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1、江漢大學(xué)課題名稱:固定管板式換熱器設(shè)計(jì)系別:化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院專業(yè):過(guò)控121班學(xué)號(hào):122209104119姓名:庫(kù)勇智指導(dǎo)教師:楊繼軍時(shí)間:2016年元月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目:固定管板式換熱器設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的:1,實(shí)用國(guó)家最新壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),掌握典型的過(guò)程裝備設(shè)計(jì)的全過(guò)程。2 .掌握查閱和綜合分析文獻(xiàn)資料的能力,進(jìn)行設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)方案的可行性研究和論證。3 .掌握軟件強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算,要求設(shè)計(jì)思路清晰,計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,正確掌握計(jì)算機(jī)操作和專業(yè)軟件的實(shí)用。4 .掌握?qǐng)D紙的計(jì)算機(jī)繪圖。二、設(shè)計(jì)條件:設(shè)計(jì)條件單名稱irw殼程物料名稱循環(huán)水甲醇工作壓力0.45Mpa0.05Mpa操作溫

2、度40c70c推薦鋼材10,Q235-A,16MnR換熱面積60m2推薦管長(zhǎng)=2532-39m240-75m276-135m22m2.53m管口表符號(hào)公稱直徑用途a200冷卻水金口b200甲醇蒸汽進(jìn)口c20放氣口d70甲醇物料出口e20排凈物f200冷卻水出口三、設(shè)計(jì)要求:1 .換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2 .繪制固定管板式換熱器裝配圖(一張一號(hào)圖紙)3 .管長(zhǎng)與殼體內(nèi)徑之比在3-20之間四、主要參考文獻(xiàn)1 .國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,GB150-2011壓力容器,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.2 .國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,TSGR0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程,新華出版

3、社,2009.3 .國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,GB151-1999管殼式換熱器,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.4 .天津大學(xué)化工原理教研室,化工原理上冊(cè),姚玉英主編,天津科學(xué)技術(shù)出版社,2012.5 .鄭津樣,董其伍,桑芝富主編,過(guò)程裝備設(shè)計(jì),化學(xué)工業(yè)出版社,2010.6趙惠清,蔡紀(jì)寧主編,化工制圖,化學(xué)工業(yè)出版社,2008。7 .潘紅良,郝俊文主編,過(guò)程裝備機(jī)械設(shè)計(jì),華東理工大學(xué)出版社,2006。8 .E.U.施林德爾主編,換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)第四卷,機(jī)械工業(yè)出版社,1989.換熱設(shè)備是用于兩種或兩種以上流體間、一種流體一種固體間、固體粒子間或者熱接觸且具有不同溫度的同一種流體間熱量(或始)傳遞的裝置

4、。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、冶金、交通、國(guó)防等工業(yè)部門重要工藝設(shè)備之一,其正確的設(shè)置,性能的改善關(guān)系各部門有關(guān)工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性以及能源的有效利用與節(jié)約,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著十分重要的影響。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%fc右,占總投資的30%-45%隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑?lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在工業(yè)生產(chǎn)中,換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體,使流體溫度達(dá)到工藝過(guò)程規(guī)定的指標(biāo),以滿足工藝過(guò)程上的需要。止匕外,換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低品位熱能的有效裝置。換熱器的型式繁多,不同的使用場(chǎng)合使用目的不同。其

5、中常用結(jié)構(gòu)為管殼式,因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、選材廣泛、清洗方便、適應(yīng)性強(qiáng),在各工業(yè)部門應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可分為固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式和釜式重沸器五類。固定管板式換熱器固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低,管程清洗方便,管程可以分成多程,殼程也可以分成雙程,規(guī)格范圍廣,故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難,對(duì)于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時(shí),可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié),以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器的特點(diǎn)是:1、旁路滲流較?。?、鍛件使用較少,造價(jià)低;3、無(wú)內(nèi)漏;4、傳熱面積比浮頭式換熱器大20%-30%固定管板式換熱器的缺點(diǎn)是

6、:1、殼體和管壁的溫差較大,殼體和管子壁溫差tw50C,當(dāng)tn50C時(shí)必須在殼體上設(shè)置膨脹節(jié);2、易產(chǎn)生溫差力,管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞;3、殼程無(wú)法機(jī)械清洗;4、管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢,設(shè)備壽命較低。固定管板式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)除了最關(guān)鍵的換熱板片以外,還有兩塊墻板,我們稱為框架板和壓力板,框架板為外側(cè)不可活動(dòng)的墻板,壓力板為換熱板片另一側(cè)的可用拉桿螺栓調(diào)整位置的墻板;數(shù)根拉桿螺栓,用來(lái)加緊框架板和壓力板;立柱;上下導(dǎo)桿,連接在框架板和立柱之間,用來(lái)支撐并給壓力板和換熱。半片導(dǎo)向;框架板和立柱上可安裝底腳底腳,用于固定機(jī)器。除此以外,還可以有法蘭,過(guò)濾器,溫度計(jì)和壓力計(jì)等一系列附件。

7、固定管板式換熱器管束連接在管板上,管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,能承受較高的壓力,造價(jià)低,管程清洗方便,管子損壞時(shí)易于堵管或更換;缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí),殼體與管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗,管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合。主要由殼體、換熱管束、管板、前端管箱(又稱頂蓋或封頭)和后端結(jié)構(gòu)等部件組成。管束安裝在殼體內(nèi),兩端固定在管板上。管箱和后端結(jié)構(gòu)分別與殼體兩端的法蘭用螺栓相連,檢修或清洗時(shí)便于拆卸。換熱器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣最終要看是否適用、經(jīng)濟(jì)、安全、運(yùn)行靈活可靠、檢修清理方便等等。一個(gè)傳熱效率高

8、、緊湊、成本低、安全可靠的換熱器的產(chǎn)生,要求在設(shè)計(jì)時(shí)精心考慮各種問題.準(zhǔn)確的熱力設(shè)計(jì)和計(jì)算,強(qiáng)度和工藝條件。目錄一、設(shè)計(jì)計(jì)算1 .工藝條件.112 .計(jì)算(1)管子數(shù)n11(2)管間距的確定.12(3)換熱器殼體直徑的確定.12(4)換熱器殼體壁厚的計(jì)算.12(5)換熱器封頭選擇.13(6)容器法蘭選擇.13(7)管板尺寸的確定.14(8)管箱.14(9)折流板設(shè)計(jì).14(10) 支座15(11) 開孔補(bǔ)強(qiáng)15(12) 管子脫拉力計(jì)算16(13) 是否安裝膨脹節(jié)17(14) 接管、法蘭18(15) 連接緊固件20(16) 防沖板.20(17) 水壓試驗(yàn)20二、結(jié)構(gòu)連接21(18) 管與管板的連

9、接(19) 與殼體,管箱的連接21(20) 蘭與接管的連接22三、設(shè)備總裝.23四、個(gè)人總結(jié).26、設(shè)計(jì)計(jì)算1、工藝條件名稱1TW殼程物料名稱循環(huán)水甲醇工作壓力0.45MPa0.05MPa操作溫度40C70C推薦鋼材10,Q235-A,16MnR換熱面積60m2管長(zhǎng)2.5m管徑(|)=25mm*2.5mm2、計(jì)算(1)管子數(shù)n選錯(cuò)誤!未找到引用源。的無(wú)縫鋼管,材質(zhì)20號(hào)鋼,管長(zhǎng)3m因?yàn)镕二族In所n=-=-=306根-:d均L3.140,0252.5采用正三角形排列,正三角形排列比較緊湊,在一定的殼徑內(nèi)可排列較多的管子,且傳熱效果好,但管外清洗較為困難。而正方形排列,管外清洗方便,適用于殼程中

10、的流體易結(jié)垢的情況,其傳熱效果較正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形錯(cuò)列,用于殼側(cè)流體清潔,不易結(jié)垢,后者殼側(cè)污垢可以用化學(xué)處理掉的場(chǎng)合。由化工原理上冊(cè)附錄28查得中心排管為23,換熱器內(nèi)管子總根數(shù)為467,取拉本f數(shù)為10,所以實(shí)際管數(shù)457根管程分程,管程數(shù)取1層(2)管間距的確定由于換熱管外徑為25mm化工原理上冊(cè)附錄28得管間距錯(cuò)誤!未找到引用源。(3)換熱器殼體直徑的確定Di=a(n、1)2do式中錯(cuò)誤!未找到引用源。一一換熱器內(nèi)徑,mm錯(cuò)誤!未找到引用源。一一正六角形對(duì)角線上的管子數(shù),中心排管數(shù)nc=23錯(cuò)誤!未找到引用源。一一最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離,取錯(cuò)誤!未

11、找到引用源。mm故Di=32父(23-1)+2父25mm=754錯(cuò)誤!未找到引用源。mm圓整后取殼體內(nèi)徑Di=800mm錯(cuò)誤!未找到引用源。(4)換熱器殼體壁厚的計(jì)算材料選用Q345R計(jì)算壁厚PcDi2pc式中錯(cuò)誤!未找到引用源。計(jì)算壓力,取Pc=1.1Pw=0.5MPa;Di=800mm;4=0.8(單面焊局部無(wú)損檢測(cè));670=189MPa(殼壁溫度取70攝氏度);.1.10.45800政a=1.32mm21890.8-1.10.45因?yàn)殄e(cuò)誤!未找到引用源。,所以取錯(cuò)誤!未找到引用源。查HG/T20580-20581-2011化工設(shè)備手冊(cè)腐蝕裕量C2=2mm,對(duì)Q345RI岡板負(fù)偏差C1=

12、0.3mm錯(cuò)誤!未找到引用源。圓整后取廝=6mm錯(cuò)誤!未找到引用源。(5)換熱器封頭選擇左右封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,根據(jù)JB/T4746-2002標(biāo)準(zhǔn),封頭為錯(cuò)誤!未找到引用源。,曲面高度h=200mm錯(cuò)誤!未找到引用源。,直邊高度h2=25mm錯(cuò)誤!未找到引用源。,材料選用Q345R(6)容器法蘭的選擇材料選用20號(hào)鋼。根據(jù)JB/T4701-2000標(biāo)準(zhǔn),選用錯(cuò)誤!未找到引用源。N800,錯(cuò)誤!未找到引用源。的平封面甲型平焊法蘭。DN=800mmD=930mmDi=890mm;D3=845mm;、=40mm;圖2-1換熱器封頭圖2-2容器法蘭(7)管板尺寸的確定選用固定式換熱器管板型,并兼

13、作法蘭,材料選用16Mn鍛件。直徑D=930mm厚度4=40mm,管板與筒體間的連接方法選用強(qiáng)度脹接。管板尺寸查GB151-1999,則管板管孔直徑為25.25mm(8)管箱公稱直徑DN=800mm度為、.=6mmfe于殼層為甲醇,較清潔,可選結(jié)構(gòu)為封頭管箱,管箱筒節(jié)長(zhǎng)l=400mm(9)折流板設(shè)計(jì)折流板選用弓形,高度h=BDi=600mm;4折流板間距取500mm查GB151-1999管殼式換熱器5.9表34得折流板最小厚度為6mm折流板外徑為DN-4.5即795.5mm查5.9表39管孔直徑為25.8mm材料為Q235-A鋼。拉桿查GB151-1999管殼式換熱器表43和44選用直徑4=1

14、2mm;錯(cuò)誤!未找到引用源。,數(shù)量8根,材料為Q235-A鋼(10)支座采用雙鞍座,根據(jù)JB/T4712-2007,鞍座DNBI800-S,選用120度包角,L=2500mmLB=0.6L=1500mmA=0.2L=500mm鞍座材料選用Q235-A,墊板材料選用16MnR查JB/T4712.1-2007,鞍座的各部分尺寸為:鞍式支座的結(jié)構(gòu)參數(shù)(JB/T4712.1-2007)公稱直徑/DN鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓間距1ib1L3b353弧長(zhǎng)b4el2800200720150101040012010940260665530(11)開孔補(bǔ)強(qiáng)根據(jù)GB151-1999管殼式換熱器換熱器殼體和封

15、頭上的接管處開孔需要補(bǔ)強(qiáng),常用的結(jié)構(gòu)是在開孔外面焊上一塊與容器壁材料和厚度都相同,即6mm?的16MnR®板。其補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖所示。-接管一補(bǔ)強(qiáng)圈圖2-3開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)(12)管子拉脫力計(jì)算計(jì)算數(shù)據(jù)按表1選取表1項(xiàng)目管子殼體操作壓力/MPa0.450.05材質(zhì)20線膨脹系數(shù)/(1/C)未找到引用源。彈性模量/MPa誤!未找到引用源。車岡16MnR錯(cuò)誤!未找到引用源。錯(cuò)誤!未找到引用源。許用應(yīng)力/MPa130189尺寸/mm錯(cuò)誤!未找到引用源。425M2.5X2500mm;DN8006mm;錯(cuò)誤!未找到引用源管子根數(shù)管間距/mm管殼壁溫差/C管子與管板的連接方式脹接長(zhǎng)度/mm45732錯(cuò)誤

16、!未找到引用源強(qiáng)度脹接錯(cuò)誤!未找到引用源在操作壓力下,管子每平方米脹接周邊上所受到的力vf%=而其中需北f=0,866a2-Y=0.866X32z-x252=396(mm2)44錯(cuò)誤!未找到引用源。,錯(cuò)誤!未找到引用源。0,45X396L-=0.047MPa忤314x25x48溫差應(yīng)力導(dǎo)致管子每平方米脹接周邊上所受到的力先(黨一4)qt=£4"其中二E(tt-ts)As11.20.21306.2=11.38MPa由上述計(jì)算有,2.2、;t(doid)4dol11.38(625-400)42548=0.53MPa由于管子和管板的連接采用強(qiáng)度脹接,管子的許用拉脫力遠(yuǎn)小于0.5倍

17、材料的許用應(yīng)力。因此,拉脫力在許用范圍內(nèi)。(13)計(jì)算是否安裝膨脹節(jié)AshQtn=3.148126=15298.08mm;At=-(do2_di2)n=型(252_202)45780717.6mm;44管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力錯(cuò)誤!未找到引用源。:F1=ctAt=11.3879481.25=904547.9(N)=0.9106(N);壓力作用于殼上的軸向力錯(cuò)誤!未找到引用源。:2-As其中Q=(D?-nd+n(d0-23t)2Pt4=3114(8002-450252)0.054502020.45(N);4=77665.9(N)77665.915298.086,、F2二二12535.8(N)=

18、0.1210(N);15298.0879481.25壓力作用于管子上的軸向力錯(cuò)誤!未找到引用源。:F3=QAt=0.62106(N);AtAsFiF2一貝U缶=66.67MPa;AsF3'F1;=t=-35.23MPa;At根據(jù)GB151-1999管殼式換熱器的設(shè)計(jì)規(guī)定,在考慮熱應(yīng)力的情況下管子和殼體上的應(yīng)力均小于3倍的許用應(yīng)力,實(shí)際所求的應(yīng)力均較小,滿足設(shè)計(jì)要求,故本換熱器不必安裝膨脹節(jié)。殼層接管在入口處加以擴(kuò)大,做成喇叭形,起緩沖效果,或者在換熱器進(jìn)口處設(shè)置擋板。接管材料選用20號(hào)鋼。根據(jù)設(shè)計(jì)條件管口公稱直徑,查HG/T20592鋼制管法蘭選用對(duì)勁平焊法蘭,公稱壓力為0.6MPa。

19、材料為20號(hào)鋼。對(duì)于DN20cB取d2l9M7mnft管,對(duì)于DN7臉取e89x4mntt管,對(duì)于DN2cB取252mm8管。接管高度公稱直徑/mmDN200DN80DN20接管局度/mm200150150根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ),由于換熱器的壓力不高,而且流體無(wú)毒,所以選用對(duì)頸平焊法蘭,材料選用20號(hào)鋼,密封面型式選用突面密封,其公稱直徑分別為:對(duì)頸平焊鋼制管法蘭(摘自HG/T20593-2009)公稱直徑DN管子直徑Ai連接尺寸法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B法蘭外徑D螺栓中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋ThPN0.6MPa20259065114M1014268089190150184M16189

20、1200219320280188M1622222(15)連接緊固件因?yàn)榻橘|(zhì)僅為水和甲醇,因此密封性要求一般,因?yàn)檫x擇墊片采用價(jià)格相對(duì)較低的石棉橡膠板,螺母螺栓選用Q235-A。墊片尺寸D=844d=804。石棉橡膠板(16) 防沖板本課程設(shè)計(jì)的殼程流體為甲醇蒸汽,其Po2<2230kg/(m.s2),故不需防沖板。(17) .水壓試驗(yàn)水壓試驗(yàn)壓力PT=1.25PC-0.069MPa所選材料的屈服應(yīng)力cs=345MPa水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核二-T二SD3二0.069(8003.7)=7.5MPa2Se23.70.9二s=0.93450.8=248.4MPa所以所<0.9缶巾,水壓試驗(yàn)滿足強(qiáng)

21、度要求、結(jié)構(gòu)連接1 .換熱管與管板的連接選用強(qiáng)度焊接連接。制造加工方便,保證換熱管與管板連接的密封性和抗拉脫強(qiáng)度的焊接,目前采用較廣泛。查GB151,可知其相接各部分的尺寸如下:換熱管外伸長(zhǎng)度換熱管規(guī)格外徑X壁厚4)25X2.5換熱管最小伸出長(zhǎng)度/113+2K/mm0.52 .管板與殼體及管箱的連接管板與殼體及管箱的連接3 .管法蘭與接管連接管法蘭與接管采用內(nèi)外焊接QJ管法蘭與接管焊接三、設(shè)備總裝1 .換熱管直管一律采用整根管子而不允許有接縫。管子應(yīng)該進(jìn)行校直,管子兩端須用磨管機(jī)清除氧化皮、鐵銹、及污垢等雜質(zhì)直至露出金屬光澤。除銹長(zhǎng)度不小于兩倍管板厚度。當(dāng)管子與管板的連接采用脹接工藝時(shí),管端硬

22、度應(yīng)低于管板硬度。同一根換熱管的對(duì)接焊縫,直管不得超過(guò)一條;包括至少50mm直管段范圍內(nèi)不得有拼接焊縫。管端破口應(yīng)采用機(jī)械方法加工,焊前應(yīng)清洗干凈。換熱管組裝要求兩管板相互平行,允許誤差不得大于1mm,兩管板間長(zhǎng)度誤差為土2mm;管子與管板應(yīng)垂直;拉感應(yīng)牢靠固定;定距管兩端面要整齊;穿管時(shí)管子頭不能用鐵器直接敲打。2 .筒體換熱器筒體的圓度要求較高,必須保證殼體與折流板之間有合適的間隙。如太大就要影響換熱效果,太小就要增加裝配的難度。切割好的鋼板應(yīng)根據(jù)鋼板厚度、操作壓力高低選定破口形式進(jìn)行邊緣加工。用鋼板卷制時(shí),內(nèi)直徑允許偏差可通過(guò)外圓周長(zhǎng)加以控制,其外周長(zhǎng)允許上偏差10mm;下偏差為0。3

23、.封頭和管箱封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的厚度。分程隔板兩側(cè)全長(zhǎng)均應(yīng)焊接,并應(yīng)具有全焊透的焊縫。由于焊接應(yīng)力較大,故管箱和封頭法蘭等焊接后,須進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理,最后進(jìn)行機(jī)械加工。4 .折流板由于折流板很薄,鉆孔時(shí)鉆頭的推力使管板中心變形,故可將下料或圓整的折流板去掉毛刺并校平,重疊、壓緊后沿周邊點(diǎn)焊、然后一起鉆孔。為了保證順利穿管,必須是折流板的管孔與管板中心在同一直線上,可以將管板當(dāng)作鉆模放在折流板上,壓緊后進(jìn)行引孔,即以管板危機(jī)出現(xiàn)在折流板上鉆出和管板孔距一致的定位孔,然后取下管板,將折流板壓緊,并換上合適的鉆頭。5 .管板管板由低合金鋼鍛件16MnR制成,加工前表面不平度不得大于2

24、mm,如超過(guò)此值,應(yīng)先進(jìn)行校平,然后進(jìn)行加工。拼接管板的對(duì)接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線或超聲檢測(cè),按JB4730-94進(jìn)行表面檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果不低于m級(jí),或超聲檢測(cè)中的I級(jí)為合格。換熱管與管板的連接:二者采用焊接的形式連接,連接部位的換熱管和管板孔表面,應(yīng)清理干凈,不得有毛刺、鐵屑、銹斑、油污等。焊渣及凸出于換熱器內(nèi)壁的焊瘤均應(yīng)清除。管板與換熱管焊接時(shí),管孔表面粗糙度Ra值w25師。6 .換熱器安裝1 .安裝位置:根據(jù)該換熱器的結(jié)構(gòu)形式,在換熱器的兩端留有足夠的空間來(lái)滿足拆裝、維修的需要。2 .基礎(chǔ):必須使換熱器不發(fā)生下沉。在活動(dòng)支座的一端應(yīng)予埋滑板。3,地腳螺栓和墊鐵(1)活動(dòng)支座的地腳螺栓應(yīng)裝有兩個(gè)緊鎖的螺母,螺母與底板間應(yīng)留有13mm的間隙。(2)地腳螺栓兩側(cè)均有墊

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