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灌溉输水管道分类

时间:2019-7-8 12:41:18

管道输水和渠道输水是灌溉输水工程中最为重要的形式,与渠道输水的方式相比,管道输水的水利用系数更高,一般比土渠输水节水约30%,比砌石防渗渠道节水约15%左右,管道输水灌溉以其成本低、节水明显、技术简便易行等特点,已成为世界许多发达国家发展灌溉优先选用的技术措施之一。美国加州圣华金河谷灌区支渠以下的输水系统在1996年就全部实现管道化,控制面积为24.67hm2,灌溉水利用系数为0.97。前苏联、日本、澳大利亚、以色列等国家也大面积发展管道输水灌溉,并有采用管道逐步代替明渠的发展趋势。目前在我国管道是井灌区首选的输水方式,国内很多学者已经研究了在渠灌区推广管道输水的可能性,并在陕西、河北、河南、新疆等地开始试点应用。

 

关于管道分类方法,我国灌溉领域也进行了一些有益的探索。刘群昌介绍了低压管道输水工程中塑料管道、现浇管道和预制管道三种管材的基本参数。张华等人从塑料管材和金属管材两个方面着手,对应用于节水灌溉中的管材进行了详细的介绍和总结。针对低压管道的输水形式,刘群昌系统介绍了薄壁PVC管以及可用于替换渠道的大口径双壁螺旋塑料管。

目前,管道的分类主要有两种方法:按照材质和压力分类,其中按照材质分类是管道主要的分类方法。管道按照是否加压分为无压管道和压力管道。压力管道是输送的液体气体等介质在加压的状态下运行的管道的统称,一般以大气压力表示,根据工作压力不同,可分为低压、中压和高压等不同压力等级的管道。分类标准与相应行业的管道设计压力范围有关。在灌溉中涉及压力管道的灌溉形式主要有低压管道输水灌溉、喷灌、微灌等。考虑到管道的设计压力范围,参照现有的塑料管道按照压力分类的方法,按照管道公称压力可以分为:低压管道(p0.4MPa)、中压管道(0.4MPap1.0MPa)和高压管道(p1.0MPa),具体见下表:

根据灌溉用管道材质的不同,可以分为塑料管道、金属管道、水泥类管道和复合管道。考虑管道基质材料的重大不同,将复合管道分为非生物基质复合管道和生物基质复合管道。具体分类见下图

塑料管道是采用热塑性或者热固性树脂制作的管道的统称。塑料管道具有轻质高强、耐腐蚀、内壁光滑不结垢、施工和维修简便、使用寿命长等优点,塑料管道在农业领域应用广泛。根据《中国塑料管道行业“十三五”期间(2016-2020)发展建议》中的统计数据,塑料管道在农业领域的应用量最大,2015年应用比例占塑料总产量的29.0%

按照塑料管道材质分类。塑料管道中三大主流管道为:聚氯乙烯(PVC)管、聚乙烯(PE)管和聚丙烯(PP)管等,分别占塑料管道总量的55%30%10%。灌溉用塑料罐通常为PVC管道和PE管道。

PVC管道以氯乙烯树脂单位为主,加入必要的添加剂,用挤出成型法制成的热塑性塑料圆管,具有一定的耐腐蚀性能,一般用于常温介质的管道。1936年德国开始开发使用PVC管材,我国从20世纪60年代引入PVC管道,最初主要用于化工领域,输送带腐蚀性的流体。根据其性能改进情况,PVC管道分为PVC-U管道、PVC-M、管道PVC-O管道,其各自特点见下表。

在灌溉中一般选用PVC-U管道。在低压管道输水灌溉中也可选用薄壁PVC管。薄壁PVC管的工作压力为0.2MPa,单位长度原料比普通PVC-U管降低约40%,单位价降低约30%,依靠管土壤系统的组合强度,薄壁管材有足够的承压能力,在一般埋设条件下,其长期变形率可维持在5%以内。

 

聚乙烯塑料(PE)管是指以聚乙烯树脂单体为主,加入必要的添加剂,用挤出成型法制成的热塑性塑料圆管。PE管具有良好的低温性能和韧性,可以在冻土层中使用。根据加工时压力和密度的不同,可以分为低密度PELDPE)管、中密度PEMDPE)管和高密度PEHDPE)管。高密度PEHDPE)管耐高温性能和机械性能好,低密度PELDPE)管的柔性更优。

 

按照断面形式分类。塑料管道按照断面形式分为实壁管和结构壁管。实壁管指任意横截面为实心圆环的管道,而结构壁管指对管道的断面结构进行优化设计,达到节省材料、满足使用要求的管道,例如芯层发泡管、波纹管、缠绕管和加筋管等。在灌溉中常用的塑料结构壁管包括PVC-U波纹管、PVC-U加筋管和PE波纹管,见下图,

其中PVC-U结构壁管一般用于工作压力不大于0.2MPa的低压输水灌溉工程,而大口径双壁波纹PE管则可用于渠灌区管道输水工程。

金属管道是用金属材料制成的管道的统称,包括:钢管和铸铁管等。钢管按制作工艺分为

焊接钢管和无缝钢管两类。焊接钢管是指由钢板卷焊制作的钢管,按焊缝形式分为螺旋焊接钢管和直缝焊接钢管两种,见下图

螺旋焊接钢管一般采用埋弧焊接工艺,直缝焊接钢管工艺不同分为直缝埋弧焊管和直缝高频焊管。

 

铸铁管道是用铁水烧铸的圆管的统称。按管道成型工艺可分为连续铸铁管和离心铸铁管,按照铁水的质量可以分为连续铸造灰铁管、连续铸造球墨铸铁管、离心铸造灰铁管和和离心铸造球墨铸铁管,见下图

其中以离心铸造球墨铸铁管性能最优,简称球墨铸铁管,指由经过球化和孕有处理的优质铁水采用离心浇铸制作的圆管。西方发达国家从20世纪60年代开始逐渐淘汰了普通灰口铸铁管并开始采用了球墨铸铁管,我国1985年开始从德国、美国等引进了水冷金属型离心铸管技术及设备,开始生产球墨铸铁管。球墨铸铁管具有较高的强度、较好的韧性和防腐性能。

由于受到成本的限制,在节水灌溉工程中铸铁管和钢管般用于不具备埋地条件下的山丘区、灌溉系统的首部、闸阀连接处和骨干引水管,不适用田间输配水系统。钢管也用来制造大型喷灌机组。

 

泥类管道分为混凝土管、钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管和石棉水泥管等。其共同的优点为耐腐蚀,寿命长,但这类管材脆性大,管壁厚,重量大,运输安装不便,一般用于流量较大的输水管道。在压力较小时选用混凝土管,压力较大时采用钢筋混凝土管和钢筋筒混凝土管。石棉水泥管是用石棉纤维和水泥抄取成型的圆管,由于其抗冲击能力差、管径较小,灌溉中已很少使用。

 

预应力钢筒混凝土管(PCCP)广泛应用于市政,电力,水力等工程项目中,预应力钢筒混凝土管是由带钢桶的高强混凝土管芯在缠绕预应力钢丝后,再喷涂以水泥砂浆保护层制作成的新型管材。按照工艺可以认为两类:内衬式预应力钢筒混凝土管(PCCPL)和埋置式预应力钢筒混凝土管(PCCPE)。预应力钢筒混凝土管在国外已有近80年的历史,1939PCCP管最早由法国邦纳公司研制,并敷设于巴黎郊区。1942年美国开始研究生产内衬式预应力钢筒混凝土管。1952年开始生产埋置式管。我国PCCP管的研制,生产起步较晚,1984年研制了直径600mmPCCP管并在工程中成功试用。21世纪开始引进,生产和应用大口径的PCCP管,如南水北调工程北京段使用了直径4mPCCP管,表明其可以用于需长距离输水的灌溉工程。美国土木工程学会和材料学会认定PCCP管使用寿命为100年,其缺点为自重大,内径为4m的管道每米重9吨以上。

 

非生物基质复合管道指传统意义上的复合管,使用两种或两种以上材料生产成的管壁结构管道的统称。如玻璃钢管,玻璃夹砂管,钢塑管,塑玻管等属于非生物基质复合管。灌溉工程中常用的非生物基质复合管有玻璃钢管和玻璃钢夹砂管等。

玻璃钢管是由玻璃纤维和不饱和聚酯树脂等组成的复合管道,也称之为玻璃纤增强维塑料管。由于玻璃钢中的连续纤维拉伸强度和弹性模量较高,其机械强度可以达到或者超过普通碳钢的水平,但密度远小于普通碳钢。按照制造工艺可以分为:纤维缠绕玻璃钢管和离心浇筑玻璃钢管,其中纤维缠绕法比较常见。玻璃钢复合管产生于20世纪40年代中期,70年代进入工业化生产阶段,80年代我国引入了缠绕玻璃钢管生产线。

在玻璃钢离心浇筑成型的过程中,对于高刚度要求的管材通过加砂提高刚度,而对于承受内压较高的管材不加砂。以玻璃纤维及其制品为增强材料,以不饱和和聚酯树脂等为基体材料,以石英砂及碳酸钙等无机非金属颗粒材料为填料,采用缠绕、离心浇筑工艺方法制作成的管道,称为玻璃夹砂管或玻璃纤维增强塑料加砂管。与玻璃钢管相比,玻璃钢夹砂管的成本低,其特点为:重量轻,内壁光滑,耐腐蚀。玻璃钢夹砂管主要运用于给排水工程、农田灌溉等水利工程领域。

 

竹缠绕复合管道是一种以竹材作为增强材料、合成树脂作为黏合剂,采用往复式机械缠绕工艺复合而成的具有较强抗压能力的新型生物质管道,具有节能环保、资源可再生等优势。竹缠绕复合管沿管径方向,由内到外依次为内衬层、增强层和外防护层。内衬层防止内部基体开裂、介质外渗等现象发生,增强层是主要的承重承压部分,外防护层保护管材使其具有良好的长期耐久及耐候特性。在中试过程中,测试了竹缠绕复合管管道在不利条件下的应用效果,如非正常安装施工、盐碱度高、融雪不规则沉降情况、高氯喊环境,公路载荷和冻土层。实践表明,竹缠绕复合管道应用效果良好。

 


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