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加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范

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    1.加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范概述

    天然氣作為21世紀(jì)清潔能源之一,其未來(lái)市場(chǎng)一直被看好。根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)發(fā)布的天然氣中長(zhǎng)期需求預(yù)測(cè)報(bào)告顯示,到2035年全球天然氣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LNG)需求總量達(dá)到5.1萬(wàn)億立方米,占全球能源需求25%。超低溫閥門(mén)作為服務(wù)于LNG管道輸送的關(guān)鍵控制件,這幾年的需求量也同樣隨著接收站的增長(zhǎng)變得越來(lái)越大。由于LNG液化后的實(shí)際運(yùn)輸溫度極低,達(dá)到-162℃,而閥門(mén)在工廠進(jìn)行出廠測(cè)試時(shí),只能采用模擬工況檢測(cè)。很難反映出閥門(mén)的真實(shí)使用狀態(tài),所以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)就格外重要。

    低溫球閥24.jpg

    2.加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范典型結(jié)構(gòu)

    低溫球閥適用于的各種管路上,用于截?cái)嗷蚪油ü苈分械慕橘|(zhì),選用不同材質(zhì),可分別適用于不同的溫度和介質(zhì),工作溫度為-196℃。低溫球閥的驅(qū)動(dòng)方式為手動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、氣動(dòng)或電動(dòng)。低溫球閥一般采用法蘭,焊接,螺紋連接。

    低溫球閥分為低溫浮動(dòng)球閥和低溫固定球閥兩類(lèi),對(duì)于溫度高于-50℃,一般不采用長(zhǎng)頸結(jié)構(gòu),對(duì)于溫度低于-50℃的球閥,頸部長(zhǎng)度T一般為250mm,產(chǎn)品主要用于輸出液態(tài)低溫介質(zhì)如空分設(shè)備、LNG、乙希、液氧、液氫、液化天然氣、液化石油、二氧化碳低溫貯槽及槽車(chē)、變壓吸附制氧等裝置上。產(chǎn)品等。

    加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)構(gòu)特點(diǎn):
    1、本閥門(mén)為全通徑浮動(dòng)球閥、結(jié)構(gòu)緊湊、造型美觀、流阻系數(shù)小。
    2、密封面采用氟塑料,密封副材料配對(duì)合理,使用壽命長(zhǎng)。
    3、球體與四氟閥座為緊密封結(jié)合,具備零泄漏功能,并能利用其塑性變形自動(dòng)補(bǔ)償因磨損帶來(lái)的誤差,達(dá)到密封性能好,使用壽命長(zhǎng)的目的。為了保證閥桿處的密封,在閥體上增設(shè)了填料函和壓蓋進(jìn)行密封。
    4、可選用各種配管法蘭標(biāo)準(zhǔn)及法蘭密封面型式,還可選用手動(dòng)、蝸輪傳動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)等各種驅(qū)動(dòng)方式,滿(mǎn)足用戶(hù)不同需求。對(duì)低溫球閥的主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗(yàn),以保證閥門(mén)在低溫工況時(shí)不脆裂,經(jīng)得起低溫介質(zhì)沖擊。

    低溫球閥11.jpg

    對(duì)每臺(tái)閥門(mén)進(jìn)行以下試驗(yàn):
    1.常溫殼體強(qiáng)度試驗(yàn);
    2.常溫低壓上密封試驗(yàn);
    3.常溫低壓密封試驗(yàn);
    4.低溫上密封氣密試驗(yàn)(有上密封時(shí));
    5.低溫氣密封試驗(yàn)等,以確保整臺(tái)低溫閥門(mén)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;
    6.對(duì)主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗(yàn),以保證閥門(mén)在低溫工況時(shí)不脆裂,經(jīng)得起低溫介質(zhì)沖擊;
    7.低溫(深冷 )閥門(mén)均按相應(yīng)材料規(guī)范進(jìn)行低溫處理和沖擊試驗(yàn)
    8.搞靜電功能更加強(qiáng)大,閥體與閥桿或內(nèi)件與閥體間導(dǎo)通電阻小于1歐姆。

    低溫球閥22.jpg

    2.1 加長(zhǎng)套頂部排水槽設(shè)計(jì)

    為了確保低溫閥門(mén)填料位置不因溫度過(guò)低而導(dǎo)致結(jié)冰,除止回閥之外的其他類(lèi)型閥門(mén),不管是冷箱型還是非冷箱型結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)時(shí),一般均為加長(zhǎng)閥蓋(此處稱(chēng)作加長(zhǎng)套)設(shè)計(jì),其加長(zhǎng)的高度在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的最小規(guī)定值。而在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng),低溫介質(zhì)從閥腔內(nèi)流過(guò),由于熱傳遞的原因,閥體外側(cè)會(huì)有正常的結(jié)霜現(xiàn)象,所以靠近閥體周?chē)沫h(huán)境溫度相對(duì)較低,空氣中的水蒸氣遇冷會(huì)液化,液化后的水會(huì)順著支架自然流下,當(dāng)?shù)竭_(dá)加長(zhǎng)套的頂部時(shí),很容易浸入到填料腔中,隨著時(shí)間的推移,極有可能會(huì)導(dǎo)致加長(zhǎng)套內(nèi)壁結(jié)冰,從而引發(fā)閥門(mén)開(kāi)關(guān)卡鈍等故障。為避免這個(gè)現(xiàn)象,結(jié)合使用的經(jīng)驗(yàn),特在加長(zhǎng)套的頂部設(shè)計(jì)若干個(gè)角度為5°左右的排水槽,如圖1所示。當(dāng)冷凝水流到加長(zhǎng)套頂部的平臺(tái)后,水可以順著向下5°的斜槽順利流出,而不會(huì)在此積聚,更不會(huì)浸入填料腔形成潛在危害。在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中,這種開(kāi)設(shè)排水槽的結(jié)構(gòu)大多是在口徑偏大的設(shè)計(jì)中選用,因?yàn)榫植块_(kāi)槽能夠保留加長(zhǎng)套頂部連接盤(pán)的整體強(qiáng)度不受影響。其次,口徑偏大的閥門(mén),頂部大多需要連接支架和執(zhí)行機(jī)構(gòu),這樣能夠保證平面和支架或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接時(shí)的吻合度,從而保證機(jī)械傳動(dòng)的穩(wěn)定性。在閥門(mén)口徑偏小而選用手柄開(kāi)啟的時(shí)候,為了節(jié)省加工的工時(shí)和減少工序,可以將向下的排水槽改成一整圈的斜端面,將原來(lái)平端面在加工的時(shí)候直接車(chē)削成向外的拔模形式,冷凝水流到平面時(shí)可以從任何一個(gè)方向流出,這樣可以省去了銑削的工序,達(dá)到的效果是一樣的。

    304不銹鋼球閥14.jpg

    2.2 填料函組合設(shè)計(jì)

    由于低溫閥門(mén)內(nèi)所流通的介質(zhì)大多數(shù)都屬于高危性質(zhì),尤其像LNG這種介質(zhì),在溫度上升后,體積會(huì)呈現(xiàn)數(shù)倍膨脹,如果發(fā)生外泄漏,容易引起強(qiáng)烈的火災(zāi)隱患,所以對(duì)于這種閥門(mén)而言,外漏都是不允許的,這對(duì)于動(dòng)態(tài)密封的閥桿位置一直是個(gè)難點(diǎn)。很多生產(chǎn)企業(yè)都能保證產(chǎn)品在出廠時(shí)的密封性能,甚至低泄漏檢測(cè)也能順利通過(guò)。但閥桿作為驅(qū)動(dòng)力矩的傳力部件,要么做升降動(dòng)作,或者做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作,而且填料部位受閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的影響,會(huì)導(dǎo)致冷媒介質(zhì)的竄動(dòng),所以溫度的變化相對(duì)較大,導(dǎo)致密封件的熱脹冷縮也不穩(wěn)定,這對(duì)于填料位置的長(zhǎng)期密封性能而言,一直是個(gè)挑戰(zhàn)。

    其次,低溫閥門(mén)在設(shè)計(jì)上一般均采用閥頸加長(zhǎng)(止回閥除外),加長(zhǎng)閥頸的高度隨著使用溫度越低,高度越高。一般超低溫閥門(mén)閥頸加高都不低于250mm,而閥桿和加長(zhǎng)閥頸等這些零件不可避免的會(huì)存在加工誤差,所以在裝配時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)閥桿和填料函位置不同心的情況。在常規(guī)的設(shè)計(jì)中,都是依賴(lài)于填料墊片和填料壓套的作用強(qiáng)制性將閥桿憋回到同心的位置,這種方式雖然從外觀上看不出來(lái)任何異樣,但是在實(shí)際使用的時(shí)候,閥門(mén)的開(kāi)關(guān)扭矩會(huì)異常大,有時(shí)所需要的操作力甚至?xí)鲩y桿所承受的力矩,嚴(yán)重影響閥門(mén)的使用壽命。針對(duì)以上幾個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題,特提出以下設(shè)計(jì)方案,結(jié)構(gòu)所示。

    填料函的組合設(shè)計(jì)從下至上分別為L(zhǎng)ip-seal主密封、一體式軸承填料墊、組合填料(一般為石墨+PTFE組合)、碟簧加載補(bǔ)償。Lip-seal作為主密封,在最靠近介質(zhì)壓力側(cè),能起到主要作用。其次,在填料墊的設(shè)計(jì)上做了改進(jìn),將普通的填料墊和軸承做成T型一體式,高度符合軸承的需求,能夠彌補(bǔ)加長(zhǎng)閥頸位置閥桿和填料函不同心的問(wèn)題,頂部T型臺(tái)階能夠準(zhǔn)確控制下面Lip-seal所需要的密封空間,可有效防止壓力上竄導(dǎo)致Lip-seal被擠壓損壞。填料作為輔助密封由兩種材料組成,石墨在此處主要是防火的作用,PTFE作為輔助密封,此處不全部選用石墨作為輔助密封主要是為了降低開(kāi)關(guān)扭矩。頂部的填料壓蓋采用碟形彈簧提供預(yù)緊力,一般均選用兩對(duì)4只碟形彈簧,面對(duì)面形式安裝。這種組合形式,既能保證有效的密封,也能保證閥桿和加長(zhǎng)套的同軸度,有效控制扭矩,使用效果良好。

    低溫球閥16.jpg

    2.3 SPE端內(nèi)嵌式封閉槽設(shè)計(jì)

    固定式低溫球閥的閥座密封位置與常溫閥稍有不同,因?yàn)樯涎b式低溫球閥的閥座組件在安裝時(shí),整個(gè)組件是需要前后移位來(lái)騰出空間安裝球體的,這必然會(huì)導(dǎo)致與閥座函內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)制摩擦。而且在安裝的過(guò)程中,由于閥座組件和閥座函之間是間隙配合,所以不能絕對(duì)保證二者同軸,因此在閥座組件導(dǎo)入的過(guò)程中,l可能會(huì)存在扭曲或者局部產(chǎn)生變形的可能,這些潛在的問(wèn)題都會(huì)對(duì)精密密封件的密封性產(chǎn)生不可逆的影響,甚至?xí)苯邮ッ芊庑阅堋?/p>

    內(nèi)嵌式SPE單活塞設(shè)計(jì)如圖4所示,該結(jié)構(gòu)主要是將l的位置由套在閥座支撐圈外圓改到內(nèi)嵌閥體閥座函中。裝配時(shí),先將前后可移動(dòng)的范圍很小,幾乎可以忽略不計(jì)。再將閥座組件導(dǎo)入閥腔,在閥座組件前后移位的過(guò)程中,只有Lip-seal內(nèi)圈和閥座支撐圈外表面形成固定的摩擦,但此摩擦相對(duì)之前的設(shè)計(jì)而言,在槽內(nèi)沒(méi)有發(fā)生前后移動(dòng),不會(huì)輕易發(fā)生扭曲變形等問(wèn)題,也就間接保護(hù)了該零件的精密密封性能,穩(wěn)定性更高。

    低溫球閥12.jpg

    2.4 端的設(shè)計(jì)

    和SPE端的設(shè)計(jì)類(lèi)似,低溫固定球閥的DPE端密封也是采用Lip-seal替代常溫傳統(tǒng)的O型密封圈結(jié)構(gòu)。DPE與SPE不同,也稱(chēng)之為雙活塞結(jié)構(gòu),一般默認(rèn)設(shè)計(jì)均為閥后一側(cè)。DPE側(cè)的設(shè)計(jì)因?yàn)橐紤]閥后側(cè)的活塞效應(yīng),以及閥腔反向密封所需要的活塞效應(yīng),所以無(wú)法像閥前一樣做成內(nèi)溝槽封閉式結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的DPE雙活塞Lip-seal密封圈有兩種形式,第一種為單彈簧背靠背形式,如圖5(a)所示,這種結(jié)構(gòu)左右兩邊為對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)單活塞密封圈;另一種結(jié)構(gòu)為雙彈簧背靠背形式,如圖5(b)所示,這種結(jié)構(gòu)和前者不同之處是每一側(cè)的夾套上下對(duì)稱(chēng)分布著兩個(gè)彈簧,一套密封圈內(nèi)鑲嵌有四個(gè)彈簧。二者相比較而言,單彈簧背靠背形式所需要的溝槽相對(duì)狹窄一點(diǎn),在保證中腔密封比壓的時(shí)候,閥后所能提供的密封截面會(huì)小一些,所以對(duì)應(yīng)能提供的密封比壓較小,一般主要應(yīng)用在150lb~600lb之間(PN100以?xún)?nèi)),當(dāng)然這也不是絕對(duì)的,更不是標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的,僅僅是行業(yè)選用的慣用操作。圖5(b)所示的雙活塞結(jié)構(gòu),密封截面相對(duì)更寬一些,主要常見(jiàn)寬度為8 mm、11.25 mm、12 mm(圣戈班)、14 mm四種。在設(shè)計(jì)的時(shí)候,一般選用原則是盡可能選用寬一些的截面,這樣不僅能保證正反向都能提供合適的密封比壓,其次大截面具有的空間,也能保證內(nèi)部鑲嵌的彈簧截面更大一些。在超低溫工況下,受擠壓時(shí)才能有效保證彈簧的有效壓縮而不會(huì)屈服失效,過(guò)小的彈簧難以控制壓縮量而容易損壞。

    如此一來(lái),在核算閥座所需要的推力時(shí),就需要注意,不能依靠O型圈的核算方法,但同時(shí),正壓力在此處是由擠壓而形成的,也是沒(méi)辦法準(zhǔn)確量化取值的,所以此處需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)給定閥座的合理推力,這個(gè)推力包含閥座全壓差工況下的密封以及在低壓工況下的初始密封。很多剛開(kāi)始接觸低溫球閥的技術(shù)人員會(huì)經(jīng)常提到:“閥門(mén)在常溫下密封效果很好,低溫下就幾乎直通了”,很多情況下其原因就是此處比壓不合理,在低溫下,閥座組件因零部件收縮而抱緊,常溫工況下的推力根本無(wú)法推動(dòng)閥座,導(dǎo)致球口發(fā)生泄漏。這種現(xiàn)象在DPE端尤其明顯,DPE端的密封圈相對(duì)SPE端,內(nèi)嵌彈簧數(shù)量為SPE端的兩倍或四倍,相對(duì)應(yīng)的摩擦力也會(huì)呈現(xiàn)倍數(shù)形式增加,這對(duì)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。技術(shù)人員在DPE端的設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該充分考慮每個(gè)細(xì)節(jié)對(duì)密封產(chǎn)生的影響,保證設(shè)計(jì)的合理性以及穩(wěn)定性。

    低溫球閥2.jpg

    加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工制造的特點(diǎn)

    低溫球閥分為低溫浮動(dòng)球閥和低溫固定球閥兩類(lèi),對(duì)于溫度高于-50℃,一般不采用長(zhǎng)頸結(jié)構(gòu),對(duì)于溫度低于-50℃的球閥,頸部長(zhǎng)度T一般為250mm,低溫球閥主要用于輸出液態(tài)低溫介質(zhì)如乙烯、液氧、液氫、液氮、液氨、液態(tài)丙烷、液化天然氣、液化石油產(chǎn)品等,不但易燃易爆,而且在升溫時(shí)要?dú)饣?,氣?時(shí),體積膨脹數(shù)倍。

    材料選型

    液化天然氣閥門(mén)的材料非常重要,材質(zhì)不合格,會(huì)造成殼體及密封面的外漏或內(nèi)漏;零部件的綜合機(jī)械性能、強(qiáng)度和鋼度滿(mǎn)足不了使用要求甚至斷裂。導(dǎo)致液化天然 氣介質(zhì)泄漏引起爆炸。液化天然氣閥門(mén)的過(guò)程中,材質(zhì)是首要關(guān)鍵的問(wèn)題。閥體、閥蓋采用:LCB(-46℃)、 LC3(-101℃)、CF8(304)(-196℃).

    低溫處理

    我廠對(duì)所生產(chǎn)的低溫閥門(mén)經(jīng)特殊的低溫處理,將粗加工的零件置于冷卻介質(zhì)中數(shù)小時(shí)(2-6小時(shí)),以釋放應(yīng)力,確保材料的低溫性能,保證加工尺寸,以防閥門(mén)在低溫工況時(shí),因溫度變化造成變形而導(dǎo)致的泄漏。

    低溫球閥9.jpg

    加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范技術(shù)規(guī)范

    設(shè)計(jì)依據(jù) GB
    設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB12237-89
    結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度 GB12221-89
    連接法蘭 GB/T 9113-2000 JB/T79-94
    試驗(yàn)和檢驗(yàn) JB/T 9092-99

    加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范材料及主要參數(shù)

    序號(hào) 零件名稱(chēng) AS to ASTM SS to ASTM    
    Type A352 LCB Type A352 LC3 Type F304(L) Type F304(L)    
    1-2 閥體/閥蓋 Type A352 LCB Type A352 LC3 A182 F304(L) A182 F304(L)
    3 等長(zhǎng)雙頭螺栓 A193L7+鍍鎘 A193 3 B8 A193 B8 A193 B8M
    4 螺母 A193L7+鍍鎘 A194 8 A194 8 A194 8M
    5,8 密封圈、墊片 RTFE+Cu粉/尼龍1010/PPL      
    6 球體 A182 F304 A182 F304(L) A182 F304(L) A182 F316(L)
    7 閥桿 A182 F304 A182 F304(L) A182 F304(L) A182 F316(L)
    9,10 止推片、填料 RTFE+Cu粉/尼龍1010/PPL,碳素纖維      
    11 壓蓋 A105N A351 CF8    
    12 定位片 A182 F321      
    13 扁螺母 A194 4+鍍鎘 A194 8 A194 8 A194 8
    14 手柄 A193 L7+鍍鎘 A193 B8 A193 B8 A193 B8
    15 圓柱銷(xiāo) Q235A      
    適用溫度 ≥-40°C ≥-101°C ≥-196°C    

    加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范低溫球閥主要零部件材料:

     

    閥體

    0Cr18Ni9

    球體

    0Cr18Ni9

    閥桿

    0Cr18Ni9

    填料、密封圈

    PTFE

    加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范低溫球閥產(chǎn)品規(guī)范

    產(chǎn)品型號(hào)

    DQ41F-40P 低溫球閥

                     

    產(chǎn)品代號(hào)

    通徑
    DN(mm)

    尺 寸(mm)

                   

    L

    H

    D

    D1

    D2

    D6

    Z-d

    b

    D0

       

    DQ41F

    15

    130

    180

    95

    65

    45

    40

    4-14

    16

    140

    DQ41F

    20

    150

    220

    105

    75

    55

    51

    4-14

    16

    160

    DQ41F

    25

    160

    230

    115

    85

    65

    58

    4-14

    16

    180

    DQ41F

    32

    180

    310

    135

    100

    78

    66

    4-18

    18

    200

    DQ41F

    40

    200

    320

    145

    110

    85

    76

    4-18

    18

    200

    DQ41F

    50

    230

    400

    160

    125

    100

    88

    4-18

    20

    250

    DQ41F

    65

    290

    420

    180

    145

    120

    110

    8-18

    22

    320

    DQ41F

    80

    310

    500

    195

    160

    135

    121

    8-18

    22

    320

    DQ41F

    100

    350

    520

    230

    190

    160

    150

    8-23

    24

    360

    DQ41F

    125

    400

    600

    270

    220

    188

    176

    8-25

    28

    500

    DQ41F

    150

    480

    620

    300

    250

    218

    204

    8-25

    30

    700

    DQ41F

    200

    600

    720

    375

    320

    282

    260

    12-30

    38

    900

    低溫球閥,超低溫球閥尺寸圖:

    低溫球閥18.jpg

    3.加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)語(yǔ)

    低溫球閥的設(shè)計(jì)總體上而言,很多是由常溫球閥演變而來(lái)的,但同時(shí)也有很多與常溫球閥不同之處,鑒于使用溫度上具有很大的差異,所以在材料選擇、密封形式等方面需要設(shè)計(jì)人員特別注意。加長(zhǎng)套的排水槽設(shè)計(jì),能在很大程度上避免填料進(jìn)水結(jié)冰而損壞閥桿的問(wèn)題,同時(shí)也能間接降低結(jié)冰磨損而造成的開(kāi)關(guān)扭矩變大的現(xiàn)象。針對(duì)不同的開(kāi)啟方式,設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整排水槽的設(shè)計(jì)方式,只要能達(dá)到相同的效果即可。填料函的復(fù)合結(jié)構(gòu)在國(guó)外已經(jīng)相對(duì)比較普及了,國(guó)內(nèi)很多都省去了Lip-seal這個(gè)環(huán)節(jié),短期內(nèi)是可以節(jié)省成本,但是從長(zhǎng)期使用上來(lái)講,下面有這個(gè)密封圈的閥門(mén)扭矩更輕、使用壽命更長(zhǎng),是值得普及推廣的。其次,單雙活塞的設(shè)計(jì)靈活多變,需要注意的還是摩擦力對(duì)推力形成的影響,與常溫閥門(mén)有較大的不同,所需要的推力更大,與此對(duì)應(yīng),閥門(mén)在開(kāi)啟時(shí),所需要的扭矩也比常溫閥門(mén)略大。加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范