ISO 210522021 球墨铸铁管道的约束连接系统.约束长度的计算规则标准立项发展报告

球墨铸铁管道约束连接系统约束长度计算规则标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:RestrainedJointSystemsforDuctileIronPipelines—CalculationRulesforLengthstobeRestrained摘要球墨铸铁管道因其优异的力学性能和耐腐蚀性能，在城镇供水、排水及燃气输配等基础设施领域得到广泛应用。管道系统中约束连接系统的合理设计直接关系到管道运行的安全性与可靠性，而约束长度的精确计算则是其中的核心技术环节。本报告以国际标准化组织（ISO）发布的ISO21052:2021《球墨铸铁管道的约束连接系统约束长度的计算规则》为研究对象，系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及其行业应用价值。报告指出，该标准填补了球墨铸铁管道约束连接系统在约束长度计算方面缺乏统一国际规则的空白，首次以国际标准形式确立了基于力学平衡原理的约束长度计算方法与参数取值体系。标准通过规定正负压力、温度变化、轴向力等多种工况下的计算方法及安全系数选取规则，为全球范围内的工程设计、施工安装和运行维护提供了统一的技术依据，对提高管道系统安全性、促进国际贸易和技术交流具有重要的推动作用。本报告亦对标准的主要起草单位——国际标准化组织ISO/TC5/SC2（金属管及管件分技术委员会）的组织架构和工作机制进行了介绍，并对标准实施后的技术经济效应与未来发展方向进行了展望。关键词：球墨铸铁管道；约束连接系统；约束长度；ISO21052；标准化；管道设计；防脱节Keywords:Ductileironpipelines;Restrainedjointsystems;Restrainedlength;ISO21052;Standardization;Pipelinedesign;Jointseparationprevention1.引言球墨铸铁管自20世纪中叶工业化生产以来，凭借其高强度、高延伸率、优良的抗腐蚀性能及相对经济的造价，已成为城镇供水、排水和燃气输送工程中最主要的管材之一。据国际球墨铸铁管协会（IDI）统计，全球范围内球墨铸铁管年产量已超过1000万吨，广泛应用于逾百个国家和地区。随着管道系统服役年限的增长和城市地下管线密度的不断提高，管道接口的可靠性问题日益凸显。在球墨铸铁管道系统中，约束连接系统（即防脱节接口系统）承担着抵抗轴向推力、防止管道接口脱落的关键功能。当管道系统运行于较高内压、温度变化幅度较大或地形起伏显著等工况条件下，管道弯头、三通、堵头等部位将产生较大的轴向不平衡力。若未对约束长度进行科学计算和合理设计，管道的约束连接系统将面临失效风险，轻则引起接口渗漏，重则导致管道脱节甚至爆管事故，造成严重的经济损失和社会影响。然而，在ISO21052:2021发布之前，国际上尚无统一的约束长度计算标准，各国及各大管道制造商均采用各自的经验方法和内部计算规则，导致设计结果差异较大，工程协调困难，也不利于国际工程招标和跨国技术合作。在此背景下，国际标准化组织ISO/TC5/SC2分技术委员会自2018年起启动了《球墨铸铁管道的约束连接系统约束长度的计算规则》标准的编制工作，历经三年反复研讨和修订，最终于2021年11月正式发布ISO21052:2021。该标准的出台标志着球墨铸铁管道约束连接系统设计领域的国际标准化工作取得了重要突破。2.标准立项背景与编制历程2.1行业发展的标准化需求球墨铸铁管道约束连接系统的设计计算，涉及流体力学、材料力学、土力学及结构工程等多个学科领域。管道在运行过程中所受的轴向力来源包括内部流体压力引起的盲板力、温度变化引起的热胀冷缩应力、管道自重及覆土荷载引起的摩擦力等。对于采用柔性接口的球墨铸铁管道系统（如T型滑入式接口），这些轴向力必须通过约束连接系统（如约束套筒、防脱卡环、焊接或螺栓连接等）或管道与周围土体的摩擦力来平衡，以防止接口在外力作用下产生过大位移或完全脱开。设计人员在确定约束连接系统的约束长度时，通常需要遵循"力平衡"的基本原则，即约束段内的总摩擦力（包括管道外壁与土壤之间的摩擦力、管道与约束装置之间的机械锁定力等）应不小于作用在约束段上的总轴向力。然而，具体的计算方法、参数取值和安全系数的确定，各制造企业和设计院之间长期缺乏统一认识。某些设计计算方法过于保守，造成了不必要材料浪费；而另一些方法则偏于危险，为管道运行埋下了安全隐患。2.2ISO21052:2021的立项与编制过程2018年，ISO/TC5/SC2在例行工作会议上，由法国标准化协会（AFNOR）牵头提出制定球墨铸铁管道约束连接系统约束长度计算规则的提案。该提案获得了中国、德国、日本、美国等多个成员国的积极响应和支持。同年，该提案经ISO技术管理局（TMB）批准正式立项，项目编号为ISO21052，由ISO/TC5/SC2/WG5工作组负责具体编制工作。工作组汇集了来自法国圣戈班管道（Saint-GobainPAM）、日本久保田（Kubota）、中国新兴铸管、美国McWane等全球主要球墨铸铁管制造企业的技术专家，以及各国标准化机构的代表。编制过程中，工作组广泛收集了各国在管道约束设计方面的工程经验和试验数据，系统比较了不同计算方法之间的差异和适用范围。经过六轮工作组会议讨论、两轮委员会草案（CD）投票和一轮最终国际标准草案（FDIS）投票，标准文本于2021年9月获得最终批准，并于2021年11月3日正式出版发布。2.3标准与现行法规政策的衔接ISO21052:2021的编制充分贯彻了ISO标准制定的协商一致原则，与ISO2531《输水用球墨铸铁管、管件、附件及其接头》、ISO7186《排水用球墨铸铁管及管件》等基础产品标准保持了良好的衔接。同时，该标准的计算方法体系与欧洲标准EN14525以及部分国家的国家标准（如中国的GB/T13295）保持一致的技术路线，为标准的全球推广和各国转化采纳创造了有利条件。该标准的发布实施，也是对联合国可持续发展目标中关于"建设具有韧性的基础设施"的直接贡献。通过统一管道约束长度的计算方法，有效提升了供水管网等基础设施的设计质量和安全水平，有助于减少爆管和漏水造成的水资源浪费，符合全球范围内日益严格的基础设施安全与可持续发展要求。3.标准主要内容解读3.1标准框架与适用范围ISO21052:2021标准共分为以下主要章节：范围（第1章）、规范性引用文件（第2章）、术语和定义（第3章）、符号（第4章）、基本原理（第5章）、计算方法（第6章）、安全系数与参数取值（第7章）以及附录（附录A至附录E）。标准明确其适用范围为：公称直径DN60至DN2000、采用柔性接口的球墨铸铁管道系统，用于输送水或其他液体介质，工作压力不超过产品标准规定的最大允许工作压力（PFA）。标准所适用的约束连接系统包括但不限于：机械锁定式约束接头、焊接式约束接头、螺栓连接式约束接头及外置约束装置等类型。3.2核心计算方法标准确立了以静力平衡原理为基础的约束长度计算方法。计算的基本思路是：将管道系统划分为多个计算单元，在每个弯头、三通、堵头等产生不平衡轴向力的部位，确定需要约束的管道长度（即约束长度），使得该长度范围内管道与周围土体产生的摩擦阻力以及约束装置提供的机械锁定力之和能够安全地抵抗不平衡轴向力。计算所涉及的关键参数包括：（1）设计压力与轴向力计算标准规定，管道系统在设计内压作用下，弯头（或三通、堵头）处产生的轴向不平衡力按下述原理计算：单位截面积上的内压乘以管道有效截面积，再根据不同管件的几何形状乘以相应的方向系数。对于弯头，不平衡力的合力方向为弯头角平分线方向，大小与弯头角度成正比。标准给出了从11.25°到90°不同弯头角度的方向系数取值表，设计人员可直接查表使用。（2）摩擦阻力计算管道外壁与周围土体之间的摩擦阻力是抵抗轴向推移力的重要组成部分。标准规定，摩擦阻力的大小取决于管道单位长度的法向压力（包括管自重、覆土重量及管内水重产生的地面反力）和管土之间的摩擦系数。标准中给出了不同管材外表面状态（如沥青涂层、锌层加沥青面层、聚乙烯包覆等）对应的摩擦系数取值范围，并提供了砂土、黏土、砾石等不同回填土质条件下的推荐取值。（3）约束段有效长度与安全系数标准采用的约束长度计算逻辑是"以管道与土壤的摩擦力为主体，约束装置为辅助保障"。其核心计算路线为：先根据力平衡原理计算理论上需要约束的长度基准值，再乘以规定的安全系数后得到最终的约束长度。标准在安全系数的选取方面，根据管道失效后果的严重程度划分为两个等级：一般运行条件下取1.5，对于穿越重要交通干线、高压输电线路或位于地震设防区域等特殊工况，取2.0。（4）温度变化工况针对温度变化引起的管道轴向伸缩力，标准给出了专门的考虑方法。当管道运行温度与安装温度之差超过一定限值（通常为25℃以上）时，需要将温度应力纳入轴向力计算之中。标准给出了球墨铸铁的线膨胀系数取值为11.2×10⁻⁶/℃，并提供了温度应力与轴向力之间的换算关系。3.3参数取值体系与附录标准共设置5个资料性附录，为使用者的实际工程计算提供了丰富的参考数据：-附录A：给出了不同管径、不同设计压力条件下的典型轴向力计算示例；-附录B：列出了不同土壤类型和管道埋深条件下的管土摩擦系数推荐值；-附录C：提供了不同规格约束接头的机械锁定力实测值范围；-附录D：给出了完整的计算流程图和示例工程的计算书模板。3.4标准的创新技术点相较于此前各国广泛采用的传统计算方法，ISO21052:2021在以下几个方面实现了一定的技术创新和统一：其一，首次以国际标准的形式统一了球墨铸铁管道约束长度计算的物理模型和数学公式，彻底改变了以往各制造商"各自为政"的局面，为全球范围内的工程设计和招标采购提供了公平统一的技术基准。其二，标准的计算体系不仅包含了传统方法中"管道-土壤摩擦"与"约束接头锁定力"的简单叠加，还充分考虑了约束管段中每个接头锁定力随轴向力逐级递减的力学特征，建立了更为精细的迭代计算方法，使计算结果更接近管道系统的真实受力状态，有利于实现管道的优化设计。其三，标准提出的安全系数分级体系既保证了安全性底线，又避免了"一刀切"式的过度保守设计。设计人员可根据工程重要性、管道失效后果的严重程度以及土质条件的确定性水平灵活选取安全系数，实现安全性与经济性的最佳平衡。4.标准主要内容——计量单位及术语的规范ISO21052:2021标准在第3章"术语和定义"中，对约束连接系统（restrainedjointsystem）、约束长度（restrainedlength）、轴向力（axialforce）、盲板力（blind-endforce）、摩擦阻力（frictionalresistance）、锁定力（lockingforce）等关键术语给出了明确的定义。标准要求所有计算过程统一采用国际单位制（SI），力的单位均为牛顿（N）或千牛（kN），长度单位均为米（m）或毫米（mm），压力单位均为兆帕（MPa）或巴（bar）。标准所采用的主要符号共计23个，涵盖了几何尺寸、力学参数和材料性能等各个方面，全部以列表形式在标准第5章中详细列明。这一规范化的术语和符号体系，不仅便于各国设计人员的理解和使用，也消除了此前因符号不统一而导致的交流障碍，大大增强了标准的技术可操作性和国际通用性。5.编制单位介绍ISO21052:2021标准由国际标准化组织ISO/TC5/SC2分技术委员会（金属管及管件分技术委员会）归口管理，由该分技术委员会下属的WG5工作组具体负责起草。ISO/TC5/SC2分技术委员会是ISO框架下专门负责金属管材及管件标准化工作的技术组织，其秘书处设于法国标准化协会（AFNOR）。SC2分委会的成员包括中国、法国、德国、日本、美国、英国、意大利、西班牙、韩国、澳大利亚等30余个国家的标准化机构，以及国际球墨铸铁管协会（IDI）等联络组织。SC2分委会在球墨铸铁管领域已先后制定了多项具有广泛国际影响力的标准，包括ISO2531（输水用球墨铸铁管及管件）、ISO7186（排水用球墨铸铁管及管件）、ISO8179（球墨铸铁管外表面镀锌层）、ISO8180（球墨铸铁管聚乙烯套）等。截至2023年底，SC2分委会归口的现行有效标准共计40余项，涵盖了球墨铸铁管道产品、试验方法、连接件、涂层和安装技术等各个层面，构成了较为完整的球墨铸铁管道标准体系。ISO/TC5/SC2分委会在制定ISO21052过程中，充分采用了ISO/IEC导则所规定的协商一致工作程序。项目从提案（NP）阶段到最终出版（Publication）阶段，先后经历了工作草案（WD）、委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）等多个阶段。各阶段均充分征求了成员国意见，以投票表决方式逐级推进。在标准编制的关键阶段，中国、法国和日本三国专家发挥了重要技术支撑作用，贡献了大量工程实测数据和计算验证成果，为标准的科学性、合理性和适用性提供了坚实保障。6.标准实施的意义与应用6.1对管道工程行业的技术价值ISO21052:2021标准的发布实施，为球墨铸铁管道约束连接系统设计提供了一套科学、统一、可操作的计算规则。具体而言，标准实施的价值体现在以下几个方面：第一，提升工程安全性。标准所确立的计算方法和安全系数体系，从制度层面确保了管道系统的约束设计具有足够的安全裕度，有效降低了因约束不足而导致的接口脱开和爆管风险。据国际球墨铸铁管协会估算，全面采用该标准进行约束设计后，管道接口脱开类事故的发生率可降低约60%以上。第二，促进技术经济优化。标准基于精确力平衡模型的迭代计算方法，使设计人员能够准确评估约束长度的最优取值，避免"过度约束"造成的材料和施工浪费。对于大型引调水工程而言，科学合理的设计方案可显著节省约束接头和配套附件的采购成本，经济效益可观。第三，便利国际工程合作。标准所建立的统一计算体系使得不同国家的设计院、承包商和制造商之间能够基于同一技术平台进行交流与协作，减少了因技术规则不一致导致的纠纷和额外成本，促进了管道工程领域的国际贸易和跨国投资。6.2对标准体系的完善和补充ISO21052:2021的发布，补齐了球墨铸铁管道标准体系中"设计计算"环节的短板。在此之前，ISO标准体系中虽已有产品标准、试验标准和施工安装标准，但一直缺乏从管道系统力学安全角度出发的设计计算类标准。本标准发布后，与ISO2531、ISO7186等产品标准形成了有效互补，使管道用户在设计选型和工程应用中拥有了完整的技术依据。同时，该标准也为各国转化采用国际标准提供了范本，对推动各国国家标准体系的完善具有积极的引导作用。7.结论与展望ISO21052:2021《球墨铸铁管道的约束连接系统约束长度的计算规则》作为全球首部专门规定球墨铸铁管道约束长度计算方法的国际标准，其发布实施是管道工程技术标准化进程中的重要里程碑。该标准以力学平衡原理为理论基石，综合考虑了内压作用、温度效应、管土相互作用和接头机械锁定等多种因素，构建了一套严谨、科学的计算体系。标准不仅统一了此前各制造商各自为政的分散计算方法，还通过合理的参数取值和分级的安系数体系，在管道工程的安全性和经济性之间实现了良好的平衡。展望未来，随着球墨铸铁管道在长距离引调水、城市地下综合管廊、海水淡化输水等领域的应用规模持续扩大，对管道约束系统的设计要求将更加精细化和多样化。建议相关标准化技术组织在ISO21052的基础上，进一步开展以下工作：一是结合管道实际运行经验和健康监测数据，逐步完善约束接头长期性能衰减系数的取值研究；二是结合数字化设计技术（如BIM、有限元分析等）的发展，研究开发与标准计算方法相配套的计算机辅助设计工具和标准算法库；三是加强标准在国际工程中的推广应用，推动更多国家采纳和转化该标准，促进全球范围内球墨铸铁管道工程设计水平的整体提升。我们有理由相信，随着ISO21052:2021标准在工程实践中的不断应用和完善，球墨铸铁管道系统的运行安全性将得到更有力的技术保障，其作为城市生命线工程重要组成部分的价值将进一步彰显，为全球基础设施的可持续发展作出更大贡献。参考文献[1]ISO21052:2021,Restrainedjointsystemsforductileir