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1、設(shè)計(jì)要求 1、 設(shè)計(jì)題目：空氣儲(chǔ)罐的機(jī)械設(shè)計(jì) 2、最高工作壓力：0.8 3、工作溫度：常溫 4、工作介質(zhì)：空氣 5、全容積：16 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇： 設(shè)計(jì)壓力 ：取1.1倍的最高壓力，0.88MP<1.6屬于低壓容器。 筒體幾何尺寸確定：按長(zhǎng)徑比為3.6，確定長(zhǎng)L=640000mm,D=1800mm 設(shè)計(jì)溫度取50 因空氣屬于無毒無害氣體，材料取Q345為低合金鋼，合金元素含量較少，其強(qiáng)度，韌性耐腐蝕性，低溫和高溫性能均優(yōu)于同含量的碳素鋼，是壓力容器專用鋼板，主要用于制造低壓容器和多層高壓容器！ 封頭設(shè)計(jì)：橢圓形封頭是由半個(gè)橢圓球面和短圓筒組成，球面與筒體間有

2、直邊段。直邊段可以避免封頭和和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率突變，以改善曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布比較均勻；且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易沖壓成型，在實(shí)際生產(chǎn)中多有模具，是目前中低壓容器應(yīng)用較多的封頭。 因此選用以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的 標(biāo)準(zhǔn) 型橢圓形 封頭 為了防止熱應(yīng)力和邊緣應(yīng)力的疊加，減少應(yīng)力集中，在封頭和筒體連接處必須有一段過渡的直邊段，直邊段的高度依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇。 封頭材料與筒體相同，選用頭和筒體連接處必須有一段過渡的直邊段，直邊段的高度依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇。 選材和筒體一致Q345R 接管設(shè)計(jì)3.4

3、 接管設(shè)計(jì) 優(yōu)質(zhì)低碳鋼的強(qiáng)度較低，塑性好，焊接性能好，因此在化工設(shè)備制造中常用作熱交換器列管、設(shè)備接管、法蘭的墊片包皮。 優(yōu)質(zhì)中碳鋼的強(qiáng)度較高，韌性較好，但焊接性能較差，不宜用作接管用鋼。 由于接管要求焊接性能好且塑性好。故選擇 20 號(hào)優(yōu)質(zhì)低碳鋼的普通無縫鋼管制作各型號(hào)接管 3.5 法蘭設(shè)計(jì) 法蘭連接的強(qiáng)度和緊密性比較好，裝拆也比較方便，因而在大多數(shù)場(chǎng)合比螺紋連接、承插式連接、鉚焊連接等型式的可拆連接顯得優(yōu)越，從而獲得廣泛應(yīng)用。 平焊法蘭連接剛性較差，只能在低壓，直徑不太大，溫度不高的情況下使用。由于Q345R 為碳素鋼，設(shè)計(jì)溫度 50℃ <300℃ ，且介質(zhì)無毒無害，可以選用帶頸

4、平焊法蘭，即 SO 型法蘭。 儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力較小要保證法蘭連接面的緊密性，必須合適地選擇壓緊面的形狀。 對(duì)于壓力不高的場(chǎng)合，常用突臺(tái)形壓緊面 。突面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，裝卸容易，且便于進(jìn)行防腐襯里。儲(chǔ)罐由于設(shè)計(jì)壓力為 0.88MPa，空氣無毒無害，可選擇突面（RF）壓緊面。 由于法蘭鋼件的質(zhì)量較大，需要承受大的沖擊力作用，塑性、韌性和其他方面的力學(xué)性能也較高，所以不用鑄鋼件，可以采用鍛鋼件。接管材料為 20 號(hào)鋼，法蘭材料選用 20Ⅱ鍛鋼。 3.6接管與法蘭分配 3.6.6 N1、N2空氣進(jìn)、出口 公稱尺寸 DN250，接管尺寸j 273 x6 。接管采用無縫鋼管，材料為 20

5、號(hào)鋼。伸出長(zhǎng)度為 150mm 。 選取 0.88MPa 等級(jí)的帶頸平焊突面法蘭，材料選用 20Ⅱ，法蘭標(biāo)記為：SO300-2.5 RF3.6.2 N3排污口； 公稱尺寸 DN40，接管采用 45 x3.5 無縫鋼管，材料為 20 號(hào)鋼，外伸長(zhǎng)度為 150mm。選取 0.88MPa 等級(jí)的帶頸平焊突面法蘭，材料選用 20Ⅱ，法蘭標(biāo)記為：SO40-1.6 RF 3.6.3 N4安全閥口 公稱尺寸 DN80，接管采用 j89 x4 無縫鋼管，材料為 20 號(hào)鋼，外伸長(zhǎng)度為 150mm。根據(jù) GB12459-99，選用 90彎頭；彎頭上方仍有一定外伸量。 選取 0.88MPa 等級(jí)的帶頸平

6、焊突面法蘭，材料選用 20Ⅱ，法蘭標(biāo)記為：SO80-1.6RF 3.6.4 N5壓力表口 公稱尺寸 DN25，接管采用j 32 x3.5 無縫鋼管，材料為 20 號(hào)鋼，外伸長(zhǎng)度為 150mm。 根據(jù) GB12459-99，選用 90彎頭；彎頭上方仍有一定外伸量。選取 0.88MPa 等級(jí)的帶頸平焊突面法蘭，材料選用 20Ⅱ，法蘭標(biāo)記為：SO25-1.6 RF 3.6.5 N6（備用口）公稱尺寸 DN80，接管采用j 89 x4 無縫鋼管，材料為 20 號(hào)鋼，外伸長(zhǎng)度為 150mm。需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。選取 0.88MPa 等級(jí)的帶頸平焊突面法蘭，材料選用 20Ⅱ，法蘭標(biāo)記為：SO80-1.6

7、 RF 3.7彎頭設(shè)計(jì) N4 為安全閥口，安全閥在容器中起安全保護(hù)作用。當(dāng)容器壓力超過規(guī)定值時(shí)，安全閥打開，將系統(tǒng)中的一部分氣體/流體排入大氣/管道外，使系統(tǒng)壓力不超過允許值，從而保證系統(tǒng)不因壓力過高而發(fā)生事故。由于沖出壓力較大，閥口不可直接對(duì)人，因此需 90安裝，用彎頭過渡。標(biāo)記為：彎頭 DN80 90 N5 為壓力表口。為方便讀數(shù)，壓力表需豎直安裝于管口，因此接管要通過 90彎頭過渡至豎直面，再安裝壓力表。標(biāo)記為：彎頭 DN25 90 3.8 人孔設(shè)計(jì) 在化工設(shè)備中，開設(shè)人孔是為了便于內(nèi)部附件的安裝，修理和襯里，防腐以及對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行檢查、清洗。對(duì)于壓力容器，為了便于移動(dòng)

8、沉重的人孔蓋，蓋子通常做成回轉(zhuǎn)形式。本儲(chǔ)罐由于尺寸較大，人孔直徑也較大，可使用回轉(zhuǎn)蓋人孔。 3.8.1 人孔接管及法蘭設(shè)計(jì) 公稱尺寸為 500mm。接管采用 530 10 無縫鋼管，材料為 20 號(hào)鋼，外伸長(zhǎng)度為150mm。選用回轉(zhuǎn)蓋帶頸平焊法蘭人孔。法蘭采用帶頸平焊突面法蘭，材料為 20Ⅱ鍛鋼，法蘭標(biāo)記為 500-1.6 RF。 法蘭蓋設(shè)計(jì) 法蘭蓋根據(jù)配套選擇，采用 A 型蓋軸耳，材料與接管同， 鋼20 標(biāo)記為：BL500-1.6RF。 緊固件選用 與法蘭蓋之間必須加墊片密封。在采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭的情況下，選擇恰當(dāng)?shù)膲|片可以提高密封效果。根據(jù)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力，可選用

9、石棉橡膠板（XB350）作為墊片材料。該材料應(yīng)用廣泛，使用溫度可達(dá) 450℃，壓力小于 6MPa 的場(chǎng)合。墊片型號(hào)標(biāo)記為：RF 500-1.6 法蘭蓋與法蘭連接的螺柱可選用 M24 的螺桿。 3.9 支座選擇 化工容器設(shè)備大都通過支座加以固定。支承式支座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，不需要專門的框架、鋼梁來支承設(shè)備，可直接把設(shè)備載荷傳到較低的基礎(chǔ)上。此外，它能比其他型式的支座提供較大的操作、安裝和維修空間。由于支承式支座對(duì)所在設(shè)備封頭產(chǎn)生的局部應(yīng)力相對(duì)較大，故在采用這種支座時(shí)，需增設(shè)墊板。根據(jù)公稱直徑，本儲(chǔ)罐選用 B 型第 4組支承性支座。支座標(biāo)記為：支座 4B 圖 3-4 支承型支座 3.10

10、 吊耳選擇 由于本儲(chǔ)罐高度較高，為方便起吊、移動(dòng)設(shè)備，在筒體頂部加設(shè)吊耳。 圖 3-5 吊耳3.11 焊接型式及結(jié)構(gòu) 3.11.1 筒體焊接接頭系數(shù)選取 根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)，取焊縫形式為相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接接頭，無損探傷要求為局部。 焊接系數(shù) 0.853. 假設(shè)圓筒的厚度在6~16mm范圍內(nèi) 設(shè)計(jì)溫度為 50℃，查 查GB150-1998中表4-1得該溫度下 Q345R 許用應(yīng)力 [σ]t= 170MPa,[σ]=170MP. 筒體厚度計(jì)算： 取鋼板負(fù)偏差 C1 =0.3mm 鋼板腐蝕裕量 C2=1mm 向上圓整取為10mm 封頭厚度設(shè)計(jì)：封頭個(gè)參數(shù)

11、和筒體相同，只有焊接系數(shù)因?yàn)殇摪逭w沖壓而成所以取1.0，故封頭計(jì)算厚度： 向上圓整取10mm，也滿足焊接方面。 實(shí)驗(yàn)壓力確定 采用液壓實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)壓力 \ 所以液壓試驗(yàn)應(yīng)力合格. 3.3筒體和封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由封頭長(zhǎng)短軸之比為2，即，得 查標(biāo)準(zhǔn)[4]中表B.1 EHA和B.2 EHA表橢圓形封頭內(nèi)表面積、容積，質(zhì)量，見表3-1和圖3-1。 取裝料系數(shù)為0.9，則 即 算得 圓整后取為 3.6鞍座選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.6.1鞍座選型 該臥式容器采用雙鞍式支座，初步選用輕型鞍座，材料選用Q345R。 估算鞍座的負(fù)荷： 罐總質(zhì)量

12、 （3-3） —筒體質(zhì)量： —單個(gè)封頭的質(zhì)量，查標(biāo)準(zhǔn)封頭質(zhì)量表m2=294.3kg —充液質(zhì)量：，水壓試驗(yàn)充滿水，故取介質(zhì)密度為， 則 —附件質(zhì)量：人孔質(zhì)量為，其他接管總和為200kg，即 綜上所述m0=m/4=5589.34kg 則每個(gè)鞍座承受的質(zhì)量為5589.34kg，即為55.90KN<350KN ,滿足要求。 鞍座的安裝位置如圖3-3所示：  第四章 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 4.1補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法判別 根據(jù) GB150 規(guī)定，接管必要時(shí)必須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。對(duì)管 N1、N2、N6、N7

13、 進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法法進(jìn)行接管補(bǔ)強(qiáng)。據(jù)前筒體與封頭計(jì)算，其計(jì)算壁厚 名義厚度為10mmN1N2空氣進(jìn)、出口管：公稱尺寸 DN250接管尺寸 273 x6mm 且 故可采用等面積法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 以 20 號(hào)鋼為管材，查 GB150 得設(shè)計(jì)溫度下 20 鋼許用應(yīng)力 t 130MPa焊接接頭系數(shù)j=1 接管計(jì)算厚度： 鋼板負(fù)偏差：C1=0.1x0.93=0.093mm C2=1mm C=C1+C2=1.1mm 名義厚度為6mm 強(qiáng)度削弱系數(shù) 開孔直徑d=di+2C=261+2.2=263.2mm 開孔切削截面積：

14、 （4-1） =263.2x4.66+2x4.66x(6-1.1)(1-0.765)=1237.4mm2 4.2有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 4.2.1有效寬度B B1=2d=2x263.2=526.4mm （4-2） 4.2.2外側(cè)有效高度 根據(jù)[1]中式8-8，得： 4.2.3內(nèi)側(cè)有效高度 根據(jù)[1]中式8-9，得： 4.3有效補(bǔ)強(qiáng)面積 根據(jù)[1]中式8-10 至式8-13，分別計(jì)算如下

15、： （4-3） —筒體多余面積 —接管多余面積 —焊縫金屬截面積，焊腳去7mm，則 4.4補(bǔ)強(qiáng)面積 同樣對(duì) N4安全閥口 公稱尺寸 DN80，接管采用 j89 x4 無縫鋼管，材料為 20 號(hào)鋼，外伸長(zhǎng)度為 150mm 且 故可采用等面積法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 以 20 號(hào)鋼為管材，查 GB150 得設(shè)計(jì)溫度下 20 鋼許用應(yīng)力 t 130MPa焊接接頭系數(shù)j=1 接管計(jì)算厚度： 鋼板負(fù)偏差：C1=0.1x0.30=0.03mm C

16、2=1mm C=C1+C2=1.03mm 名義厚度為4mm 強(qiáng)度削弱系數(shù) 開孔直徑d=di+2C=89+2.1=91.2mm 開孔切削截面積： （4-1） =91.2.2x5.5+2x5.5x(4-1.1)(1-0.765)=487.8mm2 4.2有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 4.2.1有效寬度B B1=2d=2x91.2.2=182.4mm （4-2） 4.2.2外側(cè)有效高度 根據(jù)[1]中

17、式8-8，得： 4.2.3內(nèi)側(cè)有效高度 根據(jù)[1]中式8-9，得： 4.3有效補(bǔ)強(qiáng)面積 根據(jù)[1]中式8-10 至式8-13，分別計(jì)算如下： （4-3） —筒體多余面積 —接管多余面積 —焊縫金屬截面積，焊腳去6mm，則 4.4補(bǔ)強(qiáng)面積 因?yàn)椋蚤_孔需另行補(bǔ)強(qiáng)487.8-387.5=100.3mm 同樣對(duì) N公稱尺寸為 500mm。接管采用j 530x 10 無縫鋼管，材料為 20 號(hào)鋼，外伸長(zhǎng)度為150mm。 且

18、 故可采用等面積法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 以 20 號(hào)鋼為管材，查 GB150 得設(shè)計(jì)溫度下 20 鋼許用應(yīng)力 t 130MPa焊接接頭系數(shù)j=1 內(nèi)徑d=530-10x2=510mm 接管計(jì)算厚度： 鋼板負(fù)偏差：C1=0.1x1.730=0.173mm C2=1mm C=C1+C2=1.173mm 名義厚度為10mm 強(qiáng)度削弱系數(shù) 開孔直徑d=di+2C=510+1.8x2=513.6mm 開孔切削截面積： （4-1） =513.6x5.5+2x5.5x(10

19、-1.7)(1-0.765)=2846.7mm2 4.2有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 4.2.1有效寬度B B1=2d=2x513.6=1027.2mm （4-2） 4.2.2外側(cè)有效高度 根據(jù)[1]中式8-8，得： 4.2.3內(nèi)側(cè)有效高度 根據(jù)[1]中式8-9，得： 4.3有效補(bǔ)強(qiáng)面積 根據(jù)[1]中式8-10 至式8-13，分別計(jì)算如下： （4-3） —筒體多

20、余面積 —接管多余面積 —焊縫金屬截面積，焊腳去6mm，則 4.4補(bǔ)強(qiáng)面積 因?yàn)?，所以開孔需另行補(bǔ)強(qiáng)2846.7-2500.36=346.34mm2 5.2圓筒軸向彎矩計(jì)算 圓筒的平均半徑為 鞍座反力為 5.2.1圓筒中間截面上的軸向彎矩 根據(jù)[2]中式7-2，得： 5.2.2鞍座平面上的軸向彎矩 根據(jù)[2]中式7-3，得： 圖5-1（a）筒體受剪力圖 圖5-1（b）筒體受彎矩圖 5.3圓筒軸向應(yīng)力計(jì)算及校核 5.3.1圓筒中間截面上由壓力及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力 根據(jù)[2]中式7-4至式7-7計(jì)算 最高點(diǎn)處： （

21、5-1） 最低點(diǎn)處： （5-2） 5.3.2由壓力及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力計(jì)算及校核 鞍座平面上，由壓力及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力，按下式計(jì)算： a).當(dāng)圓筒在鞍座平面上或靠近鞍座處有加強(qiáng)圈或被封頭加強(qiáng)（即）時(shí)，軸向應(yīng)力位于橫截面最高點(diǎn)處. 取鞍座包角，查表7-1（JB/T4731-2005）得，.則 b).在橫截面最低點(diǎn)處的軸向應(yīng)力： 5.3.3圓筒軸向應(yīng)力校核 （5-3） 查圖4-8[10]得，,則 滿足條件 5.4切向剪應(yīng)力的計(jì)算及校核 5.4.1圓筒切向剪應(yīng)力的計(jì)算

22、 根據(jù)[2]中式7-9計(jì)算，查[2]中表7-2，得： （5-4） 5.4.2圓筒被封頭加強(qiáng)（）時(shí)，其最大剪應(yīng)力 根據(jù)[2]中式7-10，計(jì)算得： （5-5） 5.4.3切向剪應(yīng)力的校核 圓筒的切向剪應(yīng)力不應(yīng)超過設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力的0.8倍，即。封頭的切向剪應(yīng)力，應(yīng)滿足 而 故圓筒滿足強(qiáng)度要求。 根據(jù)[2]中式7-12 （5-6） （5-7

23、） 故封頭滿足強(qiáng)度要求 5.5圓筒周向應(yīng)力的計(jì)算和校核 根據(jù)鞍座尺寸表知： 即，所以此鞍座墊片作為加強(qiáng)用的鞍座。 5.5.1在橫截面的最低點(diǎn)處： 根據(jù)[2]中式7—18 其中（容器焊在支座上） （5-8） 查[2]中表7-3知， 則 5.5.2在鞍座邊角處 由于 根據(jù)[2]中式7—20: 由于 查[2]中表7-3知，則 （5-9） 5.5.3鞍座墊板邊緣處圓筒中的周向應(yīng)力 由于，根據(jù)[2]中式7—22 5.5.4周向應(yīng)力校核 根據(jù)[2]中式7.3.4.3

24、 故圓筒周向應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。 5.6鞍座應(yīng)力計(jì)算及校核 5.6.1腹板水平分力及強(qiáng)度校核 根據(jù)[2]中表7—7 鞍座包角，查[2]中表7—5得：。則 墊板起加強(qiáng)作用，則： 其中，， 則 則 查[2]中表5—1，得：，則 由于，所以其強(qiáng)度滿足要求。 5.6.2鞍座壓縮應(yīng)力及強(qiáng)度校核 根據(jù)[2]中表7—6，取 則 ，鋼底板對(duì)水泥基礎(chǔ)的 則 所以壓應(yīng)力應(yīng)按[2]中式7—29計(jì)算： （5-9） 其中 ， 筋板面積 腹板面積： 形

25、心： 腹板與筋板組合截面斷面系數(shù)： 代入公式得 取 則 根據(jù)[2]中式7—32進(jìn)行校核 即滿足強(qiáng)度要求。 4.1.1 筒體的總體尺寸已知參數(shù):筒體公稱直徑 DN Di 2000mm，L4500mm4.1.2 筒體壁厚設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)溫度為 85℃，查 GB150 得該溫度下 Q345R 許用應(yīng)力 t 170MPa取鋼板負(fù)偏差 C1 0.3mm ，鋼板腐蝕裕量 C 2 1mm pc Di 1.2 2000計(jì)算壁厚 t 8.34mm 4-1 2 pc 2 170 0.85 1.2 t設(shè)計(jì)壁厚 t d t C 2 8.34 1

26、9.34mm 4-2t C1 C2 8.34 0.3 1 9.64mm 4-3取圓整后名義厚度為 t n 10mm有效厚度 t e t n C1 C 2 10 0.3 1 8.7mm 4-4進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)液體溫度一般不低于 5℃。試驗(yàn)溫度下材料許用應(yīng)力 170MPa，設(shè)計(jì)壓力1.2MPa， 170試驗(yàn)壓力 pT 1.25p1.25 1.2 1.5MPa 4-5 t 170 pT Di t e 1.5 2000 8.7校核圓筒應(yīng)力 T 203.72MPa 4-6 2t e 2 8.7 0.85屈服強(qiáng)度 s 345MPa ， 90 s 0.9 345 310.5MPa T 0.9 s ，筒體試

27、驗(yàn)合格4.2 封頭尺寸4.2.1 封頭的總體尺寸封頭采用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭k1，DN2000mm。封頭高度 h1 Di 4 2000 / 4 500mm 4-716m 3 空氣儲(chǔ)罐設(shè)計(jì) 114.2.2 封頭的厚度設(shè)計(jì)封頭材料參數(shù)與筒體相同 Kpc Di 11.2 2000計(jì)算壁厚 t 8.32mm 4-8 2 0.5 pc 2 170 0.85 0.5 1.2 t設(shè)計(jì)壁厚 t d t C 2 8.32 1 9.32mmt C1 C2 8.32 0.3 1 9.62mm取圓整后名義厚度為 t n 10mm有效厚度 t e t n C1 C 2 10 0.3 1 8.7mm封頭的最小厚度校核： 0.1

28、5 Di 0.0015 2000 3mm t n 10mm ，滿足要求。4.2.3 封頭的直邊段高度橢圓封頭的直邊段高度以內(nèi)徑為準(zhǔn)。當(dāng) Di 2000mm 時(shí)，直邊段高度 h25mm 圖 4-1 封頭極其直邊段4.3 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算及補(bǔ)強(qiáng)圈選用 根據(jù) GB150 規(guī)定，接管必要時(shí)必須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。對(duì)管 N1、N2、N6、N7 進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法法進(jìn)行接管補(bǔ)強(qiáng)。據(jù)前筒體與封頭計(jì)算，其計(jì)算壁厚 T 8.34mm ，名義厚度為 Tn 10mm4.3.1N1N2空氣進(jìn)、出口管：公稱尺寸 DN250接管尺寸 273 616m 3 空氣儲(chǔ)罐設(shè)計(jì) 12內(nèi)徑 d i 273 2 6 261mm 4-9以 20 號(hào)鋼為管材，查 GB150 得設(shè)計(jì)溫度下 20 鋼許用應(yīng)力 t 130MPa焊接接頭系數(shù) 1.