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      基礎知識

      灌溉輸水管道分類

      時間:2019-07-08

      管道輸水和渠道輸水是灌溉輸水工程中最為重要的形式,與渠道輸水的方式相比,管道輸水的水利用系數更高,一般比土渠輸水節水約30%,比砌石防滲渠道節水約15%左右,管道輸水灌溉以其成本低、節水明顯、技術簡便易行等特點,已成為世界許多發達國家發展灌溉優先選用的技術措施之一。美國加州圣華金河谷灌區支渠以下的輸水系統在1996年就全部實現管道化,控制面積為24.67hm2,灌溉水利用系數為0.97。前蘇聯、日本、澳大利亞、以色列等國家也大面積發展管道輸水灌溉,并有采用管道逐步代替明渠的發展趨勢。目前在我國管道是井灌區首選的輸水方式,國內很多學者已經研究了在渠灌區推廣管道輸水的可能性,并在陜西、河北、河南、新疆等地開始試點應用。

       

      關于管道分類方法,我國灌溉領域也進行了一些有益的探索。劉群昌介紹了低壓管道輸水工程中塑料管道、現澆管道和預制管道三種管材的基本參數。張華等人從塑料管材和金屬管材兩個方面著手,對應用于節水灌溉中的管材進行了詳細的介紹和總結。針對低壓管道的輸水形式,劉群昌系統介紹了薄壁PVC管以及可用于替換渠道的大口徑雙壁螺旋塑料管。

      目前,管道的分類主要有兩種方法:按照材質和壓力分類,其中按照材質分類是管道主要的分類方法。管道按照是否加壓分為無壓管道和壓力管道。壓力管道是輸送的液體氣體等介質在加壓的狀態下運行的管道的統稱,一般以大氣壓力表示,根據工作壓力不同,可分為低壓、中壓和高壓等不同壓力等級的管道。分類標準與相應行業的管道設計壓力范圍有關。在灌溉中涉及壓力管道的灌溉形式主要有低壓管道輸水灌溉、噴灌、微灌等??紤]到管道的設計壓力范圍,參照現有的塑料管道按照壓力分類的方法,按照管道公稱壓力可以分為:低壓管道(p0.4MPa)、中壓管道(0.4MPap1.0MPa)和高壓管道(p1.0MPa),具體見下表:

      根據灌溉用管道材質的不同,可以分為塑料管道、金屬管道、水泥類管道和復合管道??紤]管道基質材料的重大不同,將復合管道分為非生物基質復合管道和生物基質復合管道。具體分類見下圖

      塑料管道是采用熱塑性或者熱固性樹脂制作的管道的統稱。塑料管道具有輕質高強、耐腐蝕、內壁光滑不結垢、施工和維修簡便、使用壽命長等優點,塑料管道在農業領域應用廣泛。根據《中國塑料管道行業“十三五”期間(2016-2020)發展建議》中的統計數據,塑料管道在農業領域的應用量最大,2015年應用比例占塑料總產量的29.0%。

      按照塑料管道材質分類。塑料管道中三大主流管道為:聚氯乙烯(PVC)管、聚乙烯(PE)管和聚丙烯(PP)管等,分別占塑料管道總量的55%,30%10%。灌溉用塑料罐通常為PVC管道和PE管道。

      PVC管道以氯乙烯樹脂單位為主,加入必要的添加劑,用擠出成型法制成的熱塑性塑料圓管,具有一定的耐腐蝕性能,一般用于常溫介質的管道。1936年德國開始開發使用PVC管材,我國從20世紀60年代引入PVC管道,最初主要用于化工領域,輸送帶腐蝕性的流體。根據其性能改進情況,PVC管道分為PVC-U管道、PVC-M、管道PVC-O管道,其各自特點見下表。

      在灌溉中一般選用PVC-U管道。在低壓管道輸水灌溉中也可選用薄壁PVC管。薄壁PVC管的工作壓力為0.2MPa,單位長度原料比普通PVC-U管降低約40%,單位價降低約30%,依靠管土壤系統的組合強度,薄壁管材有足夠的承壓能力,在一般埋設條件下,其長期變形率可維持在5%以內。

       

      聚乙烯塑料(PE)管是指以聚乙烯樹脂單體為主,加入必要的添加劑,用擠出成型法制成的熱塑性塑料圓管。PE管具有良好的低溫性能和韌性,可以在凍土層中使用。根據加工時壓力和密度的不同,可以分為低密度PELDPE)管、中密度PEMDPE)管和高密度PEHDPE)管。高密度PEHDPE)管耐高溫性能和機械性能好,低密度PELDPE)管的柔性更優。

       

      按照斷面形式分類。塑料管道按照斷面形式分為實壁管和結構壁管。實壁管指任意橫截面為實心圓環的管道,而結構壁管指對管道的斷面結構進行優化設計,達到節省材料、滿足使用要求的管道,例如芯層發泡管、波紋管、纏繞管和加筋管等。在灌溉中常用的塑料結構壁管包括PVC-U波紋管、PVC-U加筋管和PE波紋管,見下圖,

      其中PVC-U結構壁管一般用于工作壓力不大于0.2MPa的低壓輸水灌溉工程,而大口徑雙壁波紋PE管則可用于渠灌區管道輸水工程。

      金屬管道是用金屬材料制成的管道的統稱,包括:鋼管和鑄鐵管等。鋼管按制作工藝分為

      焊接鋼管和無縫鋼管兩類。焊接鋼管是指由鋼板卷焊制作的鋼管,按焊縫形式分為螺旋焊接鋼管和直縫焊接鋼管兩種,見下圖

      螺旋焊接鋼管一般采用埋弧焊接工藝,直縫焊接鋼管工藝不同分為直縫埋弧焊管和直縫高頻焊管。

       

      鑄鐵管道是用鐵水燒鑄的圓管的統稱。按管道成型工藝可分為連續鑄鐵管和離心鑄鐵管,按照鐵水的質量可以分為連續鑄造灰鐵管、連續鑄造球墨鑄鐵管、離心鑄造灰鐵管和和離心鑄造球墨鑄鐵管,見下圖

      其中以離心鑄造球墨鑄鐵管性能最優,簡稱球墨鑄鐵管,指由經過球化和孕有處理的優質鐵水采用離心澆鑄制作的圓管。西方發達國家從20世紀60年代開始逐漸淘汰了普通灰口鑄鐵管并開始采用了球墨鑄鐵管,我國1985年開始從德國、美國等引進了水冷金屬型離心鑄管技術及設備,開始生產球墨鑄鐵管。球墨鑄鐵管具有較高的強度、較好的韌性和防腐性能。

      由于受到成本的限制,在節水灌溉工程中鑄鐵管和鋼管般用于不具備埋地條件下的山丘區、灌溉系統的首部、閘閥連接處和骨干引水管,不適用田間輸配水系統。鋼管也用來制造大型噴灌機組。

       

      泥類管道分為混凝土管、鋼筋混凝土管、預應力鋼筒混凝土管和石棉水泥管等。其共同的優點為耐腐蝕,壽命長,但這類管材脆性大,管壁厚,重量大,運輸安裝不便,一般用于流量較大的輸水管道。在壓力較小時選用混凝土管,壓力較大時采用鋼筋混凝土管和鋼筋筒混凝土管。石棉水泥管是用石棉纖維和水泥抄取成型的圓管,由于其抗沖擊能力差、管徑較小,灌溉中已很少使用。

       

      預應力鋼筒混凝土管(PCCP)廣泛應用于市政,電力,水力等工程項目中,預應力鋼筒混凝土管是由帶鋼桶的高強混凝土管芯在纏繞預應力鋼絲后,再噴涂以水泥砂漿保護層制作成的新型管材。按照工藝可以認為兩類:內襯式預應力鋼筒混凝土管(PCCPL)和埋置式預應力鋼筒混凝土管(PCCPE)。預應力鋼筒混凝土管在國外已有近80年的歷史,1939PCCP管最早由法國邦納公司研制,并敷設于巴黎郊區。1942年美國開始研究生產內襯式預應力鋼筒混凝土管。1952年開始生產埋置式管。我國PCCP管的研制,生產起步較晚,1984年研制了直徑600mmPCCP管并在工程中成功試用。21世紀開始引進,生產和應用大口徑的PCCP管,如南水北調工程北京段使用了直徑4mPCCP管,表明其可以用于需長距離輸水的灌溉工程。美國土木工程學會和材料學會認定PCCP管使用壽命為100年,其缺點為自重大,內徑為4m的管道每米重9噸以上。

       

      非生物基質復合管道指傳統意義上的復合管,使用兩種或兩種以上材料生產成的管壁結構管道的統稱。如玻璃鋼管,玻璃夾砂管,鋼塑管,塑玻管等屬于非生物基質復合管。灌溉工程中常用的非生物基質復合管有玻璃鋼管和玻璃鋼夾砂管等。

      玻璃鋼管是由玻璃纖維和不飽和聚酯樹脂等組成的復合管道,也稱之為玻璃纖增強維塑料管。由于玻璃鋼中的連續纖維拉伸強度和彈性模量較高,其機械強度可以達到或者超過普通碳鋼的水平,但密度遠小于普通碳鋼。按照制造工藝可以分為:纖維纏繞玻璃鋼管和離心澆筑玻璃鋼管,其中纖維纏繞法比較常見。玻璃鋼復合管產生于20世紀40年代中期,70年代進入工業化生產階段,80年代我國引入了纏繞玻璃鋼管生產線。

      在玻璃鋼離心澆筑成型的過程中,對于高剛度要求的管材通過加砂提高剛度,而對于承受內壓較高的管材不加砂。以玻璃纖維及其制品為增強材料,以不飽和和聚酯樹脂等為基體材料,以石英砂及碳酸鈣等無機非金屬顆粒材料為填料,采用纏繞、離心澆筑工藝方法制作成的管道,稱為玻璃夾砂管或玻璃纖維增強塑料加砂管。與玻璃鋼管相比,玻璃鋼夾砂管的成本低,其特點為:重量輕,內壁光滑,耐腐蝕。玻璃鋼夾砂管主要運用于給排水工程、農田灌溉等水利工程領域。

       

      竹纏繞復合管道是一種以竹材作為增強材料、合成樹脂作為黏合劑,采用往復式機械纏繞工藝復合而成的具有較強抗壓能力的新型生物質管道,具有節能環保、資源可再生等優勢。竹纏繞復合管沿管徑方向,由內到外依次為內襯層、增強層和外防護層。內襯層防止內部基體開裂、介質外滲等現象發生,增強層是主要的承重承壓部分,外防護層保護管材使其具有良好的長期耐久及耐候特性。在中試過程中,測試了竹纏繞復合管管道在不利條件下的應用效果,如非正常安裝施工、鹽堿度高、融雪不規則沉降情況、高氯喊環境,公路載荷和凍土層。實踐表明,竹纏繞復合管道應用效果良好。

       


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