球罐工艺设计—学士学位论文.doc

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1、学士学位论文摘 要本次设计中的650m3球罐用于液态二氧化碳，其球壳板的材质为16MnDR，本文对其结构和强度进行计算，从而确定壁厚等主要参数，并绘制球罐的总体装配图。根据工厂的生产经验和相关标准编制了650m3球罐的生产工艺流程。在整个生产过程中，球壳板的压制成形、球罐的组装与球罐的焊接属于生产中的重点与难点，在本文中都进行了详细的分析和论述。本文通过对球罐的材质的焊接性分析，确定焊接材料和焊接方法。根据每条焊缝有不同的特点，制定了各条焊缝的具体焊接顺序和坡口形式，并选择了焊接工艺参数。球罐组装、焊接之后，需要进行焊后处理，包括无损检测，焊后热处理，以及耐压试验等，本文也都进行了简要的分析和

2、说明，并介绍了相应的处理方法和注意事项。关键词：球罐；低温；组装；焊接Abstract The design of the 650m3 spherical container used for store Liquid carbon dioxide , its spherical shell plate material is 16MnDR. This calculation of its structure and strength to determine the thickness and other key parameters, and draw the general assemb

3、ly drawing sphere. The produce technologic course of the 650m3 spherical container was compiled according to the experience of the manufacturing plant and related standards. In the entire production process, the press of forming spherical shell plate, the installation and welding of spherical contai

4、ner belong to important and difficult in the production. In this paper, they were carried out a detailed analysis and exposition.Based on the spherical tank welding materials analysis to determine the welding materials and welding methods. According to different characteristics of each weld, develop

5、ed a specific welding seam of each sequence and groove type, and selected welding parameters.After the installation and welding of the spherical container, there need to conduct process when the welding finished, which include non-destructive testing, postweld heat treatment, and the pressure test,

6、and so on. In the paper, they were conducted a brief analysis and exposition, and were introduced the corresponding resolve methods and attention matters.Keywords: spherical container; low temperature ; installation; welding目 录1引言12 650m球罐概况22.1 主要技术参数22.2 球罐材料的选用22.2.1 球罐用钢的基本要求分析22.2.2 球罐用钢的确定33 球

7、罐的结构设计43.1球罐的结构设计要求43.2 球壳的设计43.2.1 球罐结构型式的选择43.2.2 三带混合式球壳型式和参数53.2.3 混合式结构排板计算53.2.4 各球片的几何尺寸143.3 支座设计143.3.1 支柱143.3.2 底板163.3.3 拉杆163.4 人孔和接管163.4.1 人孔结构163.4.2 接管结构213.5 球罐的附件293.5.1梯子平台293.5.2 保冷设施293.5.3 液位计293.5.4 安全阀293.5.5 溢流阀294 球罐强度计算304.1 设计条件304.2 球壳计算304.2.1计算压力304.2.2 球壳各带的厚度计算314.2

8、.3 设计温度下球壳的计算应力314.3 球罐质量计算324.4 地震载荷计算334.4.1 自振周期334.4.2 地震力344.5 风载荷计算354.6 弯矩计算354.7 支柱计算354.7.1 单个支柱的垂直载荷354.7.2 支柱的最大垂直载荷364.7.3 单个支柱弯矩374.8 地脚螺栓计算414.8.1 拉杆作用在支柱上的水平力414.8.2 支柱底板与基础的摩擦力414.8.3 地脚螺栓424.9 支柱底板424.9.1 支柱底板直径424.9.2 底板厚度424.10 拉杆计算434.10.1 拉杆螺纹小径的计算434.10.2 拉杆连接部位的计算444.11 支柱与球壳连

9、接最低点a的应力校核454.11.1 a点的剪切应力454.11.2 a点的纬向应力464.11.3 a点的应力校核474.12 支柱与球壳连接焊缝的强度校核475 钢的焊接工艺分析485.1 16MnDR钢的焊接性分析485.1.1 钢的类型及化学成分485.1.2 焊接性分析485.1.3 焊接方法与填充材料的选择496 焊接结构制造工艺设计506.1 球罐生产的准备工作516.2 钢材复验、入库516.3 钢材的预处理526.3.1 钢板的矫正526.3.2 钢板的表面清理536.4 球壳板的制造546.4.1一次放样、划线、号料546.4.2 一次下料546.4.3 球壳板的冲压成形5

10、56.4.4 二次放样、划线、号料566.4.5二次下料、坡口加工576.4.6球壳板成形后的检验586.5 零部件的组焊586.5.1 赤道板与上段支柱的组焊586.5.2 极板与接管的组焊596.5.3 球壳板及零部件的出厂606.6 球罐的组装616.6.1 施工准备616.6.2 组装设备及工装夹具636.6.3 支柱组装646.6.4 赤道带板组装656.6.5 赤道带板调整666.6.6 下极板的组装676.6.7 上极板组装676.6.8 整球调整686.6.9 组焊检验686.6.10 防护棚的搭设686.7 球罐的焊接686.7.1 施焊环境686.7.2 焊工资格696.7

11、.3 焊前准备696.7.4 焊件的预热706.7.5 焊接工艺706.8 焊接结构质量检验786.8.1 焊缝外观质量检查要求786.8.2 无损检测786.8.3 焊后修补796.9 焊后整体热处理806.10 水压试验和气密性试验806.10.1 水压试验806.10.2 气密性试验806.11去锈、涂装826.12 球罐成品验收827 结 论83致 谢84参考文献85附录A87附录B103VII1引言随着现代工业生产的迅猛发展，焊接已成为机械制造等行业中一种越来越重要的加工工艺手段。目前，焊接已广泛用于能源、石油化工、航空航天、原子能、海洋、交通等重大工程项目，同时亦遍及工业生产的各个

12、领域。由于石油、化工、石油化工、燃气（天然气、液化石油气）等事业的迅速发展，随之而建造的球罐增长速度很快，1981年我国球罐约1100台，到1985年增加至约1800台，至1996年全国有近5000台球罐，这4年间平均每年建造约400台球罐。迄今为止，我国现有各种球罐已愈万台。球罐建造的增长速度如此之大，是因为人们越来越认识到使用球罐比圆筒形容器更加合理。与同容积的圆筒形容器相比，球罐的表面积最小，受力均匀，在相同直径和工作压力下，其所受内应力最小。同时球罐还具有占地面积小，高度低，底座基础工作量小，所以建造球罐时，可节省钢材，降低成本，因而在各工业领域得到了广泛的应用，在单罐容积大于1000

13、m3仅用材消耗量就比同容积圆筒形容器节省三分之一以上（容积越大越显著），其经济效益显得十分突出。这是当前市场经济中人们十分关注的问题。但是，球罐制造较困难，加工费用高。表现为下料工序较复杂；从冲压到拼装尺寸要求严格；超差变形矫正困难。此外，球罐直径通常较大，如50m3容积的球罐，直径就达到4.6m，已不适于整体常规运输，须在现场组装焊接，而100m3容积的卧（立）式贮罐，则尚可在制造厂中预制。球罐现场组装焊接，施工费用高；施焊条件差；装配尺寸与精度难以保证；器壁拘束度较大，会产生较大的残余应力，甚至诱发裂纹；施工质量受风雨、温度和湿度等环境因素的影响。目前，虽然我国的球罐制造业发展很快，但总体

14、制造水平偏低，某些加工手段及工艺措施还相对保守。但是，其基本制造工艺还是比较稳定的，所以球罐的制造技术应该被广泛的应用，并在原基础上有所突破创新。本次设计中的650m3球罐用于储存液体二氧化碳，属于中小型容积的球罐，现在，本次650m3球罐制造工艺设计依据工厂设计图纸和国家相关标准规定进行编制；设计目的是全面了解650m3球罐的制造工艺，使所学到的焊接专业理论知识能够应用到实际生产当中去，并最终完成毕业设计工作。在设计工作过程中，采取“边设计，边学习，边调研，边改进”的“四边”原则，真正做到理论与实际相结合，力求达到学以致用，并为自己日后参加工作，奠定理论知识基础，积累实际工作经验1。2 80

15、0m球罐概况2.1 主要技术参数表1-1球罐基本参数公称容积800各带球心角 各 带 分块数 上 极 带1277内 径 12300上 温 带几何容积974赤 道 带67.516支座型式赤道正切式下 温 带支柱根数8下 极 带112.57分带数3 设 计 温 度 -3035 储存介质液体二氧化碳 混合式球罐2.2.1 球罐用钢的基本要求分析材料是球罐设计、制造的基础，材料的性能和质量的优劣直接影响着球罐的质量和安全使用。在球罐的设计参数中指定存储的介质为液态二氧化碳，介质特性为非易燃易爆的无毒物质，设计温度为-35。因此根据球罐的具体使用条件，确定此球罐为低温球形储罐。低温球罐要比同等条件下的常

16、温球罐在选材上有更多的要求，球罐用钢还必须满足国家质检总局颁发的TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程和建设部颁发的GB50094-1998 球形储罐施工及验收规范等法规和规范，及GB150-2010、GB12337-2010等国家标准的要求，必须是低温压力容器专用钢。球罐用钢选择主要从两方面考虑：一是技术性和安全性，即加工及使用性能，选择原则是在满足强度要求的前提下，应保证良好的成型性、优良的焊接性能、足够高的缺口韧性值和长期可靠的使用性能；二是经济性，即应在确保安全的前提下经济合理，因为钢材的价格在球罐投资上占有较大的比例，对球罐用钢提出过高的要求，势必会增加成本，难

17、以保证经济性2。2.2.2 球罐用钢的确定由于本球罐为低温球罐，且公称容积为800m，根据我国球罐钢材实际生产使用情况等因素确定此次设计的球罐球壳采用16MnDR这种材料，其力学性能和工艺性能见表2.13,4。.表2.1 16MnDR钢板的力学性能和工艺性能牌号钢板公称厚度/mm拉伸试验冲击试验180弯曲试验弯心直径(b35mm)抗拉强度Rm/(N/mm2)屈服强度ReL/(N/mm2)伸长率A/%温度/冲击吸收能量KV2/J不小于不小于16MnDR61649062031521-4034d=2a1636470600295d=3a366046059028560100450580275-30341

18、001204405702653 球罐的结构设计3.1球罐的结构设计要求球罐的结构设计要做到在满足工艺要求的基础上，具有足够的强度和稳定性，结构尽可能简单，使其压制成型、安装组对焊接和检测实施容易。本设计为低温球罐，在满足普通球罐的结构设计要求下，还要充分考虑低温球罐要遵循的设计原则。低温球罐的结构设计要求应有足够的柔性，需充分考虑以下因素：1、结构应尽量简单，减少焊接件的约束程度；2、结构各部分截面应避免产生过大的温度梯度；3、应尽量避免结构形状的突变，接管、凸缘端部应打磨成圆角，使其内、外拐角均呈圆滑过渡5。3.2 球壳的设计3.2.1 球罐结构型式的选择球壳是球罐的主体，球罐设计中常用以球

19、壳板组合方案的不同分为橘瓣式和混合式两种形式。对于容积等于800m的球罐，采用混合式球壳有板材利用率高，球壳板制造厂的成本低，运输方便的优点，同样采用8根支柱形式，混合式球壳要比橘瓣式球壳的焊缝总长度短很多，这对于现场施工来说，焊缝的减少就意味着节省了焊条，降低了焊接的工作量，缩短了工期，也减少了焊缝的检测量。并且由于焊缝球罐壳体的薄弱部分，因此，焊缝减少以后也使得球罐的质量和安全性有所提高6。 综合考虑以上影响因素，决定本球罐球壳选用三带混合式排板结构。3.2.3 混合式结构排板计算 三带混合式球罐1、符号说明式中R球罐半径，6150mm；N赤道带分瓣数，16；赤道带周向球心角，45；赤道带

20、球心角，45；极中板球心角，45；极侧板球心角，45；极边板球心角，45。1、 赤道板尺寸计算弧长 （3.1）弦长 （3.2）弧长 （3.3）弦长 （3.4）弧长 （3.5）弦长 （3.6）弦长 （3.7）弧长 （3.8）2、 极板尺寸计算对角线弦长与弧长的最大间距 （3.9）弦长 （3.10）弧长 （3.11）弦长 （3.12）弧长 （3.13）弦长 （3.14）弧长 （3.15） 极中板尺寸计算对角线弦长与弧长的最大间距 （3.16）弧长 （3.17）弦长 （3.18）弧长 （3.19）弦长 （3.20）弦长 （3.21）弧长 （3.22）弦长 （3.23）弧长 （3.24）弦长 （3.2

21、5）弧长 （3.26） 极侧板尺寸计算式中A、H同前； （3.27） （3.28）弦长 （3.29）弧长 （3.30）弦长 （3.31）弧长 （3.32）弧长 (3.33)弦长 (3.34)弧长 (3.35)弦长 (3.36)弦长 (3.37)弧长 (3.38)3、 极边板尺寸计算式中H、同前； (3.39) (3.40) (3.41) (3.42)弧长 (3.43)弦长 (3.44)弦长 (3.45)弧长 (3.46)弧长 (3.47)弦长 (3.48)弧长 (3.49)弦长 (3.50)弦长 (3.51)弧长 (3.52)弧长 (3.53)弦长 (3.54)3.2.4 各球片的几何尺寸各球

22、片的几何尺寸如图3.1所示。3.3 支座设计球罐支座是球罐中用以支撑本体质量和储存物料质量的结构部件。本设计采用柱式支座，支柱与球壳的连接为赤道正切型式。赤道正切柱式支座结构特点：球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近乎相切（相割）而焊接起来。支柱支撑球罐的重量，同时承受地震、风载等外载荷。为保证球罐的稳定性，在支柱之间用拉杆相连7。3.3.1 支柱1、支柱结构支柱由圆管（一般由无缝钢管或钢板卷制）、底板、盖板三部分组成。 对于低温球罐，应采用双段式支柱形式。上下两段支柱采用相同尺寸圆管或圆筒组成，且上段设计高度不宜小于支柱总长的1/3 7。2、支柱材料 按低温球罐设计

23、要求，上段支柱采用与壳体相同的低温材料，下段支柱可采用一般碳钢。因此确定上段支柱的材料为Q345E钢管，最低冲击试验温度-40，下段支柱的材料为20钢管8。a)极中板和极侧板b)赤道板和极边板图3.1 球壳板的几何尺寸3、支柱与球壳的连接为了避免施焊中产生裂纹，所以此处连接选择无垫板结构。 支柱与球壳顶端结构，应选用半球式的防雨盖板。低温球罐应避免结构形状的突变，半球式结构受力合理，圆滑过渡。支柱与球壳连接下部结构，采用直接连接的结构形式。4、支柱的防火安全结构 支柱的防火安全结构主要是在支柱上设置防火层及易熔塞结构。由于球罐储存的为非易燃易爆介质，所以无需设置防火层，只在必要时对罐体采用防火

24、水幕喷淋措施。 每根支柱上都应开设通气口，使支柱管子内部的气体在火灾时能够及时逸出，保护支柱。正常操作时，为隔绝支柱内气体与外界接触，通气口可用易熔塞堵住。易熔塞由低熔点的合金填充，常用的合金组成为：Bi40；Sn4；Pb20。球罐还应安装静电接地板，一台球罐至少应在支柱底部位置设置2个对称布置的防静电接地板7。3.3.2 底板 支柱底板上开设地脚螺栓孔时，应为径向长圆孔，以便于球罐整体焊后热处理过程中，由于热胀冷缩使支柱径向移动。底板的材料选用Q235A钢板。底板中心应设置通孔7。3.3.3 拉杆 拉杆是作为承受风载荷及地震载荷的部件，增加球罐稳定性而设置。本球罐选用单层交叉可调式拉杆，拉杆

25、分成长短两段，用可调螺母连接，以调节拉杆的松紧度。拉杆的材料选用Q235A圆钢7。3.4 人孔和接管3.4.1 人孔结构1、人孔结构的作用 初选球壳板厚度大于16mm，根据文献规定，球壳板厚度大于或等于16mm的低合金钢制低温球罐应进行焊后整体热处理。所以本球罐的人孔不仅是操作人员用来进行一般的检验维修工作，它还起到进风、燃烧口及烟气排出烟囱作用2,5。2、人孔结构的选用 本球罐设有两个人孔，分别设置在上下极带的中心，直径选用DN500。 本设计为工作压力1.6MPa的低温球罐，在上极带采用水平吊盖整体锻件凸缘补强人孔，在下极带采用回转盖整体锻件凸缘补强人孔。3、人孔法兰的选用 根据工作压力为

26、2.1MPa，公称直径DN500和安装位置为球罐上、下极的中心，初步确定上极人孔法兰为水平吊盖带颈对焊法兰（如图3.2所示），下极人孔法兰为回转盖带颈对焊法兰（如图3.4所示），公称压力PN4.0MPa； 根据工作温度为-15-25和介质的腐蚀情况，选取人孔法兰材料16MnD级锻件； 根据人孔类型，按照文献9和10规定选择材料类别代号均为（见表3.3和3.5），公称压力为4.0MPa，查得工作温度-15-25下的最高无冲击工作压力为p=4.0MPa。p大于设计压力2.2MPa和工作压力2.1MPa，故满足要求； 根据法兰类型、工作条件和密封要求，确定密封面形式为凹凸面（MFM型）（如图3.3和

27、3.5所示）； 根据法兰类型、公称压力4.0MPa、公称直径DN500、凹凸面密封，确定人孔各部分尺寸和质量（见表3.4和3.6）11。图3.2 水平吊盖带颈对焊法兰人孔图3.3 水平吊盖带颈对焊法兰人孔密封面表3.3 水平吊盖带颈对焊法兰人孔材料明细件号标准编号名称数量材料类别代号1筒节116MnDR2HG20595法兰116MnD（锻件）3HG20610垫片1缠绕式垫4HG20601法兰盖116MnDR5HG20613等长双头螺柱见尺寸表35CrMoA全螺纹螺柱6螺母见尺寸表30CrMo7吊环1Q235-AF8转臂1Q235-AF9GB/T95垫圈1100HV10GB/T41螺母24级11

28、吊钩1Q235-AF12环1Q235-AF13无缝钢管12014支承板116MnDR表3.4 水平吊盖带颈对焊法兰人孔尺寸 (mm)尺寸公称直径DN500b152dws53014b257d498A430D755d048D1670螺柱数量20H1360螺母40H2222螺柱直径长度M393205b57总质量（kg）417图3.4 回转盖带颈对焊法兰人孔图3.5 回转盖带颈对焊法兰人孔密封面表3.5 回转盖带颈对焊法兰人孔材料明细件号标准编号名称数量材料类别代号1筒节116MnDR2HG20613等长双头螺柱见尺寸表35CrMoA全螺纹螺柱3螺母见尺寸表30CrMo4HG20595法兰116MnD

29、（锻件）5HG20610垫片1缠绕式垫6HG20601法兰盖116MnDR7把手1Q235-AF8轴销1Q235-AF9GB/T91销2Q21510GB/T95垫圈2100HV11盖轴耳AB1Q235-AF12法兰轴耳1Q235-AF13法兰轴耳1Q235-AF14盖轴耳 AB1Q235-AF表3.6 回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸 （mm）尺寸公称直径DN500b257dws53014A430d498B225D755L300D1670d030H1290螺柱数量20H2132螺母40b57螺柱直径长度M393205b152总质量（kg）3994、人孔结构的补强人孔采用整体凸缘补强结构，凸缘系列尺寸

30、表代号A538（见表3.7），用于球壳板材料16MnDR、对应凸缘材料16MnD；球罐容积650m；球壳板名义厚度n=38mm，DN500人孔的凸缘结构类型为F型（如图3.6所示）12。表3.7 凸缘尺寸nt mm凸缘结构类型D1 mmD2 mmD3 mmD4 mm DEGnb mmH1 mmH2 mmH3 mm质量 kg53017.5F870837705541341196178192873.4.2 接管结构 本球罐开设的工艺管口有2个液体二氧化碳进口、2个液体二氧化碳出口、1个放空口、1个排污口、1个溢流口、2个液位计接口、2个安全阀口，它们都是接管结构。1、开孔位置 球罐的开孔应尽量设计在

31、上、下极带上，便于集中控制，并保证接管焊接部位质量。在上极带只开设两个安全阀口，其余管口均开设在下极带上。在球罐焊缝上不应开孔。开孔应与焊缝错开，其间距应大于3倍的板厚，并且必须大于100mm。工艺管口的具体方位见装配图。2、管法兰的选型以液体CO2进口的接管法兰为例进行说明。图3.6 凸缘结构类型 根据工艺要求确定进口的公称直径为DN50，设计压力为2.2MPa，初步确定法兰公称压力为PN40（从使用安全角度考虑，选择与设计压力相近且又稍高一个等级的公称压力），结构形式为带颈对焊管法兰（WN）（如图3.7所示）； 根据带颈对焊法兰及其所适用的公称压力PN40、公称直径DN50，确定密封面形式

32、为凸面（M）（如图3.8所示）； 液体CO2有轻微腐蚀性，根据工作压力2.1MPa和低温球罐的材料要求，初步确定法兰材料1C1类别16MnD级锻件； 根据法兰材料1C1、PN40、工作温度-15-25，查表确定法兰的最大允许工作压力p=40bar； 由文献13可知，综合PN40带颈对焊钢制管法兰和整体钢制管法兰，确定进口管法兰的结构尺寸（见表3.9）。公称尺寸DN50，公称压力PN40，带颈对焊法兰的质量为3.0kg； 根据管法兰密封面形式为凸面密封（尺寸见表3.8）、介质有轻微腐蚀等条件，确定选择缠绕式垫片（如图3.9所示）。由文献14可知，垫片类型采用带内环型（代号B）（尺寸见表3.10）

33、，垫片的金属带材料选用0Cr17Ni12Mo2（316），填充材料选用聚四氟乙烯填充带11； 根据文献15和文献16规定，具体结合法兰结构尺寸和公称压力级别，确定紧固件选用专用级全螺纹螺柱和型六角螺母。螺柱和螺母的材料为35CrMoA，紧固件强度等级为中强度。图3.7 带颈对焊钢制管法兰图3.8 凸面密封面表3.8 进液口管法兰密封面尺寸 （mm）公称尺寸DNdf2X公称压力PN40501024.587表3.9 进液口PN40带颈对焊钢制管法兰尺寸 （mm）公称尺寸DN钢管外径法兰焊端外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓ThN

34、SH1R5060.3165125184M16208488648图3.9 金属缠绕式垫片 表3.10 凸面法兰用带内环（B型）垫片尺寸 （mm）公称尺寸DN内环内径D1缠绕部分内环厚度t内径D2外径D3厚度T506173873.22.03、其余接管的的选型其余的接管与液体CO2进液口的选型基本相同，只是接管的公称直径不同，各个管法兰密封面尺寸见表3.11，带颈对焊钢制管法兰尺寸见表3.12，凸面法兰用带内环（B型）垫片尺寸见表3.13。 4、管法兰盖的选用本球罐的法兰接管，除了与液位计、安全阀和溢流阀连接的管口之外，进液口、出液口、放空口和排污口都应与对应的钢制管法兰盖配合使用。各个管口钢制管法

35、兰盖尺寸见表3.14。表3.11 管法兰密封面尺寸 (mm)用途或名称公称尺寸DNdf2X液体CO2出口1001625.0149放空口40884.575排污口20584.550溢流口20584.550液位计接口25684.557安全阀口1001625.0149表3.12 PN40带颈对焊钢制管法兰尺寸 （mm）公称尺寸DN钢管外径法兰焊端外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓ThNSH1R100114.3235190228M202414210128654048.3150110184M1618707.576452026.91057

36、5144M1218406.564402026.910575144M1218406.564402533.711585144M12185076440100114.3235190228M20241421012865表3.13 凸面法兰用带内环（B型）垫片尺寸 （mm）用途或名称公称尺寸DN内环内径D1缠绕部分内环厚度t内径D2外径D3厚度T液体CO2出口1001161291493.22.0放空口40496175排污口20273650溢流口20273650液位计接口25344357安全阀口100116129149表3.14 PN40钢制管法兰盖尺寸 （mm）用途或名称公称尺寸DN连接尺寸法兰厚度C法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓Th液体CO2进口50165125184M1620液体CO2出口100235190228M2024放空口40150110184M1618排污口201