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厚壁含铌微合金钢JCO双面三层四丝高速埋弧焊管生产工艺

更新时间:2016-07-05

国内某大型化工企业出于特殊的需要设计了壁厚超过40 mm、单只质量超过10 t的酸性工况BNS级抗H2S腐蚀管道:钢管规格为Φ914.4 mm×41.275 mm×12 000 mm,钢板执行GB/T 21237—2007《石油天然气输送管用宽厚钢板》和ASTM A 578/A578—2001《平钢板和复合钢板的直声束超声波检查》,钢管执行API Spec 5L—2012《管线钢管规范》PSL2等级。合同约定制造商需向客户提交抗SSC(硫化物应力开裂)性能检测和抗HIC(氢致开裂)性能评价报告。

钢材受到H2S腐蚀的主要因素包括:化学成分、热处理和微观结构等影响的冶金状态和强度,水中的氢离子浓度(pH值),H2S分压和温度以及总的拉应力[1]

BNS级管道的服役条件,主要受到硫化物的不同失效机制的电化学腐蚀。由于钢管厚度已经达到41.275 mm,保证管道抗H2S腐蚀的应用效果,需考虑JCO成型过程中优化钢管的几何性能,降低管筒的残余应力;利用钢材的微合金化和焊材的适配调整焊缝金属的合金成分,控制焊接热输入,使母材和焊缝拥有较强的抗H2S腐蚀性能、优异的冲击韧性和均匀细密的组织。河北海乾威钢管有限公司针对性地设计出BNS级抗H2S腐蚀钢管的成型和双面三层四丝高速埋弧焊接工艺,实现对BNS级钢管从钢板轧制到制管过程目标明确的有效管控。

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Cold weather and much snow in early winter, spring will come earlier next year; cold weather and much snow in midwinter, spring will come later next year.”

1 焊缝金属的设计

B级钢属于C-Mn强化体系的普通低合金钢[2]。BNS级钢是在B级钢基础上通过Nb、V、Ti微合金化及炉外精炼、控轧控冷等工艺,获得的细化晶粒和综合性能良好的微合金钢[3],BNS级钢具有优异的韧性与焊接性能,广泛用于桥梁、船舶、压力容器等重要焊接结构件中。BNS级41.275 mm厚钢板的化学成分和力学性能见表1~2。

表1 BNS级41.275 mm厚钢板的化学成分(质量分数) %

0.039 C Mn Si S 1.150 0.270 0.002 P Cr Ni Cu Nb 0.012 0.187 0.019 0.016 0.033 Mo 0.006 V 0.003 Ti 0.014 C eq P cm 0.28 0.12

表2 BNS级41.275 mm厚钢板的力学性能

屈服强度R t0.5/MPa抗拉强度R m/MPa 屈强比 断后伸长率A50/%410 500 0.82 71

BNS级钢是依据合金元素对材料性能和组织性能的影响去设计添加元素成分,使其具备抗H2S腐蚀性能而完成微合金设计。

铌作为微合金化元素已广泛用于提高低合金钢的性能。常温中铌在铁素体中的溶解度极低,所以铌的强化效果是通过沉淀强化实现的[12]

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对BNS级钢水的纯净度、铸坯的偏析要求极高,钢水采用金属镁进行脱硫预处理。使用转炉双联法冶炼,对炼钢、连铸等关键工序精密控制。板坯连铸采用全程保护浇注,连铸是获得优良铸坯的关键工序[5]

通常认为A1、Ti、V、B、Cu等元素能提高钢的抗SCC性能,Ni、S、P、Mn、N等对抗SCC性能不利,而C、Cr、Mo、Si等元素的作用观点不一[6-7]

1.1 硫和硫化物夹杂

硫是钢中的有害元素,特别是作用于耐酸钢,需严格控制硫含量。硫在钢中主要是以FeS或MnS的形式存在[8]。MnS熔点达到1 620℃几乎不溶于钢,而易浮升到金属表面成渣,以团球状或长条状分布于晶粒内或晶界处。

MnS以夹杂物[9]的形态存在时,氢原子扩散进入钢中富集在MnS周围。一方面会造成氢积压在夹杂物处形成微裂纹,另一方面又和裂纹尖端材料作用使尖端金属钝化,从而加速裂纹的扩展。HIC主要在长条状的MnS夹杂物上形核,而且单位面积上夹杂物总长度愈大,愈容易发生HIC。当钢中硫含量大于0.005%,HIC的敏感性显著增加。

1.2 BNS级抗H2S腐蚀钢限制镍含量的原因

(1)镍既可以提高钢的强度,又可以使钢的韧性(特别是低温韧性)保持很高的水平[10]。这是因为镍是奥氏体化元素,固溶在Fe的晶格间抑制了先共析铁素体(PF)的形成,有利于针状铁素体(AF)的形成。在含锰的焊缝中添加镍,焊态焊缝的PF体积分数减少,AF 增加[11]

2)两组患者的比较,FVC%、FEV1%、与AHI均呈负相关,FVC%、FEV1%、FEV1/FVC%均减低,但OS组更为明显。故OS患者肺功能损害更显著[8]。

(2)钢中含有镍时,硫的危害作用更加严重。硫和镍反应形成NiS,而NiS又与Ni形成易熔共晶,其熔点只有644℃,故更容易引起裂纹。对于抗H2S腐蚀含镍钢上的析氢过电位最低,氢离子易于放电,因而强化吸氢过程使钢的硫化物开裂敏感性增加[7]

1.3 铌对焊缝和热影响区组织性能的影响

1.3.1 铌对焊缝组织性能的影响

传统钢铁材料是通过调整材料的合金元素来达到所需性能的[4],辅以现代化冶金计算机控制轧制,连铸、精确再加热和金属物理微观理论相结合的设计和生产,优化提高金属材料的各种性能,满足现代结构对材料性能的需求。

焊缝金属中的铌元素会引起NbC和NbN的沉淀。其中NbC在γ→α转变前期主要沉淀在γ和α相界从而抑制晶界铁素体的生长,促进铁素体与第二相的形成[13]。含铌钢在过冷形变过程中动态析出的Nb(C,N)既为铁素体相变提供了大量的形核位置,又钉扎了铁素体晶界,阻碍铁素体晶粒的长大,使铁素体晶粒大大细化[14]。Pb和V可以与焊缝中的氮化合生成PbN、VN,固定了焊缝中的可溶性氮,使焊缝金属韧性提高。焊材的化学成分和力学性能见表3~4。实测CHF102SH焊丝w(S)=0.002 4%,w(P)=0.007 4%。

表3 Ф4.0 mm规格CHW-SH焊丝的化学成分(质量分数)%

项目C Mn Si S P Cr Ni Cu实测值 0.11 1.47 0.15 0.001 0.010 0.15 0.14 0.042标准值0.08~0.13 1.4~1.7 ≤0.15 ≤0.003 ≤0.008≤0.2 ≤0.3 ≤0.35

表4 焊材的力学性能

项目实测值标准值实测值标准值位置焊丝焊剂屈服强度/MPa 伸长率/% -30℃冲击功/J 507 28 209,197,195 485~590 CHF102SH 10~60 目 557 471 27.5 170,164,158牌号 规格 抗拉强度/MPa CHW-SH Ф4.0 mm 555≥340 ≥22 ≥80 480~660≥400 22 ≥27

厚度41.275 mm B和BNS级钢材0℃冲击试验数据对比见表5,结合表1~2可以看出,相同的板厚采用相同焊接工艺,微合金化的BNS级钢的韧性指标和强度指标都远高于B级钢。微合金化的BNS钢强韧性优良,对于提高钢板抗H2S裂纹的能力很有帮助。

防止粪块再积聚的试验,可以分双盲和开放两个试验阶段设计。双盲试验的疗程至少4~8周,可以每2周设置1个访视时点;接下来的扩展试验可以设计 4~10 个月(补齐 6~12 个月[10‐11]),一般每4~8周设置1个访视时点。解除粪便嵌塞的试验,治疗观察期仅需3~6 d。此外,改善小儿便秘症状或证候的试验,疗程可以设计为3~6 d,或1~2周。疗程2周的试验,可以每周设计1个访视时点。

表5 厚度41.275 mm B和BNS级钢材0℃冲击试验数据对比

钢级 试样类型 规格/mm 管体截面积/mm2冲击吸收功/J焊缝 HAZ B 矩形 10×10×5580154/162/126 74/55/71 168/174/146 BNS 397/385/377 225/247/232 316/357/343 API Spec 5L标准要求 矩形 10×10×5580≥40 ≥27 ≥27

1.3.2 铌、焊接热输入、冷却速率的影响

为验证锚固界面剪应力分布规律,作者开展了多级轴向载荷、不同锚固长度煤岩锚固试件张拉试验,试验系统如图7a所示,各试件均发生界面滑移脱黏失效,代表性失效形态如图7b所示。试验过程与试验结果等详见文献[23]。

资料显示,用铌处理的钢,其热影响区(HAZ)韧性差[5]。热输入对粗晶热影响区韧性的影响如图1所示,可以印证这个结论。不含铌钢的韧性全部高于含铌钢,大热输入60~120 kJ/cm时韧性值相差很大,而小热输入30~40 kJ/cm时韧性值接近。为此总结采取以下应对方案:

(1)降低碳含量,控制焊接热输入。

(2)铌与镍联合使用有利于提高微合金钢焊缝热影响区的韧性。

(3)在低碳铝处理的含铌钢中可以得到极佳的HAZ 韧性[15]

熔敷金属的合金成分是为满足焊缝金属抗H2S腐蚀性能而设计的,CHW-SH和CHF102SH焊丝焊剂组合是专用的耐酸焊材。焊材合金成分(表3~4)与母材成分匹配相当,焊缝金属S、P含量极低且具备良好的抗SSC、HIC性能以及低温冲击韧性和抗裂性。

图1 热输入对粗晶热影响区韧性的影响

表5所示钢级钢板均采用三层焊接,其单层最大热输入96.3 kJ/cm。分析A kV数据:B级钢的HAZ比母材高了10.4%,比焊缝高了144%;BNS级钢的HAZ比母材低了12.1%,比焊缝则高了44.3%。显然,BNS级钢的HAZ比母材或焊缝A kV的变化弱于B级钢。

1.3.3 铌含量对抗SSC、HIC的影响

Comparison of Air Conditioning Systems for Ropax Vessel……………HU Chongwei(4·43)

在运行期内,记为第i个AC的失效次序统计量,为第i个MC的失效次序统计量。显然,以为节点,将运行期分割成若干连续运行子期,记为第l个运行子期,则有如下结论:

1.4 焊材的适配

钢和焊材中加入的Cr、Cu、V、Ti、Al等元素(表1~4)是有针对性的,联合调整钢的综合性能,特别是抗H2S腐蚀性能。

观察组患者的SAS评分和SDS评分均比参照组患者的评分低,观察组患者的心理状态明显低于参照组患者的心理状态,差异有统计学意义(P<0.05)。见表1。

2 JCO成型

SSC常发生在焊接接头的焊缝区和热影响区或其他应力集中的部位[16]。抗H2S腐蚀管道对制造过程中产生的壁面缺陷、冷作硬化以及残余应力敏感性较强,容易引发SSC和HIC。微合金化的BNS级钢板强度中等,厚度已经达到41.275 mm,JCO成型困难。经过JCO冷弯变形不仅使变形区的硬度增大,而且还产生了很大的残余应力。该应力甚至接近钢材的屈服强度,从而导致抗SSC、HIC失效。优化钢管的几何性能,提高JCO成型尺寸稳定性,以利于得到更小的残余应力。

2.1 预 弯

预弯是JCO钢管成型的辅助工序,也就是J成型。预弯机是两个相对同步工作的C形压力机。渐开线式模具形状结构使钢板两边的弯曲半径接近或达到所生产钢管规格的半径,完成钢板的纵向预弯边,以保证钢管焊缝区域的几何形状和精度。

采用二次重复压制400 mm短进给步长的方法,既可以保证预弯边的效果,又可以降低压制力,从而减小内应力。预弯边的有效宽度(单边横向)不可小于150 mm,为C成型工序提供条件。

2.2 折 弯

通过折弯完成JCO的C成型,钢板在这个过程中逐步弯曲变形形成开口的管筒,是JCOE钢管制造的关键工序,直接影响到焊接和成品质量。

焊接坡口尺寸的设计关系到焊接能量强弱以及厚板熔敷金属填充的效率,综合策划、合理调配四丝高速埋弧焊的坡口容量,解决厚板焊接的困惑。

如果焊缝中存在硫化物夹杂,铌含量较高可能导致抗HIC性能降低[12]。由于铌在过冷奥氏体形变过程中的组织演变具有自己的特点,提高铌含量,焊缝金属的硬度和氢裂敏感性随之提高,但铌含量低于0.03%时不会导致焊缝金属氢致开裂[13]

折弯机压制力足够,上模曲率R应该选取满足管筒弧形设计要求的尺寸,为实现大步长进给创造条件,大步长进给能够使JCO精准成型得以实现。对于厚度超过40 mm、屈服强度超过400 MPa的BNS级钢板,选用尖模重复折弯的方法。上模曲率R175 mm、进给步长(横向)90 mm、折弯次数27次。这3个数值比正选参数要小50%左右,主要是受到折弯机压力的限制,如果设备能力许可,仅需要13次折弯便可完成。

2.2.2 上模宽度和下模开口

JCO成型是通过对钢板的渐进逐步折弯形成多段近似圆弧来实现的,上模宽度决定了进给步长的大小。上模宽度的设计要保证模具强度,充分发挥设备的能力,尽量减少折弯次数,提高生产效率和有效控制管筒的圆度误差,只要折弯力许可,优先选用宽上模。

调节下模开口的距离可以控制折弯力的大小和进给步长,大步长折弯需要适合的下模开口相配合。厚板或高强度钢板折弯,下模开口需要拉宽;低强度薄板折弯,下模开口应该收缩,钢板的支撑点接近相当于增大了钢板的强度。对于径壁比只有21.7的BNS级钢管,下模开口应在340~380 mm。

2.2.3 管筒开口距离和管筒轴测量数据

管筒开口距离是判断上模曲率R和折弯下压量配合适当与否的参考依据。在上模曲率R稍大的情况下,适度调大开口距离可以帮助上模完成折弯。管筒开口距离首先要大于模柄宽度;另外,为减轻下道工序合缝预焊的难度,应尽量收缩管筒的开口距离。BNS级钢管开口距离取80~100 mm为宜。

管筒的水平轴、垂直轴尺寸测量是成型机操作人员自检互检的项目。由于折弯管筒是开口管坯,因此水平测量距离比垂直测量距离大1~3 cm是正常现象。如果两轴差距太大,使管筒呈水平或垂直形式的椭圆形,说明折弯下压量要么过小,要么过大。

通过测定结果表明,自来水中溶解固形物成分中主要含有钠、钙、镁、铁、氯等多种离子,自来水(238mg/L)中各离子的含量如表1所示。测定自来水中溶解固形物的方法主要是按照GB/T1576-2008中有关工业锅炉水质的测定方法进行的。同时,钠离子、钙离子、镁离子、铁离子的测定主要是通过使用原子吸收光谱仪,运用石墨炉法完成测定的。

3 焊接和金相

焊接方法和焊缝金属确定的情况下,焊接热输入基本决定了显微组织的成分和性能,显微组织最终决定了焊缝的性能。

3.1 铣 边

钢板铣边本身属于机械加工工艺的范围,就其坡口的功用而言归结于焊接工艺则更为恰当。厚板铣边首先要考虑钝边的高度问题,钝边过小,内坡口和外坡口的高度必然加大,这为焊接填充带来了困难;钝边过大,熔深电流加大,焊接热输入就大,对于焊缝的性能不利。

其次,内外坡口的角度要小,通常外坡口选取60°,内坡口选80°。内坡口选择较大角度是由于管筒在合缝后内坡口有合拢的趋势,外坡口有扩张倾向。如果内坡口选用小角度,埋弧焊接Φ4.0 mm的焊丝不能很好地深入到坡口尖角处,容易造成焊接缺陷。选择内外坡口的高度时,要充分考虑三层焊接热输入的均衡性,不可以由于填充的原因造成某一层的焊接热输入过大或过小。Φ914.4 mm×41.275 mm BNS级钢管焊接坡口如图2所示。

完善财务报告编制制度的前提就是要深入了解我国经济发展的状况,建立统一的财务报告编制制度,同时还要要求各级政府部门以及事业单位都统一采用权责发生制政府综合财务报告编制制度,这样才能够更好地对财务报告进行整合分析,有利于财务信息在各部门之间的交流。与此同时,还需要对财务报告的编制进行监督,应该建立专门的监督机构,并建立审查制度,从而能够有效保证权责发生制政府综合财务报告编制的准确性。最后在权责发生制政府综合财务报告编制制度中还应该完善详细的工作流程等信息,不断提高政府的财务管理水平。

图2 Φ914.4 mm×41.275 mm BNS级钢管焊接坡口示意

2.2.1 上模曲率R和进给步长

3.2 热输入和显微组织

硫化物应力腐蚀实践表明,碳素钢和低合金钢破裂的敏感性主要取决于钢的金相组织[5]。文献[12]进行的耐酸钢研究表明,细化的粒状或针状铁素体比铁素体和珠光体带状组织具有更高的抗H2S腐蚀能力。国内学者普遍认为,当组织为以针状铁素体为主的混合型组织,管线钢具有优良的抗H2S腐蚀性[17]

可见,焊缝中存在着高比例的针状铁素体时,其强韧性显著提高。针状铁素体属于中温转变产物,晶粒细小,相邻间的方位差为大倾角,所以当裂纹沿针状铁素体扩展时,断裂路径曲折,扩展需要较大的能量[18]。凡是材料内部晶格在热力学上越处于平衡状态的组织,其抗应力腐蚀破裂性能越好[19],针状铁素体恰具备这些特性。

母材区显微硬度最低;热影响区中粗晶粒的硬度较高,起伏也较大;焊缝中心部位硬度最高,达到204 HV10。

图3 B级钢管焊接接头显微组织

BNS级钢管母材组织均匀,以片状铁素体为主,加少量珠光体,晶粒度8.5级(图3a)。Pb和V在钢中的沉淀固溶推迟了冷却过程中奥氏体向铁素体的转变,能抑制焊缝中PF和FSP的产生,有利于焊缝形成细小的针状铁素体。在有条件得到针状铁素体的低合金钢焊接中,控制冷却速度和焊接热输入在一个合理的(中低)区间,可以使焊缝组织得到充沛的针状铁素体[11]

双面三层四丝埋弧焊接,由于熔深的关系内焊和外焊一层焊接能量以互熔适度为宜(图3f,内外焊缝熔深量4.4 mm)。外焊第二层主要是填充和造面,热输入小于第一层,且注意层间温度。

4 交货状态

4.1 钢板的交货状态

采用正火钢板进行焊接,其钢管的使用性能和加工性能满足要求。选择正火轧制钢板交货状态。正火轧制是在一定温度范围内,使材料状态相当于正火后所得到的状态进行的轧制处理,即使正火后仍然保持规定的机械性能值[20]

BNS级钢板强度中等,碳当量C eq为0.28%,焊接性能良好,厚度41.275 mm正火轧制能够有效处理。采用正火轧制与“热轧+正火”处理的钢板性能接近且外观质量和价格更具优势。

4.2 钢管的交货状态

钢管的交货状态为冷弯成型(不扩径)和正火态。

虽采用多层焊接,但由于钢板厚度的关系,热输入仍然较大,导致HAZ的过热区域组织明显粗大(图3d)。正火可以消除焊接应力,其再结晶过程可以细化过热区组织。

钢板在冷弯成型过程中,巨大的折弯力使钢板表面硬化严重,外层纤维形变剧烈,必须进行热应力消除[1]

5 抗H2S腐蚀性评估

5.1 硬度和焊缝抗H2S性能

硬度变化是由晶粒形态和母材的细晶多边形铁素体和焊缝的晶内针状铁素体的组织差异所致。最小硬度波动和存在于焊缝中针状铁素体、热区中粗晶针状铁素体板条造就了良好的韧性和抗HIC性能[12]

B级钢管焊接接头显微组织如图3所示。图3(b)所示BNS级钢管焊缝中心组织以针状铁素体为主,占体积分数的91%,先共析铁素体(PF)和侧板条状铁素体(FSP)呈层状分布,晶粒度11级,冲击吸收功A kV∧220 J。据此认为,双面三层四丝埋弧焊焊接工艺设计已经达到了预期的目标。

热影响区由于受热循环作用产生热应力和组织应力,硬度升高,塑性下降;焊缝中心区硬度最高,既与热循环、焊材有关,又与组织结构有关。

硬度的变化反映出材料的弹性、塑性和塑性形变强化率、韧性等一系列物理量的综合性能指标。硬度和强度必然与韧性有关。从表5可发现硬度和韧性趋势相左,此消彼长。

硬度试验方法简单、效果直观且是非破坏性的,可以利用硬度值来衡量抗H2S腐蚀材料焊接接头的性能水平,当硬度值超过某种限度就容易发生腐蚀开裂。

NACE MR 0175—2003《油田设备用抗硫化氢应力腐蚀断裂和应力腐蚀裂纹的金属材料》明确界定了最高硬度值:碳钢和低合金钢的焊接程序可控制焊接参数从而得到最大硬度为22 HRC的焊件。焊件包括焊缝金属区、HAZ区和基体金属。

有限地理范围内较多创业行为容易产生更多的交易和环境的不确定性,需要建立有序的治理机制,来推动集群内部交易的顺利进行。首先,发展多种形式的产业支撑服务平台,健全服务功能,在土地管理、生态环境管理和基础设施管理等方面,积极发挥和健全基层党组织和社区管理组织的服务功能,开展多元化专业服务。其次,建立众创空间、专业合作社等由企业家、专业人士等构成的行业协会的服务平台,降低创业门槛,协调交易运行,应对集群产生的危机。同时,地方政府应积极引导和规范农民工返乡创业集群的发展方向,为返乡创业人员提供便利服务,做好社保关系转移接续等工作,并且规范集群内部不正当竞争行为,实现创业行为对乡村振兴的良好驱动。

硬度对抗H2S腐蚀性能的影响较大。绝大多数钢的强度级别越高,其抗SSC性能越差。经破坏事故和试验数据分析,材料不发生SSC的最高硬度值在20~27 HRC,HRC值越大,临界应力值越小,断裂时间越短[21-22]

5.2 抗SSC、HIC检测

按照合同约定对产品的抗SSC和HIC性能进行了检测。按NACE TM 0177—2005标准进行SSC试验,SSC-四点弯曲试验后试样的宏观形貌如图4所示,试验结果见表6。BNS级钢管在74.1%最小屈服强度的拉应力条件下,表现出良好的抗SSC能力。在NACE TM 0284—2011试验环境下,经过96 h的HIC试验,试样表面未发现氢鼓泡现象,裂纹长度率CLR、裂纹厚度率CTR、裂纹敏感率CSR均为0。

图4 SSC-四点弯曲试验后试样的宏观形貌

6 结 论

(1)依据合金元素对材料性能和组织性能的影响,设计出的微合金化BNS级钢具有良好的抗SSC、HIC性能。

(2)铌具有微合金化作用,广泛用于提高低合金钢的性能;微合金钢中铌含量提高,焊缝金属的硬度和氢裂敏感性随之提高,铌含量低于0.03%时不利作用消失。

表6 BNS级钢管的H2S应力腐蚀试验(四点弯曲)结果

试样编号1 3 2试样尺寸(长×宽×高)/mm 115.71×15.10×5.08 115.71×15.10×5.08 115.71×15.10×5.08名义最小屈服强度/MPa实际加载挠度/mm 245 0.4 245 0.4 245 0.4实际载荷比率/%试验持续时间/h 试验结果74.1 720 未发生裂纹或断裂74.1 720 未发生裂纹或断裂74.1 720 未发生裂纹或断裂

(3)降低钢中MnS夹杂物含量或将其全部转化为球状夹杂物对抗HIC裂纹有利。

(4)BNS级钢管焊缝金属取得大量细密的AF时,其抗H2S腐蚀效果最优。

每捏三次提一下,称“捏三提一法”;每捏五次提一下,称“捏五提一法”;也可以单捏不提。其中,单捏不提法刺激较轻,“捏三提一法”刺激最强。一般情况下,提是为了对某一部位加强刺激,可根据具体需要来操作。

(5)优化钢管的几何性能,提高JCO成型的尺寸稳定性,有利于管筒得到更小的残余应力。

(6)硬度对抗H2S腐蚀性能的影响较大,钢的强度级别越高,其抗SSC性能越差;HRC值越大,临界应力值越小,断裂时间越短。

7 参考文献

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郑丽华,尚才众,王昕军,贾云刚,吴建国,许晓明,张胜勇
《钢管》 2018年第01期
《钢管》2018年第01期文献

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