ISOTS 109862021 塑料管道系统 玻璃纤维增强热固性塑料（GRP）管.无端推力地上管道和接头装置的系统设计标准立项发展报告

塑料管道系统玻璃纤维增强热固性塑料（GRP）管无端推力地上管道和接头装置的系统设计标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:PlasticsPipingSystems—Glass-ReinforcedThermosettingPlastics(GRP)Pipes—SystemDesignofAboveGroundPipeandJointInstallationswithoutEndThrust摘要玻璃纤维增强热固性塑料（GRP）管道因其优异的耐腐蚀性能、轻质高强特性和良好的水力性能，已在给排水、石油化工、海洋工程等领域获得广泛应用。随着GRP管道地上敷设应用场景的不断拓展，无端推力工况下的管道系统设计缺乏统一国际技术规范的问题日益突出，制约了该技术的标准化推广和跨国工程应用。本标准立项发展报告以国际标准化组织（ISO）发布的ISO/TS10986:2021《塑料管道系统玻璃纤维增强热固性塑料（GRP）管无端推力地上管道和接头装置的系统设计》为研究对象，系统分析了该技术规范的产生背景、制定历程、核心技术内容及创新点。报告重点阐述了标准中关于无端推力设计原理、管道与接头系统设计方法、温度影响分析及关键设计系数选取等核心技术要求，并对其技术经济价值和行业应用前景进行了评估。研究表明，该标准的发布填补了GRP管道地上无端推力系统设计领域的国际标准空白，对促进GRP管道在市政、工业和能源领域的规范化应用具有重要的技术支撑作用，也为我国相关国家标准和行业标准的制修订提供了有益的参考依据。关键词：玻璃纤维增强热固性塑料管道；无端推力；系统设计；地上管道；接头装置；国际标准Keywords:Glass-reinforcedthermosettingplastics(GRP)pipes;Endthrust-free;Systemdesign;Abovegroundpipe;Jointinstallations;Internationalstandard一、引言1.1研究背景玻璃纤维增强热固性塑料管道（以下简称GRP管道）是以玻璃纤维及其制品为增强材料，以热固性树脂为基体，采用缠绕、离心浇铸等工艺成型的新型复合材料管道。自20世纪60年代问世以来，GRP管道凭借其轻质高强（密度仅为钢材的1/4至1/5，比强度高于钢材）、优异的耐化学腐蚀性能（可耐受pH值1-14范围的酸碱介质）、良好的水力特性（内壁光滑，曼宁系数约为0.009）以及较长的使用寿命（设计使用寿命可达50年以上）等突出优势，在全球范围内获得了广泛的应用。据相关行业统计，全球GRP管道市场年复合增长率保持在5%-7%之间，2020年全球市场规模已超过60亿美元。在应用领域方面，GRP管道已从最初的市政给排水管网逐步拓展至石油化工输送、海水淡化、火力发电厂循环水系统、灌溉工程等多个领域。特别是在中东、东南亚等水资源短缺地区和中国、印度等新兴经济体，GRP管道在大型输水工程中得到了大规模应用。1.2标准制定背景在GRP管道的应用实践中，地上敷设方式因其便于检修维护、施工快捷、对地形适应性强的特点，在长距离输水工程、工业厂区管线以及临时性供水工程中占据重要地位。然而，与埋地管道不同，地上敷设的GRP管道系统在运行过程中面临更为复杂的受力状态。其中，端部推力（EndThrust）问题尤为突出——当管道内部承受压力时，在弯头、三通、盲端、变径等管件处会产生与内压成正比的不平衡轴向力，即端部推力。若该推力未能得到有效约束或消除，将导致接头脱开、管道移位甚至系统失效等严重后果。传统的端部推力处理方式主要包括两大类：一是设置混凝土止推墩（ThrustBlock），通过在管件处浇筑混凝土支墩来抵抗轴向推力；二是采用金属拉杆或钢制锚固装置对管件进行机械约束。然而，上述方式在工程实践中均存在不同程度的局限性：止推墩需要较大的施工空间和较长的养护周期，且在地质条件较差区域效果难以保证；金属锚固装置则存在电化学腐蚀风险，增加了长期维护成本。在这一技术背景下，无端推力（WithoutEndThrust）设计理念应运而生。该理念的核心思路是通过特定形式的接头设计，使管道系统内部压力产生的轴向力在管件内部实现自平衡，从而在根本上消除端部推力对系统稳定性的影响，无需额外设置止推墩或锚固装置。这一设计理念在工程中的应用可显著简化施工流程、降低工程造价、缩短施工周期。然而，尽管无端推力设计理念在国际工程实践中已得到成功应用，但长期以来缺乏国际公认的系统性技术标准加以规范。不同制造商、设计单位和工程业主各自依据企业内部规范或少数国家的国家标准进行设计和施工，导致技术要求的差异较大，制约了该技术的规范化推广和国际工程合作。1.3标准基本信息在此背景下，国际标准化组织ISO/TC138（流体输送用塑料管材、管件和阀门技术委员会）启动了相关标准的制定工作。经过多年努力，ISO/TS10986:2021《塑料管道系统玻璃纤维增强热固性塑料（GRP）管无端推力地上管道和接头装置的系统设计》最终由国际标准化组织于2021年8月2日正式发布。该标准为技术规范（TechnicalSpecification,TS）类型，是国际标准体系中的一种预标准形式，旨在为特定技术领域提供快速发布的技术规范，以指导工程实践并在应用过程中积累反馈，为后续转化为正式国际标准（IS）奠定基础。该标准由国际标准化组织（ISO）发布，标准语言为英语，分类归属于塑料管道领域，是当前GRP管道地上无端推力系统设计领域唯一一部国际层面的技术规范文件。二、标准编制过程2.1标准制定的组织架构ISO/TS10986:2021的制定工作主要由ISO/TC138技术委员会下属的相关工作组承担。ISO/TC138成立于1966年，是国际标准化组织中负责塑料管道系统标准化的专业技术委员会，其工作范围涵盖流体输送用塑料管材、管件、阀门及其辅助设备的标准制定。TC138下设多个分技术委员会（SC），其中与GRP管道直接相关的主要是SC6（增强热固性塑料管道及管件分技术委员会）。2.2标准编制的主要阶段ISO/TS10986的编制工作经历了若干关键阶段，体现了国际标准制定的严谨性和协商一致性原则：（1）提案阶段（ProposalStage）：由相关国家的标准化机构或技术专家提出标准制定提案，经ISO/TC138全体成员表决通过后正式立项。提案文件需明确标准的适用范围、主要技术内容以及预期解决的问题。（2）准备工作阶段（PreparationStage）：成立专门的工作组（WG），由召集人组织相关技术专家起草工作草案（WorkingDraft,WD）。工作组广泛收集各国在无端推力GRP管道系统设计方面的工程经验和研究成果，形成初步技术框架。（3）委员会阶段（CommitteeStage）：工作草案经修改完善后提交至分技术委员会（SC6）进行审议，形成委员会草案（CommitteeDraft,CD）。各成员国对委员会草案进行投票并提出修改意见。该阶段通常需要多轮讨论和修改，以确保各方技术关切得到充分回应。（4）征询意见阶段（EnquiryStage）：委员会草案经TC138审议同意后，作为国际标准草案（DraftInternationalStandard,DIS）分发至ISO全体成员进行投票和征求意见。各成员国需在规定的投票期限内（通常为3个月）提交投票意见和技术评论。（5）批准阶段（ApprovalStage）：最终国际标准草案（FinalDraftInternationalStandard,FDIS）经各成员国最终投票通过后，由ISO中央秘书处进行编辑性审查和排版。（6）出版阶段（PublicationStage）：标准文本经批准后由ISO中央秘书处正式出版发行。2021年8月2日，ISO/TS10986:2021正式对外发布。三、标准的主要内容和技术要点3.1标准的适用范围ISO/TS10986:2021规定了无端推力条件下地上敷设GRP管道及接头装置的系统设计方法和要求。该标准适用于输送流体介质（水及其他液体）的压力管道系统，其管材和管件均采用玻璃纤维增强热固性塑料制造。标准涵盖的管道系统包括直管段、弯头、三通、异径管、盲端等典型管件配置，以及相应的接头装置。需要特别说明的是，该标准主要针对无端推力工况，即管道系统设计已从结构上消除了因内压产生的不平衡轴向推力的情况。标准不适用于仍需以止推墩或其他外部装置来平衡端部推力的常规设计工况，也不适用于埋地管道系统的结构设计（此类设计要求由其他标准如ISO10467等予以规定）。3.2术语和定义标准对一系列关键术语进行了统一定义，包括但不限于：-无端推力（withoutendthrust）：指通过接头构造或系统布局方式，使管道在承受内压时弯头、三通、盲端等部位不产生需要依靠外部结构来平衡的轴向推力的设计状态。-额定压力（ratedpressure）：管道系统在规定使用条件下允许承受的最大工作压力。-设计系数（designfactor）：考虑长期性能、安全裕度等因素而采用的安全折减系数。-压力等级（pressureclass）：按标准规定的压力系列对管道系统进行的等级划分。3.3无端推力系统的设计原理与类型标准系统地阐述了无端推力设计的核心技术原理。其核心思想在于，当管道因流体压力作用于管件而产生不平衡推力时，通过设置特定的约束结构或平衡结构，使该推力在管件内部自平衡，而无需依赖外部锚固。标准将无端推力系统的实现方式归纳为两类：I类：积分约束系统（IntegrallyRestrainedSystem），即通过管道与管件之间的连接部位设置机械锁固结构（如承插式接头配合锁紧环、法兰连接配合拉紧螺栓等），使接口本身具备传递轴向力的能力，从而在整个管线中形成连续的轴向约束，使内压产生的端部推力沿管道轴向均匀传递至管线两端或特定的锚固点。II类：结构自平衡系统（Self-BalancingSystem），即通过管件的结构设计（如采用弯曲半径较大的弯管替代直角弯头、采用Y型三通替代T型三通等），使得流体在改变方向时产生的动量和压力变化作用于管件壁面的力在总体上相互平衡，从而在管件处不产生显著的净推力。标准对两种类型的适用范围、设计计算方法以及限制条件分别进行了规定，为工程设计人员提供了系统的技术指导。3.4系统设计要求在系统设计方面，标准提出了涵盖全生命周期的设计要求框架：-设计基础资料：包括设计压力、设计温度、介质特性、管道布置方案、支承间距等基本设计输入条件。-管道的壁厚计算：基于内压和外部荷载的联合作用，按标准规定的计算方法确定管道的最小结构壁厚。-管道的支承设计：包括管道支吊架的型式和间距的确定，要求考虑管道自重、介质重量、热膨胀力和风荷载等作用，并明确规定了不同管径下的推荐支承间距范围。-接头装置的选择与布置：规定各类接头装置（包括机械接头、锁固式承插接头、法兰接头等）的适用条件、安装要求以及端部约束的传递方式。-温度影响分析：考虑了温度变化引起的管道热膨胀/收缩对系统的影响，明确了补偿措施和柔性分析的方法。3.5设计计算要点标准在附录部分给出了具体的设计计算流程和典型算例。关键计算环节包括：管道环向应力验算、轴向应力验算、接头轴向力传递能力的校核以及支承结构的荷载计算等。标准对关键设计系数（包括安全系数、长期性能折减系数等）的取值给出了明确建议，确保设计结果具有足够的安全裕度。四、主要起草单位介绍ISO/TS10986:2021的制定汇聚了国际塑料管道领域多家权威机构和行业领军企业技术专家的智慧。其中，欧洲复合材料管道行业组织在标准制定过程中发挥了重要的技术支撑作用。欧洲作为GRP管道技术的发源地之一，荷兰、英国、德国等国家在GRP管道设计理论和工程应用方面积累了半个多世纪的丰富经验。欧洲标准化委员会（CEN）已发布的EN1796（GRP管道压力输送系统）和EN14364（排水用GRP管道系统）等标准为ISO/TS10986的制定提供了重要的技术参考。标准制定工作组的技术专家主要来自以下类型的机构：-国际标准化组织成员国技术机构：包括荷兰标准化研究院（NEN）、英国标准协会（BSI）、德国标准化协会（DIN）等国家标准化机构中从事塑料管道标准化的技术委员会成员；-GRP管道主要制造商：包括欧洲主要的GRP管道生产企业，如荷兰的Ametaan公司、奥地利Hobas公司以及各国玻璃纤维增强塑料管道制造商的企业技术专家；-科研院所和检测机构：包括从事复合材料管道性能研究和检测认证的第三方技术机构。工作组在起草过程中广泛收集和整合了各国在无端推力GRP管道系统设计方面的工程案例、实验数据和设计实践，通过多轮国际协商，最终形成了兼具先进性和可操作性的技术规范。该标准的发布充分体现了国际标准化组织协商一致的工作原则，也反映了当前GRP管道无端推力系统设计技术在国际范围内已达到较高成熟度。五、标准的技术经济价值与应用前景5.1技术价值ISO/TS10986:2021的发布填补了GRP管道地上无端推力系统设计国际标准的空白，具有重要的技术价值：（1）统一技术规范，消除贸易壁垒。该标准的发布为全球GRP管道无端推力系统设计提供了统一的技术依据，有助于消除各国在技术要求上的差异对国际贸易造成的壁垒，促进GRP管道产品和技术在全球范围的流通和应用。（2）保障工程质量，降低安全风险。标准系统规定了无端推力GRP管道系统的设计方法和技术要求，为设计人员提供了规范化的技术指导，有效降低了因设计不合理而导致的系统失效风险。（3）推动技术推广，促进创新发展。无端推力技术省去了传统止推墩或金属锚固装置的需求，使地上GRP管道系统的安装更为简便快捷。该标准的确立有助于这一先进设计理念在更广泛范围内的推广，同时也为未来技术升级预留了空间。5.2经济价值从全生命周期成本的角度分析，无端推力GRP管道系统能够带来显著的经济效益：在工程建设阶段，取消止推墩可节省混凝土材料和支墩施工费用，简化施工流程，缩短工期。以一条10公里长的DN800地上输水管道为例，若按传统方式每处弯头和三通处设置止推墩，全线止推墩数量约为30-50处，仅此一项即可节省建设成本数百万元。在运行维护阶段，无端推力系统无需对止推墩进行定期检查维护，同时减少了因金属锚固件腐蚀而需要进行更换维修的潜在成本，降低了全生命周期内的运维费用。5.3应用前景展望未来，随着全球基础设施建设的持续推进和水资源调配工程的不断增多，GRP管道地上无端推力系统设计技术标准的应用空间十分广阔：在长距离调水工程中，地上敷设GRP管道可有效避开复杂地质条件，而标准化无端推力系统设计将为工程提供更为可靠和经济的解决方案。在工业厂区管道系统中，GRP管道的耐腐蚀性能与无端推力设计的便捷安装优势相结合，将提升其在化工、电力、冶金等行业的适用性和竞争力。在国际合作与标准互认方面，ISO/TS10986作为国际标准体系中的技术规范，后续积累了足够应用经验后，有望进一步转化为正式国际标准（IS），在全球范围内发挥更大的引领作用。六、结论与展望ISO/TS10986:2021《塑料管道系统玻璃纤维增强热固性塑料（GRP）管无端推力地上管道和接头装置的系统设计》是国际标准化组织在GRP管道应用技术领域取得的一项重要成果。该标准系统总结了国际范围内无端推力GRP管道系统设计的先进经验和技术成果，为地上敷设GRP管道系统的无端推力设计提供了全面的技术规范和计算方法。标准的发布对于促进GRP管道技术在全球范围内的规范化应用、保障工程质量和安全、推动国际贸易和技术交流具有重要意义。同时，该标准也为各国制定和完善GRP管道相关的国家标准提供了重要的技术参考。参考文献[1]ISO/TS10986:2021,Plastics