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壓力容器的材料設(shè)計(jì)(一)選材的基本原則選擇壓力容器用材,須根據(jù)容器的使用條件(如溫度、壓力、介質(zhì)腐蝕性、介質(zhì)對(duì)材料的脆化作用及其是否易燃、易爆、有毒等)、制造工藝、材料的焊接性能及經(jīng)濟(jì)合理性選擇具有適宜的機(jī)械性能、耐腐蝕性能、物理性能等的材料。注意在同一工程中應(yīng)盡量注意用材統(tǒng)一,具體的選材過程中必須仔細(xì)考慮如下因素:(二)材料的基本性能1.機(jī)械性能金屬的機(jī)械性能是指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性,如強(qiáng)度、彈性、硬度、韌性及塑性等。也可稱為“力學(xué)性能”。金屬材料就是用其在為同受力條件下所表現(xiàn)出來的不同特性指標(biāo),來衡量金屬材料的機(jī)械性能。(1)機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)度是材料抵抗外力作用不致破壞的性能特性。常用的特性指標(biāo)有屈服極限(。ts)和強(qiáng)度極限(。b)。數(shù)值由拉伸試驗(yàn)獲得。高溫時(shí)還要考慮蠕變極限(Ot)和持久極限(Ot)。壓力容器用材要求材料不僅具有高的屈服極限,而且具有一定的屈強(qiáng)比(Os/Ob)。屈強(qiáng)比反映了材料承受外載能力的能力,屈強(qiáng)比愈小,結(jié)構(gòu)零件的可靠性愈高,萬一超載,由于塑性變形的產(chǎn)生而使金屬材料的強(qiáng)度提高而不致立刻破壞。壓力容器用材的屈強(qiáng)比一般為0.6~0.7。碳素鋼的屈強(qiáng)比一般為0.6左右,低合金高強(qiáng)度鋼為0.65~0.75,合金結(jié)構(gòu)鋼為0.85(2)塑性材料的塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。材料的塑性是用延伸率(5)及斷面收縮率(2)來表示。它們的數(shù)值由拉伸試驗(yàn)獲得。一般情況下,塑性材料的延伸率和斷面收縮率較大,而脆性材料則較小。金屬材料的塑性指標(biāo)在壓力容器設(shè)計(jì)具有重要的意義。首先,塑性良好的材料可以順利地進(jìn)行某些成型工藝,如冷沖壓、冷彎曲等。其次,良好的塑性使零件在使用時(shí)萬一超載,也能由于塑性變形使用權(quán)材料強(qiáng)度提高而避免突然襲擊斷裂。壓力容器的主要零部件都是承壓的,無論從制造工藝的要求不是從使用安全的要求,都希望金屬材料具有良好的塑性。一般碳鋼、碳錳鋼5三16%,其它合金鋼5三14%。(3)硬度所謂硬度是指金屬材料抵抗壓入物壓陷能力的大小,也可以說是材料對(duì)局部塑性的抗力。硬度可采用不同的方法在不同的儀器上測(cè)定,其所得的硬度指標(biāo)也各不相同。最常用的硬度指標(biāo)為布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、和維氏硬度⑷丫),其數(shù)值可以互相換算。硬度是金屬材料的重要性能之一。一般情況下,材料的硬度高,其耐磨性也較好。材料的硬度與強(qiáng)度之間也有一定的關(guān)系(因?yàn)橛捕仁欠从巢牧暇植克苄宰冃蔚目沽Γ?,根?jù)經(jīng)驗(yàn),硬度與抗拉強(qiáng)度有如下近似關(guān)系:軋制、正火或退火的低碳鋼 ob=0.36HB;軋制、正火或退火的中碳鋼Ob=0.35HB;硬度HBW250經(jīng)熱處理的合金鋼ob=0.34HB;硬度HB250~400,經(jīng)熱處理的合金鋼ob=0.33HB;由于測(cè)定硬度方便,在生產(chǎn)中常用測(cè)定硬度的方法來估算鋼材的強(qiáng)度。對(duì)焊接接頭,也常用測(cè)定熱影響區(qū)硬度的方法來確定其淬硬程度。換熱管與管板的連接采用脹接時(shí),換熱管材料的硬度值一般須低于管板材料的硬度值。螺栓和螺母匹配使用,一般螺栓材料的硬度值須高于螺母30HB。(4)韌性韌性是指材料抵抗沖擊載荷的性能指標(biāo),材料韌性用沖擊功AKV來衡量,沖擊功AKV是指材料受到?jīng)_擊負(fù)荷的作用下,產(chǎn)生斷裂時(shí)所消耗能量大小的特性,即沖擊試樣所消耗的功,其單位為J。由于沖擊功AKV是金屬材料各項(xiàng)機(jī)械性能標(biāo)中對(duì)材料的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)及內(nèi)部缺陷等比較敏感的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo),而且也是衡量材料脆性轉(zhuǎn)變和斷裂特性的重要指標(biāo),所以對(duì)壓力容器用鋼來說,尤其是低溫壓力容器沖擊功是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。(5)溫度對(duì)材料機(jī)械性能的影響材料的屈服極限、強(qiáng)度極限和彈性模量隨溫度的升高而降低。如果設(shè)備的操作溫度較高,則必須選用在相應(yīng)溫度下能保持其強(qiáng)度指標(biāo)的材料。溫度/匕(承)溫度/匕(承)3家)用如果材料在高溫下承受高的應(yīng)力,則材料的抗蠕變性能是關(guān)鍵性的。材料蠕變極限指在某一溫度下受恒定載荷作用時(shí),在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)(10萬小時(shí))產(chǎn)生1%的變形時(shí)的應(yīng)力;持久極限是材料在某一溫度下受恒定載荷作用時(shí),在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)(10萬小時(shí))引起斷裂時(shí)的應(yīng)力.在實(shí)際試驗(yàn)中,常常用較短時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果來外推長(zhǎng)時(shí)間的性能,但一般限制外推時(shí)間不得大于試驗(yàn)時(shí)間的10倍。持久強(qiáng)度是高溫元件設(shè)計(jì)選材的重要依據(jù),是GB150中確定許用應(yīng)力的強(qiáng)度指標(biāo)之一.低溫情況下,通常塑性金屬材料往往以脆性方式破壞。引起鋼制焊接壓力容器脆性破壞的因素非常復(fù)雜。它取決于材料的晶格結(jié)構(gòu),板材的厚度,加工后的殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的使用溫度。目前各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均以夏比v型缺口沖擊試驗(yàn)來檢驗(yàn)材料對(duì)脆性破壞的敏感性。2.耐腐蝕性能耐腐蝕性能是金屬材料抵抗介質(zhì)腐蝕的能力。壓力容器中處理的介質(zhì)大多數(shù)具有腐蝕性的,在設(shè)計(jì)中必須根據(jù)操作介質(zhì)來選擇耐腐蝕材料。引起材料腐蝕的因素多種多樣,工程中常將常見的腐蝕情況分為:均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、氫脆、磨蝕等。(1)均勻腐蝕均勻腐蝕是在整個(gè)金屬表面均勻地發(fā)生腐蝕,這種腐蝕相對(duì)其它形式的腐蝕其危害最小。GB150中C2只考慮均勻腐蝕C2=KB其中B—設(shè)計(jì)壽命(年)K—腐蝕速率(mm/年)一般分為不腐蝕輕微腐蝕腐蝕重腐蝕Bmm/年<0.050.05~0.130.13~0.25三0.25Cmm20三1三2三3(2)應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕是指金屬在持久拉應(yīng)力和腐蝕性環(huán)境聯(lián)合作用下產(chǎn)生腐蝕裂紋,并使裂紋迅速擴(kuò)展,從而可能出現(xiàn)的早期性破壞的腐蝕形式.幾種常見的應(yīng)力腐蝕環(huán)境:a.碳鋼及低合金鋼焊制化工容器對(duì)介質(zhì)NaOH的應(yīng)力腐蝕與介質(zhì)濃度、溫度有關(guān)。當(dāng)NaOH溶液在其與烴類的混合物中體積大于等于5%時(shí),也應(yīng)根據(jù)NaOH溶液的濃度符合該要求。NaOH溶液濃度小于等于1%或NaOH溶液在其與烴類的混合物中體積小于5%時(shí),不受此限制。NaOH溶液NaOH溶液2351015203040506070重量%溫度上限(℃)9088857670655448434038當(dāng)超過以上范圍的碳鋼、低合金鋼材料需焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。b.濕HS應(yīng)力腐蝕2介質(zhì)同時(shí)符合下列條件時(shí),即為濕HS應(yīng)力腐蝕環(huán)境:2①溫度小于等于(60+2P)℃;P為壓力,MPa②HS分壓大于等于0.00035MPa即相當(dāng)于常溫在水中H2S溶解度大于等2于10p.p.m;③介質(zhì)中含有液相水或處于水的露點(diǎn)溫度以下;④PH<9或有氰化物(HCN)存在。C.液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境當(dāng)容器接觸的液氨介質(zhì)同時(shí)符合下列各項(xiàng)條件時(shí),即為液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境:①介質(zhì)為液態(tài)氨,含水量不高(W0.2%),且有可能受空氣(O2或CO2)污染的場(chǎng)合;②使用溫度高于一5℃。對(duì)于應(yīng)力腐蝕環(huán)境的容器除進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理,在焊接要求、焊接接頭硬度等方面都要提出具體要求。奧氏體不銹鋼材料在氯化物溶液、高溫水、高濃度NaOH等介質(zhì)往往產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。(3)氫腐蝕環(huán)境氫在常溫常壓下不會(huì)對(duì)鐵碳合金引起氫蝕,當(dāng)溫度在200℃~300℃發(fā)生“氫脆”,金屬在高溫下與氫反應(yīng)生成甲烷,甲烷氣在晶界空隙內(nèi)引起裂紋,使材料的塑性降低,引起這種腐蝕有合成氨、合成甲醇、石油加氫等工業(yè)生產(chǎn),設(shè)計(jì)溫度大于等于200℃與氫氣氛相接觸的壓力容器用鋼應(yīng)按納爾遜曲線選材,并應(yīng)留有20℃以上的溫度安全裕度。滿足于曲線的碳素鋼和珠光體耐熱鋼在氫氣氛中使用須經(jīng)過焊后消除應(yīng)力熱處理。奧氏體不銹鋼在氫分壓范圍的氫氣中使用都是滿意的,焊后也無必要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。(4)晶間腐蝕可能引起晶間腐蝕環(huán)境必須是存在電解質(zhì)的電化學(xué)腐蝕環(huán)境,奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的電解質(zhì)主要是酸性介質(zhì)。如:工業(yè)醋酸、甲酸、硝酸、草酸、鹽酸、硫酸、磷酸等。防晶間腐蝕的措施:1)固熔化處理2)降低鋼中碳含量3)添加穩(wěn)定碳化物的元素(Nb.Ti.Ni)3.材料的物理性能材料的主要物理性能包括:密度。、導(dǎo)熱系數(shù)入、比熱c、熔點(diǎn)tm、線膨脹系數(shù)a等。在不同的使用場(chǎng)合,對(duì)材料的物理性能有不同的要求,如用于傳熱表面的材料要求有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。4.制造工藝性能材料的工藝性能,選擇不合適,會(huì)造成加工困難。壓力容器應(yīng)考慮的制造工藝性能有焊接性、鍛造性、切削加工性、熱處理性及沖壓性等。對(duì)壓力容器來說重要的是材料的焊接性,一般控制材料的含碳量小于0.25%。材料的含碳量越高,熱影響區(qū)的硬化與脆化傾向越大,在焊接應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋。奧氏體不銹鋼的使用溫度高于525℃時(shí),鋼中含碳量應(yīng)不小于0.04%。因?yàn)閵W氏體不銹鋼的使用溫度500~550℃時(shí),鋼中含碳量太低,強(qiáng)度和抗氧化性會(huì)顯著下降。(三)壓力容器用鋼1.鋼板(1)碳鋼壓力容器常用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼,包括普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。a.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)要求,按《碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定。質(zhì)量分A、B、C、D四級(jí),以脫氧方法不同又分沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼,是鋼液在澆注前經(jīng)過完全脫氧,凝固時(shí)不沸騰,故稱鎮(zhèn)靜鋼。這種鋼錠內(nèi)無氣泡,鋼材質(zhì)量較高。鋼牌號(hào)由代表屈服強(qiáng)度的字母,屈服強(qiáng)度值,質(zhì)量等級(jí)符號(hào)等部分組成,如:Q215-AQ215-BQ235-AQ235-BQ235-CQ235-DQ255-A 255-B鋼板使用范圍GB700-88P(MPa)T(℃)6(mm)介質(zhì)限制Q235-B(做常溫沖擊試驗(yàn))W1.60~350W20不得用于毒性為高度、極度危害介質(zhì)Q235-C(做0℃沖擊試驗(yàn))W2.50~350W30Q235-D(做-10℃沖擊試驗(yàn))沸騰鋼,是在鋼的冶煉過程中加入弱脫氧劑(錳鐵)脫氧,因此在鋼液中還保留相當(dāng)數(shù)量的FeO,在澆注與凝固時(shí),由于碳和FeO反應(yīng),鋼液中不斷析出CO,產(chǎn)生沸騰,故稱為沸騰鋼,如牌號(hào)Q235-A?F這種鋼錠成材率高,但在鋼錠內(nèi)有許多小氣泡(該氣泡在鍛軋時(shí)能排除),且偏析較嚴(yán)重,因此,不能確保容器安全運(yùn)行,避免和減少事故的發(fā)生,在各國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范中都對(duì)其使用加以限制。半鎮(zhèn)靜鋼介于沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼之間,用“b”來代替“F”。b.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼相比:硫、磷含量較少,機(jī)械強(qiáng)度較高。按GB699-88《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)技術(shù)條件》規(guī)定。壓力容器用鋼與鍋爐用鋼類同,首先要求保證足夠的強(qiáng)度,還要有足夠的塑性,質(zhì)地均勻等。因此,必須用雜質(zhì)和有害氣體容量較低的碳鎮(zhèn)靜鋼。對(duì)于專業(yè)用鋼符號(hào),只需在優(yōu)質(zhì)碳素鋼后面加字母“R”、“g”,如:20R、20g。(2)低合金鋼低合金鋼是指鋼中合金元素總含量在25%以下的鋼種,與一般碳素鋼相比,它的機(jī)械性能提高了,耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性都有所提高。因此,它在壓力容器制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。壓力容器用低合金高強(qiáng)度的鋼的屈服強(qiáng)度范圍為294~696MPa。a.低合金鋼中最常用的有:16MnR,它不僅硫、磷含量控制較嚴(yán),更重要的是要求保證足夠的沖擊韌性,在鋼材驗(yàn)收方面也比較嚴(yán)格。因此其使用壓力不受限制。使用溫度下限可達(dá)-20℃,是目前應(yīng)用極廣的好材料。b.中溫抗氫鋼氫在常溫壓下不會(huì)對(duì)鐵碳合金引起顯著的腐蝕,但當(dāng)溫度為200~300℃,壓力高于30MPa則將產(chǎn)生極強(qiáng)的腐蝕作用,發(fā)生所謂“氫脆”現(xiàn)象。這種腐蝕常常是合成氫、合成甲醇、石油加氫等工業(yè)中設(shè)備破壞的主要原因。它們都在高溫高壓氫的環(huán)境中工作,會(huì)發(fā)生氫腐蝕破壞,氫滲入鋼中與鋼中滲碳體發(fā)生反應(yīng)生成甲烷,使?jié)B碳體脫碳變?yōu)殍F素體。甲烷氣集積于晶界的微空隙內(nèi),形成局部高度應(yīng)力集中而引起裂紋甚至鼓泡,滲碳體還原為鐵素體時(shí)體積縮小約7%,由此產(chǎn)生組織間的應(yīng)力,更促進(jìn)裂紋發(fā)展,這時(shí)裂紋的擴(kuò)展又給氫與碳的結(jié)合提供了條件,使鋼完全脫碳而產(chǎn)生裂紋,這就是氫腐蝕的實(shí)質(zhì)。它既可能發(fā)生在金屬表面也可發(fā)生在金屬內(nèi)部。因此,它是一種十分危險(xiǎn)的晶間型破壞。防止氫腐蝕的途徑有:一是降低鋼中碳的含量,例如采用微碳純鐵,可以完全消除氫腐蝕產(chǎn)生的根源;二是采用抗氫鋼,在鋼中加入鉬、鉻、鎢、鈮、鈦等元素,形成穩(wěn)定的鉻、鉬等碳化物,使氫與碳不能結(jié)合。我國(guó)生產(chǎn)的中溫抗氫鋼有:15CrMoR、14Cr1MoR等。c.低溫用鋼壓力容器的破壞通常都是由于內(nèi)壓產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力達(dá)到容器材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生的。但是,當(dāng)溫度降低到某一范圍后,容器壁內(nèi)的應(yīng)力在沒有達(dá)到屈服限,甚至低于許用應(yīng)力的情況下也會(huì)發(fā)生破壞。相同的材料,相同規(guī)格的容器溫度愈低,容器的爆破壓力也愈低。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆性破壞。產(chǎn)生容器低應(yīng)力破壞的主要原因之一是由于鋼材在低溫下的沖擊功值明顯下降,因此,低溫用鋼的質(zhì)量在很大程度上取決于在使用溫度下沖擊功的大小。低溫容器受壓元件用鋼必須是鎮(zhèn)靜鋼,碳素鋼和低合金鋼板使用溫度低于或等于-20℃時(shí),其使用狀態(tài)及最低沖擊試驗(yàn)溫度應(yīng)符合GB150中4.2.8節(jié)表4-2的要求。在低溫容器中的受壓元件均必須進(jìn)行低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn),鋼材應(yīng)按批進(jìn)行沖擊試驗(yàn)復(fù)驗(yàn)。(3)高合金鋼高合金鋼的合金元素總含量大于10%,其中奧氏體不銹鋼在常溫和低溫下有很高的塑性和韌性,不具磁性。由于這種鋼是單相的奧氏體組織,在許多介質(zhì)中有很高的耐蝕性。其中鉻是不銹耐酸鋼抗氧化性耐蝕性的基本元素,合金中含碳量的增加將降低耐蝕性能,所以該含碳量0.08~0.12%左右為高碳級(jí)不銹鋼,鋼號(hào)前以“1”表示。含碳量0.03<C<0.08%為低碳級(jí)不銹鋼,鋼號(hào)前以“O”表示。含碳量或0.03%為超低碳級(jí)不銹鋼,鋼號(hào)前以“00”表示。奧氏體鉻鎳不銹鋼壓力容器在加工和使用過程中,在400~450℃下重復(fù)加熱,并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕而破壞。通常把上述溫度稱為危險(xiǎn)溫度。因此,在不銹鋼焊接過程中,其焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生晶間腐蝕危險(xiǎn)特別大,這是由于在焊接后的冷卻過程中,要通過危險(xiǎn)溫度的緣故。為此在不銹鋼件焊接時(shí),要求各連接件同時(shí)達(dá)到熔點(diǎn)。這對(duì)等厚板容易保證,而當(dāng)兩連接件相差較多時(shí),就要注意將厚板削?。蝗萜鳉んw上的縱焊縫不允許與環(huán)焊縫十字交叉,必須將兩條焊縫拉開一段距離該距離應(yīng)大于名義厚度的三倍,且不小于100mm。不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)人是碳鋼的1/3~1/4,而它的線膨脹系數(shù)a卻是碳鋼的1.5倍。因此,在焊接時(shí)必須注意,否則會(huì)引起很大的殘余應(yīng)力。壓力容器常用的此類板材的鋼號(hào)有:OCr18Ni9、OCr18Ni10Ti、OCr17Ni12Mo2;.鋼管選用鋼管應(yīng)根據(jù)容器的具體設(shè)計(jì)條件,盡量選用和容器相匹配的材料,和容器一樣注意碳素鋼、碳錳鋼在高于425℃溫度下長(zhǎng)期使用,鋼中碳化物相的石墨化傾向,奧氏體不銹鋼在特定條件下的晶間腐蝕傾向?qū)τ谳^高壓力的接管或以增加壁厚作為開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí),根據(jù)需要選用標(biāo)準(zhǔn)中壁厚較大的無縫鋼管。換熱管用鋼管使用還應(yīng)符合GB151的規(guī)定。.鍛件鍛件按使用要求分為i、n、ni、w四個(gè)級(jí)別,每個(gè)級(jí)別的檢驗(yàn)要求及指標(biāo)要求按JB4726~4728-94規(guī)定。用作圓筒和封頭的筒形和碗形鍛件及公稱厚度大于300mm的低合金鋼鍛件應(yīng)選用HI級(jí)或W級(jí)。

a)筒形鍛件(L>D),t為公稱厚度b)環(huán)形鍛件(LWD),L和t中的小者為公稱厚度c)餅形鍛件(t〈D),t為公稱厚度d)碗形鍛件(HWD),t1和t2中的小者為公稱厚度e)長(zhǎng)頸法蘭鍛件(HWD)t1和t2中的小者為公稱厚度f)條形鍛件(L>D),D為公稱厚度鍛件的級(jí)別由設(shè)計(jì)單位確定,并應(yīng)在圖樣上注明,如16MnRH。4.緊固件緊固件的使用溫度范圍應(yīng)符合GB150表4-10,螺栓的硬度應(yīng)比螺母稍高(HB30),可通過選用不同鋼材或不同熱處理而獲得。表緊固件的使用溫度范圍

螺柱鋼號(hào)螺母用鋼鋼號(hào)鋼材標(biāo)準(zhǔn)使用溫度范圍(℃)其它限制Q235-A35Q215-AQ235-AGB700(使用狀態(tài),熱軋)-19~300適用于P<10.0Mpa容器.密封要求高時(shí),使用溫度宜小于等于200℃40MnB、40MnVB40Cr3540Mn35GB699(正火)-19400適用于PN2.5Mpa容器及密封要求高時(shí),使用溫度宜小于等于400℃30CrMoA35CrMoA40Mn45GB699GB3077-19400適用于PN2.5Mpa容器及密封要求高時(shí),使用溫度宜小于等于400℃25Cr2MoVA30CrMoA35CrMoAGB3077(調(diào)質(zhì))-19~500適用于PN2.5Mpa容器及密封要求高時(shí),使用溫度宜小于等于500℃1Cr5Mo1Cr5MoGB1221-19~600適用于高溫密封0Cr18Ni90Cr18Ni

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