津300061）

改性橡胶渗灌管性能分析研究

焦丽娜，史庆生，李鑫

（天津市水利科学研究院，天津300061）

以一种新改性橡胶渗灌管为材料，与美国（USA）渗灌管进行对比，通过对比试验方法研究渗灌管的渗水性能和力学性能。结果表明，在渗水性能方面自制改性渗灌管较USA渗灌管渗水均匀性好且在0.1 MPa下渗水均匀性最好，在力学性能方面自制改性渗灌管的抗拉伸破坏性能和抗压扁性能均优于USA渗灌管。

改性橡胶渗水管；水压；渗水量；压扁；拉伸

1 引言

渗灌是继喷灌和滴灌之后，最初由美国于20世纪80年代中期开发成功的一项新型节水灌溉技术。渗灌管是一种在制造过程中通过挤出成型工艺，使管壁内呈不规则的弯曲微细流道和管内表面呈微孔结构的灌溉用圆形管，灌溉水在通过圆形管输水的同时通过管壁微孔及弯曲微细管道向壁外呈发汗状渗水，湿润其周围土壤并渗透扩散至作物根层，实现对作物灌溉的目标。其具有节水、节能、省工、增产、改善土壤环境条件等优点，在水资源短缺的国家和地区得到了一定范围的应用。

早在20世纪70年代，美国等西方国家开发出多孔橡塑渗灌管，使渗灌技术应用得到较快发展。20世纪90年代中期，中国北方一些地区先后引进和开发了以废旧轮胎橡胶和废旧塑料为主要原料经过塑化挤出生产橡塑渗灌管的工艺，从而推动了渗灌技术在中国的应用。但研究表明，橡塑渗灌管存在着渗水速率随渗水时间不断降低、渗水微孔发生堵塞现象、渗水均匀性较差、抗拉伸破坏性能差、易断裂、弹性差、抗压扁恢复能力弱等问题，严重影响着渗灌管的推广应用。

因此，笔者针对渗灌管在推广应用中存在的实际问题，重点对新型渗灌管材的渗水性能和力学性能进行专题研究。

2 实验材料与方法

2.1 渗灌管

本研究所用的渗灌管是以橡胶粉、聚乙烯为主料，氧化锌、Ac发泡剂、炭黑等为辅料制作而成的，规格为外径18.30 mm、内径12.60 mm。

经过调研，目前市面上性能较好的渗灌管为美国的一款渗灌管，但由于其价格较高，国内尚没有大量引进和推广。笔者研制的改性渗灌管的渗水性能将与美国渗灌管进行对比实验。

2.2 实验设备

力学实验使用仪器有中国科学院长春科新试验仪器研究所研制的WD4050型电子万能试验机、游标卡尺、直尺。

渗水性能实验设备主要有流量测试台、秒表、量筒。流量测试台主要由增压泵、压力表及蓄水槽组成，可通过阀门控制水流从而控制压力表读数。测试台结构，如图1所示。

图1 测试台结构

2.3 实验方法

（1）渗水性能实验。渗灌管水平安装在实验设备上，尾部安装压力表测试渗水过程中管内出水口的压力。渗灌管用地下水进行实验，实验应在室温自然干燥状态下进行，实验前排除渗灌管内残留的水，检查仪表读数有无异常，渗灌管两端水压无明显差异。

（2）力学性能实验。取3个试样，长度均为100mm。将1个试样固定在拉力试验机上下夹具内，逐渐施加拉力至其断裂，并记录至其断裂的最大拉力；压扁实验首先将第1个试样平放于两压板间，以压缩速度20 mm/min对试样施加负荷200 N，测量试样尺寸，取出试样使其恢复至内径不再变化。待其呈开放状态后，测量试样直径。分别做3组后取平均数。

3 结果与分析

3.1 渗水性能实验结果与分析

3.1.1 流量均匀性

考虑到农业节水灌溉用水实际使用压力（0.4 MPa以下），随机截取本渗灌管和USA渗灌管各5根、每根长为100 cm的渗灌管，分别在0.05、0.1、0.2、0.3、0.4 MPa的水压下通水5 min，对这10根渗灌管进行渗水量测定，测试结果见表1—2。

表1 改性渗灌管渗水量随压力测试数据L/h

表2USA渗灌管渗水量随压力测试数据L/h

图2 改性渗灌管渗水均匀性与压力变化关系

图3USA渗灌管渗水均匀性与压力变化关系

由图2可知，自制渗灌管在0.1 MPa出水口压力下，渗水量曲线波动最小，方差为0.306 4，渗水最均匀。由图3可知，USA渗灌管在0.1 MPa出水口压力下，渗水量曲线波动最小，方差为1.184，渗水最均匀，但两者相比较还是自制渗灌管渗水量更均匀。因此，本渗灌管的最佳工作压力为0.1 MPa。

3.1.2 随时间延长渗水量的变化

考虑到灌水定额及农业灌溉用水开泵时间为10 h/d，因此该实验设定时间为12 h。上面实验表明，渗灌管在0.1 MPa工作压力下渗水量最均匀，因此该实验选定0.1 MPa工作压力。在上述条件下，观察每个小时渗水量的变化，对不同型号渗灌管进行渗水量测定。测试结果，见表3。

表3 渗水量随时间延长变化测试数据

图4 渗水量随时间延长变化

由图4可知，2种渗灌管的渗水量均随着时间的延长而衰减，USA渗灌管的衰减从1～12 h渗水量变化量为14 L/h，改性渗灌管的衰减从1～12 h渗水量变化量为3.6 L/h，因此改性渗灌管的渗水量衰减程度较USA渗灌管平缓。

3.2 力学性能实验结果与分析

3.2.1 抗拉伸破坏性能

渗灌管的抗拉伸破坏性能严重影响渗灌管的使用，取改性渗灌管和USA渗灌管各3组，在测试机上将其拉伸至断裂，两渗灌管的抗拉伸破坏性能对比见表4。

表4 改性渗灌管和USA渗灌管抗拉伸破坏性能对比

由表4可以看出，3组改性渗灌管的断裂最大力分别为384.58、360.83、375.42 N，明显高于USA渗灌管的断裂最大力；而改性渗灌管的变形率平均为30.36%，低于USA渗灌管的72.00%。因此，可以得出改性渗灌管的抗拉伸破坏能力强于USA渗灌管的抗拉伸破坏能力的结论。

3.2.2 抗压扁性能

渗灌管必须埋在土壤里，须承受一定的压力，一般渗灌管在土壤中所承受的压力不会超过200 N，所以渗灌管的抗压变性能与恢复性能即弹性性能对于渗灌管的日常使用与推广尤为重要。分别选取3组长度为80 mm的改性渗灌管和USA渗灌管，测量改性渗灌管外径18.30 mm、内径12.60 mm，USA渗灌管外径13.73 mm、内径8.03 mm，进行渗灌管在200 N压力下的压扁实验，测量变形直径。2种渗灌管实验数据，见表5。

表5 改性渗灌管和USA渗灌管的压扁实验数据

由表5可以看出，在200 N的压力下，改性渗灌管内径变化率Cd1均高于USA渗灌管的内径变化率，说明改性渗灌管的弹性性能好于USA渗灌管。当撤去压力待渗灌管恢复至内径不再变化时，此时改性渗灌管的内径变化率Cd2平均为2.22%，USA渗灌管平均为3.99%，由此可以得出改性渗灌管的恢复性能好于USA渗灌管的结论。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）随水压增大，渗灌管渗水量增大幅度越来越大。自制改性渗灌管渗水量在0.1 MPa水压下渗水最均匀，因此该渗灌管的最佳工作压力设为0.1 MPa。

（2）自制渗灌管与USA渗灌管对比，其渗水均匀性要好于USA渗灌管。

（3）由于橡胶渗灌管吸水膨胀细微结构发生改变，其在渗水初期的渗水速率较大。随着渗水时间的延长，其渗水速率逐渐减小，最终趋于相对平稳。

（4）USA渗灌管的渗水量衰减程度较自制改性渗灌管大，改性渗灌管的渗水量衰减程度较平缓。

（5）改性渗灌管的抗拉伸破坏能力强于USA渗灌管，断裂最大力高于USA渗灌管，伸长率低于USA渗灌管。

（6）在200 N的压力下，改性渗灌管的弹性性能好于USA渗灌管。当撤去压力待渗灌管恢复至内径不再变化时，改性渗灌管的恢复性能也好于USA渗灌管。

4.2 建议

自制改性渗灌管在渗水量均匀性、抗拉伸破坏、压扁恢复中取得一定进步，但水质要求、抗阻塞问题尚未进行实验研究，建议可通过在水源处加装过滤装置、在管材入水口增大水流的瞬时压力和采取反冲洗等方式改善和解决水质、管道阻塞的问题，提高渗灌管的使用寿命。

TV93；S275.9

A

1004-7328（2016）06-0057-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.018

2016—09—20

天津市水务局2014年科研项目（KY2014-16）

焦丽娜（1982—），女，硕士，高级工程师，主要从事农业节水灌溉研究工作。