CN109609747B - 一种连续油管的均质处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续油管的均质处理工艺,其将激光焊接的低碳合金钢连续油管经过分段预热和调质后喷淋冷却,然后再通过回火处理即制得均质的银色连续油管。本发明的工艺新颖独特,经该工艺处理后的银色连续油管焊缝区、热感应区以及管壁处的微结构均匀度得到极大提高,降低了在均质处理过程中连续油管的外表面烧损和氧化的情况,提高了连续油管使用寿命,同时通过调节回火温度即可生产不同屈服强度和抗拉强度的连续油管,降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及油管加工技术领域,特别是涉及一种连续油管的均质处理工艺。
背景技术
连续油管是用低碳合金钢制作的管材,有很好的挠性,又称挠性油管,一卷连续油管长几千米,可以代替常规油管进行很多作业。采用连续油管作业时,需经历多次塑性变形,因此连续油管应具有较高的疲劳强度和较长的使用寿命。而在传统连续油管出现不均质等缺陷部分时,一般采用将缺陷部位切除,然后管对管焊接后使用,而采用焊接的油管进行作业,也亦出现焊接点脱落等技术问题,大大缩减油管的使用寿命。如何制备均质连续油管是目前行业亟待要解决的问题。
在专利104178717A中公开了一种钛合金油管的热处理方法,首先将钛合金油管进行淬火炉再结晶退火;然后空冷通过淬火装置;再进入回火炉保温处理;最后矫直处理后冷却。采用该工艺是针对小口径钛合金管热处理后弯曲度变大,后续热矫直困难提出的一个新的热处理工艺。
在专利CN101220408A中公开了一种油管电加热调质热处理方法及装置,首先将油管输送到淬火炉内加热,加热温度为850-1000℃;加热后钢管通过冷水喷淋冷却;冷却后再经回火炉加热处理,加热温度为500-800℃。该工艺可使油管内外表面光滑无氧化,使油管的强度、韧性等综合力学性能明显提高。
在专利CN103266217A中公开了一种调质态石油钢管管端强化热处理工艺。该工艺包括S1:第一阶段整管调质处理;S2:对步骤S1得到的钢管的管体中间部分进行二次回火处理。该对钢管的管体中间部分进行二次回火处理,其目的是使钢管中间部分降低强度,达到最终产品的强度性能。
在专利CN104259206A中公开了一种用于油管接箍的钛合金无缝管的生产方法,其是以“环形炉加热-斜轧穿孔-再无芯棒轧管-加热炉加热-定径”的生产工艺,该工艺生产的钛合金无缝管材不需要进行热处理,即可直接进行油管接箍机加工。
在专利CN104046918B中公开了用于连续管应用的高性能材料及其生产方法,其是采用低碳合金钢经过整体热处理,其包括回火马氏体和贝氏体的混合物;其中连续管的最终微结构在基础金属区域、斜焊连接和热影响区中包括多于90体积%的回火马氏体;其中在所有基础金属区域、斜焊连接和热影响区中的最终微结构是均质的;和其中在基础金属区域、斜焊连接和热影响区中,该最终微结构包括精细碳化物的均匀分布,但是利用其它低碳合金钢采用上述工艺很难获得均质的连续油管。
激光焊接制备连续油管是利用高能力密度的激光束作为人员的一种高效精密焊接制备连续油管的方法,采用激光焊接制备的连续油管可有效克服内毛刺问题和沟槽腐蚀问题,但是将激光焊接的连续油管均质处理是目前亟待解决的问题,同时激光焊接的连续油管成本较高,利用该激光焊接的连续油管经热处理后获得不同屈服强度和抗拉伸强度的均质连续油管,以满足不同作为需求,降低生产成本,也是该行业的一大难题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种连续油管均质处理工艺,其是将采用激光焊接的低碳合金钢连续油管在混合气氛中分段预热和调质后快速冷却处理,使得油管受热均匀,不会产生受热变形,提高奥氏体的转化率,获得均质马氏体结构的连续油管,同时简化生产工艺,通过调整回火处理温度即可生产不同屈服强度和抗拉伸强度的均质连续油管。
一种连续油管均质处理工艺,包括以下步骤:
1)将激光焊接的低碳合金钢连续油管匀速通过退火炉进行加热调质,在退火炉中进行分段加热,退火炉依次设置有分段预热区和调质区,所述分段预热区的温度为300-800℃,调质区的温度为900-950℃,可加快油管的升温过程,使油管受热更加均匀,不会产生受热形变,且有更多的时间进行奥氏体化,实现全部奥氏体结构的转化,在加热调质过程中,退火炉中的气氛为氢气和氮气混合气体,使得在调质时晶粒更加细化,奥氏体结构分布更加均匀,同时防止油管在加热过程中出现氧化皮,造成油管外部薄弱。在整个加热调质工艺中,油管均采用匀速通过退火炉,防止油管口径粗细不一致;
2)连续油管经加热调质后在氢气和氮气混合气氛中立即进行喷淋冷却至15-40℃,得到马氏体结构的银色连续油管(简称银管),所述喷淋冷却速率为50-80℃/s;
3)将步骤(2)冷却的银管在氮气氛围保护下匀速通过中频线圈进行快速回火处理,回火处理后的银管颜色保持不变,所述中频线圈长度为50cm,通过回火处理工艺可以消除油管应力,同时避免长时间加热出现油管管径不一致以及油管长度变化,确保油管外径的均匀性,在氮气氛围下进行回火处理可避免银管的表面氧化,进而提高了连续油管使用寿命;
3)浇水冷却。
优选的,所述激光焊接的低碳合金钢连续油管具体制备步骤如下:
将低碳合金钢油管进行表面清洗,去除防锈涂层及表面杂质;
用激光焊接方法将清洗后的油管对缝焊接成一体,激光焊接的光斑直径为2mm,焊接功率为7000W,焦距为230mm,焊接速度为3米/分,焊接时采用氩气作为保护气;
将激光焊接后的油管焊缝区表面打磨光滑。
将油管进行对缝激光焊接前应十分重视焊件表面的清理,可有效减少焊缝表面的气孔产生,提高油管致密性,防止管道泄漏。在本发明的实施例中,将低碳合金钢油管首先采用阴离子表面活性剂(优选十二烷基苯磺酸钠)除油,然后在稀酸(优选质量浓度为10-15%的盐酸水溶液)中浸泡10-30s,充分除去油管表面的防锈涂层及杂质,最后用清水进行超声波清洗10-30s。
优选的,所述低碳合金钢油管中的化学成分质量百分比为C:0.20-0.28%,Si:0.12-0.20%,Mn:1.00-1.80%,P:≤0.015%,S:≤0.005%,Cr:0.30-0.80%,Mo:0.20-0.60%,B:≤0.0005%,Nb:0.020-0.060%,Ti:0.010-0.030%,V:0.020-0.080%,其余为铁。
采用激光焊接机对连续油管进行激光焊接,即利用激光将连续油管的对缝焊接在一起。在本发明的实施例中均采用尺寸为Φ25.4mm*2.8mm(直径*壁厚)的低碳合金钢油管进行激光焊接,激光焊接的光斑直径为2mm,焊接功率为7000W,焦距为230mm,焊接速度为3米/分,焊接时采用氩气作为保护气。
在激光焊接形成连续油管后,需要对油管焊缝区进行打磨处理,以除去焊缝区的毛刺。
优选的,步骤(1)和步骤(2)所述混合气氛中的氢气和氮气的体积比为3:1。
优选的,所述步骤(2)喷淋冷却采用的喷淋介质为软化水,其pH为7-8,所述软化水,即经软化处理过,其中镁盐和钙盐的含量下降到1.0~50毫克/升,采用软化水作为喷淋介质,可有效避免水中镁盐和钙盐渗入到油管中,造成油管性能不同程度的下降,采用pH为7-8的软化水,可进一步提高油管在喷淋冷却时的机械性能和防止油管外部氧化。
优选的,所述退火炉预热区平均分成六段预热,第一段温度为300℃,第二段温度为400℃,第三段温度为500℃,第四段温度为600℃,第五段温度为700℃,第六段温度为800℃。
优选的,所述退火炉的调质区温度为930℃。
优选的,经回火处理后的连续油管温度为400-800℃。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明的连续油管均质处理工艺新颖独特,将激光焊接的低碳合金钢连续油管在氢气和氮气混合气体中进行分段预热和调质处理,可以得到分布均匀的奥氏体结构油管;再将油管在氢气和氮气混合气体中进行喷淋冷却,得到均质的马氏体结构银色连续油管(简称银管),最后回火处理后快速除去银管的应力,经该工艺处理后得到的银管焊缝区、热感应区以及管壁处的微结构均匀度得到极大提高,同时提高了银管的使用寿命;同时简化了生产工艺,改变回火处理的温度即可获得不同屈服强度和抗拉伸强度的均质连续油管,满足作业需求,同时降低生产成本;本发明对不同成分的激光焊接的低碳合金钢连续油管进行热处理,均可获得均质的连续油管。
附图说明
图1为实施例1均质处理前连续油管焊缝区的SEM图;
图2为实施例1均质处理前连续油管热感应区的SEM图;
图3为实施例1均质处理前连续油管管壁母材的SEM图;
图4为实施例1均质处理后银管焊缝区的SEM图;
图5为实施例1均质处理后银管热感应区的SEM图;
图6为实施例1均质处理后银管管壁母材的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
一种连续油管的均质处理工艺,具体步骤如下:
1)将Φ25.4mm*2.8mm(直径*壁厚)且化学成分质量百分比为C:0.25%,Si:0.15%,Mn:1.50%,P:0.010%,S:0.005%,Cr:0.05%,Mo:0.5%,B:0.0005%,Nb:0.050%,Ti:0.020%,V:0.050%,其余为铁的低碳合金钢油管,进行表面清洗,去除防锈涂层及表面杂质,具体是将其采用十二烷基苯磺酸钠进行清洗除油,然后在质量浓度为10%的盐酸水溶液中浸泡30s,充分除去油管表面的防锈涂层及杂质;最后用清水进行超声波清洗30s;
2)用激光焊接方法将清洗后的油管对缝焊接成一体,激光焊接的光斑直径为2mm,焊接功率为7000W,焦距为230mm,焊接速度为3米/分,焊接时采用氩气作为保护气;
3)将激光焊接后的连续油管焊缝区表面打磨光滑,打磨光滑后观察油管的焊缝区、热感应区和管壁母材三处的微观结构,如图1-3所示,上述三处分条的屈服强度分别为820MPa,680MPa,720MPa;
4)处理后的连续油管以速度为2m/S匀速通过退火炉进行加热调质,退火炉的炉长为54米,前18米为预热区,其余为调质区,所述预热区平均分成六段预热,第一段温度为300℃,第二段温度为400℃,第三段温度为500℃,第四段温度为600℃,第五段温度为700℃,第六段温度为800℃,所述预制区的温度为930℃,将连续油管通过上述退火炉加热调质时,保持退火炉中的气氛为氢气和氮气以体积比为3:1的混合气体;
5)连续油管经加热调质后,在氢气和氮气体积为3:1的混合气氛中立即进行喷淋冷却至30℃得到银色连续油管(简称银管),所述喷淋冷却速率为60℃/s;
6)将步骤(5)冷却的银管在氮气氛围下以速度为2m/S匀速通过长度为50cm的中频线圈,进行快速回火加热处理,使银管加热至400℃;
7)浇水冷却。
从图4-6可以看出,经步骤(4)-(7)处理后获得的银管的结构明显得到改善,该银管的焊线区、热感应区和管壁各位置组织更加均匀,更加细化,均在20微米以下,其焊线区结构明显得到改善,使得银管整体上更加均质。
激光焊接的油管经过步骤(4)-(7)处理后获得的银管的焊线区、热感应区以及管壁三处的的屈服强度一致,均为1099MPa,而焊线区的屈服强度提高279MPa,热感应区和管壁分别提高419MPa、379MPa。
实施例2
一种连续油管的均质处理工艺,具体步骤如下:
1)将Φ25.4mm*2.8mm(直径*壁厚)且化学成分质量百分比为C:0.20%,Si:0.12%,Mn:1.00%,P:0.015%,S:0.005%,Cr:0.30%,Mo:0.20%,B:0.0005%,Nb:0.020%,Ti:0.01%,V:0.020%,其余为铁的低碳合金钢油管,进行进行表面清洗,去除防锈涂层及表面杂质,具体是将其采用十二烷基苯磺酸钠进行清洗除油,然后在质量浓度为15%的盐酸水溶液中浸泡10s,充分除去油管表面的防锈涂层及杂质,最后用清水进行超声波清洗30s;
2)用激光焊接方法将清洗后的油管对缝焊接成一体,激光焊接的光斑直径为2mm,焊接功率为7000W,焦距为230mm,焊接速度为3米/分,焊接时采用氩气作为保护气;
3)将激光焊接后的连续油管焊缝区表面打磨光滑,检测连续油管焊缝区、热感应区和管壁三处分条的屈服强度分别为827MPa,689MPa,723MPa;
4)将处理后的连续油管以速度为2m/S匀速通过退火炉进行加热调质,退火炉的炉长为54米,前18米为预热区,其余为调质区,所述预热区平均分成六段预热,第一段温度为300℃,第二段温度为400℃,第三段温度为500℃,第四段温度为600℃,第五段温度为700℃,第六段温度为800℃,所述预热区的温度为930℃,将连续油管通过上述退火炉加热调质时,保持退火炉中的气氛为氢气和氮气以体积比为3:1的混合气体;
5)连续油管经加热调质后,在氢气和氮气体积为3:1的混合气氛中立即进行喷淋冷却至15℃,获得银色的连续油管(简称银管),所述喷淋冷却速率为80℃/s;
6)将步骤(2)冷却的银管在氮气气氛下,以速度为2m/S匀速通过长度为50cm中频线圈,进行快速回火加热处理,使银管加热至420℃;
7)浇水冷却。
经步骤(4)-(7)处理后获得的银管的结构明显得到改善,该银管的焊线区、热感应区和管壁各位置组织更加均匀和细化,均在20微米以下,焊线区结构明显得到改善,使得银管整体上更加均质。
激光焊接的油管经过步骤(4)-(7)处理后获得的银管,其焊线区、热感应区以及管壁三处的屈服强度一致,均为1070MPa,而其焊线区的屈服强度提高243MPa,热感应区和管壁分别提高381MPa、347MPa。
实施例3
一种连续油管的均质处理工艺,具体步骤如下:
1)将Φ25.4mm*2.8mm(直径*壁厚)且化学成分质量百分比为C:0.28%,Si:0.20%,Mn:1.80%,P:0.010%,S:0.005%,Cr:0.80%,Mo:0.60%,B:0.0005%,Nb:0.060%,Ti:0.030%,V:0.080%,其余为铁的低碳合金钢油管,进行进行表面清洗,去除防锈涂层及表面杂质,具体是将其采用十二烷基苯磺酸钠进行清洗除油,然后在质量浓度为15%的盐酸水溶液中浸泡10s,充分除去油管表面的防锈涂层及杂质;最后用清水进行超声波清洗30s;
2)用激光焊接方法将清洗后的油管对缝焊接成一体,激光焊接的光斑直径为2mm,焊接功率为7000W,焦距为230mm,焊接速度为3米/分,焊接时采用氩气作为保护气;
3)将激光焊接后的连续油管焊缝区表面打磨光滑,检测连续油管焊缝区、热感应区和管壁三处的屈服强度分别为820MPa,700MPa,730MPa;
4)将处理后的连续油管以速度为2m/S匀速通过退火炉进行加热调质,退火炉的炉长为54米,前18米为预热区,其余为调质区,所述预热区平均分成六段预热,第一段温度为300℃,第二段温度为400℃,第三段温度为500℃,第四段温度为600℃,第五段温度为700℃,第六段温度为800℃,所述预热区的温度为930℃,将连续油管通过上述退火炉加热调质时,保持退火炉中的气氛为氢气和氮气以体积比为3:1的混合气体;
5)连续油管经加热调质后,在氢气和氮气体积为3:1的混合气氛中立即进行喷淋冷却至40℃,获得银色连续油管,所述喷淋冷却速率为50℃/s;
6)将步骤(2)冷却的银管在氮气气氛下,以速度为2m/S匀速通过长度为50cm的中频线圈,进行快速回火加热处理,使油管加热至520℃;
7)浇水冷却。
经步骤(4)-(7)处理后获得的银管结构明显得到改善,其焊线区、热感应区和管壁各位置组织更加均匀和细化,均在20微米以下,焊线区结构明显得到改善,使得银管整体上更加均质。
激光焊接的油管经过步骤(4)-(7)处理后获得的银管的焊线区、热感应区以及管壁三处的的屈服强度基本一致,均为973MPa。
实施例4
一种连续油管的均质处理工艺,具体步骤如下:
1)将Φ25.4mm*2.8mm(直径*壁厚)且化学成分质量百分比为C:0.28%,Si:0.15%,Mn:1.42%,P:0.014%,S:0.003%,Cr:0.060%,Mo:0.30%,B:0.0003%,Nb:0.050%,Ti:0.027%,V:0.060%,其余为铁的低碳合金钢油管,进行进行表面清洗,去除防锈涂层及表面杂质,具体是将其采用十二烷基苯磺酸钠进行清洗除油,然后在质量浓度为12%的盐酸水溶液中浸泡20s,充分除去油管表面的防锈涂层及杂质;最后用清水进行超声波清洗30s;
2)用激光焊接方法将清洗后的油管对缝焊接成一体,激光焊接的光斑直径为2mm,焊接功率为7000W,焦距为230mm,焊接速度为3米/分,焊接时采用氩气作为保护气;
3)将激光焊接后的连续油管焊缝区表面打磨光滑,检测连续油管焊缝区、热感应区和管壁三处的屈服强度分别为815MPa,685MPa,725MPa;
4)将处理后的连续油管以速度为2m/S匀速通过退火炉进行加热调质,退火炉的炉长为54米,前18米为预热区,其余为调质区,所述预热区平均分成六段预热,第一段温度为300℃,第二段温度为400℃,第三段温度为500℃,第四段温度为600℃,第五段温度为700℃,第六段温度为800℃,所述预制区的温度为930℃,将连续油管通过上述退火炉加热调质时,保持退火炉中的气氛为氢气和氮气以体积比为3:1的混合气体;
5)连续油管经加热调质后,在氢气和氮气体积为3:1的混合气氛中立即进行喷淋冷却至25℃获得银色连续油管,所述喷淋冷却速率为50℃/s;
6)将步骤(2)冷却的银管在氮气气氛保护下,以速度为2m/S匀速通过长度为50cm中频线圈,进行快速回火加热处理,使油管加热至600℃;
7)浇水冷却。
经步骤(4)-(7)处理后获得银管,其结构明显得到改善,焊线区、热感应区和管壁母材各位置组织更加均匀和细化,均在20微米以下,焊线区结构明显得到改善,使得连续油管整体上更加均质。
激光焊接的油管经过步骤(4)-(7)处理后获得的银管的焊线区、热感应区以及管壁三处的的屈服强度一致,均为875MPa。
实施例5-6
根据实施例1的工艺步骤,调整步骤(6)的回火处理的温度为720℃和800℃,其余步骤不变,经处理后获得银管的焊线区、热感应区以及管壁三处的的屈服强度一致,分别为753MPa和492MPa。
对比例1
采用专利CN105458633B公开的热处理工艺对实施例1步骤(1)-(3)制备的激光焊接的连续油管进行处理,具体步骤如下:
1)将Φ25.4mm*2.8mm(直径*壁厚)且化学成分质量百分比为C:0.28%,Si:0.20%,Mn:1.80%,P:0.010%,S:0.005%,Cr:0.80%,Mo:0.60%,B:0.0005%,Nb:0.060%,Ti:0.030%,V:0.080%,其余为铁的低碳合金钢油管,进行进行表面清洗,去除防锈涂层及表面杂质,具体是将其采用十二烷基苯磺酸钠进行清洗除油,然后在质量浓度为15%的盐酸水溶液中浸泡10s,充分除去油管表面的防锈涂层及杂质;最后用清水进行超声波清洗30s;
2)用激光焊接方法将清洗后的油管对缝焊接成一体,激光焊接的光斑直径为2mm,焊接功率为7000W,焦距为230mm,焊接速度为3米/分,焊接时采用氩气作为保护气;
3)将激光焊接后的连续油管焊缝区表面打磨光滑,检测连续油管焊缝区、热感应区和管壁三处的屈服强度分别为820MPa,700MPa,730MPa;
4)对焊缝进行正火处理,对连续油管进行定径处理;
5)对连续油管进行整管热处理,具体热处理工艺为:将连续油管升温至920℃;然后进行空冷,空冷后温度控制在450℃;然后进行水冷,冷却速度为150℃/秒,水冷至室温。
检测采用该工艺处理后获得的连续油管成深灰色(简称灰管),其外表面发生明显氧化,同时处理后的连续油管的焊缝区、热感应区以及管壁的屈服强度不一致,其中焊缝区的屈服强度为968MPa,热感应区和管壁母材的屈服强度分别为859MPa和915MPa。由此可见采用该工艺得到的连续油管焊缝区和热感应区、管壁的存在明显不均质,严重影响了连续油管的使用寿命。
采用实施例1-6制备的银管以及对比例1制备的灰管的屈服强度和抗拉强度以及延伸率如表1所示。
表1
从表1也可以看出,采用本发明的均质处理工艺,采用相同的材料,只需改变回火处理时温度,即可实现得到不同抗拉强度和屈服强度的均质连续油管,该油管的外表面不易氧化,而采用对比例1的处理工艺则难以实现均质化的连续油管,且其外表面在热处理时发生明显的氧化,大大降低了其性能。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种连续油管的均质处理工艺,其特征在于,包括以下步骤:
1)将激光焊接的低碳合金钢连续油管匀速通过退火炉,在氢气和氮气混合气氛中进行加热调质,退火炉依次设置有分段预热区和调质区,所述分段预热区的温度为300-800℃,调质区的温度为900-950℃;
2)连续油管经加热调质后在氢气和氮气混合气氛中立即进行喷淋冷却至15-40℃,得到银色连续油管,所述喷淋冷却速率为50-80℃/s;
3)将步骤2)冷却后的银色连续油管在氮气气氛保护下匀速通过中频线圈进行快速回火处理,回火处理后的连续油管颜色保持不变,所述中频线圈长度为50cm;
4)浇水冷却;
所述步骤2)喷淋冷却采用的喷淋介质为软化水,其pH为7-8;
退火炉所述分段预热区平均分成六段预热,第一段温度为300℃,第二段温度为400℃,第三段温度为500℃,第四段温度为600℃,第五段温度为700℃,第六段温度为800℃;
所述低碳合金钢油管中的化学成分质量百分比为C:0.20-0.28%,Si:0.12-0.20%,Mn:1.00-1.80%,P:≤0.015%,S:≤0.005%,Cr:0.30-0.80%,Mo:0.20-0.60%,B:≤0.0005%,Nb:0.020-0.060%,Ti:0.010-0.030%,V;0.020-0.080%,其余为铁;
所述激光焊接的低碳合金钢连续油管的具体制备步骤如下:
将低碳合金钢油管进行表面清洗,去除防锈涂层及表面杂质;用激光焊接方法将清洗后的油管对缝焊接成一体,所述激光焊接的光斑直径为2mm,焊接功率为7000W,焦距为230mm,焊接速度为3米/分,焊接时采用氩气作为保护气;将激光焊接后的油管焊缝区表面打磨光滑。
2.根据权利要求1所述的连续油管的均质处理工艺,其特征在于,所述低碳合金钢油管首先采用阴离子表面活性剂除油,然后在稀酸中浸泡10-30s,最后用清水进行超声波清洗10-30s。
3.根据权利要求2所述的连续油管的均质处理工艺,其特征在于,所述稀酸为质量浓度为10-15%的盐酸水溶液。
4.根据权利要求1所述的连续油管的均质处理工艺,其特征在于,步骤(1)和步骤(2)所述混合气氛中的氧气和氮气的体积比为3∶1。
5.根据权利要求1所述的连续油管的均质处理工艺,其特征在于,所述退火炉的调质区温度为930℃。
6.根据权利要求1所述的连续油管的均质处理工艺,其特征在于,经回火处理后的连续油管温度为400-800℃。
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