CN117260065A - 一种可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,属于焊接材料技术领域,包括焊丝外皮及填充在焊丝外皮空腔内的药粉,其特征在于,所述药粉的成分以质量百分比计包括:金红石20~30%,氟化钠1~3%,钾长石2~6%,石英3~5%,硅铁5~8%,电解锰15~20%,镍粉5~10%,铜粉0.5~3%,钼铁2~3%,钛铁0.5~2%,锡粉0~1%,稀土氧化物1~3%,余量为铁粉和不可避免的杂质。本发明药芯焊丝具有优良的焊接工艺性能,在80~150kJ/cm的焊接热输入下,焊缝熔敷金属满足ReL≥490MPa,Rm≥610MPa,A%≥17%,‑20℃KV2≥60J。

Description

一种可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯 焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域,具体涉及一种可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝。
背景技术
随着我国经济社会的发展,石油的进口量逐年增加。原油运输、存储安全问题成为原油安全的关注焦点之一,现有原油储罐大部分使用的是传统高强船板钢,可满足一般建造和使用过程中的强度、韧性及焊接性能要求。但是这些船板在服役过程中耐腐蚀性能较差,维护难度大、成本高。特别是近年来中东高硫、高酸原油大量出口、运输,原油储罐的腐蚀问题日益严重,使得原油储罐的寿命大大缩短,甚至威胁到原油储存的安全。原油存储过程中既有硫化氢腐蚀,又有海洋环境腐蚀;药芯焊丝作为一种钢板焊接的重要焊接材料,在配套耐蚀钢焊接时,要求其焊缝金属不仅具有高强度、高韧性的特点,而且具有良好的抗硫化氢腐蚀及耐海岸环境腐蚀的能力。现有的用于原油储罐焊接用药芯焊丝已经难以满足高强、高韧且具有良好耐蚀性能的需求,尤其是经过大线能量焊接后焊缝的力学性能及耐腐蚀性能下降;因此,亟待新型药芯焊丝的开发应用。
现有技术中,如中国发明专利CN106624445A公开了一种耐腐蚀钢用药芯焊丝,其药芯成分为二氧化钛15~25%、氟化钾2~6%、二氧化硅4~10%、二氧化锆0.4~0.8%、钛铁合金3~6%、石墨5~10%、碳化硼3~7%、硅锰合金2~8%、镍6~10%、氧化铝2~6%、三氧化二铁0.5~1.5%与铜0.5~2.5%,余量为铁粉;所述药芯的填充率为30~40%。该药芯焊丝中含有大量石墨,石墨会增加焊缝金属中的C含量,降低焊缝金属的耐蚀性能。
中国发明专利CN109128573A公开了一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝,包括药芯焊丝外皮及其内药粉,其中,所述药芯焊丝外皮采用低碳钢冷轧钢带,其成分质量百分比为:C<0.06%,Si<0.3%,Mn<0.8%,P<0.02%,S<0.01%,余量为Fe和不可避免杂质;所述药粉的成分质量百分比为:钛白粉或金红石中的一种或两种:1~5%,石英砂:2~6%,长石:3~8%,磁铁矿:1~5%,氧化锂、氧化钠或氧化钾中的一种或几种:2~5%,低碳锰铁:10~15%,铝粉:3~8%,钛铁:3~8%,镍粉:2~6%,稀土硅:2~6%,镁粉:1~3%,其余为还原铁粉;该焊丝的熔敷金属成分中C:0.02~0.06%;Si:0.1~0.4%;Mn:0.8~1.6%;S≤0.01;P≤0.02%;Ni:0.2~0.8%;Cu:0~0.2%;Ti:0.02~0.06%;Al:0.04~0.1%;B≤0.001%;Mg:0.02~0.06%;该焊丝药芯中含有较多的镁粉,镁粉会降低焊接稳定性,增加焊接热裂纹倾向,容易造成夹渣等;同时该焊丝不含有Mo、Sn等耐蚀性元素,焊缝金属的耐点蚀性能差。
中国发明专利CN109128585A公开了一种基于组织均匀化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝,包括药芯焊丝外皮及药粉,其中,药芯焊丝外皮采用冷轧薄钢带;药粉占药芯焊丝总质量的15~25%,其成分质量百分比为:钛白粉或金红石中的一种或两种:1~3%,长石:2~6%,水玻璃:1~4%,氧化锂:1~4%,低碳锰铁:4~10%,硅铁:4~8%,铝粉:1~5%,钼铁:2~5%,镍粉:2~6%,稀土硅:4~8%,硼粉:0.05~0.1%,其余为还原铁粉。该焊丝的熔敷金属成分中C:0.08~0.12%;Si:0.2~0.4%;Mn:0.4~0.7%;S≤0.01%;P≤0.01%;Ni:0.1~0.6%;Cu≤0.2%;Mo:0.07~0.2%;Al:0.03~0.08%;B≤0.001%;该药芯焊丝含有大量的铝粉,铝元素会增加焊接热裂纹倾向,容易形成夹渣降低接头力学性能;同时该焊丝熔敷金属不含有Sn、Ti等元素,不利于焊缝金属的耐点蚀性能及韧性。
中国发明专利CN102699566A公开了油船货油舱用药芯焊丝,该药芯焊丝熔敷金属按质量百分数计包含:C:0.01~0.2%,Si:0.1~1.5%,Mn:0.5~2.5%,P≤0.025%,S≤0.012%,Ni:0.01~2.5%,Cu:0.01~1%,Ti:0.01~0.5%,0≤Cr≤1%、0≤Mo≤1%、0≤W≤1%、0≤B≤0.1%、0≤Re≤0.1%、0≤Al≤0.1%,余量为铁及其它不可避免的杂质。根据需求该药芯焊丝熔敷金属按质量百分数计也可以包含 :0<Sb≤0.3%、0<Sn≤0.3%、0<As≤0.3%、0<Se≤0.3%、0<Pb≤0.3%中的至少一种。该药芯焊丝中含有Al、Cr元素,铝元素会增加焊接热裂纹倾向,容易形成夹渣降低接头力学性能。
因此,在满足相关标准、规范等内容中对焊接接头力学性能的要求下的同时,开发一种提高原油储罐的耐蚀性能,延长使用年限的耐蚀药芯焊丝对推动我国的油气建设具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,该药芯焊丝的焊缝熔敷金属满足ReL≥490MPa,Rm≥610MPa,延伸率≥17%,-20℃KV2≥60J,参考IMO《原油油船货油舱耐腐蚀钢材检验指南》焊缝熔敷金属在典型耐蚀原油储罐钢腐蚀环境中年平均腐蚀速率(CR)≤0.9mm;在100倍进行金相显微镜观察母材与焊缝,未出现明显的腐蚀台阶,腐蚀深度差低于30um,可以满足大型原油储罐的焊接要求。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,包括焊丝外皮及填充在焊丝外皮空腔内的药粉,所述药粉的成分以质量百分比计包括:金红石20~30%,氟化钠1~3%,钾长石2~6%,石英3~5%,硅铁5~8%,电解锰15~20%,镍粉5~10%,铜粉0.5~3%,钼铁2~3%,钛铁0.5~2%,锡粉0~1%,稀土氧化物1~3%,余量为铁粉和不可避免的杂质。
进一步的,所述药芯焊丝的直径为1.6mm。
进一步的,所述焊丝外皮采用低碳钢带,其成分以质量百分比计包括:C:0~0.04%,Si:0~0.03%,Mn:0.15~0.3%,P:0~0.01%,S:0~0.01%,Al:0~0.03%,O:0~0.005%,N:0~0.003%,余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的,所述药芯焊丝在热输入80~150kJ/cm的气电立焊焊接时,焊缝熔敷金属满足ReL≥490MPa,Rm≥610MPa,A%≥17%,-20℃KV2≥60J。
进一步的,所述药芯焊丝焊缝熔敷金属中的元素按质量百分数计包括C 0.04~0.0.08%,Si 0.1~0.7%,Mn 0.8~1.6%,P≤0.015,S≤0.005%,Ni 0.5~1.5%,Cu0.05~1.0%,Mo0.1~0.5%,Ti 0.01~0.05%,Sn 0.01~0.3%,Ce≤0.6%,Mg≤0.005,Zr≤0.01,Al≤0.015%,Cr≤0.05%,V≤0.015%,余量为铁粉和不可避免的杂质,四害元素Pb+As+Sb+Bi≤100ppm。
进一步的,所述药芯焊丝焊接后熔敷金属的失重Φ为0.030≤Φ≤0.090,其中,Φ=(5×C+0.5×Mn+S+P+5×Cr)/ (10×Ni+3×Mo+15×Cu+10×Sn+10×Ce+15×Ni×Sn)。
进一步的,所述焊缝熔敷金属在典型耐蚀原油储罐钢腐蚀环境中年平均腐蚀速率(CR)≤0.9mm。
进一步的,所述焊缝熔敷金属的组织为细小的针状铁素体、贝氏体和铁素体,所述针状铁素体和所述贝氏体的占比不少于80%。
本发明的有益效果是:(1)本发明药芯焊丝具有优良的焊接工艺性能,在80~150kJ/cm的焊接热输入下,焊缝熔敷金属满足ReL≥490MPa,Rm≥610MPa,A%≥17%,-20℃KV2≥60J。同时具有良好地耐蚀性,在搭配新型耐蚀储罐钢焊接时,参考IMO《原油油船货油舱耐腐蚀钢材检验指南》,焊缝金属在典型耐蚀原油储罐钢腐蚀环境中年平均腐蚀速率(CR)≤0.9mm时即可满足实际使用需求;同时以母材作为对比,在100倍进行金相显微镜观察,母材与焊缝未出现明显的腐蚀台阶,腐蚀深度差低于30um。可以满足耐蚀原油储罐焊接的技术指标。(2)本发明通过合理的合金成分搭配,设计了药芯焊丝的成分;针对药芯调制出合理的矿物及合金成分,并且通过在药芯中添加稀土氧化物向焊缝过渡稀土元素,可以有效细化焊缝金属。(3)本发明药芯成分搭配合理,具有飞溅小,易脱渣,焊缝成型好等优点。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1的焊缝成型图;
图2为本发明实施例6的焊缝成型图;
图3为对比例1的焊缝成型图;
图4为本发明实施例1熔敷金属典型组织形貌图;
图5为本发明实施例6熔敷金属典型组织形貌图;
图6为对比例1熔敷金属典型组织形貌图;
图7为本发明实施例1熔敷金属腐蚀后的挂片试样图;
图8为本发明实施例6熔敷金属腐蚀后的挂片试样图;
图9为对比例1熔敷金属腐蚀后的挂片试样图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于原油储罐壁板焊接的药芯焊丝,包括焊丝外皮及填充在焊丝外皮空腔内的药粉。本发明中,药芯焊丝的直径为1.6mm,药芯焊丝外皮的截断面呈O形。
上述药粉的成分以质量百分比计包括:金红石20~30%,氟化钠1~3%,钾长石2~6%,石英3~5%,硅铁5~8%,电解锰15~20%,镍粉5~10%,铜粉0.5~3%,钼铁2~3%,钛铁0.5~2%,锡粉0~1%,稀土氧化物1~3%,余量为铁粉和不可避免的杂质。
药粉中各组分的作用和机理如下:
金红石:金红石的主要成分是二氧化钛,金红石的主要作用是造渣,还可以调整熔渣的熔点、改善焊缝成型、细化熔滴和提高焊接工艺性能。金红石的含量为20~30%,优选为20~28%,更优选为22~26%。
氟化钠:其主要作用是造渣,可以提高焊条的碱度,降低渣的熔点、表面张力,增加渣的流动性;此外,还可以降低焊缝扩散氢含量,提高焊缝金属的冲击韧性。氟化钠的含量为1~3%,优选为2~3%。
钾长石:钾长石主要成分为K2O、SiO2,具有造渣、稳定电弧的作用。钾长石的含量为2~6%,优选为3~6%,更优选为5~6%。
石英:主要成分是二氧化硅,石英可以调节熔渣粘度,细化熔滴、改善焊缝成型。石英的含量为3~5%,优选为4~5%。
硅铁:合金粉末,可以向焊缝过渡碳元素和硅元素,同时硅元素是沉淀脱氧元素,和锰元素协同,具有良好的脱氧效果。硅铁的含量为5~8%,优选为6~8%,更优选为7~8%。
电解锰:一种合金粉,可以向焊缝过渡碳元素和锰元素,提高焊缝强度。电解锰的含量为15~20%,优选为17~20%,更优选为18~20%。
镍粉:镍是奥氏体稳定元素,能与 Fe 以互溶的形式存在于奥氏体和铁素体中,提高强度和低温冲击韧性,同时Ni还可以细化晶粒,抑制晶界铁素体的析出,同时镍元素也是广泛使用的耐腐蚀元素。镍粉的含量为5~10%,优选为8~10%,更优选为9~9.5%。
铜粉:铜元素具有良好的耐腐蚀性能,Cu元素会使奥氏体晶粒尺寸增大,容易造成焊缝组织粗化。铜粉的含量为0.5~3%,优选为2~3%,更优选为2.5~3%。
钼铁:钼是碳化物形成元素,对提高强度和细化晶粒有明显作用,焊接过程中钼元素的烧损较少。钼铁的含量为2~3%,优选为2.5~3%。
钛铁:Ti元素加入到埋弧焊丝中,可以形成弥散分布的氧化物及氮化物,这些细小弥散分布的夹杂物可以促进针状铁素体晶内形核,抑制晶界铁素体,有效地细化晶粒,提高焊缝的低温韧性。钛铁的含量为0.5~2%,优选为0.8~1.2%,更优选为0.95~1.2%。
锡粉:锡的加入可以同时提高焊缝的强度、硬度和耐蚀性。锡在阳极的腐蚀过程中不断向钢基体腐蚀表面聚集,形成致密的四价锡化合物膜,这层膜具有阻滞基体阳极腐蚀的作用,抑制点蚀的发生,使其耐蚀性大幅度提高。锡粉的含量为0~1%。
稀土氧化物:主要为稀土铈元素,稀土元素具有脱硫磷的作用,并且其氧化产物具有异质形核作用。稀土的含量为1~3%。
上述焊丝外皮采用低碳钢带,其成分以质量百分比计包括:C:0~0.04%,Si:0~0.03%,Mn:0.15~0.3%,P:0~0.01%,S:0~0.01%,Al:0~0.03%,O:0~0.005%,N:0~0.003%,余量为Fe和不可避免的杂质。
当药芯焊丝在热输入80~150kJ/cm的气电立焊焊接时,焊缝熔敷金属满足ReL≥490MPa,Rm≥610MPa,A%≥17%,-20℃KV2≥60J。
药芯焊丝焊缝熔敷金属中的元素按质量百分数计包括C 0.04~0.0.08%,Si 0.1~0.7%,Mn 0.8~1.6%,P≤0.015,S≤0.005%,Ni 0.5~1.5%,Cu0.05~1.0%,Mo 0.1~0.5%,Ti0.01~0.05%,Sn 0.01~0.3%,Ce≤0.6%,Mg≤0.005,Zr≤0.01,Al≤0.015%,Cr≤0.05%,V≤0.015%,余量为铁粉和不可避免的杂质,四害元素Pb +As+Sb+Bi≤100ppm。
储罐外壁随时间推移,会受到雨水冲刷与风化侵蚀,会出现功能无法满足使用的情况,称为储罐外壁腐蚀,其主要的影响因素是大气中所含的氧气、水蒸气以及雨水中存在的二氧化硫、硫化氢等物质,在储罐外壁会形成电解质溶液,发生电化学反应,加快储罐外壁的腐蚀。储罐内的气相主要由原油及其采出水逸出的气态硫化氢为主,同时含包含从阀门进入的水分、二氧化碳以及其他硫化物。在储罐内部,各类气体凝结,最终会形成酸性液态,对储罐内部产生腐蚀作用。其局部反应主要是由于电耦作用与电极闭塞的引起的。这种现象在焊缝接头区域更加明显,尤其在焊缝金属与母材匹配性差时,造成焊缝金属或与母材的加速腐蚀,引起局部应力集中等问题。因此,调控焊缝金属的合金元素成分使得焊缝腐蚀失重Φ符合0.030≤Φ≤0.090;Φ=(5×C+0.5×Mn+S+P+5×Cr)/ (10×Ni+3×Mo+15×Cu+10×Sn+10×Ce+15×Ni×Sn)。
C元素在焊缝金属中易导致金属基体发生腐蚀;Mn元素是弱碳化物形成元素,会降低金属的抗氧化能力;S、P等杂质元素易造成晶间腐蚀;由于原油储罐常处于高盐、高湿度等环境中,其中的Cl-会与Cr产生作用,造成点蚀;Ni、Mo、Cu均为耐蚀元素,广泛应用于耐蚀钢;适量的Sn元素可以形成含Sn的复合物,其产物可以在酸性Cl离子环境下稳定存在隔绝氯离子保护基体,降低腐蚀速率,提升自腐蚀电位,降低自腐蚀电流密度,同时Sn元素与Ni元素在耐腐蚀方面具有协同作用;适量的Ce元素可以增加基体的腐蚀阻力,改善基体抗腐蚀的均匀性。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。
实施例1-5和对比例1-3中各药芯成分的配比如下表所示:
在150 kJ/cm热输入条件下时,熔敷焊接试验的坡口形式及焊接参数如下表所示:
在100 kJ/cm热输入条件下时,实施例1-5及对比例1-3的焊缝熔敷金属成分如下表所示:
在150 kJ/cm热输入条件下时,熔敷焊接试验的坡口形式及焊接参数如下表所示:
在150 kJ/cm热输入条件下时,实施例6-10及对比例1-3的焊缝熔敷金属成分如下表所示:
各实施例和对比例的力学性能及耐腐蚀性能如下表所示:
如图1所示,从本发明实施例1的焊缝成型图中可以看出,药芯焊丝的成型良好,焊缝表面光滑无咬边;焊缝背面也具有很好的成型能力,焊缝成型细腻无咬边现象。
如图2所示,本发明实施例6焊缝成型图中可以看出,药芯焊丝的成型良好,焊缝表面光滑无咬边;焊缝背面也具有很好的成型能力,焊缝成型细腻无咬边现象。
如图3所示,本发明对比例1焊缝成型图中可以看出,药芯焊丝的焊接工艺性不佳,焊接过程中存在熄弧现象,焊缝边缘存在咬边。
如图4所示为实施例1的金相显微组织,图5为实施例6的金相显微组织,本发明焊丝实施例1及实施例6中焊丝熔敷金属组织类型主要为细小的针状铁素体(AF)和贝氏体(GB)及少量块状铁素体(PF),其中AF与GB两者之和占比不低于80%,其中针状铁素体尺寸为5-20μm,贝氏体尺寸为15-40μm,块状铁素体尺寸为40-60μm;针状铁素体其组织具有连锁结构,可以很好的组织裂纹的扩展,改善焊缝的韧性;贝氏体组织可以提升焊缝金属的强度,同时可改善焊缝的韧性;块状铁素体组织较大,对提升焊缝的韧性及强度不利;本发明通过合金元素调控,抑制焊缝组织中的PF形成,因此本发明焊丝熔敷金属具有优异的低温韧性。
如图6所示为对比例1的金相显微组织,焊缝金属中存在大量的块状铁素体,块状铁素体会降低焊缝金属的力学性能及耐腐蚀性能。
如图7所示,本发明焊丝实施例1中熔敷金属的腐蚀挂片试样表面光滑,无明显腐蚀坑,说明本发明焊丝熔敷金属具有较好的耐腐蚀性能。
如图8所示,本发明焊丝实施例6中熔敷金属的腐蚀挂片试样表面光滑,无明显腐蚀坑,说明本发明焊丝熔敷金属具有较好的耐腐蚀性能。
如图9所示,对比例1熔敷金属的腐蚀挂片试样表面存在明显腐蚀痕迹,有明显腐蚀坑,点蚀现象严重,说明对比例1焊丝熔敷金属耐腐蚀性能较差。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技术方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,包括焊丝外皮及填充在焊丝外皮空腔内的药粉,其特征在于,所述药粉的成分以质量百分比计包括:金红石20~30%,氟化钠1~3%,钾长石2~6%,石英3~5%,硅铁5~8%,电解锰15~20%,镍粉5~10%,铜粉0.5~3%,钼铁2~3%,钛铁0.5~2%,锡粉0~1%,稀土氧化物1~3%,余量为铁粉和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,其特征在于,所述药芯焊丝的直径为1.6mm。
3.根据权利要求1所述的可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,其特征在于,所述焊丝外皮采用低碳钢带,其成分以质量百分比计包括:C:0~0.04%,Si:0~0.03%,Mn:0.15~0.3%,P:0~0.01%,S:0~0.01%,Al:0~0.03%,O:0~0.005%,N:0~0.003%,余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1-3任一项所述的可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,其特征在于,所述药芯焊丝在热输入80~150kJ/cm的气电立焊焊接时,焊缝熔敷金属满足ReL≥490MPa,Rm≥610MPa,A%≥17%,-20℃KV2≥60J。
5.根据权利要求4所述的可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,其特征在于,所述药芯焊丝焊缝熔敷金属中的元素按质量百分数计包括C 0.04~0.0.08%,Si 0.1~0.7%,Mn 0.8~1.6%,P≤0.015,S≤0.005%,Ni 0.5~1.5%,Cu 0.05~1.0%,Mo 0.1~0.5%,Ti 0.01~0.05%,Sn 0.01~0.3%,Ce≤0.6%,Mg≤0.005,Zr≤0.01,Al≤0.015%,Cr≤0.05%,V≤0.015%,余量为铁粉和不可避免的杂质,四害元素Pb+As+Sb+Bi≤100ppm。
6.根据权利要求5所述的可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,其特征在于,所述药芯焊丝焊接后熔敷金属的失重Φ为0.030≤Φ≤0.090,其中,Φ=(5×C+0.5×Mn+S+P+5×Cr)/ (10×Ni+3×Mo+15×Cu+10×Sn+10×Ce+15×Ni×Sn)。
7.根据权利要求4所述的可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,其特征在于,所述焊缝熔敷金属在典型耐蚀原油储罐钢腐蚀环境中年平均腐蚀速率(CR)≤0.9mm。
8.根据权利要求4所述的可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,其特征在于,所述焊缝熔敷金属的组织为细小的针状铁素体、贝氏体和铁素体。
9.根据权利要求8所述的可承受150kJ/cm热输入的原油储罐钢气电立焊用药芯焊丝,其特征在于,所述针状铁素体和所述贝氏体的占比不少于80%。
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CN118106654A (zh) * 2024-04-30 2024-05-31 洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所) 一种460MPa级船舶与海工用钢高强韧小规格药芯焊丝

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