CN108120593A - 调节阀汽蚀诊断方法及其试验系统 - Google Patents
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Abstract
调节阀汽蚀诊断方法及其试验系统,用于评估诊断调节阀在运行过程中是否有汽蚀产生。本发明的调节阀汽蚀诊断方法步骤包括:根据检测到的上游侧流体压力、下游侧流体压力和流体流量计算当前开度下的流量系数Kv和流体雷诺数Re,并绘制出Re‑Kv关系曲线图,通过Re‑Kv关系曲线图评估判断是否发生汽蚀。同时本发明提出一种应用于本法的试验系统,包括调节阀测试管路系统、信号测量装置、信号采集与发送装置、汽蚀诊断软件系统。根据本发明,通过汽蚀诊断软件绘制的调节阀某一开度下的流体雷诺数‑调节阀流量系数关系曲线图,可以较准确的得知调节阀在当前开度下发生汽蚀的运行条件,实现了调节阀的汽蚀评估诊断。
Description
技术领域
本发明涉及调节阀汽蚀诊断方法及其试验系统。
背景技术
调节阀作为过程控制系统中的重要执行部件,它的安全稳定可靠的运行是我们重点关注的问题。其中,汽蚀是调节阀内一种常见的现象。
汽蚀分为两个过程,分别是闪蒸和空化:闪蒸是不可压缩流体流经调节阀时,从缩流断面直至阀出口的静压降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸气压时,部分液体汽化使阀后形成汽液两相的现象。
空化为不可压缩流体流经调节阀时,从缩流断面直至阀出口的静压降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸气压时,部分液体汽化成气泡,继而静压又恢复到该饱和蒸气压时,气泡爆裂恢复为液相的现象。这种气泡产生和破裂的全过程成为空化。空化作用对材料的侵蚀称为汽蚀。
汽蚀对阀芯产生严重的冲刷破坏,冲刷发生在流速最大处,通常在阀芯和阀座环接触线或附近。由于气泡破裂,释放能量,它会对阀造成噪声损害,发出类似流沙流过阀门的爆裂声,而且释放的能量冲刷阀芯表面,并波及下游管道。它不仅可以影响阀门的特性曲线,而且将导致严重的噪声、振动、爆破冲刷和调节阀内部件的破坏等。在这种情况下,调节阀的使用寿命缩短,工作可靠型下降,进而引起工艺系统和装置生产率的大幅下降。因此在实际工况中,不可避免的要考虑到汽蚀的影响并且力求避免。
目前国内对于汽蚀的检测与诊断没有更多的研究,而在很多工况条件下需要有调节阀汽蚀评估。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点,提供一种调节阀汽蚀诊断方法及其试验系统,用于对调节阀进行汽蚀评估与诊断。
本发明的调节阀汽蚀诊断方法包括:
步骤1.通过预置在管路上的传感器测量待测调节阀管路系统的管路信号;
步骤2.对所述管路信号进行采集和保存;
步骤3.采集的数据保存在汽蚀诊断软件系统中,进行数据处理,得到调节阀在某一开度下的流量系数Kv和对应条件下的管道流体雷诺数Re;
步骤4.根据所述调节阀流量系数和流体雷诺数,绘制流体雷诺数和流量系数关系曲线图;
步骤5.根据所述的流体雷诺数和调节阀流量系数关系曲线图(Re-Kv图),对待测调节阀进行汽蚀评估。
具体的,步骤1所述的通过预置在管路上的传感器采集待测调节阀管路系统的管路信号,包括:
11.预置在待测调节阀上游侧的压力传感器采集调节阀阀前压力信号P1;
12.预置在待测调节阀下游侧的压力传感器采集调节阀阀后压力信号P2;
13.预置在管路中的流体流量变送器采集通过待测调节阀的流体流量信号Q;
步骤2所述的信号采集,具体步骤为:
步骤21:通过汽蚀诊断软件系统给调节阀设定一个开度,同时保持调节阀前截止阀全开,调节阀后截止阀开到接近全关的开度,调节泄压回路,使调节阀阀前压力达到合适的压力值,此时调节阀运行在一个相对较低的压差条件下。在这种情况下运行一段时间,并采集如上所述的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q;
步骤22:保持当前的调节阀开度不变,调节阀前截止阀和泄压回路同样一直保持不变,逐渐增大调节阀后截止阀开度,调节阀压差增大,在压差增大的过程中,保持在每一个压差值下稳定运行一段时间,并采集如上所述的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q;
步骤23:保持当前的调节阀开度不变,调节阀前截止阀和泄压回路同样一直保持不变,调节阀后截止阀开度为全开,此时,调节阀压差达到当前运行条件下的最大值,稳定运行一段时间,并采集如上所述的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q;
步骤24:通过汽蚀诊断软件系统改变调节阀开度,重新执行步骤21~23。
上述步骤为信号采集的过程,当调节阀在所有设定开度下的信号采集完备后,即可进行数据的处理过程。
上述采集的数据保存在汽蚀诊断软件系统中,具体的数据处理过程为:
S1.取出调节阀在某一开度下采集的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q;
S2.以不同的调节阀压差为节点,利用采集的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q计算出在此调节阀开度下不同压差条件下的流量系数Kv和流体雷诺数Re;
S3.调节阀流量系数Kv通过计算得到,其中N1为常数,一般取0.1,ρ/ρ0为相对密度,介质5-40摄氏度的水取为1;
雷诺数(Re)通过计算得到,其中ρ为介质密度,v为流体速度,通过公式计算得到,d为一特征长度。流体流过圆形管道,d为管道的当量直径,μ为流体粘性系数;
S4.最后汽蚀诊断软件系统根据上述计算的调节阀流量系数Kv和流体雷诺数Re绘制出Re-Kv关系曲线。
对于调节阀不同开度的数据处理过程与上述过程一致,最终得到调节阀处于不同开度下的一系列Re-Kv关系曲线;
根据绘制的Re-Kv关系曲线对调节阀进行汽蚀评估诊断。通常,调节阀处于正常运行情况下,在某一开度的流量系数Kv为一稳定值,随着流体雷诺数Re增大,流量系数Kv出现明显减小趋势的点可判定为汽蚀开始发生的点,Kv值减小值越大,汽蚀情况越严重。
为了防止误判,将上述信号采集过程按照步骤3~1的顺序再采集一遍同样的数据,可以见到流量系数Kv在出现明显减小的趋势后,随着流体雷诺数的减小,流量系数又回到某一开度下的正常值。此时,可以确定在流量系数Kv出现明显减小趋势的点为汽蚀开始发生的点。
在上述的数据处理过程中,参与计算的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q为压差变化后管路稳定运行时采集的数据。同时,管道流体存在波动现象,导致采集调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q会在一定范围内波动,因此,调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q取一定时间内的平均值是必不可少的步骤。
本发明还提供一种应用上述的调节阀汽蚀诊断方法的试验系统,其特征在于,包括:由多级离心泵1、泄压回路2、待测调节阀5、待测调节阀前截止阀3、待测调节阀后截止阀8相互连接组成的调节阀测试管路系统,其中多级离心泵1的出口与待测调节阀前截止阀3和泄压回路2连接,待测调节阀5上游侧连接待测调节阀前截止阀3,待测调节阀5下游侧连接待测调节阀后截止阀8;
待测调节阀5的管路上游侧安装有上游侧压力传感器6和流体流量变送器4,待测调节阀5的管路下游侧安装有下游侧压力传感器7,流体流量变送器4的输出端、调节阀上游侧压力传感器6的输出端和调节阀下游侧压力传感器7的输出端均连到信号采集与发送装置9;
信号采集与发送装置9为National Instruments公司的数据采集系统,它的第一输出端连接待测调节阀5,信号采集与发送装置9与汽蚀诊断软件系统10通过以太网双向通讯;信号采集与发送装置9接受来自汽蚀诊断软件系统10的数据采集命令,信号采集与发送装置9根据接受到的数据采集命令接收上述传感器采集的信号,并将采集的信号发送回汽蚀诊断软件系统。汽蚀诊断软件系统10将待测调节阀需要到达的阀位信号发送到信号采集与发送装置9,信号采集与发送装置9根据获得的阀位信号发送4-20mA的控制信号到待测调节阀,实现控制待测调节阀的开度大小。
汽蚀诊断软件系统10是基于LABVIEW编写的汽蚀诊断软件,包括数据采集命令发送模块10-1,输出数据采集命令给信号采集与发送装置9;
调节阀阀位控制信号设置模块10-2,将设定的待测调节阀阀位信号发送给信号采集与发送装置9;
数据保存模块10-3的输入端连接信号采集与发送装置9,保存上述传感器采集的数据;数据处理分析模块10-4的输入端连接数据保存模块10-3,数据处理分析模块10-4根据保存的数据进行上述的数据处理过程。
数据处理分析模块10-4的输出端连接数据处理显示模块10-5,数据处理显示模块10-5用于显示数据处理结果。
调节阀测试管路系统中,泄压回路2调节调节阀前截止阀3的上游侧压力;待测调节阀5为带有智能定位器的流体节流设备;待测调节阀前截止阀3和待测调节阀后截止阀8为流体节流设备,分别调节待测调节阀5的阀前压力和阀后压力;上述调节阀上游侧压力传感器6、调节阀下游侧压力传感器7和流体流量变送器4在管路中的安装位置严格按照国标GB/T 17213.9-2005规范执行。
本发明的诊断原理为:在通过调节阀的流体处于紊流状态时,调节阀在每个开度下的流量系数为一定值,它的大小与调节阀内部的结构有关。从上述的汽蚀产生的现象来看,当汽蚀出现时,流体为水和气的两相混合物,从而导致水的相对质量会降低,由调节阀流量系数的计算公式可知,在相同的压差下,水的流量减小,导致流量系数减小。反应到Re-Kv关系曲线中,随着压差增大,流体雷诺数增大,若在某个点发生汽蚀,则流量系数有明显下降的趋势。
本发明的优点是:通过汽蚀诊断软件绘制的调节阀某一开度下的流体雷诺数-调节阀流量系数关系曲线图,可以较准确的得知调节阀在当前开度下发生汽蚀的运行条件,实现了调节阀的汽蚀评估诊断。
附图说明
图1为本发明的汽蚀诊断试验系统图。
图2为本发明的汽蚀诊断软件系统结构图。
图3为本发明检测的调节阀阀体结构示意图。
图4为本发明所述汽蚀现象产生的压力变化示意图。
图5为本发明的流体雷诺数与调节阀流量系数的关系曲线图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。
附图中符号说明:1.多级离心泵,2.泄压回路,3.调节阀前截止阀,4.流体流量变送器,5.调节阀,6.上游侧流体压力传感器,7.下游侧流体压力传感器,8.调节阀后截止阀,9.信号采集与发送装置,10.汽蚀诊断软件系统,11.阀杆,12.上盖板,13.填料,14.上阀盖,15.阀芯,16.阀座,17.阀体。
图1为本发明的调节阀汽蚀诊断试验系统图,其中调节阀测试管路系统,包括多级离心泵1、泄压回路2、待测调节阀5、待测调节阀前截止阀3、待测调节阀后截止阀8以及连接管道,用于对待测调节阀提供一个有负载(有介质流过)运行的测试环境;
信号测量装置,包括调节阀上游侧的压力传感器6,调节阀下游侧的压力传感器7,流体流量变送器4,安装在测试管路系统中,用于对管路运行信号测量;
信号采集与发送装置9,与信号测量装置和调节阀定位器连接,用于采集测量的管路信号与发送调节阀控制信号;
汽蚀诊断软件系统10,用于保存采集信号及分析处理信号,与信号采集与发送装置连接。
具体的,调节阀测试管路系统中,多级离心泵1为管路中输送流体介质的设备;泄压回路2,用于调节调节阀前截止阀3的上游侧压力;
待测调节阀5为带有智能定位器的流体节流设备;
待测调节阀前截止阀3和待测调节阀后截止阀8为流体节流设备,可用于调节待测调节阀5的阀前压力和阀后压力;
信号采集与发送装置9为National Instruments公司的带控制器的数据采集系统;;
汽蚀诊断软件系统10,为基于LABVIEW编写的汽蚀诊断软件,包括了数据采集命令发送、调节阀控制信号发送、数据保存和数据处理分析等功能。通过网络的方式与信号采集与发送装置连接。
本发明所述调节阀1阀体结构如图3所示,在阀芯15和阀座16之间形成了一个缩流断面,从图4的示意图也可以看出,从缩流断面直至阀出口的静压P2降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸气压Pvc时,部分液体汽化使阀后形成汽液两相的现象叫做闪蒸,从缩流断面直至阀出口的静压P2降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸气压Pvc时,部分液体汽化成气泡,继而静压P2又恢复到该饱和蒸气压Pvc之上时,气泡爆裂恢复为液相的现象叫做空化,空化作用对材料的侵蚀称为汽蚀。
在本发明的一个实施例中,调节阀汽蚀诊断方法步骤包括:
通过预置在管路上的传感器测量待测调节阀管路系统的管路信号;
对所述管路信号进行采集和保存;
对所述管路信号通过特定公式进行处理,得到调节阀在某一开度下的流量系数Kv和对应条件下的管道流体雷诺数Re;
根据所述调节阀流量系数和流体雷诺数,绘制流体雷诺数和流量系数关系曲线图;
根据所述的流体雷诺数和调节阀流量系数关系曲线图,即Re-Kv图,对待测调节阀进行汽蚀评估。
具体的,通过预置在管路上的传感器采集待测调节阀管路系统的管路信号,包括:
预置在待测调节阀上游侧的压力传感器6采集调节阀阀前压力信号P1;
预置在待测调节阀下游侧的压力传感器7采集调节阀阀后压力信号P2;
预置在管路中的流体流量变送器4采集通过待测调节阀的流体流量信号Q;
其中,上述传感器在管路中的安装位置严格按照国标GB/T 17213.9-2005规范执行。
上述的信号测量装置与信号采集与发送装置9连接,进行数据的采集,并通过网络与汽蚀诊断软件系统10连接,对数据进行保存。
信号采集的具体步骤为:
步骤1:通过汽蚀诊断软件系统10给调节阀5设定一个开度,同时保持调节阀前截止阀3全开,调节阀后截止阀8开到接近全关的开度,调节泄压回路2,使调节阀5阀前压力达到合适的压力值,此时调节阀运行在一个相对较低的压差条件下。在这种情况下运行一段时间,并采集如上所述的调节阀5阀前压力P1,调节阀5阀后压力P2和流体流量Q;
步骤2:保持当前的调节阀5开度不变,调节阀前截止阀3和泄压回路2同样一直保持不变,逐渐增大调节阀后截止阀8开度,调节阀压差增大,在压差增大的过程中,保持在每一个压差值下稳定运行一段时间,并采集如上所述的调节阀5阀前压力P1,调节阀5阀后压力P2和流体流量Q;
步骤3:保持当前的调节阀5开度不变,调节阀前截止阀3和泄压回路2同样一直保持不变,调节阀后截止阀8开度为全开,此时,调节阀5压差达到当前运行条件下的最大值,稳定运行一段时间,并采集如上所述的调节阀5阀前压力P1,调节阀5阀后压力P2和流体流量Q;
步骤4:通过汽蚀诊断软件系统10改变调节阀5开度,重新执行步骤1~3。
上述步骤为信号采集的过程,当调节阀在所有设定开度下的信号采集完备后,即可进行数据的处理过程。
上述采集的数据保存在汽蚀诊断软件系统10中,具体的数据处理过程为:
取出调节阀在某一开度下采集的调节阀5阀前压力P1,调节阀5阀后压力P2和流体流量Q;
根据不同的调节阀压差为节点,利用采集的调节阀5阀前压力P1,调节阀5阀后压力P2和流体流量Q计算出在此调节阀开度下不同压差条件下的流量系数Kv和流体雷诺数Re;
调节阀流量系数Kv通过计算得到,其中N1为常数,一般取0.1,ρ/ρ0为相对密度,一般介质5-40摄氏度的水取为1;
雷诺数Re通过计算得到,其中ρ为介质密度,v为流体速度,通过公式计算得到,d为一特征长度。流体流过圆形管道,d为管道的当量直径,μ为流体粘性系数;
最后使用汽蚀诊断软件系统10根据上述计算的调节阀流量系数Kv和流体雷诺数Re绘制出Re-Kv关系曲线。
对于调节阀不同开度的数据处理过程与上述过程一致,最终得到调节阀5处于不同开度下的一系列Re-Kv关系曲线;图5即为根据试验绘制出的一系列Re-Kv关系曲线,三条不同线型的曲线表示不同调节阀开度下的Re-Kv关系曲线。根据绘制的Re-Kv关系曲线我们可以对调节阀进行汽蚀评估诊断。从图5可以看到,当调节阀处于正常运行情况下,在某一开度的流量系数Kv为一稳定值,随着流体雷诺数Re增大,流量系数Kv出现明显减小趋势的点,根据曲线图可以快速的判定汽蚀开始发生的点。Kv值减小值越大,汽蚀情况越严重。
为了防止误判,将上述信号采集过程按照步骤3~1的顺序再采集一遍同样的数据,可以见到流量系数Kv在出现明显减小的趋势后,随着流体雷诺数的减小,流量系数又回到某一开度下的正常值。此时,可以确定在流量系数Kv出现明显减小趋势的点为汽蚀开始发生的点。
根据上述实施方式,可以得出所述调节阀5在各个开度下发生汽蚀的运行条件,实现对调节阀5较完整的汽蚀评估诊断。
在上述的数据处理过程中,参与计算的调节阀5阀前压力P1,调节阀5阀后压力P2和流体流量Q为压差变化后管路稳定运行时采集的数据。同时,管道流体存在波动现象,导致采集调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q会在一定范围内波动,因此,调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q取一定时间内的平均值是必不可少的步骤。
在上述的实施方式中,信号采集与数据处理的顺序并不固定,信号采集与数据处理同时进行也属于本发明的实施方式之一。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.调节阀汽蚀诊断方法,包括:
步骤1.通过预置在管路上的传感器测量待测调节阀管路系统的管路信号,具体包括:
11.预置在待测调节阀上游侧的压力传感器采集调节阀阀前压力信号P1;
12.预置在待测调节阀下游侧的压力传感器采集调节阀阀后压力信号P2;
13.预置在管路中的流体流量变送器采集通过待测调节阀的流体流量信号Q;
步骤2.对所述管路信号进行采集和保存,所述的信号采集的具体步骤包括:
步骤21:通过汽蚀诊断软件系统给调节阀设定一个开度,同时保持调节阀前截止阀全开,调节阀后截止阀开到接近全关的开度,调节泄压回路,使调节阀阀前压力达到合适的压力值,此时调节阀运行在一个相对较低的压差条件下。在这种情况下运行一段时间,并采集如上所述的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q;
步骤22:保持当前的调节阀开度不变,调节阀前截止阀和泄压回路同样一直保持不变,逐渐增大调节阀后截止阀开度,调节阀压差增大,在压差增大的过程中,保持在每一个压差值下稳定运行一段时间,并采集如上所述的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q;
步骤23:保持当前的调节阀开度不变,调节阀前截止阀和泄压回路同样一直保持不变,调节阀后截止阀开度为全开,此时,调节阀压差达到当前运行条件下的最大值,稳定运行一段时间,并采集如上所述的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q;
步骤24:通过汽蚀诊断软件系统改变调节阀开度,重新执行步骤21~23;
步骤3.采集的数据保存在汽蚀诊断软件系统中,进行数据处理,具体是:
对所述管路信号通过以下公式进行处理,得到调节阀在某一开度下的流量系数Kv和对应条件下的管道流体雷诺数Re;调节阀流量系数Kv通过计算得到,其中N1为常数,取0.1,ρ/ρ0为相对密度,5-40摄氏度的水的密度取为1;雷诺数Re通过计算得到,其中ρ为介质密度,v为流体速度,通过公式计算得到,d为圆形管道的当量直径,μ为流体粘性系数;
步骤4.根据所述调节阀流量系数和流体雷诺数,绘制流体雷诺数和流量系数关系曲线图;
步骤5.根据所述的流体雷诺数和调节阀流量系数关系曲线图,对待测调节阀进行汽蚀评估:调节阀处于正常运行情况下,在某一开度的流量系数Kv为一稳定值,随着流体雷诺数Re增大,流量系数Kv出现明显减小趋势的点可判定为汽蚀开始发生的点,Kv值减小值越大,汽蚀情况越严重。
2.如权利要求1所述的调节阀汽蚀诊断方法,其特征在于:在上述的步骤3数据处理过程中,参与计算的调节阀阀前压力P1,调节阀阀后压力P2和流体流量Q取一定时间内的平均值。
3.一种应用如权利要求1所述的调节阀汽蚀诊断方法的试验系统,其特征在于,包括由多级离心泵(1)、泄压回路(2)、待测调节阀(5)、待测调节阀前截止阀(3)、待测调节阀后截止阀(8)相互连接组成的调节阀测试管路系统,其中多级离心泵(1)的出口与待测调节阀前截止阀(3)和泄压回路(2)连接,待测调节阀(5)上游侧连接待测调节阀前截止阀(3),待测调节阀(5)下游侧连接待测调节阀后截止阀(8);
待测调节阀(5)的管路上游侧安装有上游侧压力传感器(6)和流体流量变送器(4),待测调节阀(5)的管路下游侧安装有下游侧压力传感器(7),流体流量变送器(4)的输出端、调节阀上游侧压力传感器(6)的输出端和调节阀下游侧压力传感器(7)的输出端均连到信号采集与发送装置(9);
信号采集与发送装置(9)为National Instruments公司的数据采集系统,它的第一输出端连接待测调节阀(5),信号采集与发送装置(9)与汽蚀诊断软件系统(10)通过以太网双向通讯;信号采集与发送装置(9)接受来自汽蚀诊断软件系统(10)的数据采集命令,信号采集与发送装置(9)根据接受到的数据采集命令接收上述传感器采集的信号,并将采集的信号发送回汽蚀诊断软件系统。汽蚀诊断软件系统(10)将待测调节阀需要到达的阀位信号发送到信号采集与发送装置(9),信号采集与发送装置(9)根据获得的阀位信号发送4-20mA的控制信号到待测调节阀,实现控制待测调节阀的开度大小。
汽蚀诊断软件系统(10)是基于LABVIEW编写的汽蚀诊断软件,包括数据采集命令发送模块(10-1),输出数据采集命令给信号采集与发送装置(9);
调节阀阀位控制信号设置模块(10-2),将设定的待测调节阀阀位信号发送给信号采集与发送装置(9);
数据保存模块(10-3)的输入端连接信号采集与发送装置(9),保存上述传感器采集的数据;数据处理分析模块(10-4)的输入端连接数据保存模块(10-3),数据处理分析模块(10-4)根据保存的数据进行上述的数据处理过程。
数据处理分析模块(10-4)的输出端连接数据处理显示模块(10-5),数据处理显示模块(10-5)用于显示数据处理结果。
4.如权利要求3所述的系统,其特征在于:调节阀测试管路系统中,泄压回路(2)调节调节阀前截止阀(3)的上游侧压力;
待测调节阀(5)为带有智能定位器的流体节流设备;
待测调节阀前截止阀(3)和待测调节阀后截止阀(8)为流体节流设备,分别调节待测调节阀(5)的阀前压力和阀后压力。
5.如权利要求3所述的系统,其特征在于:上述调节阀上游侧压力传感器(6)、调节阀下游侧压力传感器(7)和流体流量变送器(4)在管路中的安装位置严格按照国标GB/T17213.9-2005规范执行。
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