GB/T 40073-2021 潜水器金属耐压壳外压强度试验方法
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资料介绍
ICS 47 . 020 . 10 U 1 1
中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准
GB/T 40073—2021
潜水器金属耐压壳外压强度试验方法
Externalpressurestrengthtestprocedureformetalpressurehullofsubmersibles
2021-04-30 发布 2021-1 1-01 实施
国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会
发
布
GB/T 40073—202 1
GB/T 40073—202 1
前 言
本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。
本标准由全国潜水器标准化技术委员会(SAC/TC 306)提出并归口 。
本标准起草单位:中国船舶重工集团公司第七 ○二研究所。
本标准主要起草人:沈允生、黄进浩、姜旭胤、胡震、刘涛、喻太君、姜磊、何再明。
GB/T 40073—202 1
潜水器金属耐压壳外压强度试验方法
1 范围
本标准规定了潜水器金属耐压壳(含耐压壳附件)进行外压强度试验的试验目的、试验条件、试验内容和方法以及试验报告。
本标准适用于潜水器金属耐压壳(含耐压壳附件)的短期静水外压试验。 其他水下装置及其承压设备的外压强度试验也可参照本标准执行。
注:短期静水外压试验为不考虑惯性作用和加速度影响、试验介质为水且试验时间较短的外压试验。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 150 . 1—2011 压力容器 第 1 部分:通用要求
GB/T 150 . 4—2011 压力容器 第 4 部分:制造、检验和验收
GB/T 13407 潜水器与水下装置术语
潜水系统与潜水器入级与建造规范(中国船级社 2013)
3 术语和定义
GB/T 150 . 1—2011、GB/T 13407 和《潜水系统与潜水器入级与建造规范》界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
潜水器 submersible
各种水下运行器具的总称。
注:潜水器包括载人潜水器和无人潜水器,载人潜水器为携带乘员的潜水器,通常包括作业型载人潜水器、深潜救生艇、水下游览船、潜水钟、救生钟、单人常压潜水服和双功能潜水器等;无人潜水器为不携带乘员的潜水器,通常包括遥控潜水器、自主式潜水器、水下滑翔器和拖航潜水器等。
3.2
金属耐压壳 pressurehull
潜水器上可以承受外部海水或淡水压力的金属壳体,为乘员或仪器设备等提供一个常压、密封空间。
3.3
耐压壳附件 pressurehullaccessory
安装在金属耐压壳开孔处的结构件或设备。
注:如电气贯穿件、舱口盖、观察窗等。
3.4
外压强度试验 externalpressurestrengthtest
通过对金属耐压壳(含耐压壳附件)施加外部压力,测定其承受力且不发生破坏所进行的试验。
GB/T 40073—202 1
3.5
超差 outoftolerance
实际测量值超出设计允许值。
3.6
最大工作深度 maximum workingdepth
潜水器能安全使用的最大作业或航行深度。
注:单位为米(m)。
3.7
最大工作压力 maximum workingpressure
相对于最大工作深度时的水压力。
注:单位为兆帕(MPa)。
4 试验目的
潜水器金属耐压壳(含耐压壳附件)外压强度试验的 目 的是通过密封性、应变和变形或位移等检测试验,验证潜水器金属耐压壳(含耐压壳附件)的设计可靠性和建造质量。 试验包括但不限定于以下内容:
a) 检测潜水器金属耐压壳(含耐压壳附件)的密封性;
b) 测量潜水器金属耐压壳(含耐压壳附件)的应变;
c) 测量潜水器金属耐压壳(含耐压壳附件)的变形或位移。
5 试验条件
5 . 1 金属耐压壳(含耐压壳附件)的要求
5 . 1 . 1 金属耐压壳(含耐压壳附件)应在完成焊接、热处理(如有)和装配等工序后,并按相关质量检验要求,验收合格后方可进行外压强度试验。
5 . 1 . 2 耐压壳附件可以承受的压力不应低于潜水器最大工作压力,且应能确保金属耐压壳开孔处的密封。
5 . 1 . 3 需要时,应提供以下质量证明文件:
a) 金属耐压壳(含耐压壳附件)的结构材料材质证明文件及复验证明记录;
b) 金属耐压壳(含耐压壳附件)的外形检测记录和壁厚检测记录;
c) 金属耐压壳(含耐压壳附件)的焊缝无损检测及返修记录;
d) 金属耐压壳(含耐压壳附件)的超差测量记录及超差加强处理记录;
e) 耐压壳附件的压力试验合格证明。
5 . 2 材料
需要时,应提供金属耐压壳(含耐压壳附件)的材料力学性能数据和曲线,如弹性模量 E、泊松比 μ、抗拉强度 Rm 、屈服强度 Rp0.2 和材料的拉伸/压缩曲线等。
5 . 3 文件资料
试验前,试验委托方应编写试验大纲,其内容应包括金属耐压壳(含耐压壳附件)参数、试验要求、试验内容、试验程序、试验结果处理方法和试验报告内容要求等。
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5 . 4 试验设备和仪器仪表
5 . 4 . 1 试验设备(如压力环境模拟装置、加载系统和测试系统等)应满足试验要求,且处于良好工作状态,具备为金属耐压壳(含耐压壳附件)提供外压强度试验的条件。
5 . 4 . 2 试验所用的测量仪器、仪表应经过计量检定合格,并在有效期内。 测试前后仪器、仪表应进行校验,并在待试期间保持正常状态。
5 . 4 . 3 试验所用的测量仪器、仪表应根据测试项目的要求及有关操作规程,安装在合适的位置,并注意防潮,防止在试验过程中因外界环境等因素影响测试结果。
5 . 4 . 4 测量试验压力时,应使用两个量程和精度相同的压力表,也可用压力传感器代替其中一个压力表 。压力表的量程和精度应符合 GB/T 150 . 4—2011 中 11 . 2 规定的要求。 压力传感器的量程与压力表的量程要求一致,精度不应低于压力表的精度。
5 . 4 . 5 测量位移变形时,可采用电测位移传感器或百分表,位移传感器的量程应不小于测量范围的2 倍,在 30 mm 以内精度不应小于 0 . 01 mm。
5 . 4 . 6 试验时,供电电压及电压偏差应满足试验设备及仪器仪表正常工作的电压输入要求。
5 . 5 试验介质
试验介质为水。
5 . 6 试验环境
试验环境要求如下:
a) 试验介质温度为室温,即 10 ℃ ~30 ℃;对于安装有有机玻璃观察窗的金属耐压壳,其试验介质的温度应与有机玻璃观察窗的设计温度相同,温度允许误差和延续时间符合《潜水系统与潜水器入级与建造规范》5 . 4 . 1 . 3 的要求;
b) 大气压力:84 kPa~106 kPa;
c) 相对湿度要求:30%~95% 。
5 . 7 试验压力
试验压力按如下原则确立:
a) 最大工作深度不大于 6 000 m 的潜水器,其金属耐压壳(含耐压壳附件)试验压力取 1 . 25 倍的潜水器最大工作压力。
b ) 最大工作深度大于 6 000 m 的潜水器,其金属耐压壳(含耐压壳附件)试验压力取 1 . 1 倍 ~
1 . 25 倍的潜水器最大工作压力。 设计金属耐压壳(含耐压壳附件)时,如安全系数和材料的许用应力按照《潜水系统与潜水器入级与建造规范》选取,其试验压力应取 1 . 25 倍的潜水器最大工作压力,如未按照《潜水系统与潜水器入级与建造规范》选取安全系数和材料的许用应力或所选用材料不在《潜水系统与潜水器入级与建造规范》规定范围内,其试验压力可自行确定,但不应低于 1 . 1 倍的潜水器最大工作压力。
潜水器最大工作压力按附录 A进行计算。
6 试验内容和方法
6 . 1 试验前准备
6 . 1 . 1 试验前,应检查金属耐压壳(含耐压壳附件)的完整性,检查内容包括金属耐压壳及其加强结构、电气贯穿件和辅助工装设备或部件等。 用作载人舱的金属耐压壳还应检查舱口盖及舱口盖启闭机构和
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观察窗等内容。 各连接部位的紧固件应装配齐全,并紧固妥当。 为进行外压试验而装配的临时受压元件,应采取适当的措施,保证其安全性。
6 . 1 . 2 试验前,应对金属耐压壳(含耐压壳附件)进行外观检测,要求外观完好,表面应无影响承载能力的划痕、凹坑等缺陷。 如存在缺陷,应重新评估能否进行外压强度试验。
6 . 1 . 3 如条件许可,试验前可在金属耐压壳泄漏后易贮水的位置安装具有漏水报警功能的传感器。
6 . 1 . 4 试验前密封性检测要求如下:
a) 试验前,应对金属耐压壳(含耐压壳附件)进行密封性检测,金属耐压壳(含耐压壳附件)不应发生泄漏,可采用静水外压密封性试验或气密性试验进行检测。 密封性检测合格后,方可进行外压强度试验。
b) 静水外压密封性试验,检测压力宜不小于 0 . 3 MPa。宜在易产生渗漏区域做好标记,如涂抹白粉等,以便确定具体渗漏位置。 通过目视观察金属耐压壳(含耐压壳附件)或检查漏水报警数据判断金属耐压壳(含耐压壳附件)是否产生泄漏。
c) 气密性试验检测,试验介质为空气,其试验压力取设计压力,如金属耐压壳内部为常压,则试验压力宜不大于 0 . 1 MPa,保压时间不少于 0 . 5 h,应足够对所有焊接接头和连接部位进行渗漏检查,可通过肥皂水等起泡剂或浸水检测是否存在渗漏。 采用起泡剂检测,表面应无气泡产生;浸水检测,水面应无气泡产生。
d) 若金属耐压壳(含耐压壳附件)无法进行整体密封性检测,可采用辅助试验工装对金属耐压壳开孔位置的密封性进行检测,试验介质为水。 试验时,通过辅助试验工装在开孔位置局部区域建立一个可承受内压的密闭空腔,对密闭空腔注水、加压,试验压力宜不小于 0 . 3 MPa,保压时间不小于 15 min,开孔位置不应发生泄漏。
e) 如发生泄漏,修复后重新进行密封性试验,直至合格。
6 . 2 外压强度试验
6 . 2 . 1 -般要求
外压强度试验至少应进行两次加卸载试验。 试验时,如试验委托方要求,应进行应变测量和位移或变形测量。 如无需进行应变测量和变形或位移测量,试验加卸载步骤按照应变测量试验时的试验步骤执行。
试验时,在压力保持过程中金属耐压壳(含耐压壳附件)不应产生蠕变等永久变形。
6 . 2 . 2 加卸载要求
试验加载速度不应小于潜水器设计下潜速度,卸载速度不应小于潜水器设计上浮速度。 安装有有机玻璃观察窗的金属耐压壳,卸载速度不应大于 4 . 5 MPa/min。
试验时,按附录 B 中的表 B. 1 记录试验加卸载各阶段压力起始和终止时的压力值和时间。
6 . 2 . 3 应变测量
6 . 2 . 3 . 1 -般要求
根据试验目的,确定应变测量部位,对应变片进行统一编号,编制金属耐压壳(含耐压壳附件)应变片测点布置方案。
6 . 2 . 3 . 2 应变测量部位
金属耐压壳(含耐压壳附件)应变测量部位由试验委托方根据设计结果确定,宜包含以下部位:
a) 典型部位,即壳体典型截面上的壳板和加强肋骨处;
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b) 开孔加强区与壳体连接部位;
c) 局部结构应力集中部位,如电气贯穿件开孔位置等,可根据有限元计算结果确定;
d) 建造工艺因素影响强度的部位,如焊缝位置;
e) 工艺缺陷部位,如外形超差、壁厚超差、强制装配、多次补焊处等;
f) 焊接在壳体上、用于连接固定的构件处;
g) 其他试验委托方认为需要测量的部位。
6 . 2 . 3 . 3 应变片粘贴要求
应变片粘贴时,按照以下要求进行:
a) 应变片贴片部位应进行打磨,直接受水压的结构表面,每一个测点打磨面积一般不小于50 mm× 50 mm(补偿应变片要求相同),不受水压的结构表面测点打磨面积不小于 30 mm×30 mm(补偿应变片要求相同),打磨后表面粗糙度 Ra不应大于 3.2 μm,应采用贴片胶水粘贴应变片。 在应变片粘贴至少 24 h后,对粘贴质量进行检查:
1) 应变片的粘贴位置与划线方向无明显偏离,应变片无翘曲,无脱胶,且与壳体表面之间无气泡;
2) 应变片的电阻值在出厂标称值 ±0.5 Ω 范围内,测量数值记入附录 C 的表 C. 1 中 ;
3) 应变片的绝缘电阻值不应低于 100 MΩ,测量数值记入表 C. 1 中 。
b) 应变片粘贴质量符合要求后,按各自编号与连接导线焊接,检查电阻值与绝缘电阻值,测量数值记入表 C. 1 中,合格条件按 a) 中 2)和 3),其中电阻值应附加导线电阻值。 所有应变片的连接导线应为同一规格。
c) 用硫化硅橡胶或其他密封胶逐层封盖应变片和应变片与导线的焊接点,应确保全部覆盖,对直接受水压的表面测点覆盖面积不小于 30 mm×30 mm,对非直接受水压的表面测点覆盖面积不小于 20 mm×20 mm,胶层中避免有气泡,涂层要均匀过渡到壳体表面,待密封胶固化后检查应变片和连接导线的总电阻值和总绝缘电阻值,测量数值记入表 C. 1 中,总绝缘电阻值合格条件按 a) 中 3) 。
6 . 2 . 3 . 4 第一次加卸载(即预压试验)
第一次加卸载按照以下要求进行:
a) 预压试验压力不应大于潜水器最大工作压力,可取最大工作压力的 80%。
b) 为了确保试验的顺利进行,采用分阶段逐步加卸载的程序。 试验时先缓慢加载至最大工作压力的 10%,保压 5 min,确认无泄漏后按最大工作压力的 10%或试验委托方要求逐级加载至最大工作压力的 50%,如若无异常现象,继续逐级加载,直到预压试验压力,保压 10 min 后,缓慢卸载至零或初始压力值。 在每阶段加卸载压力下采集并记录应变值。
c) 预压试验无异常,方可进行下一阶段的外压试验。
6 . 2 . 3 . 5 第二次加卸载
第二次加卸载按照以下要求进行:
a) 为了确保试验的顺利进行,采用分阶段逐级加卸载的程序。
b) 试验时先缓慢加载至最大工作压力的 10%,保压 5 min,确认无泄漏后按最大工作压力的 10%或试验委托方要求逐级加载至最大工作压力的 50%,确认无异常现象后,按上述要求逐级加压,加载至每阶段压力,待压力稳定(保压时间不宜小于 1 min)后,采集并记录应变值。 继续加载至试验压力后停止加压,至少保压 30 min,保压后每隔 5 min或按试验委托方规定的时间采集并记录应变值。
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c) 保压完成后,按最大工作压力的 10%或试验委托方要求,分阶段逐级缓慢卸载,卸载至每阶段压力,待压力稳定(保压时间不宜小于 1 min)后,采集并记录应变值;卸载至最大工作压力后开始保压,保压时间由试验委托方确定,保压时间宜与潜水器水下工作时间相等,如潜水器水下工作时间过长,可适当减少,但不应小于 2h。保压后每隔 30 min 或按试验委托方规定的时间采集并记录应变值。
d) 保压完成后,按最大工作压力的 10%或试验委托方要求,分阶段逐级缓慢卸载,卸载至每阶段压力,待压力稳定后,采集并记录应变值,然后继续卸载至零或初始压力值。
e) 保压过程中,金属耐压壳(含耐压壳附件)不应产生蠕变等永久变形。
f) 保压过程中,压力环境模拟装置的压力应无明显变化,应在装置允许的压力波动范围内。
6 . 2 . 4 变形或位移测量
6 . 2 . 4 . 1 变形或位移测量内容
变形或位移测量包括但不限定于以下内容:
a) 金属耐压壳(含耐压壳附件)受压时最大变形量;
b) 若采用锥面观察窗,测量观察窗受压时的轴向位移量。
6 . 2 . 4 . 2 测量记录要求
变形数据和位移数据应可记录,如条件许可,应能通过水密电缆实时输出到舱外记录仪上。
6 . 2 . 4 . 3 球壳的变形测量
在直径方向,宜采用一个带有位移传感器的测量杆,测量受压时球壳的变形量,如图 1 所示。
说明:
1 — 球壳;
2 — 测量杆;
3 — 位移传感器。
图 1 球壳变形测量示意图
6 . 2 . 4 . 4 圆柱壳的变形测量
在壳板和肋骨位置的径向方向,宜分别采用带有位移传感器的测量杆,测量受压时圆柱壳的变形
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量,如图 2 所示。 根据圆柱壳的长度,可适当增加测量点的数量。
说明:
1 — 圆柱壳;
2 — 肋骨;
3 — 测量杆;
4 — 位移传感器。
图 2 圆柱壳变形测量示意图
6 . 2 . 4 . 5 圆锥壳的变形测量
壳板和肋骨位置的径向方向,宜分别采用带有位移传感器的测量杆,测量受压时圆锥壳的变形量,壳板和肋骨的测量点均不应少于两个,如图 3 所示。
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说明:
1 — 圆锥壳;
2 — 肋骨;
3 — 测量杆;
4 — 位移传感器。
图 3 圆锥壳变形测量示意图
6 . 2 . 4 . 6 观察窗位移测量
在观察窗的内部安装一个位移传感器,位移传感器的滑杆测头应垂直接触观察窗的内表面,且应预留位移传感器滑杆移动的空间,不应因接触或偏斜等导致位移传感器滑杆的移动受限。
6 . 3 试验中断与故障处理
6 . 3 . 1 试验暂停
在试验过程中,如出现下列情况之一时,应立即暂停试验,关闭阀门保持压力,排查故障,恢复正常工作状态后,方可继续试验或卸载后重新开始试验:
a) 停电 ;
b) 停水 ;
c) 测量用仪器、仪表等故障;
d) 某种外界干扰使检测数据出现异常。
6 . 3 . 2 试验终止
在试验过程中,如出现下列情况之一时,应立即卸载,终止试验。 卸载后应对试验设备、金属耐压壳(含耐压壳附件)、测量用仪器仪表设备和应变片等工作状态和安装状态进行检查,分析原因、恢复正常后,方可重新进行试验:
a) 试验过程中金属耐压壳(含耐压壳附件)或试验设备发生严重泄漏,不能保持其压力;
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b) 测量数据普遍不符合规律或重复测量数据普遍分散性较大;
c) 测量数据超出试验委托方规定的允许值;
d) 压力环境模拟装置内发生异响;
e) 金属耐压壳(含耐压壳附件)损坏。
7 试验结果的分析与评定
7 . 1 试验结论
试验完成后,金属耐压壳(含耐压壳附件)应无变形、损坏等现象,且壳体未发生渗漏。 可根据应变值、变形值和位移值的变化判断金属耐压壳(含耐压壳附件)是否发生变形;如未进行应变测量或变形或位移测量,应在试验后测量金属耐压壳(含耐压壳附件)的外形尺寸,并与 5 . 1 . 3 中提供的外形检测记录进行对比,以判断金属耐压壳(含耐压壳附件)是否发生变形。
7 . 2 应变值判断
可根据压力-应变关系曲线或相同压力下应变值的重复性等判断测量数据的正确性、可靠性。 如测点的压力-应变关系、压力/变形关系符合线弹性或弹塑性非线性的规律,则可判断该测点的应变数据为准确可靠;如检测数据不符合上述规律性,则可判定为异常值,应予以剔除。
7 . 3 应力值计算
7 . 3 . 1 弹性应力计算
根据原始应变测量值修正后得到的实际应变值,分别按公式(1)、公式(2) 和公式(3) 计算出相应的应力值。
单向应变片:
…………………………( 2 )
三向直角应变片:
式中:
E —材料的弹性模量,单位为兆帕(MPa) ;
μ —材料的弹性泊松比;
ε —金属耐压壳单向实测应变值,10 - 6 ;
σ —金属耐压壳单向应力值,单位为兆帕(MPa) ;
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εx —金属耐压壳轴向或径向实际应变值,10 - 6 ;
εθ —金属耐压壳圆周向或纬向实际应变值,10 - 6 ;
σx —金属耐压壳轴向或径向实际应力值,单位为兆帕(MPa) ;
σθ —金属耐压壳圆周向或纬向实际应力值,单位为兆帕(MPa) ;
45 —三向直角应变片中 45°方向的实际应变值,10- 6 ;
ε90 —三向直角应变片中 90°方向的实际应变值,10 - 6 ;
σ1 —最大主应力值,单位为兆帕(MPa) ;
σ2 —最小主应力值,单位为兆帕(MPa) ;
φ —最大主应力方向与 ε0 方向之间的角度,逆时针方向为正,单位为弧度(rad) 。
7 . 3 . 2 弹塑性应力计算
如需计算弹塑性应力时,根据实际应变值且应同时利用公式(4) ~公式(7)及材料的拉伸曲线,进行逐次逼近迭代运算。
1
σj = (σ - σxσθ + σ) 2 …………………………( 7 )
式中:
ES —金属耐压壳材料拉伸曲线的割线模数,单位为兆帕(MPa) ;
σj —应力强度,单位为兆帕(MPa) ;
a11 、a12 — 系数,按公式(7)计算;
b11、b12、b21、b22 — 系数,按公式(6)计算。
7 . 4 试验结果评定
试验结束后,测试单位应及时汇总、整理和分析试验数据。 试验结果评定应按照金属耐压壳(含耐压壳附件)的设计参照标准和强度计算书所要求的参数指标进行评定。
8 试验报告
试验结束后,应提交潜水器金属耐压壳(含耐压壳附件)外压强度试验报告,应包括但不限于以下内容:
a) 试验日期;
b ) 环境条件;
c) 金属耐压壳(含耐压壳附件)特征描述,包括但不限定于几何参数、结构图、材料性能参数、拉伸曲线等;
d) 压力环境模拟装置等试验设备和测量仪器、仪表的说明;
e) 试验目的;
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f) 试验步骤;
g) 试验检测记录,包括密封检测记录、加卸载记录、应变测量值和变形或位移测量值等;
h) 试验结果和结论;
i) 存在问题及处理意见;
j) 试验人员、检测人员和校核人员等。
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附 录 A
(规范性附录)
潜水器最大工作压力的计算
潜水器最大工作压力按式(A. 1)计算:
狆w =(H +ΔH)/100 …………………………( A.1 )
式中:
狆w —潜水器的最大工作压力,单位为兆帕(MPa) ;
H —潜水器的最大工作深度,单位为米(m) ;
ΔH—超深,单位为米(m), 由潜水器业主或设计者确定,宜不小于 50 m。
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附 录 B
(规范性附录)试验记录表
表 B. 1 规定了试验记录表格式。
表 B.1 试验记录表
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附 录 C
(规范性附录)
应变片电阻值、绝缘电阻值检查记录表
表 C. 1 规定了应变片电阻值、绝缘电阻值检查记录表格式。
表 C.1 应变片电阻值、绝缘电阻值检查记录表
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