压力管道设计安装常识.docx

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压力管道设计安装常识

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第一章绪论

1996年劳动部以“劳部发[1996]140号”文发出“关于颁发《压力管道安全管理与监察规定》（以下简称《监察规定》）的通知”，标志着我国压力管道的管理进入了法制管理阶段。

《监察规定》就压力管道的定义及压力管道的设计、制造、安装、使用、检验和修理改造等方面作出了安全管理和监察的框架规定，以期最大限度地减少压力管道运行中的事故发生，有效地保障压力管道的安全运行，保护人民生命和财产的安全。

由于压力管道安全管理刚刚起步，许多从事这方面工作的技术人员对这一事物还不太了解，有关这方面的出版物也比较少。

为了便于从事压力管道设计、制造、安装、使用、检验和修理改造的人员了解有关压力管道的基本知识和技术，特编写了本书，以满足他们的需求，同时我们相信对《监察规定》的贯彻和实施也有一定的帮助作用。

本书从设计的角度逐一阐述了压力管道的有关常识，值得我们学习！

第一节压力管道的特点

管道作为物料输送的一种特种设备在现代化工业生产和人民生活中起着很重要的作用，它就象人体中的血管一样，没有它，人的生命就不复存在。

然而，实际应用的管道种类很多，使用工况也千差万别，影响因素和环节也比较多，管道事故时有发生，严重影响着人民的生命和财产的安全。

为此，劳动部将那些操作工况苛刻、事故危害性较大的管道冠以压力管道，并制定出相应的法规进行管理。

一、压力管道的定义及分类

《监察规定》明确指出：

压力管道是指在生产、生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危险性较大的特种设备，它具体指具有下列属性的管道：

a、输送GB5044¶《职业性接触毒物危害程度分级》中规定的毒性程度为极度危害介质的管道；

b、输送GB5016¸《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类介质的管道；

c、最高工作压力大于等于0.1MPa（表压，下同），输送介质为气（汽）体、液化气体的管道；

d、最高工作压力大于等于0.1MPa，输送介质为可燃、易爆、有毒、有腐蚀性的或最高工作温度等于高于标准沸点的液体管道。

e、前四项规定的管道附属设施及其安全保护装置等。

注¶：

GB5044标准将介质的毒性程度分为四级，其最高允许浓度分别为：

极度危害（I级）：

〈0.1mg/m3；

高度危害（II级）：

0.1mg/m3～1mg/m3；

中度危害（III级）：

1.0mg/m3～10.0mg/m3；

轻度危害（IV级）ñ10.0mg/m3。

注•：

GB50160标准对可燃气体的火灾危险性分为甲、乙两类：

甲类气体为可燃气体与空气混合物的爆炸下限＜10%（体积）；

乙类气体为可燃气体与空气混合物的爆炸下限≥10%（体积）

注¸：

GB50160标准对液态烃、可燃液体的火灾危险性按如下分类：

甲A类：

15°C时的蒸汽压力＞0.1MPa的烃类液体及其它类似的液体；

甲B类：

甲A类以外的可燃液体，闪点＜28°C；

乙A类：

闪点≥28°C至≤45°C的可燃液体；

乙B类：

闪点＞45°C至＜60°C的可燃液体；

丙A类：

闪点≥60°C至≤120°C的可燃液体；

丙B类：

闪点＞120°C的可燃液体。

其中，第e项中所述的“管道附属设施”是指压力管道体系中所用的管件（包括弯头、大小头、三通、管帽、加强管嘴、加强管接头、异径短节、螺纹短节、管箍、仪表管嘴、漏斗、快速接头等）、连接件（包括法兰、垫片、螺栓/螺母、限流孔板、盲板、法兰盖等）、管道设备（包括各类阀门、过滤器、疏水器、视镜等）、支撑件（包括各种类型的管道支吊架）和其它安装在压力管道上的设施。

为了便于《监察规定》的执行，就象压力容器那样宜将压力管道按不同的操作工况和不同的用途进行分类，并分别进行管理。

为此，国家质量技术监督局以质技监局锅发[1999]272号文颁发了《压力管道设计单位资格

认证与管理办法》（以下简称《管理办法》），《管理办法》给出的压力管道分类、分级方法如下：

1、长输管道为GA类，级别划分为：

a、符合下列条件之一的长输管道为GA1级：

¬输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力P>1.6MPa的管道；

­输送有毒、可燃、易爆液体介质，输送距离Ê≥200km且管道公称直径DN≥300mm的管道；

®输送浆体介质，输送距离≥50Km且管道公称直径DN≥150mm的管道。

b、符合下列条件之一的长输管道为GA2级：

¬输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力P£1.6MPa的管道；

­GA1­范围以外的长输管道；

®GA1®范围以外的长输管道；

2、公用管道为GB类，级别划分为：

燃气管道为GB1管道；

热力管道为GB2管道。

3、工业管道为GC类，级别划分为：

a、符合下列条件之一的工业管道为GC1级：

¬输送GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》中，毒性程度为极度危害介质的管道；

­输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质且设计压力P≥4.0MPa的管道；

®输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压力P≥4.0MPa且设计温度≥400℃的管道；

¯输送流体介质且设计压力P≥10.0MPa的管道。

b、符合下列条件之一的工业管道为GC2级：

¬输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质且设计压力P<4.0MPa的管道；

­输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压力P<4.0MPa且设计温度≥400℃的管道；

®输送非可燃流体介质、无毒流体介质，设计压力P<10.0MPa且设计温度≥400℃的管道；

¯输送流体介质，设计压力P<10.0MPa且设计温度<400℃的管道。

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。

作为压力管道设计认证的试点单位即中石化集团公司，在《管理办法》出台之前率先于1998年在其《压力管道设计单位认证与管理办法》中提出了本行业的压力管道分类方法，并且进行了实质性操作。

为便于已经按中石化集团公司分类方法取得设计认证的单位进行对比，特将中石化集团公司提出的压力管道分类方法进行介绍。

它将压力管道共分为六大类，其中后三类各自自成体系，不再冠于序号。

具体内容如下：

第一类：

a、输送毒性程度为极度、高度危害的介质管道（苯除外）；

b、设计压力为35.0MPa≥P≥10.0MPa的管道；

第二类：

a、设计压力P<10.0MPa，输送甲、乙类可燃气体，甲A类液化烃，甲B类、乙A类

可燃液体介质的管道；

b、工作温度高于闪点的可燃液体介质管道；

c、设计压力P≥4.0MPa，无毒、不可燃介质管道（不含介质为水的液体管道）；

第三类：

a、乙B类、丙类可燃液体管道；

b、设计压力P≥1.6MPa，不可燃介质管道（不含介质为水的液体管道）；

c、设计压力P≥0.1MPa，输送介质为气（汽）体，有毒、有腐蚀性或工作温度大于等

于标准沸点的液体管道；

（第四类）：

超高压管道（即设计压力P>35.0MPa的管道）；

（第五类）：

长输管道；

（第六类）：

公用管道（包括公用燃气管道和公用热力管道）。

二、压力管道的特点

实际的工业生产中，所使用的压力管道种类是很多的，以一套石油加工装置为例，它所包含的压力容器不过几十台，多者百余台，但它包含的压力管道将多达数千条，所用到的各种管道附件将达上万件，而且这些管道及其元件往往分散于几十家甚至上百家生产厂制造。

另外，管道的安装又多是现场进行。

因此，与压力容器相比，压力管道的安全管理要复杂的多。

归纳起来，压力管道与压力容器相比较，具有以下主要特点：

a、种类多，数量大，设计、制造、安装、应用管理环节多

我们知道，环节越多，出现问题的几率就越高；环节越多，影响因素就越多，包容的信息量就越大，从而造成压力管道安全管理和安全监察的多元性和复杂性。

b、长细比大，跨越空间大，边界条件复杂

这表明管道的强度计算不能仅仅根据设计条件利用成熟的薄膜应力公式或中径公式来计算，还应考虑与它相连的机械设备对它的要求，中间支承条件的影响，自身热胀冷缩和振动的要求等。

因此，在管道布置设计时除应满足工艺流程要求外，还应综合考虑各相关设备、支撑条件、地理条件（对长输管道）、城市整体规划（对城市公用管道）等因素的影响。

c、现场安装工作量大

压力容器基本上是在工厂制造的，其制造环境条件和制造设备保证均较好。

而压力管道现场安装工作量大，环境条件较差，因此安装质量相对较差，从而要求投入更多的管理与监察。

d、材料应用种类多，选用复杂

压力容器用的较多的是板材和锻材，而且也比较成熟。

压力管道除用到板材和锻材之外，还经常配套用到管材和铸件。

对一些操作工况下要想配齐这些材料是比较困难的，也就是说，对于某一介质环境而选定的合适材料，板材和锻材有时容易获得，而铸件就不见得容易获得，反之亦然。

例如0Cr18Ni10Ti材料，其管材、板材和锻材均容易获得，而铸件却不容易获得，这是因为材料中的钛元素极易被氧化，而一般的铸造厂缺乏相应的保障手段使钛在铸造时不被氧化，故ASTM材料标准中干脆不列这种材料的铸造牌号。

基于这样的原因，工程上有时不得不对同一管路上不同的元件取不同的材料，从而导致异材连接等不利现象的出现。

另外，因为设备长细比较小，它可以采用复合板材或堆焊层来解决防腐问题，而管道则不易做到。

有时，同一根管道可能同时连接两个或两个以上的不同操作条件的设备，因此管道选材要考虑对各设备的材料都能适应。

等等。

e、管道及其元件生产厂的生产规模较小，产品质量保证较差

许多管道元件的生产技术并不复杂，生产设备要求也不高，许多小的生产厂也能生产。

但它们当中有些技术力量较差，生产设备配置不全，生产管理也不健全，所以产品质量不易得到保证。

第二节压力管道的研究范畴

要实现一条压力管道安全、长周期地运行，同时又是最经济的，必须从设计、制造，安装和应用四个环节进行把握，而且缺一不可。

所以对压力管道的研究也就是围绕着这四个环节进行的研究。

由上节的介绍可知，由于压力管道的操作条件、应用环境、应用时间、应用空间、制造和施工环节等方面的多样性，决定了管道研究的复杂性。

它不仅涉及到金属材料学、金属腐蚀学、理论力学、材料力学、机械振动学、流体力学等基础学科，还涉及到了石油加工工艺学等工程学科。

前者是研究问题的基础，而后者则是研究问题和解决问题的主题。

显然，要全面、详细的在一本书中介绍这些问题是不现实的，而现实的工程中在各个环节上也都是有分工的。

本书则试图从设计这个角度来介绍压力管道设计、制造、安装和应用等方面的基础知识和技术，这不仅因为设计这一环节贯穿了整个压力管道安全管理的全过程，而且它是实现压力管道技术先进、经济合理和安全可靠的基础。

一、设计

目前，在压力管道的工程设计中，无论是国内还是国外的工程公司或设计院，大家已普遍认同的是将压力管道工程设计分成管道布置、管道材料设计和管道机械设计三个部分，或者说分成这三个专业来完成。

三个专业即相互独立又相互联系，它是一个内容中的三个分支，或者说是一个过程中的三个工序，管道材料设计是基础，管道布置是目的，而管道机械设计是保障。

在过去的粗放型压力管道设计中，这种分工是不明确的，因此造成各设计单位对管道材料和管道机械方面研究的较少，从而使压力管道的设计表现为盲目性和经验性，而其科学性不足。

目前，仍有许多设计单位对压力管道的管道材料和管道机械设计不够重视，人员也不配套。

为此，中石化集团公司在压力管道设计认证中向各设计单位明确提出了应配置管道材料和管道机械专业专职或兼职技术人员的要求。

作者认为这一要求是正确、及时的，因为管道材料和管道机械设计是压力管道设计的基础和保障，又是目前大多数设计单位的薄弱环节。

（一）管道布置

管道的布置设计一般是由管道布置（设计）工程师（以下简称为配管工程师）来完成的。

严格来讲，管道布置应包括装置布置和管道布置两部分，有的设计单位甚至将装置布置也单独划分为一个专业来完成，而更多的设计单位则是将它作为一个单独的设计环节。

装置布置是指将一个生产装置所用的机械、设备、建筑物、构筑物等按一定的规则进行定位的设计过程。

它涉及到工艺流程要求，生产操作和检修要求，与四临关系的要求，所在地形、地貌和面积大小的要求，自然环境和生活环境的要求等。

装置布置的好坏直接影响到装置的操作、检修、安全、美观和经济性，它对管道设计也起到一个宏观控制作用。

因此，装置布置一般都是由富有管道设计经验的资深配管工程师来完成的。

管道布置是通过图纸来表示出管道位置、走向、支承等，并能满足工艺流程的要求，满足管道强度、刚度的要求，满足操作、维护、消防的要求等，最后给出管道及其元件的用量。

管道布置（设计）过程大致可分为以下三个环节，即配管研究、管道详细设计、设计文件编制及归档。

1、配管研究

配管研究首先要了解设计条件和用户要求，然后确定设计应用标准规范，并委托管道材料专业确定管道等级，最后进行管道走向、支撑、操作平台等方面的综合规划和布置，并将有关的、认为有必要的管道委托给管道机械专业进行力学分析。

a、设计条件

设计条件应包括装置建设的环境条件（如温度、湿度、风力、风向、雨雪、地震、地质、周边环境等）、工艺条件（如水、电、汽、风等公用工程条件、装置规模、介质性质、介质温度、介质压力、开仃工时间、操作工况等）、建设周期（如设计计划表、采购计划表、施工计划表和开工时间等）等。

用户有时也常提出一些要求，如操作要求、安全消防要求、环保要求、器材标准要求、设计文件编制内容要求等。

设计条件和用户要求都是设计的基础条件。

合理的设计在于把这些条件中提出的要求赋以运用，既要十分重视这些要求，又要对某些要求进行适当的平衡，最终做到在技术、经济、安全等方面均为最佳。

b、管道等级

管道等级的确定属于管道材料研究的范围，将在下面介绍。

c、管道走向

管道的走向设计就是确定管道以怎样的一个空间、路径和形状把相关的设备连起来。

良好的管道走向应该规则整齐，建设费用最低，运行起来安全可靠。

具体设计过程中应考虑下面一些原则：

管道的走向应满足工艺要求，距离最短，不妨碍操作和检查，不妨碍设备的检修，能够排凝排气，支架容易设置，热胀补偿容易进行等；多根管道在一起时应排列整齐，交错层次分明，并尽可能共用支撑。

并排的法兰和阀门应相互错开以便于操作，并减少间距以节省占用空间。

操作点应集中设置；多路管道的布置应对称布置，不能使各路介质相互干扰，或发生偏流。

等等。

d、力学分析

管道柔性、支撑、防振等力学分析属于管道机械研究的范围，它也将在下面介绍。

2、管道详细设计

管道详细设计是在配管研究方案获得各方均认可的基础上所做的设计。

从时间上来讲它分为委托资料阶段和施工图完成阶段。

从内容上来讲它包括管道定位、阀门定位、操作平台设置、放空排凝设置、隔热设计、防腐设计、支撑设计、仪表元件定位、采样设计、图例标识及图幅安排等内容，并根据不同的进展阶段向相关专业提交有关资料。

a、管道定位

管道的定位就是在管道走向确定的情况下详细计算并确定管道的定位尺寸。

在确定管道的定位尺寸时应充分考虑隔热及防腐等施工的影响，热胀位移的影响，法兰及阀门操作检修的影响，仪表元件对管道结构尺寸的要求，管道及其元件的安装空间要求，支承生根位置的要求等。

b、阀门定位

阀门的定位首先应满足工艺的要求，其次尚应满足操作、维护的要求，同时还应考虑防冻、防凝要求，大阀门的支承要求，管道振动、热胀等对阀门强度可靠性的影响等。

c、操作平台设置

操作平台的设置除满足管道的操作要求之外，尚应考虑设备上仪表、人孔、手孔、看窗等方面的操作维护要求，同时还应考虑设备部件、管件元件的检修要求，巡回检查要求，消防要求，照明要求等。

操作平台一般是由相应的设备、加热炉、土建等专业设计，配管专业应向这些专业提供所需要的平台资料。

操作平台的委托资料应包括平台的大小、平台荷载、梯子型式等内容。

d、放空排凝设计

放空排凝设计要满足管道开仃工时的高点排气、低点放凝的要求。

管道在高点存气时会造成管道的气阻、相连泵的抽空或仃工时因燃气的积存而产生火灾危险等，而管道在低点存液时会造成介质的凝冻或仃工时因燃油的积存而产生火灾危险等。

因此，对于管道的高点和低点应设置相应的排气或排凝设施。

在进行管道的高点排气或低点排凝设计时，尚应考虑对环境污染的问题。

e、隔热设计

管道隔热的目的是为了减少管道在运行中的热量或冷量损失，以节约能源；避免、限制或延迟管道内介质的凝固、冻结，以维持正常生产；减少生产过程中介质的“温升”或“温降”，以提高相应设备的生产能力；防止管道表面的结露；降低和维持工作环境温度，改善劳动条件，防止因热表面导致的火灾和防止操作人员烫伤。

管道的隔热设计就是通过选取适当的隔热材料和隔热厚度以满足上述的要求。

f、防腐设计

防腐设计是通过选取适当的防腐涂料和防腐结构，以达到管道及其元件免遭环境腐蚀的目的。

在选择防腐涂料时，应考虑它与被涂物的使用条件相适应，与被涂物表面的材质相适应。

防腐涂料的底漆与面漆应正确配套，并且要求所选涂料应经济合理，并具备施工条件。

g、支撑设计

支撑设计应满足管道强度和刚度的需要，同时尚应能有效地降低管道对机械设备产生较大的附加载荷，防止管道的振动等。

管道的支撑设计包括支撑型式的选用、支撑件材料的选用、支撑件强度的计算、生根点的载荷委托等方面的内容。

h、仪表元件定位

仪表元件的定位应满足仪表元件的操作、观查、维护等方面的要求，同时尚要考虑仪表元件对管道结构尺寸的要求（如孔板前后的直管段要求）、仪表附属元件对操作空间的要求（如浮球液位计对空间的要求、仪表箱开启对空间的要求等）等。

i、采样设计

采样设计应满足操作方便的要求，同时尚应考虑采样时的危险性、采样介质的新鲜性、对环境的污染以及防冻防凝的要求等。

不同的介质，其采样位置、接头方式和采样设施有所不同。

j、图例标识及图幅安排

图例的标识及图幅的安排应符合绘图规范的要求，并便于识别。

图面应清晰整洁，线条分明，表达完整，与相关设计文件的连接表达清楚等。

k、委托资料

在管道详细设计的各阶段，应陆续向相关专业提交有关的委托资料。

这些资料大致包括设备开口位置、建构筑物的型式及结构尺寸、设备附加管道重量及偏心情况（有时是与有关专业一道向土建专业提供设备基础荷重资料）、管架上的管子重量及可预见的管子推力、平台梯子资料、建构筑物开孔埋件资料、照明资料、给排水点资料、排污点资料、仪表元件位置资料、工程实物量（给技术经济专业）等。

3、设计文件的编制及归档

在完成管道的详细设计之后，应编制相应的文件资料，使它与管道设计图纸一起组成一个完整的管道设计文件。

这些文件资料应包括资料图纸目录、管道设计说明书、管道表、管道等级表、管段材料表、管道材料表、管道设备规格表、管道设备规格书、管道支吊架汇总表、非标管道设备图、非标支吊架图等。

a、资料图纸目录

资料图纸目录分区域目录和装置目录两种。

如果该装置不分区，可只编装置目录。

资料图纸目录应包括该装置中管道设计专业编制的所有图纸、文件资料和复用设计文件资料的目录，并按照文字资料、图纸、复用文件的先后顺序编排。

b、设计说明书

管道设计说明书应包括管道的设计原则、设计思路、执行规范、典型配管研究、典型的管道柔性设计数据、与仪表专业的分工、识图方法（图例）、施工要求、采购要求、其它要说明的问题等。

c、管道表

管道表是指由工艺专业提供的带有管道号、管道起止点、管道操作条件（介质、介质操作压力和操作温度、隔热要求等）并留有供管道设计专业添加相应内容的管道明细表。

管道设计专业在工艺专业提供的管道明细表基础上确定管道的设计条件、试验条件、管道等级、隔热数据、施工等级、压力管道类别等内容，并存入管道设计文件中。

d、管道等级表

管道等级表是针对一系列介质条件而编制的管道器材应用明细表。

它包括等级号、设计条件（设计压力、设计温度和介质）、管道公称压力等级、管道壁厚等级、管道元件材料、管道元件型式、管道元件应用规范和材料规范等内容。

一般情况下，管道等级表是由管道材料工程师完成的。

e、管段材料表

管段材料表是对应于管道平面图的一个设计文件资料。

当该装置采用“平面图+管段图”的出图方式时，该文件直接出现在管段图上而不需要另出文件资料；当该装置采用“平面图+详图”的出图方式时，则对应于每一张平面图应有一组管段材料表。

平面图上的每一个具有独立管号的管段，它所需要的所有管道器材元件（包括管子、管件、阀门、隔热材料、防腐材料等）的数量及其属性都应在管段材料表上一一给出。

管段材料表是管道施工的重要文件之一。

f、管道材料表和管道设备规格表

管道材料表和管道设备规格表是管段材料表的分类汇总，是采购和备料的重要设计文件。

前者主要包括了管子、弯头、三通、大小头、管帽、加强管嘴、加强管接头、异径短节、螺纹短节、管箍、仪表管嘴、漏斗、快速接头、法兰、垫片、螺栓/螺母、限流孔板、盲板、法兰盖等管道器材元件的分类汇总。

后者则主要包括了阀门、过滤器、疏水器、视镜、弹簧支吊架等管道器材元件的分类汇总。

值得一提的是，在1998年石化集团公司进行的压力管道设计认证中，发现许多设计单位在进行管道元件的属性描述时，存在缺项描述的现象，这样做很容易造成采购和制造上的错误。

完整的描述应包括管道元件名称、结构型式、规格、数量、压力等级（或壁厚等级）、连接方式、材料、材料规范、应用标准及其它需要说明的属性等内容。

另外，作为装置的管道材料表和管道设备规格表还应计入施工损耗附加量。

g、管道设备规格书

管道设备规格书是一个采购用的设计文件，当管道设备规格表不能完全表达管道设备的属性时，应编制该文件。

管道设备规格书除给出上述管道设备规格表所包含的内容外，尚应给出设计条件、详细结构描述、分解零部件材料等特殊要求。

有时，管道设备规格书并不纳入出版的设计文件中，而是作为订货技术文件编入采购时的订货技术附件中。

h、管道支吊架汇总表

管道支吊架汇总表是将装置中采用的支吊架进行分类汇总的一个设计文件，它为支吊架的采购和工厂预制提供了方便。

i、非标管道设备图和非标支吊架图

非标管道设备图和非标支吊架图是针对标准之外的管道设备和支吊架而绘制的制造详图。

这一类图纸不宜太多，换句话说，应鼓励选用标准的管道设备和支吊架，这样做有利于降低工程投资，加快设计、制造、施工等各阶段的进度。

从上面的介绍中可以看出，管道布置是一个繁杂而细致的设计过程，它占据了整个管道设计过程中的大部分工作量。

但是客观上讲，管道布置在整个管道设计过程中并不是一个难点，也不涉及太深奥的理论，而相对来说，管道材料和管道机械设计则比较难，对管道的安全性影响也比较大。

因此，本书在对管道布置进行了一般的介绍之后，在下面的内容中将不再展开介绍。

有关的手册和标准都已对管道布置作出了详细的规定，有兴趣的读者可参阅这类的书籍、手册和标准。

（1）管道材料

管道的材料设计一般是由管道材料工程师（以下简称为材料工程师）来完成的。

管道材料是整个管道设计过程中的基础部分，它直接影响到压力管道的可靠性和经济性。

因此，许多法规性的标准如ANSIB31.1、ANSIB31.3、ANSIB31.4、SH3059等都是主要针