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ASME培训教材Lesson 3 设计要求


哈 佛 蒸 汽 锅 炉 检 验 与 保 险 公 司 ASME 规范第 VIII-1 卷 -- 压力容器 设计要求 课程 3 页 码 1/19

目的
本课程结束后,你将对设计要求及其运用有初步了解,知道怎样为具体情况确定适用 的要求,并确定所要使用的有关参数。

课程概况
VIII-1 卷的设计方法 确定设计参数的责任 接头形式和要求 射线探伤 厚度方面的考虑 封头设计的一些限制

VIII-1 卷的设计方法
VIII-1 卷的设计要求根据: 所采用的制造方法; 所使用的材料。

使用条件的要求
用户必须说明使用条件的类型、以及其它有关情况,否则,可能造成制造厂不能满足 规范对特定使用条件提出的有关要求。

设计公式
如果规范公式适合于具体一个元件的计算,那么,该公式的运用是强制性的。

使用条件的类型
VIII-1 卷提到使用条件有以下 5 个: 1. 2. 3. 4. 5. 有毒介质 低温 非受火蒸汽锅炉 直接受火容器 其它(UW-2 中未提到的容器)

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设计载荷
VIII-1 卷列出了以下几类载荷,在设计时都必须考虑到: 压力 温度梯度 容器和介质的重量 叠加载荷(如:静压头) 局部应力* 循环和动载荷(如:疲劳考虑) 风载* 地震载荷* *如果存在的话。 注:VIII-1 提供的设计法则仅适合于压力载荷的计算,对于其它载荷,任何适用的工程方法都 可使用。

确定设计参数的责任
在“ASME 体系”里涉及到的几个单位之间存在着接口,为每个单位规定了职责或要做的工作。 每个单位负责进行他们自己的工作,ASME 持证单位仅负责确保符合 ASME 规范的所有相关要 求。

用户的责任
用户应向制造厂提供以下数据,以便使所设计的容器满足预期的使用条件: 设计压力和温度 载荷 腐蚀余量 使用要求 附加的 PWHT 或 RT VIII-1 卷容器的设计可以由用户或其设计代理、ASME 持证单位或其分供方进行,但是,给容 器打钢印的 ASME 持证单位必须对设计符合 ASME 规范的要求负责。 VIII-1 卷对设计人员的资 格没有要求。 接头形式及限制

接头类别(Joint Category) 接头类别( )
接头类别是按接头在容器上的位置定义的。

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注: D 类接头可以是角接接头,也可以是对接接头。平封头上拼接焊缝为 A 类接头。 焊接接头
除类别外,规范还用类型(Type)来描述接头。Type 是焊接接头结构的定义。 Type 1 Type 4 Type 2 Type 5 Type 3 Type 6

关于焊接类型的限制 接头类型 Type 1 环 厚 度 直
所有 所有,但 ≤5/8”对于 Offset 所有

缝 径 注 厚

纵 度
所有

缝 注

所有

所有

2 3 4

≤3/8 in 对于球封头 ≤5/8” ≤5/8” 封头 ≤1/2” ≤24” O.D. 所有 ≤24”O.D 所有 所有 不允许 ≤3/8” 不允许用于球封 头

5
夹套壳体≤5/8”

不允许

6 特殊容器 UW-2(a) 有毒介质

凸面受压封头 所有封头

≤24”O.D.

当容器按有毒介质设计时,所有的焊接接头必须 100%RT。 各类接头必须是: A类 B类 C类 D类 Type 1 Type 1 或 2 Type 1 或 2,但允许 Fig. UW-13.5 所示的焊接结构。 (见 UW-2(c)(a)) 全焊透

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UW-2(b) 低温
下列情况属于低温容器: 按 UG-68,碳钢、低合金钢容器的 MDMT 小于-55°F(-48°C) ; 高合金钢容器,按 UHA-51 要求对母材或焊缝金属进行冲击试验。各类接头必须是: A类 Type 1(对于某些奥氏体不锈钢及其焊缝,可以使用 Type 1 或 2) B类 C类 D类 Type 1 或 2 全焊透(法兰必须采用全焊透连接,不使用平焊法兰) 。 全焊透,但以下情况可采用不焊透结构: UHA-51(d)(1)(a)和(b)、UHA-51(d)(2)(a)的材料,MDMT≥-320°F。 UHA-51(d)(1)(c)和 UHA-51(d)(2)(b)的材料,MDMT≥-50°F。

UW-2(c) 非受火蒸汽锅炉
非受火蒸汽锅炉(如:废热锅炉)的设计压力超过 50 psi(0.34 Mpa)时,各类接头必须是: A类 B类 C类 D类 Type 1 Type 1 或 2 无限制 无限制

UW-2(d) 直接受火容器
压力容器或部件直接承受燃料(固体、液体或气体)燃烧火焰,其制造不属 Section I、III、或 IV 的范围,此 类容器上的各类焊缝必须是: A类 Type 1 B 类(t>5/8”) Type 1 或 2 C类 无限制 D类 无限制

射线探伤 RT 的类型 100% 抽检 无射线探伤要求 要求 RT
UW-11(a)(1)规定,用于有毒介质的壳体和封头,其上面的所有对接焊缝必须做 RT 检查。 UW-11(a)(2)规定,除了容器的使用条件要求进行 RT 外,对接焊缝的厚度超过一定的尺寸时,也要求 RT 检 查,如 Table UCS-57、还有 UHA-57 要求对所有 Type 1 接头作 RT 检查。

可选 RT
当规范没有规定要作 RT 时,RT 检验的程度由设计者选择,并取决于所期望的焊缝系数和/或质量系数。见 UW-11 和 12。

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UW-12 焊缝系数
当规范没有规定 RT 时,RT 便成为设计的选项。设计者可以通过选择附加的 RT,以使用较高 的焊缝系数。按 UW-12,这一选项可以运用在整台容器上,也可以运用在具体一部分焊缝上。 几个定义: a) 应力乘数 “E”是应力乘数,它可以是焊缝系数,也可以是质量系数。除 UW-11(a)(5)外, 应力乘数: 应力乘数运用于接头,而不是容器筒节。设计者可按每个接头来使用应力乘数。 b) 质量系数 质量系数:对于不符合 UW-11(a)(5)(b) RT 抽检的无缝部件,应使用应力乘数 0.85。注意: 焊制管必须符合此要求,也就是说,除了 Section II Part D 中已对许用应力运用了 15%应力降低系数外,还要运用质量系数 0.85。 c) 焊缝增量 焊缝增量:一个焊工在一台容器上焊接的 50 ft.(15 m)焊缝,如果是多台一致的容器,此 焊缝增量可以是一台或多台容器上的焊缝。焊缝增量的定义见 UW-52,目的在于 规定一张抽检 RT 片子代表的焊缝长度,一张抽检片子必须包括每一焊工焊接的 焊缝。

UW-11(a) 100% RT
以下焊缝必须按 UW-51 对其全长进行 RT 检查: 筒节或封头上的所有 A 类和 D 类对接焊缝,当接头或部件取 UW-12(a)允许的焊 缝系数进行设计时,应作全长 RT 检查。 接管、及与容器相连的压力腔壳体(Communicating Chamber)上的对接焊缝,当 其超过 NPS10 或 1-1/8 in.厚度时,应作全长 RT 检查。 与 A 类对接焊缝相交、或连接无缝筒体或封头的 B 类或 C 类对接焊缝,至少应 满足按 UW-52 的 RT 抽检要求。本条要求的 RT 抽检不可用来满足运用于其它焊 缝增量的 RT 抽检要求。符合此要求的容器应打上 RT2 钢印。 注:要满足打 RT1 钢印的要求,上述焊缝须进行全长 RT 探伤。

UW-11(b) RT 抽检
如果筒体或封头的设计使用 UW-12(b)允许的焊缝系数时,其上的焊缝应按 UW-52 进行 RT 检查。 RT 抽检是质量控制检验的一种手段,抽检的范围应包括:

每 50 ft(15 m)焊缝增量或不足此增量的焊缝长度抽检 6 in.(150 mm)长; 每 59 ft(15 m)焊缝增量必须包括足够数量的抽检,以检查每个焊工的工作质量; RT 抽检的部位由 AI 选定; 满足其它条款而要求的 RT 不得用来满足此条的抽检要求; UW-51(a)的要求同样适合 RT 抽检(RT-3) 。

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厚度方面的考虑 设计-一般要求 设计 一般要求 UG-16(b)
壳体和封头成形后的允许最小厚度,不管是什么材料形式,去除腐蚀余量后应为 1/16”(1.6 mm) 。以下情况 例外: 1) 对于板式换热器的换热板不适用。 2) 对于壳-管式换热器中的管子不适用。 3) 非受火蒸汽锅炉的壳体和封头的去除腐蚀余量后的最小厚度为 1/4”(3.2 mm) 。

4)用于压缩空气的壳体和封头,如用 UCS 材料制成,去除腐蚀余量后,其最小厚度应为 3/32”(2.4 mm) 。 UG-16(c)
板材钢厂负偏差为订购厚度的 6%,但最大不超过 0.01”(0.3 mm) 。

UG-16(d)
管子负偏差:如果管子按公称厚度订购,除按 UG-37 和 UG-40 计算管接头壁厚补强面积要求外,都应考虑 到壁厚的制造负偏差。大多数情况下,管子的负偏差为 12.5%。

UG-16(e)
腐蚀余量:用于计算公式中的尺寸不包括腐蚀余量。

UG-23 最大许用应力
UG-23(a) 最大许用应力应从 Section II Part D 中的有关表里(如表 1A 或 1B)查取,应在考虑承载条件下金属预期保持 的温度下取值。 UG-23(b) 最大许用纵向压应力应取以下较小值: 1) 最大许用拉应力; 2) 按 UG-23(b)(2)确定的 B 值。 UG-23(c) 由 UG-22 所列载荷同时作用产生的最大总体一次薄膜应力不超过 Section II Part D 中的最大许用应力值。对 于产生弯曲应力的载荷,最大一次薄膜应力加上一次弯曲应力不超过 Section II Part D 中的最大许用应力的 1.5 倍。 UG-23(d) 地震或风载与 UG-22 所列的其它载荷组合作用下,总体一次薄膜应力不应超过 UG-23(a)、(b)、(c)允许的最 大许用应力值。

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环向应力和纵向应力

对于无缝的薄壁圆形筒体,环向应力基本上是纵向应力的 2 倍。在大多数情况下,计算厚度时,UG-27 中 的环向应力公式起确定作用,但也有少数情况,纵向应力起确定作用,如:非常高的立式容器在风载和地 震载荷作用下、鞍座支撑的卧式长容器。 应该注意,如果圆形筒体既有环缝、又有纵缝,UG-27 纵向应力公式只有在环焊缝的焊缝系数小于 0.5 时、 或当附加载荷(UG-22)使得纵向弯曲或拉伸与内压一起作用时,才起确定作用。

内压下壳体厚度计算公式 圆形筒体 环向应力(纵向焊缝) 环向应力(纵向焊缝)
用内径表示 (t ≤

R 或 P ≤ 0.385 SE) 2 PR SEt t= 或 P= SE ? 0.6 P R + 0.6t R 或 P ≤ 0.385SE) 2 PRO SEt t= 或 P= SE + 0.4 P RO ? 0.4t

UG-27(c)(1)

用外径表示 (t ≤

1-1(a)(1)

纵向应力(环向焊缝) 纵向应力(环向焊缝)
用内径表示 (t ≤

R 或 P ≤ 1.25SE) 2 PR 2 SEt 或P= t= 2 SE + 0.4 P R ? 0.4t

UG-27(c)(2)

用管子制成的筒体 – UG-31

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UG-31 允许用管子制造筒体,并可用 UG-27 给出的公式计算厚度。在订购管子时,必须注意,管子材料有无 缝和电阻焊管(ERW)两种,如 SA-53-b,它们的许用应力是不一样的。

球体壳
用内径表示 t=

PR 2 SEt 或 P= 2 SE ? 0.2 P R + 0.2t PRO 或 P= 2 SE + 0.8 P 2 SEt RO ? 0.8t

UG-27(d)

用外径表示 t= 符号 t P R R S E ? ? ? – 壳体的最小要求厚度(in.) – 设计内压(psi.) – 内径(Ri) – 外径 – 最大许用应力(psi.) – 圆筒或球体壳的焊缝系数、孔桥系数,取较低值。 1-1(a)(2)

流体静压头对压力容器设计的影响
UG-22 载荷 较高立式容器(塔器)、或低设计压力的容器要考虑的因素。 如果流体静压头仅在水压试验时存在,设计时可不必考虑流体静压头,可以有以下选择: 1) 在水平位置进行水压试验,以使静水压头降为最低。 2) 用气压试验代替水压试验。 3) 计算水压试验中静压头引起的附加应力。水压试验压力没有上限,见 UG-99(d),但 是,如果容器发生明显的永久变形,AI 有权拒收容器。 静压头引起的附加压力: P(f) = Hγ 式中: P(f) = 静压头引起的附加压力。 H = 流体柱的高度。 γ = 流体密度。

厚壁圆筒的计算公式
Appendix 1 – 其它设计计算公式 如果 t > R/2 或 P > 0.385SE,考虑环向应力(纵向焊缝),见 1-2,当“P”已知,求 t 时: t = R( Z
1 2

? 1) = RO

(Z

1

2 1

? 1)
2

Z
式中:Z =

SE + P SE ? P

如果“t”已知,计算 P:

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t = SE (

Z ?1 ) Z +1

式中:Z = (

R R R+t 2 ) = ( O )2 = ( O )2 R R RO ? t

封头设计 半球形封头、椭圆封头、碟形封头、锥壳、折边锥壳、平封头、球凸形封头(螺栓连接封头) ASME 规范条文 UG-32 和附录 1-4, 凹面受压(受内压)成形封头和锥壳, 即非螺栓连接成形封头如: 半球形封头、 椭圆形封头、 碟形封头、锥壳和折边锥壳。 注意: 注意:Code Case 2260 给出了设计封头的另一方法。 UG-33,凸面受压(受外压)成形封头。 , 附录 1-5,内压下锥壳封头和过渡段与圆形筒体连接处的补强计算。 , UG-34,无拉撑平封头和平封盖(圆形或非圆形、焊接、螺栓连接、螺纹连接等形式的平封盖、盲法兰等)。 , UG-35,其它类型的封盖。如:附录 1-6,球凸形封头;UG-35(b),快开式封盖。 , UG-47,拉撑面或有拉撑平封头。 ,

典型封头的主要尺寸( 典型封头的主要尺寸(见 Fig 1-4) )

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t D D0 h L r α Di

= 成形后封头的最小要求厚度。 = 封头直边的内径;椭圆封头的内表面长轴长度;锥壳封头考虑点处垂直于轴线 的内直径。 = 外径(与内径相似)。 = 椭圆封头短轴长度的 1/2。 = 碟形封头和半球形封头球或冠的内半径。 = 转角内半径。 = 锥壳中心夹角的 1/2。 = 折边锥壳封头转角与锥壳相切处与轴线相垂直的内直径。 = D – 2r(1-cosα)

P

= 设计内压

2:1 标准椭圆封头
短轴是长轴的一半:

D =2 2h

可以作为近似 2:1 标准椭圆封头(见 UG-32(d)):转角半径 r = 0.17D;球冠半径 L = 0.90D。 UG-32(d)给出了最小要求厚度或 MAWP 的计算公式:

t=

PD 2 SEt 或 P= 2 SE ? 0.2 P D + 0.2t

其它椭圆封头
对于非 2:1 的椭圆封头,附录 1-4(c)给出了计算公式:

t=

PDK 2 SEt 或 P= 2 SE ? 0.2 P KD + 0.2t

碟形封头 标准碟形封头
= D0 = 直边的外径; = 6%L = 球冠内半径的 6% = 6%D0 = 直边外径的 6%; 此标准碟形封头的厚度和压力计算公式(UG-32(e)): L r

t=

0.885 PL SEt 或 P= SE ? 0.1P 0.885 L + 0.1t

对于最低抗拉强度超过 80,000 psi 的材料,碟形封头的计算应使用室温下许用应力 S = 20,000 psi,并按最大 许用应力随温度降低成比例降低的许用应力。

非标准碟形封头附录 1-4(d)给出了非标准碟形封头的计算公式: PLM 2 SEt t= 或 P= 2 SE ? 0.2 P LM + 0.2t L 式中: M = r
UG-32(j)对于任何无拉撑封头,其球冠内半径 L 不得大于直边的外直径 D0。

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对于碟形封头,内转角半径不小于封头直边外直径的 6%,但决不得小于封头厚度的 3 倍。 Maximum L = 直边外径 D0 Minimum r = 直边外径 D0 的 6%,但不小于封头厚度的 3 倍。 对 L 给出最大值是限制封头的平度,增大 L 使封头更接近平板。 对 r 给出最小值是控制曲率,曲率越小,曲面的变化越陡。使用较大的 r 是为了减缓这一变化。

斜坡过度 UG-32(l)
所有厚度大于筒体的成形封头, 如采用对接焊缝连接,应具有足够长的直边, 以满足 Fig. UW-13.1 中关于 3:1 坡度和中心线对中偏差的要求。 所有厚度小于或等于筒体厚度的封头,如采用对接焊缝连接,可不必具有整体直边。当带有直边,其厚度应 不小于相同直径无缝筒体的要求厚度,即直边部位应按无缝筒体对待。

斜坡过度 Fig. UW-13.1

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厚度要求 UG-32(a)和 UG-32(b) 和
对于成形封头(椭圆封头、碟形封头、半球形封头和折边锥壳),要求的厚度是指成形后最薄处的厚度。通常 使用较厚的板材,以补偿成形操作过程中可能引起的减薄(见脚注 18)。 无拉撑椭圆封头或碟形封头的厚度不得小于无缝半球形封头的要求厚度除于封头与筒体的焊缝系数。

半球形封头 UG-32(f)
当半球形封头的厚度不超过 0.356L、或 P 不超过 0.665SE,则:

t=

PL SEt 或 P= 2 SE ? 0.2 P L + 0.2t

对于厚壁球壳,见附录 1-3 的公式。 薄壁半球形封头的材料利用率最高,承受相同内压壁厚最薄。由于环向和纵向应力相等,因此最大限度地利 用了材料。一般来说,半球形封头的厚度大约是圆形筒体厚度的一半。

封头计算举例
A) 标准碟形封头,其球冠内半径等于直边外直径,转角内半径等于球冠半径的 6%。 根据 UG-32(e): t = P L S E = = = =

0.885 PL SE ? 0.1P

设计压力(psi) = 150 psi 球冠内半径(in.) = 72 in. 许用应力(psi) = 12 ksi (SA-516-70 在 800°F 下) 封头上的最低焊缝系数 = 1.0

t=

0.885 × 159 × 72 = 0.798 in. 12000 × 1.0 ? 0.1 × 150

B) 80/10 碟形封头,即球冠内半径为直边外径的 80%、转角内半径为直边外径的 10%的碟形封头。 根据附录 1-4: t =

PLM 2 SE ? 0.2 P L 72 × 80% 57.6 = = =8 r 72 × 10% 7 .2

M = 碟形封头的系数,它取决于封头 L/r 的尺寸比值,r 是转角内半径。 其它数据和上例相同。

M = 1.46 见表 1-4.2

t=
C) 2:1 椭圆封头 根据 UG-32(d): t =

150 × 57.6 × 1.46 = 0.527 in. 2 × 12000 × 1.0 ? 0.2 × 150

PD 2 SE ? 0.2 P t=

150 × 72 = 0.450 in. 2 × 12000 × 1.0 ? 0.2 × 150

D)

半球形封头 根据 UG-32(f): t =

PL 2 SE ? 0.2 P 150 × (72 ÷ 2) t= = 0.225 in. 2 × 12000 × 1.0 ? 0.2 × 150

哈 佛 蒸 汽 锅 炉 检 验 与 保 险 公 司 ASME 规范第 VIII-1 卷 -- 压力容器 设计要求 L = 0.90D 和 r = 0.17D 的碟形封头(近似于 2:1 椭圆封头) 根据 UG-32(d)和附录 1-4(d): L = 0.90D = 0.9×72 = 64.8 R = 0.17D = 0.17×72 = 12.24 课程 3 页 码 13/19

E)

L 64.8 = = 5.29 r 12.24

M =
M =

1 L (3 + ) 4 r

1 (3 + 5.29 ) = 1.33 4 PLM t= 2 SE ? 0.2 P 150 × 64.8 × 1.33 t= 2 × 12000 × 1.0 ? 0.2 × 150
上述计算中,为简化起见,在确定球冠半径和转角半径时直边的外径看成与直边的内径相等。由于相对于直 径,元件的厚度较薄,它们的差别可忽略不计。

平封盖 UG-34
无拉撑平封头、封盖、盲法兰。 圆形和非圆形平封盖。 焊接和螺栓连接。 计算公式是根据平板的弹性、小变形理论推导得出。边界条件或边缘的影响用系数 C 来表示。 对于焊接平封盖,C 系数里包含了一个 0.667 的系数,使许用应力增加到 1.5S(即弯曲许用应力)。对于螺栓连 接平封头,考虑的因素是变形,使用较小的许用应力可减少泄漏的可能性。

平封头的计算公式
无拉撑圆形焊接平封盖

t=d
螺栓连接圆形平封盖

CP SE

t=d

CP 1.9WhG + SE SEd 3

无拉撑正方形、矩形、椭圆形、长圆形、或其它形状的非圆形焊接平封头

t=d

ZCP SE
d ≤ 2.5 D

式中: Z = 3.4 ? 2.4

无拉撑正方形、矩形、椭圆形、长圆形、或其它形状的非圆形螺栓连接平封头

t=d

ZCP 6WhG + SE SELd 3

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符号定义
d C P S E Z W hg L = = = = = = = = = 直径或短径,按 Fig. UG-34 所示测量。 与连接方法有关的系数, 对焊接平封头, 它包含有使弯曲许用应力增加到 1.5S 的系数。 设计压力 最大许用应力,从许用应力表查得。 焊缝系数,对于 UW-3(a)(1)定义的 A 类焊缝,从表 UW-12 查得。 非圆形封盖的系数。 按附录 2 确定的螺栓总载荷。 垫圈力臂 非圆形螺栓连接封盖的螺栓孔中心圆周长。

平封头的类型

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角接焊接接头 UW-13(e) Fig. UW-13.2,典型无拉撑平封盖 ,

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这些是允许的板与壳体焊接的典型焊缝,包括焊缝尺寸。 不允许的角接接头

这些焊缝的共同特点是它们不能承受弯矩,这一点非常重要,因为封盖的主要载 荷是通过弯曲来传递的。

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无拉撑焊接平封头的设计举例 设计参数: 设计压力 = 150 psi 设计温度 腐蚀余量 材料 壳体厚度 壳体内径 容器 100%RT 探伤 无使用限制 圆形无缝封盖 平封头与壳体的焊接按 Fig. UG-34(f),C = 0.33m ≥ 0.20

t=d

CP SE

m=

tr 无缝壳体的要求厚度 = t s 壳体实际厚度扣除腐蚀余量
PR 150 × (96 ÷ 2) = = 0.61 in. SE ? 0.6 P 12000 × 1.0 ? 0.6 × 150

tr =

0.61 = 0.813 0.75 ∵ C = 0.33 × 0.813 = 0.268 ≥ 0.20

∴ m=

t = 96

0.268 × 150 = 5.56 in. 12000 × 1.0

ASME B16.5 法兰 符合 ASME B16.5 和 UG-11(a)(2)的钢制圆形盲法兰, 当属 Fig. UG-34 中的(j)和(k) 的类型,可以按 ASME B16.5 中表 2 的压力-温度等级使用。


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