冀潤景

(中國電能成套設(shè)備有限公司，北京，100080)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔必要性的綜合分析

冀潤景

(中國電能成套設(shè)備有限公司，北京，100080)

文章針對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是否有必要開中心孔的議題，從壽命、可靠性、應(yīng)力腐蝕影響、鍛件制造過程、運(yùn)行維護(hù)等方面，對中心孔轉(zhuǎn)子與實(shí)心轉(zhuǎn)子進(jìn)行了全面的對比分析，討論了轉(zhuǎn)子開中心孔的必要性。

可靠性，應(yīng)力腐蝕，鍛件，中心孔

0 引言

關(guān)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔的討論，一直以來都是見仁見智的。早期的轉(zhuǎn)子由于鍛造水平低下，不得不開孔，隨著鍛造技術(shù)發(fā)展，目前國內(nèi)火電機(jī)組大多數(shù)采用實(shí)心轉(zhuǎn)子。隨著我國清潔能源的發(fā)展規(guī)劃出臺，開展核電建設(shè)勢在必行，對大容量、大體積的汽輪機(jī)設(shè)備的需求將會不斷增加。相對火電機(jī)組，核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體積更大，末級葉片更長，工作環(huán)境多處在濕蒸汽區(qū)，選擇中心孔轉(zhuǎn)子或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子的討論，又逐漸開始。本文從壽命、可靠性、應(yīng)力腐蝕影響、鍛件制造過程、運(yùn)行維護(hù)等方面，對中心孔轉(zhuǎn)子與實(shí)心轉(zhuǎn)子進(jìn)行了綜合的對比分析，討論了轉(zhuǎn)子開中心孔的必要性。

1 壽命和可靠性分析

轉(zhuǎn)子壽命和可靠性的分析主要是通過計算各部分應(yīng)力值，按斷裂力學(xué)理論得出脆斷缺陷臨界尺寸，并按初始缺陷尺寸擴(kuò)展至脆斷缺陷臨界尺寸計算疲勞周數(shù)。由于轉(zhuǎn)子運(yùn)行中主要承受各種溫度變化造成的熱應(yīng)力以及離心應(yīng)力 （特別是低壓轉(zhuǎn)子），因此在應(yīng)力計算時，應(yīng)同時考慮熱應(yīng)力和離心應(yīng)力。轉(zhuǎn)子壽命和可靠性分析流程見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子壽命和可靠性分析流程

1.1 熱應(yīng)力計算方法

熱應(yīng)力的計算通?？刹捎媒馕龇ê蛿?shù)值計算2種方式，國內(nèi)進(jìn)行解析計算一般有3種公式：一維解析法、一維差分法、控制模型法。解析法是由導(dǎo)熱微分方程出發(fā)，利用積分變換導(dǎo)出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的迭代公式，從而求出轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力。

有分析表明[1]，一維解析法、控制模型法相對來說更適合穩(wěn)態(tài)下的計算，不適應(yīng)啟停機(jī)過程，而采用一維差分法可以得到比較準(zhǔn)確的應(yīng)力值。以下對一維差分法進(jìn)行分析。

將轉(zhuǎn)子假設(shè)為無限長圓柱體的一維模型，設(shè)轉(zhuǎn)子外徑Rout，內(nèi)徑Rin（對實(shí)心轉(zhuǎn)子，Rin=0），切斷面上溫度分布對稱于轉(zhuǎn)子軸線，溫度的變化可近似看作時間和半徑的函數(shù)。其一維非穩(wěn)定熱傳導(dǎo)方程即溫度的偏微分方程為：

式中：

r—轉(zhuǎn)子半徑；

t—轉(zhuǎn)子溫度；

τ—時間；

c—轉(zhuǎn)子材料比熱；

ρ—轉(zhuǎn)子材料密度；

λ—轉(zhuǎn)子材料導(dǎo)熱系數(shù)。

將轉(zhuǎn)子沿半徑方向分割成n個截面，半徑差為Δr，則式（1）轉(zhuǎn)化為：

則有

式中：

T'i—第i個截面經(jīng)過Δτ時間后的溫度。

外表面邊界條件按已知換熱系數(shù)和周圍流體溫度的第3類邊界條件處理：

式中：α—換熱系數(shù)。

同樣通過差分簡化，則外表面溫度為：

內(nèi)孔溫度大約為：Tin=T1（6）

轉(zhuǎn)子平均溫度為：

通過式（3）、（4）、（6）、（7）可計算出各點(diǎn)的溫度值及轉(zhuǎn)子平均溫度，通過熱應(yīng)力基本方程式可計算出各點(diǎn)熱應(yīng)力為：

1.2 離心應(yīng)力計算方法

在應(yīng)力場計算中，可假定除熱應(yīng)力外，轉(zhuǎn)子僅受到離心應(yīng)力作用。對于空心圓柱轉(zhuǎn)子，由離心力導(dǎo)致的切向應(yīng)力[2]為：（9）

式中：

ω—轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度；

υ—柏松比。

由葉片、圍帶等離心力造成的切向應(yīng)力為：

1.3 對材料脆性斷裂的分析

利用Von Mises公式，將離心應(yīng)力與熱應(yīng)力合成：

有計算結(jié)果表明[3]，對中心孔轉(zhuǎn)子和實(shí)心轉(zhuǎn)子，在表面的應(yīng)力狀態(tài)相似，但中心孔表面的應(yīng)力是相對實(shí)心轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置的2倍，特別是低壓末級葉輪近中心部位，這一差距相對要更大一些。

另外，通過有限元方法進(jìn)行數(shù)值計算，雖計算時間較長，但可以得到較為準(zhǔn)確的應(yīng)力分布。文獻(xiàn)[4]中有限元計算的結(jié)果表明，在某些特征點(diǎn)這一差距達(dá)到4.9倍。

一般來說，火電汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子多采用Cr-Mo-V鋼材料，低壓轉(zhuǎn)子及核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子多采用Ni-Cr-Mo-V鋼材料。Ni、Cr的同時存在導(dǎo)致Sb、Sn和P在晶界的偏析比Ni、Cr單獨(dú)存在時要多[5]，在晶界出現(xiàn)富集，造成轉(zhuǎn)子材料在一定溫度下長期運(yùn)行或長期時效后脆變溫度升高，因此在長期運(yùn)行后，存在啟停過程中，部分轉(zhuǎn)子在脆變溫度以下工作的情況。

按斷裂力學(xué)理論，對于中心孔轉(zhuǎn)子表面，脆斷臨界尺寸：

對實(shí)心轉(zhuǎn)子內(nèi)部：

式中：

Q—裂紋形狀參數(shù)；

K1c—應(yīng)力強(qiáng)度因子；

acr—臨界裂紋深度。

將式（13）、（14）相比可知，中心孔轉(zhuǎn)子內(nèi)表面的脆斷臨界裂紋深度較實(shí)心轉(zhuǎn)子要小得多，約五分之一。也就是說，中心孔轉(zhuǎn)子要比實(shí)心轉(zhuǎn)子更容易發(fā)生脆性斷裂。

1.4 疲勞壽命分析

當(dāng)初始裂紋尺寸小于臨界裂紋尺寸時，裂紋在機(jī)組啟停中交變應(yīng)力作用下逐漸擴(kuò)展。由初始裂紋深度a0擴(kuò)展到臨界裂紋深度所需經(jīng)歷的交變應(yīng)力循環(huán)周數(shù)N，即裂紋擴(kuò)展壽命[5]為：

式中：

A1、m—材料常數(shù)；

Δσ—交變應(yīng)力范圍。

通過分析可知，由于較實(shí)心轉(zhuǎn)子，中心孔轉(zhuǎn)子內(nèi)表面臨界裂紋深度明顯較小，由同樣的初始裂紋尺寸發(fā)展到相應(yīng)的臨界裂紋尺寸，所需的疲勞循環(huán)周數(shù)明顯要小得多。國內(nèi)某汽輪機(jī)廠對300 MW汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了計算，假設(shè)初始缺陷尺寸為5 mm，擴(kuò)展到相應(yīng)的臨界尺寸，實(shí)心轉(zhuǎn)子的循環(huán)周數(shù)為中心孔轉(zhuǎn)子的21倍[3]。因此可以說，相同設(shè)計的轉(zhuǎn)子在有相同缺陷時，實(shí)心轉(zhuǎn)子的疲勞斷裂壽命大于中心孔轉(zhuǎn)子。

需要說明的是，上述斷裂力學(xué)和疲勞壽命分析，對火電汽輪機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子和核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是完全適用的，但對火電汽輪機(jī)高、中壓轉(zhuǎn)子是否適用還需進(jìn)一步討論，這主要是由于分析高中壓轉(zhuǎn)子的壽命時，還需考慮蠕變的影響，另外斷裂力學(xué)的分析在高溫 （大于400℃）情況下，發(fā)展的也不是很成熟。

2 應(yīng)力腐蝕的影響分析

低壓轉(zhuǎn)子及核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在濕蒸汽狀態(tài)下運(yùn)行，表面產(chǎn)生一層很薄的鈍化膜。在飽和線附近的 “鹽區(qū)”內(nèi)，由于雜質(zhì)沉積溶解，氯離子濃度高導(dǎo)致鈍化層被電離分解，侵入基材形成點(diǎn)蝕坑。點(diǎn)蝕坑在應(yīng)力和腐蝕共同作用下裂紋擴(kuò)展，形成應(yīng)力腐蝕破壞。

應(yīng)力腐蝕通常發(fā)生在葉輪表面、長葉片根部、紅套部件鍵槽等應(yīng)力集中部位。西屋公司曾建立過關(guān)于應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速度的經(jīng)驗(yàn)公式，得到美國核管會的承認(rèn)及業(yè)界的廣泛采用[6]：

1nR=-4.968-（7 302/T）+0.027 8σys（16）

式中：

R—裂紋擴(kuò)展速度；

T—工作溫度；

σys—材料室溫下屈服強(qiáng)度。

從式中可看出，控制裂紋擴(kuò)展速度主要靠降低部件工作溫度和材料屈服強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。如國內(nèi)常用的低壓轉(zhuǎn)子及核電轉(zhuǎn)子材料30Cr2Ni4MoV，其室溫下屈服強(qiáng)度要求值為621～686 MPa。

由前文，中心孔轉(zhuǎn)子中心部位的應(yīng)力水平高于實(shí)心轉(zhuǎn)子，則在設(shè)計時有可能因?yàn)橹行牟课粦?yīng)力過高，需采用屈服強(qiáng)度更高的材料。因此在控制應(yīng)力腐蝕方面，中心孔轉(zhuǎn)子明顯劣于實(shí)心轉(zhuǎn)子。

3 鍛件制造質(zhì)量分析

轉(zhuǎn)子鍛件的生產(chǎn)過程需把握以下關(guān)鍵點(diǎn)：（1）保證大直徑轉(zhuǎn)子鍛件中心部位充分壓實(shí)；（2）細(xì)化鑄態(tài)組織，保證鍛件組織均勻，性能合格；（3）做好缺陷控制和探傷工作。過去受冶煉、鍛造、熱處理、材料性能、檢測等技術(shù)限制，轉(zhuǎn)子中心部位雜質(zhì)偏析、組織疏松、晶粒粗大等問題很難避免，需打中心孔去除，但隨著這些技術(shù)的發(fā)展，實(shí)心轉(zhuǎn)子應(yīng)用越發(fā)廣泛、技術(shù)越發(fā)成熟。

3.1 冶煉過程

冶煉的目的是減少鋼中有害雜質(zhì)元素含量，提高鋼的純凈度。目前通過電弧爐煉 （EAF）、鋼包精煉（LF）、電渣重溶（ESR）、真空澆注（VCD）等技術(shù)，能夠大大提高純度。

以 1 000 MW核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的30Cr2Ni4MoV為例，其轉(zhuǎn)子鍛件重量170 t左右，直徑2.8 m，鋼錠重量達(dá)到619 t，目前國內(nèi)已掌握了多包合澆溫度差異控制、超純凈的冶煉等技術(shù)，并完成該鍛件試制，其P達(dá)到0.003%，S達(dá)到0.002%，并能有效控制超大鋼錠宏觀偏析。

另外，目前大型鋼錠普遍向短粗型發(fā)展，高徑比不斷減小，增加了鋼錠模的錐度，易造成鋼水由底部向冒口部位的有向結(jié)晶，利于補(bǔ)縮、減少疏松，使偏析區(qū)移向冒口部位，最后作料頭切除。短粗型鋼錠 （見圖2）可提高心部質(zhì)量，有時不鐓粗只拔長也能滿足鍛造比。

圖2 短粗型鋼錠示意圖

3.2 鍛造過程

鍛造的主要過程包括：切頭去尾、鐓粗、拔長、精鍛，目的除了將鋼錠鍛造到接近零件的形狀外，更主要的是改善鍛件內(nèi)部質(zhì)量，破壞鑄態(tài)組織、細(xì)化晶粒、均勻組織、鍛合縮孔、氣孔、疏松等缺陷。當(dāng)前的主要鍛造技術(shù)有FM（不對稱平砧）、WHF（寬砧大壓下量）、FML（低鍛壓力）、JTS（中心壓實(shí)）、TER等，均已在大型鍛件生產(chǎn)中應(yīng)用。當(dāng)前的鍛壓技術(shù)能夠改善或完全消除鋼錠的內(nèi)部缺陷，保證足夠的鍛造比，對鍛件心部進(jìn)行壓實(shí)[7]。

3.3 熱處理及探傷過程

鍛造后的熱處理一般分為鍛后熱處理 （正火+回火）和調(diào)質(zhì)熱處理（淬火+回火），通過熱處理可使內(nèi)部金相組織均勻、消除內(nèi)應(yīng)力、晶粒細(xì)化、擴(kuò)散氫氣、防止白點(diǎn)和裂紋，提高材料的綜合性能。以1 000 MW核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子30Cr2Ni4MoV為例，該材料力學(xué)性能好，熱加工工藝性好，但易產(chǎn)生晶粒粗大和混晶。其鍛后熱處理通過3次正回火，進(jìn)行重結(jié)晶處理，通過過冷使晶粒細(xì)化、氫氣擴(kuò)散，最后調(diào)質(zhì)滿足性能。技術(shù)要求鍛件平均晶粒度不超過3.0級，A、B、C、D、DS 5種類型夾雜物不超過2.5級。

另外，材料的可熱處理不斷發(fā)展，以30Cr2Ni4MoV為例，具有較好淬透性，采用噴水深冷淬火工藝，可得到良好的心部機(jī)械性能，也不產(chǎn)生裂紋。熱處理的技術(shù)也得到長足發(fā)展，目前軸類大鍛件均采用井式爐調(diào)質(zhì)，保證鍛件在垂直懸掛狀態(tài)下進(jìn)行淬火及回火，其內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變和應(yīng)力釋放均可以在自由懸掛狀態(tài)下充分完成。

在以上工藝得到充分執(zhí)行的情況下，目前通過外部取樣進(jìn)行的機(jī)械性能試驗(yàn)情況，可以判斷得出心部的性能情況。文獻(xiàn)[3]通過對比了國內(nèi)外幾個廠家的鍛件情況，證明心部的性能可以達(dá)到要求，通過外部試樣的機(jī)械性能，完全可以保證心部的機(jī)械性能，轉(zhuǎn)子鍛件外部取樣位置見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子鍛件外部取樣位置

轉(zhuǎn)子鍛件生產(chǎn)過程中，要經(jīng)過多次超聲波探傷，包括：

（1）鍛后毛坯探傷。在轉(zhuǎn)子軸向?qū)ΨQ180°位置各打一條母線作為轉(zhuǎn)子探傷各部的檢測區(qū)，采用低頻1 MHz探頭進(jìn)行探傷，通過波形分析整個轉(zhuǎn)子各部組織是否均勻、有無疏松和縮孔現(xiàn)象。

（2）調(diào)質(zhì)前直探頭縱波探傷。

（3）調(diào)質(zhì)后直探頭縱波探傷以及葉根槽開槽部位斜探頭橫波探傷。 這些探傷工作可保證足夠的靈敏度并降低衰減，使得心部質(zhì)量可通過外部探傷檢查到位。

4 運(yùn)行維護(hù)階段分析

相對實(shí)心轉(zhuǎn)子，中心孔轉(zhuǎn)子可在在役檢查時進(jìn)行內(nèi)孔超聲波探傷或內(nèi)孔表面的渦流探傷，對服役中的轉(zhuǎn)子質(zhì)量進(jìn)行評估。但在中心孔轉(zhuǎn)子再運(yùn)行維護(hù)方面，卻存在著很多麻煩、甚至問題。

4.1 運(yùn)行中進(jìn)油造成的問題分析

很多文獻(xiàn)表明[8-10]，因中心孔內(nèi)滯留液體導(dǎo)致機(jī)組振動異常的問題，在很多電廠運(yùn)行中出現(xiàn)過，且這一類問題診斷難度大。進(jìn)油的原因一是探傷時中心孔內(nèi)涂的油沒有清理干凈；二是運(yùn)行中孔內(nèi)的空氣受熱膨脹逸出，停機(jī)冷卻后，孔內(nèi)的空氣也冷卻收縮，外界的空氣就會通過鍵與聯(lián)軸器的間隙和中心孔堵頭上的排氣孔進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心孔，同時將來自噴油管的對盤車齒輪的潤滑油帶入。隨著機(jī)組啟停次數(shù)增加，進(jìn)入中心孔的潤滑油也越積越多。

中心孔進(jìn)油使轉(zhuǎn)子振動異常，根據(jù)誘發(fā)機(jī)理分為2類故障：

（1）軸系失穩(wěn)：由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，孔內(nèi)的液體沿徑向被甩偏，在液體粘性剪切力的作用，旋轉(zhuǎn)的內(nèi)孔表面會拖動液體沿轉(zhuǎn)動方向移動一個角度，使得液體離心力相對于高點(diǎn)有一個超前角。這樣，離心力可以分解出一個與轉(zhuǎn)子渦動方向一致的切向力，誘發(fā)轉(zhuǎn)子向前渦動，造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。

（2）轉(zhuǎn)子熱彎曲：心孔內(nèi)存油而未充滿時，在高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下，油被甩到孔壁上形成油膜。由于轉(zhuǎn)子存在一定的撓度，致使中心孔的幾何中心和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心不重合，因而孔壁上的油膜厚度不同，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度升高時，油與孔壁間產(chǎn)生熱交換，油吸熱而氣化。由于不同厚度的油膜與孔壁間的熱交換的程度不同，使轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生溫差，引起轉(zhuǎn)子熱彎曲。

4.2 中心孔探傷可靠性分析

中心孔超探需采用專用的探傷設(shè)備，通常都采用機(jī)械傳動方式。作為電廠用戶，需配置專門的探傷設(shè)備并根據(jù)自己設(shè)備的情況制定相應(yīng)規(guī)程。中心孔探傷的范圍為距中心孔表面0.125～3 inch，恰屬于超探的近場區(qū)，因此在探頭選擇上有局限性，只能使用雙晶探頭[11]。

探傷時，探頭被機(jī)械裝置固定在中心孔上，靠機(jī)械裝置傳動和沿轉(zhuǎn)子軸向移動來運(yùn)動，運(yùn)動方式是：正轉(zhuǎn)375°，沿轉(zhuǎn)子軸向前移Δz，再反轉(zhuǎn)375°，沿轉(zhuǎn)子軸向前移Δz，依次下去。這里Δz是可調(diào)的 “位移增量”，其大小的選擇比較麻煩，若選擇過大，則降低可檢率，選擇過小，則影響工作周期。

另外，中心孔探傷的可靠性還受表面粗糙度、耦合技術(shù)的好壞 （取決于表面狀況和機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性）等影響較大。

4.3 檢修工藝分析

中心孔轉(zhuǎn)子檢修，需制定專門的檢修工藝。檢修中，由于孔塞與孔為過盈配合，為保證內(nèi)壁不損傷，需采用破壞方法，機(jī)加工取出孔塞。探傷后，需重新加工孔塞，采用冷裝工藝回裝，之前還需要充惰性氣體[12]。造成檢修工作量增大。

5 成本及其他分析

開中心孔，大大增加了轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)周期，以1 000 MW核電低壓轉(zhuǎn)子為例，開中心孔需花費(fèi)6個月工期。對用戶來說，也意味著采購周期的延長。另外，中心孔加工中需專門的加工設(shè)備、耗費(fèi)大量的冷卻液，成本較高。

另外，有報道稱，日本已研制出一種中心孔應(yīng)力測量儀，可在運(yùn)行時監(jiān)控中心孔表面應(yīng)力水平，據(jù)了解日本國內(nèi)電廠普遍采用中心孔轉(zhuǎn)子。而國內(nèi)在線監(jiān)測方面的研究，還僅限于傳熱計算，因此說在這方面，中心孔帶來的好處不大。

6 結(jié)論

（1）對火電低壓轉(zhuǎn)子及核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子來說，實(shí)心轉(zhuǎn)子有內(nèi)部應(yīng)力水平低、發(fā)生脆斷可能性小的優(yōu)點(diǎn)。

（2）實(shí)心轉(zhuǎn)子應(yīng)力水平低，可選用低屈服材料，抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)勢明顯。

（3）當(dāng)前的冶煉、鍛造及熱處理技術(shù)，可以支持轉(zhuǎn)子不必開中心孔。

（4）中心孔轉(zhuǎn)子在運(yùn)行、維護(hù)方面，存在一定的風(fēng)險以及不可靠性。

7 建議

對大容量火電低壓轉(zhuǎn)子和核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，應(yīng)盡量采用實(shí)心轉(zhuǎn)子。對火電高壓轉(zhuǎn)子，則需考慮蠕變影響，進(jìn)一步綜合考慮。

若轉(zhuǎn)子探傷發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，必須開中心孔時，應(yīng)對中心孔棒料進(jìn)行斷裂韌性、低周疲勞性能和疲勞裂紋擴(kuò)展速率的測試并分析，綜合評價質(zhì)量。

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圖7 正常變槳和提前變槳時風(fēng)機(jī)功率曲線對比

4 結(jié)論

高原型風(fēng)機(jī)空氣密度低，葉片較易失速，從而影響機(jī)組的發(fā)電量，也威脅到機(jī)組的安全。根據(jù)高原型風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，可以采取提高風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速、降低葉片設(shè)計葉尖速比、提前變槳等措施來提高高原型風(fēng)機(jī)的氣動性能。

General Analysis of Necessity for Turbine Rotor Center Hole

Ji Runjing

（China Power Complete Equipment Co.,Ltd.,Beijing,100080）

Regarding with the topic of whether it is necessary to machine center hole of turbine rotor,this paper carried on comparative analysis of hollow rotor and non-hollow rotor,taking account into several aspects of service life,reliability,influence of stress corrosion,manufacturing process and maintainance,and the necessity of center hole was discussed.

reliability,stress corrosion,forging,center hole

TK262

B

1674-9987（2015）03-0050-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.012

冀潤景 （1981-)，男，研究生，工程師，目前從事核電設(shè)備監(jiān)造技術(shù)及管理工作。