CN104596472A - 一种乙烯裂解炉管磁记忆检测及安全评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于检测技术领域,具体涉及一种对服役乙烯裂解炉管进行基于磁记忆检测技术的安全评估方法。本发明通过对乙烯裂解炉管进行现场外观检查、尺寸检查、磁记忆检测和渗碳检测,能够对乙烯裂解炉管渗碳的严重程度和裂纹状态,作出快速、准确、灵敏的筛查,从而为乙烯裂解炉管提供了一种快速高效且准确的安全评估方法。本发明中的磁记忆检测技术可检出任意方位的裂纹,能对裂纹进行快速定位;此外,本技术不但能够检出外壁裂纹,还能检出内壁裂纹,从而有利于针对性地更换存在缺陷的裂解炉管,极大地减少了炉管的浪费。本发明还在渗碳检测中提出了渗碳检测数值与渗碳层厚度之间的校准曲线的建立方法,有助于对渗碳层的厚度进行快速准确的检测。

Description

一种乙烯裂解炉管磁记忆检测及安全评估方法
技术领域
本发明属于检测技术领域,具体涉及一种对服役乙烯裂解炉管进行基于磁记忆检测技术的安全评估方法。
背景技术
乙烯装置是石油化工工业的龙头装置,裂解炉是乙烯装置的核心设备,裂解炉管则是裂解炉的关键部分。乙烯裂解炉管在恶劣的工作环境、较高的操作温度以及频繁的开停车条件下,易于在炉管的焊缝及其管件部位产生渗碳及弯头损坏,引发开裂、泄漏等事故,造成频繁的非计划停车,这会给社会、经济、生产和人民生活带来损失和危害。
常规无损检测方法包括:表面检测、涡流检测、超声波检测和射线检测。其中,表面检测要求待检表面露出金属光泽,涡流检测要求待检表面平整光滑,而乙烯裂解炉管表面必须有凹凸不平的杨梅粒子,若将其打磨掉,不但影响裂解炉管的传热特性,还将对炉管结构产生损伤,因此表面检测和涡流检测不适用于乙烯裂解炉管的检测。另外,超声波探伤易于检测壁厚较大、曲率较小的构件,而乙烯裂解炉管管壁较薄,管径较小,曲率较大,因而超声波探伤不能够对乙烯裂解炉管损伤进行有效检测。X射线检测对环境和人体具有很大的危害,且检测结果需要较长时间才能得到,不利于对炉管性能进行快速判定。综上所述,常规检测方法难以对乙烯裂解炉管进行及时准确地检测。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提供一种操作合理而实用的乙烯裂解炉管磁记忆检测及安全评估方法,可快速而有效地对乙烯裂解炉管是否合于使用作出准确的评价。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种乙烯裂解炉管磁记忆检测及安全评估方法,其包括如下步骤:
S1、对裂解炉管进行外观检查,所述外观检查包括裂解炉管的变形、鼓胀、裂纹;
所述裂解炉管的变形是指炉管发生弯曲;
所述裂解炉管的鼓胀是指炉管外径变大;
S2、按照SHS 03001-2004《管式裂解炉维护检修规程》,对步骤S1的外观检查结果进行判断:无超标缺陷时,进入步骤S3;否则,进入判废步骤;
步骤S2中,当裂解炉管弯曲变形的变形量超过一倍外径,或者导致裂解炉管与相邻管件相互接触,或者裂解炉管弯曲变形影响吹灰器运行而致使导向管或导向槽失去导向作用时,对裂解炉管予以更换;
步骤S2中,当裂解炉管鼓胀至其外径大于原来外径的5%或周长增加3%以上,且鼓胀部位处的凸起状顶部出现线状回缩凹坑时,对裂解炉管予以更换; 
S3、对裂解炉管进行尺寸检查,所述尺寸检查包括裂解炉管弯头、接头部位处的外壁因腐蚀、浸蚀而引起裂解炉管减薄;
S4、按照SHS 03001-2004《管式裂解炉维护检修规程》,对步骤S3的尺寸检查结果进行判断:无超标时,进入步骤S5;否则,对裂解炉管予以更换; 
步骤S4中,当裂解炉管的壁厚低于设计的最小密实层厚度时,对裂解炉管予以更换;
S5、按照GB 26641-2011《磁记忆检测总则》,采用磁记忆检测仪对裂解炉管进行检测;
步骤S5中,检测时将所述磁记忆检测仪的探头贴近待检测的裂解炉管表面,按照磁记忆检测仪的探头的覆盖宽度,沿裂解炉管的轴向将裂解炉管表面分为多个检测区域(如图3所示);当某处检测区域出现磁信号异常时,对该处检测区域(如图3中A部位)进行仔细检查,判断缺陷位置;
对于裂解炉管的缺陷,当垂直于该缺陷长度方向进行检测时,磁场强 度将在该缺陷的正上方过零点,磁场梯度出现峰值,由此确定该缺陷的位置;接着沿平行于该缺陷进行检测,此时对称置于该缺陷长度方向两侧的通道的磁信号符号相反,变化趋势相对,即当一侧通道的磁信号升高时,另一侧通道的磁信号降低,反之亦然;
S6、根据步骤S5的磁记忆信号检测结果判断是否存在裂纹,不存在裂纹时,进入步骤S9;存在缺陷时,进入步骤S7;
S7、根据步骤S5的磁记忆技术检测结果,有磁记忆信号突变。缺陷不超标时,进入步骤S8;缺陷超标时,对裂解炉管予以更换;
步骤S7中,磁场强度为Hp(y),磁场梯度K,K=dHp(y)/dx,强屈评价因子m=Kmax/Kmed,Kmax为最大磁场梯度,Kmed为平均磁场梯度;
步骤S7中,材质为25Cr35NiNb+MA的裂解炉管,磁场梯度K临界值为10A/m/mm,强屈评价因子m临界值为3.8;
步骤S7中,材质为35Cr45NiNb+MA的裂解炉管,磁场梯度K临界值为6A/m/mm,强屈评价因子m临界值为4.2;
S8、根据步骤S7,对裂解炉管磁记忆信号相对突变较强的部位进行割管取样验证。裂解炉管的其他部分进入步骤S9;
S9、对裂解炉管进行渗碳检测,得到裂解炉管的渗碳检测数值,并将所得到的渗碳检测数值与相同规格的裂解炉管的校准曲线进行对比,得到待检测裂解炉管的渗碳层厚度;
裂解炉管的渗碳检测数值与渗碳层厚度之间的校准曲线的建立方法如下:对服役0~9年、壁厚7~10mm、外径65~135mm的裂解炉管进行渗碳检测,得到渗碳检测数值,进而采用低倍酸蚀试验和金相组织观察得到渗碳层厚度,从而建立起同种规格的裂解炉管的渗碳层厚度与渗碳仪检测数值间的对应关系,将不同规格炉管的对应关系汇总,最终得到不同裂解炉管的校准曲线;
S10、根据步骤S9的渗碳检测结果判断渗碳层厚度:渗碳层厚度低于壁厚的60%时,将裂解炉管继续投入运行;否则,对裂解炉管予以更换。 
当根据步骤S10判断裂解炉管可以继续运行时,通过以下步骤S11得到裂解炉管的剩余使用寿命,
S11、根据API RP530标准推荐的方法,对裂解炉管剩余使用寿命的评价采用Larson-Miller参数外推法,即采用根据时间-温度参数法L-M公式随炉管进行剩余寿命评估,确定裂解炉管可以安全运行的时间;
步骤S11中,根据Larson-Miller参数外推法,通过高温持久试验实测断裂时间t,并在对断裂时间t进行统计分析的基础上建立式(1)的函数关系,再用工作温度和应力外推得到裂解炉管的剩余使用寿命;
Larson-Miller公式为:
P(σ)=T10-3(C+lgt)   (1) 
式(1)中,P(σ)-热强参数,也称L-M参数;
T-绝对温度,单位K;
C-材料常数,25Cr35NiNb+MA及35Cr45NiNb+MA的材质,C取23;
t-断裂时间,单位h;
步骤S11中,高温持久试验温度在850-1100℃、应力在12-50MPa间变化。
本发明的有益效果在于:
1)本发明通过对乙烯裂解炉管进行现场外观检查、尺寸检查、磁记忆检测和渗碳检测,能够对乙烯裂解炉管渗碳严重程度和裂纹状态,作出快速、准确、灵敏的筛查,从而为乙烯裂解炉管提供了一种快速高效且准确的检测方法。
2)本发明首次提出采用磁记忆检测技术对乙烯裂解炉管的裂纹进行快速检测,磁记忆检测技术检测地磁场环境下的铁磁性材料的应力集中和缺陷,不需要打磨材料表面,也不需要施加外磁场,检测速度快且检测结果准确。25Cr35NiNb+MA和35Cr45NiNb+MA是乙烯裂解炉管辐射段的主要材质,由上述两种材料制成的裂解炉管在刚开始使用时并无磁性,当裂解炉管在 使用过程中发生渗碳后则进入强磁性区。裂解炉管中的渗碳层将会引起炉管体积的相对膨胀和热膨胀系数的降低。因此,渗碳层的出现导致炉管内壁产生附加应力,也使炉管材料的组织和性能发生变化,引起炉管开裂。炉管开裂导致炉管材料不连续,从而引起磁场的泄漏,被磁记忆仪检测到。
3)本发明中的磁记忆检测技术可检出任意方位的裂纹,能对裂纹进行快速定位;此外,本技术不但能够检出外壁裂纹,还能检出内壁裂纹,从而有利于针对性地更换存在缺陷的裂解炉管,极大地减少了炉管的浪费。
4)本发明不但可以对服役的乙烯裂解炉管得到准确的检测结果,而且对于可以继续服役乙烯裂解炉管,还能够较为准确地判断出其剩余使用寿命,从而将对服役乙烯裂解炉管的检测和预测结合为一个整体,极大地满足了现有乙烯裂解炉管的使用需求。
附图说明
图1为本发明的操作流程图。
图2为1#裂解炉管(壁厚7mm)的渗碳检测数值与渗碳层厚度之间的校准曲线。
图3为磁记忆技术检测炉管分区示意图。
图4a、4b、4c分别为1#裂解炉管的磁场强度和磁场梯度沿检测位移的变化趋势。
图5为1#裂解炉管磁信号突变部位的裂纹示意图。
图6a、6b、6c、6d分别为1#裂解炉管扫描电镜观察到的裂纹。
图7a、7b、7c为2#裂解炉管的磁场强度Hp(y)和磁场梯度K沿检测位移的变化趋势。
图8为SEM在2#裂解炉管磁信号变化区域观察到的裂纹。
图9为2#裂解炉管的Larson-Miller曲线,Larson-Miller曲线的横坐标为热强参数P值,纵坐标为裂解炉管的应力σ值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
图2中所示即为壁厚7mm裂解炉管的渗碳检测数值与渗碳层厚度之间的校准曲线,图2中的横坐标为裂解炉管的渗碳层厚度,纵坐标为渗碳仪检测示数即渗碳检测数值。
校准曲线的建立方法即如下所示:对服役0~9年、壁厚7~10mm、外径65~135mm的裂解炉管进行渗碳检测,得到渗碳检测数值,进而采用低倍酸蚀试验和金相组织观察得到渗碳层厚度,从而建立起同种规格的裂解炉管的渗碳层厚度与渗碳检测数值间的对应关系,然后根据所得数据的对应关系建立起如图2所示的拟合曲线即可;将不同规格炉管的对应关系汇总,最终得到不同规格裂解炉管的校准曲线。
作为本发明的判定依据:步骤S1、步骤S2及步骤S10中的正常范围值均取自SHS 03001-2004《管式裂解炉维护检修规程》。
实例1
某台乙烯裂解炉管即1#裂解炉管达到检修年限,需要对其进行安全评估操作,以便确定1#裂解炉管是否适宜继续服役。此时,采用图1所示的乙烯裂解炉管检测流程图,首先对其进行外观检查和尺寸检查,对裂解炉管进行磁记忆检测,判断是否存在裂纹,进而采用渗碳检测仪进行检测,根据裂解炉管的校准曲线,判断裂解炉管的渗碳情况是否超标。
具体评定步骤如下:
1)、对服役的1#裂解炉管进行外观检查和尺寸检查。1#裂解炉管壁厚7mm,外径65mm,其外观检查和尺寸检查均无超标问题。
2)、对1#裂解炉管进行磁记忆技术检测。
检测时将磁记忆检测仪的探头贴近1#裂解炉管的表面,如图3所示,按照磁磁记忆检测仪探头的覆盖宽度,沿1#裂解炉管的周向将1#裂解炉管表面分为15个检测区域;当某处检测区域出现磁信号异常时,对该处检测区 域进行仔细检查,判断缺陷位置;对于裂解炉管环向缺陷,如图3中的A缺陷,当沿1#裂解炉管的轴向进行检测时,磁场强度将在A缺陷部位的正上方过零点,而在A缺陷部位的磁场梯度出现峰值,由此可以确定A缺陷的位置;接着沿1#裂解炉管环向对该A缺陷进行检测,此时对称置于该环向缺陷长度方向两侧的通道(即如图3中所示的J1通道和J2通道)的磁信号符号相反,变化趋势相对,即当一侧通道的磁信号升高时,另一侧通道的磁信号降低,反之亦然。
在对1#裂解炉管进行检测时,发现一处信号异常部位,见图4a中的Ⅰ区域。如图4a所示,沿1#裂解炉管轴向进行缺陷检测时,Ⅰ区域磁场强度Hp(y)出现异常变化,在图4a中的A点(与图3中的A缺陷相对应)处磁场强度Hp(y)过零点,且Ⅰ区域磁场梯度最大值Kmax达到12.8A/m/mm(如图4b所示),强屈评价因子达5.17,据此判断该区域存在沿环向的缺陷;进而对该信号异常区域沿1#裂解炉管的环向进行检测,检测曲线如图4c所示,其中Ⅱ区域为沿1#裂解炉管环向检测时A缺陷部位的磁信号,此时,1通道和2通道的磁场强度符号相反,变化趋势相对,如1通道中的磁场强度Hp1(y)升高时,2通道中的磁场强度Hp2(y)下降;反之亦然,从而判断此检测区域存在环向缺陷。
该炉管材质为25Cr35NiNb+MA,其磁场梯度的临界值为10A/m/mm,最大强屈评价因子的临界值为3.80,因此存在超标缺陷。
3)、判断需更换该裂解炉管。对该裂解炉管进行取样,对磁信号异常部位进行表面渗透检测和金相观察,发现该部位存在内壁和外壁的裂纹。
图5为1#裂解炉管中的表面检测结果,从左向右依次为裂纹JX1、裂纹JX2、裂纹JX3、裂纹JX4,其中裂纹JX1分别延伸至1#裂解炉管的内壁和外壁,裂纹JX2和裂纹JX3靠近1#裂解炉管的内壁,而裂纹JX4则靠近1#裂解炉管的外壁;图6a、6b、6c、6d分别为金相观察到的裂纹JX1、裂纹JX2、裂纹JX3和裂纹JX4。
实例2
1)、对服役的2#裂解炉管进行外观检查和尺寸检查,2#裂解炉管的外径为65mm,壁厚为7mm,其外观检查和尺寸检查无超标问题。
2)、沿2#裂解炉管轴向进行磁记忆技术检测,发现多处信号异常部位,磁信号变化最为剧烈部位处的如图7a所示,其中图7a中的Ⅰ区为缺陷部位的磁信号变化,可见该部位存在磁信号Hp(y)过零点,且该部位磁场梯度最大值Kmax达到5.85(参见图7b),强屈评价因子达6.56。如图7c所示为沿环向对该磁信号异常部位检测所得的结果,Ⅱ区域为环向检测时缺陷的磁信号变化,可见对称置于缺陷两侧的通道的磁信号符号相反,变化趋势相对,当Hp1(y)降低时,Hp2(y)升高;反之亦然,从而判断此检测区域存在环向缺陷。
该炉管材质为25Cr35NiNb+MA,其磁场梯度的临界值为10A/m/mm,最大强屈评价因子的临界值为3.80,由此可见强屈评价因子已超标,但Kmax未超标。该处磁信号变化相对严重,对炉管取样进行割管取样,然后进行表面渗透检测和金相观察,渗透检测未观察到裂纹,金相及扫描电镜发现该部位存在裂纹,图8所示为该部位的SEM观察图片。
3)、对2#裂解炉管进行渗碳检测,根据渗碳仪检测数值与渗碳层厚度校准曲线,判断渗碳严重部位的渗碳层厚度达到炉管壁厚的28%。根据SHS03001-2004《管式裂解炉维护检修规程》的规定,当渗碳层厚度达到炉管壁厚的60%时,需更换炉管。因此,2#裂解炉管渗碳检测满足临界值要求,可以将2#裂解炉管继续投入运行。
4)、根据API RP530标准推荐的Larson-Miller参数外推法对2#裂解炉管进行剩余使用寿命评价。
通过高温持久试验测得炉管材料在850-1100℃时不同应力下的断裂时间t,对25Cr35NiNb+MA材质的炉管,其中材料常数C为23。将测得的断裂时间t代入式(1):P(σ)=T10-3(C+lgt),式(1)中,P(σ)-热强参数,也称L-M参数;T-绝对温度,单位K;C-材料常数;t-断裂时间,单位h;从而得到不同应力条件下的热强参数P值。
具体结果参见表1。
表1 高温持久试验结果及P值
试样编号 温度(℃) 应力水平(MPa) 持久寿命t(h) P
1# 950 25 1650 32.0558736657801
2# 950 30 520 31.4506720861654
3# 1000 20 1500 33.3221641727779
4# 1000 25 150 32.0496417277788
5# 1100 10 610 35.4032578634698
6# 1100 15 60 34.0204016667767
表1中的持久寿命t也即式(1)中的断裂时间t。
利用表1中得到的热强参数P值可作出2#裂解炉管的Larson-Miller曲线,Larson-Miller曲线参见图9。
首先计算2#裂解炉管的内应力。
工作时最大应力为:
式中:Pr为裂解炉管内工作压力,MPa;
R为裂解炉管外半径,mm;
r为裂解炉管内半径,mm。
查看该2#裂解炉管的操作记录,得到Pr为0.40MPa,R为32.50mm,r为25.50mm,不考虑渗碳层时最小壁厚为5.5mm,渗碳层厚度为1.96mm,剩余使用寿命计算时内半径为28.96mm,将以上各值代入式(2)得到σ周向为3.049MPa。
为了安全起见,选取安全系数为1.8,即取应力值[σ]=1.8σ=5.488MPa。
根据图9中Larson-Miller曲线得到以下拟合公式:
σ=540.54962-26.36788P+0.32150P2   (3)
对2#裂解炉管的剩余使用寿命进行预测,首先根据式(1)计算在温度 1000~1100℃、断裂时间t为1000~50000h的热强参数P值,然后将得到的热强参数P值代入上式(3),推算得到1000~1100℃、断裂时间为1000~50000h的应力σ值,见表2。
表2 由式(1)、(3)推算出来的1000~1100℃服役剩余使用寿命t与σ的关系
由表2得出,在1080℃、5.488MPa的条件下,该取样炉管的剩余使用寿命约为16960小时。

Claims (2)

1.一种乙烯裂解炉管磁记忆检测及安全评估方法,其包括如下步骤:
S1、对裂解炉管进行外观检查,所述外观检查包括裂解炉管的变形、鼓胀、裂纹;
所述裂解炉管的变形是指炉管发生弯曲;
所述裂解炉管的鼓胀是指炉管外径变大;
S2、按照SHS 03001-2004《管式裂解炉维护检修规程》,对步骤S1的外观检查结果进行判断:无超标缺陷时,进入步骤S3;否则,对裂解炉管予以更换;
步骤S2中,当裂解炉管弯曲变形的变形量超过一倍外径,或者导致裂解炉管与相邻管件相互接触,或者裂解炉管弯曲变形影响吹灰器运行而致使导向管或导向槽失去导向作用时,对裂解炉管予以更换;
步骤S2中,当裂解炉管鼓胀至其外径大于原来外径的5%或周长增加3%以上,且鼓胀部位处的凸起状顶部出现线状回缩凹坑时,对裂解炉管予以更换;
S3、对裂解炉管进行尺寸检查,所述尺寸检查包括裂解炉管弯头、接头部位处的外壁因腐蚀、浸蚀而引起裂解炉管减薄;
S4、按照SHS 03001-2004《管式裂解炉维护检修规程》,对步骤S3的尺寸检查结果进行判断:无超标时,进入步骤S5;否则,对裂解炉管予以更换;
步骤S4中,当裂解炉管的壁厚低于设计的最小密实层厚度时,对裂解炉管予以更换;
S5、按照GB 26641-2011《磁记忆检测总则》,采用磁记忆检测仪对裂解炉管进行检测;
步骤S5中,检测时将所述磁记忆检测仪的探头贴近待检测的裂解炉管表面,按照磁记忆检测仪的探头的覆盖宽度,沿裂解炉管的轴向将裂解炉管表面分为多个检测区域;当某处检测区域出现磁信号异常时,对该处检测区域进行仔细检查,判断缺陷位置;
对于裂解炉管的缺陷,当垂直于该缺陷长度方向进行检测时,磁场强度将在该缺陷的正上方过零点,磁场梯度出现峰值,由此确定该缺陷的位置;接着沿平行于该缺陷进行检测,此时对称置于该缺陷长度方向两侧的通道的磁信号符号相反,变化趋势相对,即当一侧通道的磁信号升高时,另一侧通道的磁信号降低,反之亦然;
S6、根据步骤S5的磁记忆信号检测结果判断是否存在裂纹,不存在裂纹时,进入步骤S9;存在缺陷时,进入步骤S7;
S7、根据步骤S5的磁记忆技术检测结果,有磁记忆信号突变;缺陷不超标时,进入步骤S8;缺陷超标时,对裂解炉管予以更换;
步骤S7中,磁场强度为Hp(y),磁场梯度K,K=dHp(y)/dx,强屈评价因子m=Kmax/Kmed,Kmax为最大磁场梯度,Kmed为平均磁场梯度;
步骤S7中,材质为25Cr35NiNb+MA的裂解炉管,磁场梯度K临界值为10A/m/mm,强屈评价因子m临界值为3.8;
步骤S7中,材质为35Cr45NiNb+MA的裂解炉管,磁场梯度K临界值为6A/m/mm,强屈评价因子m临界值为4.2;
S8、根据步骤S7,对裂解炉管磁记忆信号相对突变较强的部位进行割管取样验证;裂解炉管的其他部分进入步骤S9;
S9、对裂解炉管进行渗碳检测,得到裂解炉管的渗碳检测数值,并将所得到的渗碳检测数值与相同规格的裂解炉管的校准曲线进行对比,得到待检测裂解炉管的渗碳层厚度;
裂解炉管的渗碳检测数值与渗碳层厚度之间的校准曲线的建立方法如下:对服役0~9年、壁厚7~10mm、外径65~135mm的裂解炉管进行渗碳检测,得到渗碳检测数值,进而采用低倍酸蚀试验和金相组织观察得到渗碳层厚度,从而建立起同种规格的裂解炉管的渗碳层厚度与渗碳仪检测数值间的对应关系,将不同规格炉管的对应关系汇总,最终得到不同裂解炉管的校准曲线;
S10、根据步骤S9的渗碳检测结果判断渗碳层厚度:渗碳层厚度低于壁厚的60%时,将裂解炉管继续投入运行;否则,对裂解炉管予以更换。
2.根据权利要求1所述的乙烯裂解炉管磁记忆检测及安全评估方法,其特征在于:当根据步骤S10判断裂解炉管可以继续运行时,通过以下步骤S11得到裂解炉管的剩余使用寿命:
S11、根据API RP530标准推荐的方法,对裂解炉管剩余使用寿命的评价采用Larson-Miller参数外推法,即采用根据时间-温度参数法L-M公式随炉管进行剩余寿命评估,确定裂解炉管可以安全运行的时间;
步骤S11中,根据Larson-Miller参数外推法,通过高温持久试验实测断裂时间t,并在对断裂时间t进行统计分析的基础上建立式(1)的函数关系,再用工作温度和应力外推得到裂解炉管的剩余使用寿命;
Larson-Miller公式为:
P(σ)=T10-3(C+lgt)                     (1)
式(1)中,P(σ)-热强参数,也称L-M参数;
         T-绝对温度,单位K;
         C-材料常数,25Cr35Ni及35Cr45Ni的材质,C取23;
         t-断裂时间,单位h;
步骤S11中,高温持久试验温度在850-1100℃、应力在12-50MPa间变化。
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