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1、阀门管道及相关管件基础知识第三章 阀门、管道及相关管件基础知识1阀门基础知识1.1 阀门概述及分类阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截断、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。阀门的种类很多，且有多种分类方法：（1）按用途和作用分类截断阀类： 主要用于截断或接通介质流。包括闸阀、截止阀、隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀等。调节阀类： 主要用于调节介质的流量、压力等。包括调节阀、节流阀、减压阀等。止回阀类： 用于阻止介质倒流。包括各种结构的止回阀。分流阀类： 用于分配、分离或混合介质。包括各种结构的分配阀和疏水阀等。安全阀类： 用于超压安全保护。包括各种类型的安全阀。（2）按主要参数分类

2、按压力分类真空阀：工作压力低于标准大气压的阀门。低压阀：公称压力PN1.6MPa的阀门。中压阀：公称压力PN450的阀门。中温阀：120t450的阀门。常温阀：-40t120的阀门。低温阀：-100t-40的阀门。超低温阀：t-100的阀门。按阀体材料分类非金属材料阀门：如陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门。金属材料阀门：如铜合金阀门、铝合金阀门、钛合金阀门、铁阀门、碳钢阀门、低合金属阀体衬里阀门 如衬铅阀门、衬塑料阀门、衬搪瓷阀门。（3）通用分类法这种分类方法既按原理、作用又按结构划分，是目前国内、国际最常用的分类方法。一般分为：闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、止回阀、节流阀、安全阀、

3、减压阀、疏水阀、调节阀。1.2 典型阀门1.2.1闸阀闸阀是作为截止介质使用，在全开时整个流通直通，此时介质运行的压力损失最小。闸阀通常适用于不需要经常启闭，而且保持闸板全开或全闭的工况。不适用于作为调节或节流使用。对于高速流动的介质，闸板在局部开启状况下可以引起闸门的振动，而振动又可能损伤闸板和阀座的密封面，而节流会使闸板遭受介质的冲蚀。 图3-1 明杆楔式单闸板闸阀从结构形式上，主要的区别是所采用的密封元件的形式。根据密封元件的形式，常常把闸阀分成几种不同的类型，如：楔式闸阀、平行式闸阀、平行双闸板闸阀、楔式双闸板闸等。最常用的形式是楔式闸阀和平行式闸阀。 1阀杆；2手轮；3阀杆螺母；4填

4、料压盖；5填料（盘根）；6J型螺栓；7阀盖；8垫片；9阀体；10闸板密封圈；11闸板；12顶楔；13阀体密封圈；14法兰孔；15有密封圈型式；16无密封圈型式图3-2 低压升降杆平行式双闸板闸阀盘根：盘根（packing）也叫密封填料，通常由较柔软的线状物编织而成，通常截面积是正方形或长方形、圆形的条状物填充在密封腔体内,从而实现密封。填料密封最早是以棉麻等纤维塞在泄漏通道内来阻止液流泄漏，主要用作提水机械的轴封。由于填料来源广泛，加工容易，价格低廉，密封可靠，操作简单，所以沿用至今。现在盘根被广泛用于离心泵、压缩机、真空泵、搅拌机和船舶螺旋桨的转轴密封、活塞泵、往复式压缩机、制冷机的往复运动

5、轴封，以及各种阀门阀杆的旋动密封等。目前由于机械密封、干气密封的发展，对于机械设备的密封已很少采用盘根密封了。目前主要使用在阀门密封上。填料密封由填料装于填料函内，通过填料压盖将填料压紧在轴的表面。由于轴表面总有些粗糙，其与填料只能是部分贴合，而部分未接触，此就形成无数个迷宫。当带压介质通过轴表面时，介质被多次节流，凭借这“迷宫效应而达到密封。填料与轴表面的贴合、摩擦，也类似滑动轴承，固应有足够的液体进行润滑，以保证密封有一定的寿命，即所谓的“轴承效应。由此可见良好的填料密封，即是迷宫效应和轴承效应的综合。 填料对轴的压紧力通过拧紧压盖螺栓产生。由于填料是弹塑性体，当受到轴向压紧后，产生摩擦力

6、致使压紧力沿轴向逐渐减少，同时所产生的径向压紧力使填料紧贴于轴表面而阻止介质外漏。径向压紧力的分布由外端（压盖）向内端，先是急剧递减后趋平缓，介质压力的分布由内端逐渐向外端递减，当外端介质压力为零时，则泄漏很少，大于零时泄漏。 随着新材料的不断出现，填料结构型式也有很大的变化，这无疑将促使填料密封的应用更加广泛，用作填料的材料应具备如下特性：有一定的弹塑性。当填料受轴向压紧时能产生较大的径向压紧力，以获得密封；当机器和轴有振动或轴有跳动及偏心时，能有一定的补偿能力（追随性）；化学稳定性。既不被介质所腐蚀、溶涨，也不污染介质；不渗透性。介质对大部分纤维均有一些渗透，故要求填料组织致密，为此在制作

7、填料时往往需要浸渍、填充各种润滑剂和填充剂；自润滑性好，摩擦系数小并耐磨；耐温性。当摩擦发热后能承受一定的温度；拆卸方便；制造简单，价格低廉。 图3-3 盘根实物图片现在盘根主要以石墨、各种纤维为主要材料，根据不同的要求，采用碳纤维、铜丝、304、316L、茵苛镍合金丝等材料加强。1.2.2 截止阀截止阀是用于截断介质流动的，截止阀的阀杆轴线与阀座密封面垂直，通过带动阀芯的上下升降进行开断。截止阀一旦处于开启状态，它的阀座和阀瓣密封面之间就不再有接触，并具有非常可靠的切断动作，因而它的密封面机械磨损较小，由于大部分截止阀的阀座和阀瓣比较容易修理或更换密封元件时无需把整个阀门从管线上拆下来，这对

8、于阀门和管线焊接成一体的场合是很适用的。 1电动装置；2阀杆螺母；3导向块；4填料压盖；5填料（盘根）；6阀盖；7垫片；8阀杆；9阀瓣；10阀体图3-4 电动平面密封截止阀介质通过此类阀门时的流动方向发生了变化，因此截止阀的流动阻力较高。引入截止阀的流体从阀芯下部引入称为正装，从阀芯上部引入称为反装，正装时阀门开启省力，关闭费力，反装时，阀门关闭严密，开启费力，截止阀一般正装。 1阀体；2中法兰垫片；3双头螺栓；4螺母；5填料（盘根）；6活节螺栓；7填料压盖；8导向块；9阀杆螺母；10手轮；11压紧螺母；12油杯；13阀杆；14钢球；15-阀瓣图3-5 手动锥面密封截止阀1.2.3 止回阀（或

9、止逆阀）止回阀的作用是只允许介质向一个方向流动，而且阻止方向流动。通常这种阀门是自动工作的，在一个方向流动的流体压力作用下，阀瓣打开；流体反方向流动时，由流体压力和阀瓣的自重合阀瓣作用于阀座，从而切断流动。通常用到的有旋启式止回阀、升降式止回阀和蝶式止回阀。 （1）旋启式止回阀又称单向阀或逆止阀，其作用是防止管路中的介质倒流。启闭件靠介质流动和力量自行开启或关闭，以防止介质倒流的阀门叫止回阀。止回阀属于自动阀类，主要用于介质单向流动的管道上，只允许介质向一个方向流动，以防止发生事故。本类阀门在管道中一般应当水平安装。 图3-6 旋启式止回阀（2）升降式止回阀是指依靠介质本身流动而自动开、闭阀瓣

10、，用来防止介质倒流的阀门，本阀门安装在水平管道上，阀盖向上。 1螺栓；2螺母；3垫圈；4阀盖；5中法兰垫片；6阀瓣；7阀体图3-7 升降式止回阀该阀要在垂直管道上安装，可选用立式升降止回阀。 1法兰；2阀体；3导向套；4弹簧；5阀瓣；6密封环；7螺栓；8阀盖；9螺母；10阀座3-8 立式升降止回阀（3）蝶式止回阀 图3-9 蝶式止回阀除此之外，还有其它种类的止回阀，用在特殊的场合，这里不再列举。1.2.4 蝶阀蝶阀的蝶板安装于管道的直径方向。在蝶阀阀体圆柱形通道内，圆盘形蝶板绕着轴线旋转，旋转角度为090之间，旋转到90时，阀门则是全开状态。蝶阀结构简单、体积小、重量轻，只由少数几个零件组成。

11、而且只需旋转90即可快速启闭，操作简单。蝶阀处于完全开启位置时，蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力，因此通过该阀门所产生的阻力很小，故具有较好的流量控制特性，可以作调节用。蝶阀有弹性密封和金属的密封两种密封型式。弹性密封阀门，密封圈可以镶嵌在阀体上或附在蝶板周边。采用金属密封的阀门一般比弹性密封的阀门寿命长，但很难做到完全密封，金属密封能适应较高的工作温度，弹性密封则具有受温度限制的缺点。 1阀体；2蝶板；3阀杆；4滑动轴承；5阀座密封套；6圆锥销；7键；8手柄图3-10 LT型中线蝶阀 图3-11 单偏心蝶阀 图3-12 双偏心蝶阀 图3-13 三偏心蝶阀 图3-14 蝶阀实物图1.2.5安

12、全阀1.2.5.1安全阀工作原理安全阀是各种承压设备、容器、球罐、贮槽和管线上的最佳超压保护装置,当介质压力升高超过允许值时,安全阀自动开启,继而全量排放,防止压力继续升高,当压力降低至规定值时,安全阀及时自动关闭,从而保护设备的安全运行。封闭式安全阀的阀盖是封闭的,利于防止灰尘和杂物侵入,防止有毒和易燃介质溢出,开放式安全阀由于阀盖敞开,利于降低弹簧腔室的温度,主要用于蒸汽介质管道及容器,带散热器安全阀主要适用于介质温度超过350的工况。带扳手弹簧式安全阀当介质压力达到开启压力的75%以上时,能利用扳手作手动开启。全启式安全阀开启高度大于1/4流道通径,排放量大,微启式安全阀开启高度为1/2

13、0-1/40流道通径。1.2.5.2安全阀的相关术语整定压力 Set Pressure：安全阀阀瓣在运行条件下开始升起时的进口压力，也叫开启压力,设定压力。工作压力 Operating pressure:阀门正常工作状态的压力。排放压力 Relieving pressure：阀瓣达到规定高度时的进口压力。超压 Over pressure：排放压力和整定压力之差，通常用整定压力的百分比表示附加背压 Superimposed back Pressure：安全阀即将动作前在阀出口处存在的静压力，是由其他压力源在排放系统中引起的。排放背压 Built up back pressure：由于介质通过安全

14、阀流入排放系统，而在阀出口处形成的压力。冷态试验差压力 Cold Differential Test Pressure：安全阀在试验台上调整到开始开启时进口处的静压力，该压力包含了对背压和温度的修正值。理论排量： therotical discharge capacity：流道横截面积与安全阀流道面积相同的理想喷管的计算流量。额定排量 Certified discharge capacity：实测排量中允许作为安全阀使用基准的那一部分，也就是理论排量乘以额定排量系数后得到的数值。需要排量 Required capacity:设计要求安全阀最低需要达到的排量。有效排放系数K Effective

15、Coefficient of Discharge:是个公称值，与有效排放面积一起用于泄压阀所必须具有的最小排放量，是个理想值，一般不能达到，气体和蒸汽取0.975，液体取0.62。实际排放系数Kd Coefficient of discharge:阀门实际排量与理论排量的比值。额定排放系数Kdr Certified Coefficient of Discharge：实际排放系数打9折后得到的系数 图3-15 安全阀几种压力的关系开高：压力泄放阀开启后，阀瓣密封面离开关闭位置的实际行程 图3-16 安全阀的开高喉部面积：压力泄放阀进口端至关闭件密封面之间流道的最小截面积 AreaD2/4 。帘面

16、积：阀瓣在阀座上方升起时在其密封面间形成的圆柱形或圆锥型通道的面积 Area=DL 。排放面积：压力泄放阀排放时流体通道的最小截面积喉部面积与帘面积间小者 1.2.5.3安全阀的分类 目前的安全阀有弹簧式安全阀和杠杆式安全阀、冲量式安全阀、先导式安全阀、脉冲式安全阀、安全阀回流阀、安全切换阀、安全解压阀、静重式安全阀、真空负压安全阀、液压安全阀、安全溢流阀等。（1）弹簧式安全阀主要依靠弹簧的作用力而工作，弹簧式安全阀中又分为封闭和不封闭的二种，易燃、易爆或有毒的介质通常选用封闭式，蒸汽、空气或惰性气体等可以选用不封闭式，在弹簧式安全阀中还分为带扳手和不带扳手的。扳手主要是用于检查阀瓣的灵活程度

17、，有时也可以用作手动紧急泄压用，高温介质需选用带散热器的安全阀。 普通型 波纹管型 波纹管辅助活塞型图3-17 弹簧式安全阀的几种形式波纹管型安全阀的特点：波纹管可伸缩10%；用于腐蚀性流体(有毒、泥浆、背压超过整定压力10%时)。 图3-18 安全阀结构 1阀座；2阀体；3调节圈；4反冲盘；5阀瓣；6导向筒；7阀盖；8弹簧；9阀杆；10调整螺杆；11阀帽3-19 弹簧式安全阀（2）杠杆式安全阀分为单杠杆式和双杠杆式两种，由阀芯、阀座、杠杆、重锤、限位装置等组成，主要依靠杠杆重锤的作用力而工作，是通过杠杆和重锤来平稳阀瓣的压力，使阀门保证密封，移动重锤的位置和改变重锤的重量来达到要求的起跳压力

18、。这种安全阀结构简单、调整方便，工作性能可靠，所以在锅炉上应用相当普遍，一般单杠杆式安全阀适用于低压锅炉、双杠杆式安全阀适用于中、高压锅炉。 1阀盖；2杠杆；3重锤；4阀杆；5阀体；6阀座；7阀芯3-20 杠杆式安全阀（3）先导式安全阀设有先导机构，其主要优点是变弹簧直接作用为导阀间接作用，提高了动作的灵敏度，准确可靠,排放量大, 密封性能好,启闭压差很容易满足要求, 而且主阀采用套筒活塞式，双重密封阀座结构，动作精度高、重复性好、回座快、不泄漏、能带高背压排放、工作稳定可靠、使用寿命长，它还可在线调校，反复启跳排放后，仍然能自动回座，关闭严密，操作维护方便。主要应用于石油、天然气、化工、电力

19、、冶金和城市燃气等领域，是受压设备、容器或管路上的最佳超压保护装置。 1阀体；2阀瓣；3导向套；4弹簧；5O型圈；6阀盖；7导阀图3-21 先导式安全阀（4）脉冲式安全阀由主安全阀、脉冲阀和连接管道组成。主安全阀由小脉冲阀控制。在正常情况下，主阀被高压蒸汽压紧，严密关闭。当汽压超过规定值时，小脉冲阀先打开，蒸汽经导汽管引入主阀活塞上面，蒸汽在活塞上的压力可以克服弹簧压紧的作用力，故将主阀打开排汽泄压；当压力下降到一定数值后，小脉冲阀关闭，活塞上的汽流切断，因此主安全阀又关闭。而活塞上的余汽可以起缓冲作用，使主阀缓慢关闭，以免阀瓣与阀座因撞击而损伤。这种安全阀装置有电器控制系统作为电气保护，当锅

20、炉超压时，接，气式压力表接点闭合，接通脉冲弹簧安全阀的电磁铁，使之工作，将阀门打开；当回座压力过低或阀门发生故障时，也可操作电器控制开关，接通电磁铁线圈，关闭电磁铁，使阀门关闭，这种安全阀在运行中的冲量接入导管上的阀门，要保持全开状态，因而要加铅封。这种安全阀适用于高压锅炉上。（5）静重式安全阀是由阀芯、阀座，环形铁片，阀罩、防飞螺丝等组成的，这种安全阀主要是利用环形铁片重量，使阀芯压在阀座上，当锅炉压力超过铁片作用在阀芯上部的压力时，阀芯被顶起，蒸汽排出：锅炉压力下降到低于铁片作用在阀芯上部的压力时，阀芯降落，停止排汽。（6）真空负压安全阀是适用于温度200的负压系统，当容器内负压超过允许值

21、时，该阀自动开启，吸入空气；当容器内负压达到允许值时，该阀自动关闭，从而保护设备及系统。安装在正常非负压系统，当容器和系统的放散阀未打开，产生负压时，此阀自动开启。（7）液压安全阀是（活瓣式）呼吸阀的安全备用设备,它的吸气和呼气的动作压力略高于（活瓣式）呼吸阀，在呼吸阀一旦失灵或在冬季其活瓣冻结时，液压安全阀的液封即被破坏从而保护油罐免遭破坏。（8）复合式安全阀由两个相同的或不相同的安全阀组成一体，同时接在一个阀座上、以减少开孔数量。（9）波纹管平衡式安全阀是利用波纹管平衡背压的作用,以保持开启压力不变的安全阀。1.2.6 蒸汽疏水阀蒸汽疏水阀的基本作用是将蒸汽系统中的凝结水、空气和二氧化碳气

22、体尽快排出；同时最大限度地自动防止蒸汽的泄露。疏水阀的品种很多，各有不同的性能。选用疏水阀时，首先应选其特性能满足蒸汽加热设备的最佳运行，然后才考虑其他客观条件，这样选择你所需要的疏水阀才是正确和有效的。根据疏水阀工作原理的不同，蒸汽疏水阀可化为以下三种类型： （1）机械型靠蒸汽疏水阀内凝结水液位高度的变化而动作，包括： 浮球式：浮子为封闭的空心球体 敞口向上浮子式：浮子为开口向上的桶型 敞口向下浮子式：浮子为开口向下的桶型 图3-22 浮球式疏水阀结构图 图3-23 差压钟型浮子式疏水阀结构图及实物图（2）热静力型依靠液体温度的变化而动作，包括： 双金属片：敏感原件为双金属片 蒸汽压力式：敏

23、感原件为波纹管或墨盒，内部充入挥发性液体 图3-24 热静力式疏水阀结构图及实物图（3）热动力型依靠液体的热动力学性质的变化而动作。 圆盘式：由于在相同的压力下，液体与气体的流速不同，所产生的不同的动，静压力，驱使圆盘阀片动作 脉冲式：由于不同温度的凝结水通过两极串连节流孔板式，坐在两极节流孔板之间形的不同压力，驱使阀瓣动作。在这里每种型式的输水阀具体的结构及工作原理不再多赘述，有兴趣可在网络上查找相关资料学习。 图3-25 热动力式疏水阀2 工业压力管道2.1压力管道类别与级别2.1.1 ANSI及ASME B31.3对输送流体的分类美国国家标准ASME压力管道规范ANSI / ASME B

24、31.3（以下简称 B31.3）根据被输送流体的性质和泄漏时造成的后果，将化工厂和炼油厂管道输送的流体分为D 类、M类和性质介于二者之间的第三类流体。D类流体不易燃、无毒，并且在操作条件下对人类肌体无害；设计压力不超过150lbf/in2（1.05MPa）；设计温度在-20oF（-29）至366oF（186）之间。M类流体有剧毒，在输送过程中如有少量泄漏到环境中，被人吸入或接触人体时能造成严重的和难以治疗的伤害，即使迅速采取措施也无法挽救。流体类别确定后即可按ANSI / ASME B31.3的有关章节具体要求对该流体的管道进行设计、施工和检验。2.1.2 中石化对压力管道的类别划分中国石化关

25、于压力管道设计资格类别级别认可和安装单资格实施细则，对压力管道的类别划分如下表所示。表3-1 压力管道的类别管道类别 输送介质特征和设计条件GA（长输管道） GA1 1、有毒、可燃、易爆气体，设计压力p1.6MPa 2、有毒、可燃、易爆气体，输送距离200km且DN300mm 3、浆体，输送距离50km且DN150mm GA2 1、有毒、可燃、易爆气体，设计压力p1.6MPa 2、GA1（2）范围以外的 3、GA1（3）范围以外的GB（公用管道） GB1 燃气 GB2 热力GC（工业管道） GC1 1、毒性程度为极度危害介质 2、甲、乙类可燃气体或甲类液体，且设计压力p4.0MPa 3、可燃流

26、体、有毒流体设计压力p4.0MPa且设计温度T400 4、流体且设计压力p10.0MPa GC2 1、甲、乙类可燃气体或甲类液体，且设计压力p4.0MPa 2、可燃流体、有毒流体p4.0MPa、T400 3、非可燃流体、有毒流体p10.0MPa且T400 4、流体，p10.0MPa且T400注：输送距离指产地、储存库、用户间的用于输送商品介质管道的直接距离。GB 5044职业性接触毒物危害程度分级规定的。GB 50160石油化工企业设计防火规范规定的。SH 3059对管道的分级如下表。表3-2 SH 30592001石油化工管道设计器材选用通则管道分级管道级别 适用范围SHA 1、毒性程度为极

27、度危害介质管道（苯管道除外）； 2、毒性程度为高度危害介质的丙烯腈、光气、二硫化碳和氟化氢介质管道； 3、设计压力大于或等于10.0MPa的介质管道SHB 1、毒性程度为极度危害介质的苯管道； 2、毒性程度为高度危害介质管道（丙烯腈、光气、二硫化碳、氟化氢介质除外） 3、甲类、乙类可燃气体和甲A类液化烃、甲B类、乙A类可燃液体介质管道SHC 1、毒性程度为中度、轻度危害介质管道； 2、乙B类、丙类可燃液体介质管道SHD 设计温度低于-29的低温管道SHE 设计压力小于10.0MPa且设计温度高于或等于-29的无毒、非可燃介质管道注：毒性程度是根据职业性接触毒物危害程度分级（GB 504485）

28、划分的。极度危害属于级，车间空气中有害物质最高容许浓度0.1mg/m3；高度危害属于级，最高容许浓度0.1mg/m3。极度危害的介质如苯、氯乙烯、氯甲醚、氰化物等；高度危害的介质如二硫化碳、氯、丙烯腈、硫化氢、甲醛、氟化氢、一氢化碳等。详见GB 5044。甲类、乙类可燃气体是根据石油化工企业设计防火规范（GB 50160）中可燃气体的火灾危险性分类划分的。甲类系指可燃气体与空气混合物和爆炸下限10%（体）；乙类是10%（体）。甲类可燃气体如乙炔、环氧乙烷、氢气合成气、硫化氢、乙烯、丙烯、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。详见GB 50160。可燃气体、液化烃、可燃液体的火灾危险性分类是根据GB 501

29、6092确定的，如下表。表3-3类别 名称 特 征 举 例甲 A 液化烃 15时的蒸气压力0.1MPa的烃类液体及其他类似的液体 液化石油气、液化天然气、液化甲烷、液化丙烷等 B 可燃液体 甲A类以外、闪点28 汽油、戊烷、二硫化碳、石油醚原油等乙 A 28闪点45 喷气燃料、煤油、丙苯、苯乙烯等 B 45闪点60 -35号轻柴油、环戊烷等丙 A 60闪点120 轻柴油、重柴油、20号重油、锭子油等 B 闪点120 蜡油、100号重油、油渣、润滑油、变压器油等甲 可燃气体 可燃气体与空气混合物的爆炸下限10%（体）乙 可燃气体与空气混合物的爆炸下限10%（体）混合物料应以其主导物料作为分级依据

30、。当操作温度超过其闪点的乙类液体，应视为甲B类液体；当操作温度超过其闪点的丙类液体，应视为乙A类液体。2.2 管道应用标准体系目前，大多数压力管道及其元件都进行了系列化，并有相应的应用标准作支持。因此压力管道材料设计时首先要考虑的问题就是压力管道及其元件标准系列的选用。应用标准体系。一个管系（路）中各元件所用系列标准的集合。这些标准应包括管子系列标准、管件系列标准、法兰及其连接件系列标准、阀门标准等。这些标准通过一定的规则在一个管系中得到应用，它们之间相互衔接、相互配合，从而确定了管道及其元件的基本参数。这些标准中尤其以管子标准和法兰标准最具代表性，它们是其它应用标准的基础。下面以管子标准和法兰标准为主，介绍应用标准。目前，世界上各国应用的标准体系有很多，不同的国家不同的行业有不同的应用标准和标准体系，它们之间有些相差很多，无法配套使用和互换因而给使用者带来不少麻烦。因此，压力管道设计的第一步就是选择应用标准体系，并作为设计的统一规定，以免各相关专业因采用不能互换的其它标准体系而导致错误。世界各国应用标准大体上分为两大类。管子-