茅斌輝,王勝炎,胡士信,阮景紅

(1. 杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310004； 2. NACE上海中國(guó)分會(huì)，上海 200120；3. 北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

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強(qiáng)電線路下的陰極保護(hù)管道交流干擾防護(hù)措施

茅斌輝1,王勝炎1,胡士信2,阮景紅3

(1. 杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310004； 2. NACE上海中國(guó)分會(huì)，上海 200120；3. 北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外最新交流干擾防護(hù)措施及工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，指出固態(tài)去耦合器接地是目前強(qiáng)電線路下的陰極保護(hù)管道減輕交流干擾和抗強(qiáng)電沖擊有效措施，實(shí)踐中各種排流設(shè)備因檢驗(yàn)手段和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失存在的風(fēng)險(xiǎn)也是不容忽視的問(wèn)題。

強(qiáng)電線路；陰極保護(hù)；交流干擾；防護(hù)措施;固態(tài)去耦合器

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，能源、電力、電氣化鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)等行業(yè)也隨之都得到極大的發(fā)展。各線路管道本身遵循路由擇優(yōu)的原則，同時(shí)受到土地資源等外部因素的制約，出現(xiàn)了大量埋地鋼質(zhì)管道與架空的高壓交流輸電線路、交流電氣化鐵路等強(qiáng)電線路平行或交叉的情況，甚至在局部地區(qū)集中在一個(gè)“公共走廊”中[1]。管道防腐蝕層和陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)是被公認(rèn)的最有效的管道防腐蝕措施，但當(dāng)實(shí)施了陰極保護(hù)的埋地鋼質(zhì)管道緊挨著強(qiáng)電線路敷設(shè)時(shí)，管道防腐蝕層和陰極保護(hù)系統(tǒng)都可能遭受到交流干擾腐蝕的破壞，從而威脅埋地管道的長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。緩解交流干擾影響的措施有很多，大部分都在實(shí)踐中獲得了成功應(yīng)用。但是對(duì)于實(shí)施陰極保護(hù)的埋地鋼質(zhì)管道而言，應(yīng)重點(diǎn)考慮防護(hù)措施不能與管道的陰極保護(hù)相沖突，以免影響到陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)范圍和效果。

1 交流干擾防護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于已建管道需應(yīng)進(jìn)行管道交流干擾電壓、交流電流密度和土壤電阻率等參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。對(duì)于處于設(shè)計(jì)階段的管道在可能遇到強(qiáng)電線路交流干擾(包括干擾源未運(yùn)行)的情況時(shí)，在管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的同時(shí)應(yīng)考慮交流干擾的防護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)干擾源正常和故障條件下管道可能受到的交流干擾進(jìn)行計(jì)算。交流干擾防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可按國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)(CIGRE)報(bào)告《高壓電力系統(tǒng)對(duì)金屬管線的影響導(dǎo)則-1995》進(jìn)行計(jì)算或采用一些專用軟件進(jìn)行建模計(jì)算分析，如CDEGS軟件等[2]。同時(shí)，對(duì)于已建管道也可以采用軟件進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)已實(shí)施陰極保護(hù)管道的交流干擾防護(hù)理論公式和軟件排流設(shè)計(jì)流程如下。

(a) 理論設(shè)計(jì)公式:基礎(chǔ)資料收集及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量→確定接地地床安裝位置→根據(jù)交流干擾緩減目標(biāo)值、結(jié)合強(qiáng)電線路相序、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)計(jì)算地床目標(biāo)接地電阻→根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境確定地床安裝方式→結(jié)合陰極保護(hù)系統(tǒng)，選擇地床材料→結(jié)合陰極保護(hù)系統(tǒng)，選擇地床材料→根據(jù)地床目標(biāo)接地電阻、安裝方式，確定地床材料規(guī)格→出施工圖和技術(shù)規(guī)格書(shū)。

(b) 軟件設(shè)計(jì):基礎(chǔ)資料收集及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量→管道交流干擾模型的建立→管道交流干擾緩解地床設(shè)計(jì)計(jì)算→管道交流干擾緩解地床形式對(duì)比→確定管道交流干擾緩解方案→出施工圖和技術(shù)規(guī)格書(shū)。

2 交流干擾防護(hù)措施

根據(jù)調(diào)查和測(cè)試計(jì)算結(jié)果，對(duì)處于嚴(yán)重交流干擾影響下的埋地管道，必須采取一定的防護(hù)措施，對(duì)于埋地管道的交流干擾防護(hù)主要可以從設(shè)計(jì)上遠(yuǎn)離干擾源、接地排流、電屏蔽、隔離等這幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

2.1 增加埋地管道與強(qiáng)電線路的間距

圖1 增加管道和平行高壓線最外側(cè)相線的距離對(duì)干擾電壓的影響Fig. 1 The effect of increasing the distance between pipeline and parallel outermost phase lines

《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50698-2011)第4.1.1和5.1.5條款分別規(guī)定了埋地管道與強(qiáng)電線路需進(jìn)行干擾調(diào)查測(cè)試的距離要求及管道與高壓交流輸電線路的最小距離要求。增加埋地管道與強(qiáng)電線路的間距，可有效減小管道上的交流干擾電壓。從圖1可見(jiàn)，通過(guò)增加管道和平行高壓線最外側(cè)相線的距離，平行間距由20 m增加至100 m，交流干擾電壓最大值(位于管道與高壓輸電線路拐點(diǎn)處)下降約62.5%。管道設(shè)計(jì)人員在路由的選擇時(shí)都考慮到了盡可能避免或遠(yuǎn)離強(qiáng)電線路干擾源，但在很多情況下，地管道不得不與高壓輸電線路、電氣化鐵路共用同一“公共走廊”，實(shí)際工程應(yīng)用中該方案還是很難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于在已建管道沿線后建設(shè)的強(qiáng)電線路或管道與強(qiáng)電線路同步建設(shè)的情況，可以考慮從干擾源側(cè)采取一定的防護(hù)措施盡可能減少對(duì)我方管道的交流干擾。文獻(xiàn)[3]介紹了強(qiáng)電線路一側(cè)可以采取的措施，具體包括：交流電氣化鐵路可采用回流變壓器或自耦變壓器的供電方式；對(duì)稱高壓輸電線可減少中心點(diǎn)接地?cái)?shù)目，限制短路電流或經(jīng)電阻、電抗接地，增加屏蔽和導(dǎo)線換位等；220 kV高壓線為減少幾何不對(duì)稱形成的干擾電壓，建議采用貓形鐵塔；電氣化鐵路存在阻性耦合的地段，建議加強(qiáng)鐵軌與枕木間的絕緣，以減少入地電流。

2.2 管道接地排流

在管道持續(xù)干擾的防護(hù)措施中，接地排流是被廣泛采用并行之有效的措施。但是對(duì)于實(shí)施陰極保護(hù)的埋地鋼質(zhì)管道而言，應(yīng)特別考慮的是接地系統(tǒng)不能與管道的陰極保護(hù)相沖突，從而影響到陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)范圍和效果。管道排流方式根據(jù)不同的接地方式分為直接排流、負(fù)電位排流和隔直排流三種(注：隔直接地在GB/T 50698-2011寫(xiě)法為固態(tài)去耦合器接地，為避免和后面隔直裝置名稱混淆，沿用隔直接地表述)。

直接排流接地極通過(guò)排流導(dǎo)線與管道直接連接。接地極接地電阻必須顯著小于管道接地電阻，否則會(huì)影響排流效果。接地材料通常為鋼質(zhì)，適用于陰極保護(hù)站保護(hù)范圍小的被干擾管道。這種排流裝置具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，減輕干擾效果好等特點(diǎn)。但是對(duì)于采用陰極保護(hù)系統(tǒng)的長(zhǎng)距離管線來(lái)說(shuō)并不適合，同時(shí)采用直接接地會(huì)造成陰極保護(hù)電流的流失，加快犧牲陽(yáng)極的消耗或增大外加陰極保護(hù)電源的輸出功率。因此，工程實(shí)踐中很少采用。

負(fù)電位排流即采用犧牲陽(yáng)極作為接地極，適用于受干擾區(qū)域管道與強(qiáng)制電流保護(hù)段電隔離，且土壤環(huán)境適宜于采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的干擾管道。具有減輕干擾效果好、向管道提供陰極保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是接地極與管道直接連接時(shí)進(jìn)行瞬間斷電測(cè)量與評(píng)價(jià)陰極保護(hù)有效性實(shí)施困難。同時(shí)需要注意的是，強(qiáng)電交流干擾情況下如果造成犧牲陽(yáng)極極性逆轉(zhuǎn)，反而加速管道的腐蝕。同時(shí)，試驗(yàn)表明[4]用于緩解交流干擾的犧牲陽(yáng)極的效率(失重和理論值比值)隨交流干擾增加而明顯降低，當(dāng)交流電流密度高于7 A/m2時(shí)，鎂陽(yáng)極的消耗速率增加大約10倍。

隔直排流是指在埋地管道和接地極之間安裝隔離直流電裝置的措施，防止陰極保護(hù)電流的流失。因?yàn)閷?duì)于實(shí)施陰極保護(hù)的埋地管道，通過(guò)接地雖然可以直接將感應(yīng)產(chǎn)生的交流電流排出管道，但它同時(shí)會(huì)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生導(dǎo)致直流保護(hù)電流流失的重要影響。隔離直流電裝置包括極化電池、鉗位式排流器、固態(tài)去耦合器等。目前國(guó)內(nèi)交流排流用的較多的是固態(tài)去耦合器和鉗位式排流器。表1為固態(tài)去耦合器和鉗位式排流器優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1 固態(tài)去耦合器和鉗位式排流器優(yōu)缺點(diǎn)比較

固態(tài)去耦合器接地是NACE SP0177-2007[6]中給出的方法，在國(guó)外減緩交流干擾工程中應(yīng)用普遍，同時(shí)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)大型長(zhǎng)輸管道工程也得到了成功應(yīng)用。固態(tài)去耦合器具有較好的抗雷電與故障電流沖擊性能,常用于管道、絕緣裝置等故障電流和雷電干擾的防護(hù),但是實(shí)踐中仍存在一些問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于固態(tài)去耦合器，包括鉗位式排流器等設(shè)備仍缺少相應(yīng)的檢驗(yàn)手段和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，同時(shí)又缺乏對(duì)相關(guān)產(chǎn)品性能長(zhǎng)期的跟蹤測(cè)試和評(píng)價(jià)，無(wú)法或不會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能質(zhì)量進(jìn)行判斷。出現(xiàn)故障情況時(shí)，也很難做到及時(shí)維修。因此，關(guān)于排流設(shè)備的檢測(cè)檢驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡快制定并出臺(tái)。

排流點(diǎn)位置很大程度上決定了排流效果。實(shí)踐中對(duì)于固態(tài)去耦合器的作用距離的初步研究發(fā)現(xiàn)，單一的固態(tài)去耦合器雖然能降低排流點(diǎn)附近的交流干擾電壓，但卻能使得排流點(diǎn)遠(yuǎn)處附近的交流干擾電壓升高，部分管段甚至升高較大[7]。因此，在管道的交流排流中，應(yīng)綜合現(xiàn)場(chǎng)的干擾情況，有原則地采用固態(tài)去耦合器，才能達(dá)到交流減緩的要求。建議排流實(shí)施有條件時(shí)應(yīng)采取分步設(shè)計(jì)與施工，輔以同步測(cè)試的方法，根據(jù)排流后確定下一個(gè)排流點(diǎn)的施加位置。

固態(tài)去耦合器排流對(duì)接地材料的要求較低，只要接地電阻滿足相關(guān)要求即可，不過(guò)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)告訴我們?nèi)ヱ詈掀鞯墓收蠟槎搪窢顟B(tài)，所以要考慮接地極材料的選用[5]。但需要注意的是，接地極施工時(shí)不能碰到高壓輸電線路的桿塔、變電站或通信鐵塔、大型建筑的接地體上，因?yàn)樵诶纂娀蛘吒邏狠旊姽收蠒r(shí)，容易將故障電流引至管道。

2.3 電屏蔽

屏蔽往往用于電力故障或雷電情況下減輕強(qiáng)電沖擊對(duì)管道防腐層和管道本體的影響。通常在管道鄰近架空輸電線路桿塔、變電站或通訊鐵塔、大型建筑的接地體的局部位置處，可沿管道平行敷設(shè)一根或多根淺埋接地線作屏蔽體。強(qiáng)電沖擊防護(hù)措施有多種，目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛也是最有效的措施就是對(duì)管道實(shí)施電屏蔽防護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)外最常采用的屏蔽措施是在管道與鐵塔接地之間沿管道平行敷設(shè)1根屏蔽線(推薦采用鋅帶)，同時(shí)屏蔽線與管道最好通過(guò)接地電池或固態(tài)去耦合器連接。

屏蔽線的效果與土壤電阻有很大關(guān)系，特別是北方地區(qū)，屏蔽線埋設(shè)在冰凍線以上，常因凍土中水體、濕地障礙造成屏蔽線間斷使得屏蔽線效果大打折扣。Ruan等[8]研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凍土電阻隨深度呈指數(shù)降低時(shí)，屏蔽線的防護(hù)效果相對(duì)較好，屏蔽線間斷距離越長(zhǎng)，防護(hù)效果越差，但總體影響不大。因此，屏蔽線敷設(shè)時(shí)應(yīng)對(duì)埋設(shè)地段土壤電阻隨深度的變化情況及障礙情況進(jìn)行調(diào)查分析，從而確定最佳的鋪設(shè)方式和路線。

2.4 安裝絕緣接頭分段隔離

絕緣接頭在陰極保護(hù)中往往用于實(shí)現(xiàn)被保護(hù)結(jié)構(gòu)物或保護(hù)區(qū)段與非保護(hù)區(qū)段的電絕緣。然而在減緩交流干擾，在受到交流干擾的管段上安裝絕緣接頭，可中斷管線電連續(xù)性、減小受干擾管段的長(zhǎng)度，從而減小管線上的交流感應(yīng)電壓最大值。特別對(duì)于外加電流陰極保護(hù)管段來(lái)說(shuō)，要求管道全線具有電連續(xù)性，這與安裝絕緣接頭中斷電連續(xù)性獲得較短的導(dǎo)電區(qū)段又是相悖的。同時(shí)增加絕緣接頭特別在干線上也會(huì)給管道本身的運(yùn)行、管理帶來(lái)不便，絕緣接頭本身還需采用接地電池或避雷器等保護(hù)裝置。因此，對(duì)于外加電流陰極保護(hù)管道應(yīng)謹(jǐn)慎采用安裝絕緣接頭分段隔離措施。

除上述提到的交流干擾防護(hù)措施外，文獻(xiàn)[9]還提出了外加交流電源的交流感應(yīng)電壓補(bǔ)償法、更換土壤法以及安裝平行極等措施。但這些措施不是實(shí)施難度大、成本高，就是長(zhǎng)期使用效果不理想而沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。因此，從目前實(shí)踐來(lái)看，強(qiáng)電線路下陰極保護(hù)管道采取固態(tài)去耦合器接地排流和屏蔽保護(hù)分別是緩減管道持續(xù)交流干擾和強(qiáng)電沖擊的有效措施。

3 交流干擾防護(hù)實(shí)踐

3.1 工程概況

浙江寧波境內(nèi)某天然氣輸氣管道管線在2條500 kV架空高壓交流輸電線線路中間平行敷設(shè)約5.2 km；與1條220 kV高壓線平行敷設(shè)約2 km。高壓線塔接地與管道距離較近，交流輸電線路對(duì)管線造成干擾。設(shè)計(jì)采用理論公式方法進(jìn)行，確定鉗位式排流器/固態(tài)去耦合器+地床相結(jié)合的交流干擾排流措施。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

工程實(shí)施完成后，對(duì)管道1～18號(hào)測(cè)試樁排流前和排流后的交流干擾電壓和排流后的交流電流密度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，排流前管道的最高交流電壓能達(dá)到47.65 V，其中有7處的交流干擾電壓高于15 V(管線操作人員操作安全電壓)，在1～10號(hào)樁及14號(hào)樁安裝排流后(其余樁未安裝排流設(shè)施)，交流電壓均下降較多，管道最高的交流電壓只有7.9 V，表明交流排流效果較好。在全線排流器連通時(shí)，測(cè)試的18處排流后交流干擾電壓中有5處高于4 V，分別為1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)、8號(hào)和9號(hào)處，這5處的土壤電阻率均小于25 Ω·m，根據(jù)GB/T 50698-2011標(biāo)準(zhǔn)中4.1.2交流干擾防護(hù)效果要求，土壤電阻率小于25 Ω·m處的管道交流干擾電壓應(yīng)低于4 V，表明以上5處交流干擾防護(hù)效果均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，且這5處的交流電流密度均高于30 A/m2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，這5處應(yīng)采取進(jìn)一步的排流措施。

對(duì)11處的排流器性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，在所有排流器都接通時(shí)，每個(gè)排流器的排流量均在45 A電流范圍內(nèi)，排流器的交流排流能力良好，但是8號(hào)和9號(hào)的排流量較大，接近了去耦合器參數(shù)規(guī)定的45 A。將所有排流器都斷開(kāi)時(shí)，分別測(cè)試每個(gè)位置的排流電流時(shí)，其中8號(hào)樁的排流量為45.6 A，超過(guò)了去耦合器的規(guī)定的穩(wěn)態(tài)電流，9號(hào)樁和1號(hào)樁的排流量也接近45 A。測(cè)試結(jié)果表明，去耦合器兩端的電位差均在±2 V之間，其中只有2臺(tái)耦合器(4號(hào)和8號(hào))的直流漏流量小于等于1 mA，其他位置排流器的直流漏流量大于1 mA，不符合排流器參數(shù)要求，其中7號(hào)和9號(hào)的內(nèi)阻小，接近于直流短路，沒(méi)有隔離直流電流的能力。測(cè)試3處的鉗位式排流器的交流排流效果良好，但是直流漏流量較大，這可能與測(cè)量時(shí)間相關(guān)聯(lián)。

表2 管道交流干擾測(cè)試結(jié)果

表3 排流器的交流排流量和直流漏流量測(cè)試結(jié)果

3.3 改進(jìn)措施

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，后對(duì)該方案采取了相關(guān)的改進(jìn)措施：

(1) 根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，管道交流排流后，有5處土壤電阻率小于25 Ω·m，交流電壓高于4 V(實(shí)測(cè)排流后5處交流電壓為4～8 V)，不滿足GB/T 50698-2011要求。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在1號(hào)與2號(hào)之間、8號(hào)與9號(hào)之間分別增加一處排流點(diǎn)。

(2) 對(duì)之前檢測(cè)存在問(wèn)題的6臺(tái)去耦合器進(jìn)行了更換，此次全部采用進(jìn)口產(chǎn)品，同時(shí)耦合器產(chǎn)品發(fā)熱量大的問(wèn)題基本解決。

從改進(jìn)措施后現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的結(jié)果看全線陰極保護(hù)電位均在-850～-1 200 mV之間，陰極保護(hù)效果良好，強(qiáng)電干擾段交流感應(yīng)電壓也均低于規(guī)范的4 V要求。

4 結(jié)論及建議

(1) 對(duì)于處于設(shè)計(jì)階段的管道在可能遇到強(qiáng)電線路交流干擾(包括干擾源未運(yùn)行)的情況時(shí)，在管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的同時(shí)應(yīng)考慮交流干擾的防護(hù)設(shè)計(jì)，可采用理論公式或?qū)I(yè)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2) 從目前實(shí)踐來(lái)看，強(qiáng)電線路下陰極保護(hù)管道采取固態(tài)去耦合器接地排流是緩減管道持續(xù)交流干擾和強(qiáng)電沖擊的有效措施。但實(shí)踐中各種排流設(shè)備因檢驗(yàn)手段和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失存在的風(fēng)險(xiǎn)也是不容忽視的問(wèn)題。因此，建議關(guān)于排流設(shè)備的檢測(cè)檢驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡快制定并出臺(tái)。

(3) 建議排流實(shí)施有條件時(shí)應(yīng)采取分步設(shè)計(jì)與施工，輔以同步測(cè)試的方法，根據(jù)排流后確定下一個(gè)排流點(diǎn)的施加位置。

[1] 胡士信. 陰極保護(hù)工程手冊(cè)[M]． 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999．

[2] GB/T 50698-2011 埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

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Protection of Alternating Current Interference to Cathodically Proteceded Pipelines under Power Transmission Lines

MAO Bin-hui1, WANG Sheng-yan1, HU Shi-xin2, RUAN Jing-hong3

(1. Hangzhou Urban & Rural Construction Design Institute Co., Ltd., Hangzhou 310004， China; 2. NACE Shanghai China Section, Shanghai 200120, China; 3. Beijing Safetech Pipeline Co., Ltd., Beijing 100083, China)

Power transmission lines can cause alternating current interference corrosion of buried pipelines when they share a “public corridor” with the pipelines. On basis of summarizing the practice of alternating current interference protection at home and abroad, the article points out that solid-state decoupler earthing is the most effective measures for reducing alternating current interference and resisting strong electric shock. Nevertheless, the risks of various drainage arrangements due to the lack of testing instruments and standards can not be neglected in practice.

power transmission line； cathodic protection； alternating current interference； protective measure； solid-state decoupler

2014-07-15

茅斌輝(1985-),工程師,碩士,從事城市燃?xì)忸I(lǐng)域管道腐蝕與防護(hù)的相關(guān)設(shè)計(jì)、研究工作,18606600421,maobhmail@163.com

TG174

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1005-748X(2015)03-0281-05