羅華權(quán),楊力能,何小東,王 航,曹 峰
中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 (陜西 西安 710077)
油田壓裂彎頭廣泛應(yīng)用于油田水泥車、壓裂車及地面高壓管匯,是管路之間的連接件,可用來輸送水、壓裂液及混合液等,其作用是改變流體方向[1-2],如圖1所示。彎頭內(nèi)部一般承受著很高的沖擊壓力(壓力可以高達(dá)100 MPa及以上)和交變載荷,且其輸送介質(zhì)多為腐蝕性介質(zhì),對(duì)管道內(nèi)部有嚴(yán)重的沖蝕作用,厚度磨損嚴(yán)重,如圖2所示。一旦失效,就會(huì)引起爆炸、腐蝕等嚴(yán)重事故,造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[3]。因此,為保障油田壓裂彎頭的安全使用,需要特別關(guān)注彎頭的失效控制及預(yù)防。
失效控制技術(shù)主要是通過物理、化學(xué)等試驗(yàn)方法對(duì)材料的失效模式、原因及機(jī)理進(jìn)行診斷,提出控制失效的方法,然后反饋到生產(chǎn)實(shí)踐中去,防止類似失效重復(fù)發(fā)生[4]。由于失效控制意識(shí)較為淡薄,失效控制技術(shù)和完整性管理在油田高壓管匯 (含壓裂彎頭)中應(yīng)用較少,大多數(shù)油田在壓裂彎頭失效后并未對(duì)其原因進(jìn)一步分析,制定應(yīng)對(duì)措施,因此造成事故重復(fù)發(fā)生。文獻(xiàn)[5-9]分別論述了壓力、固體顆粒沖蝕角度和彎頭的幾何尺寸、顆粒直徑、濃度、彎頭材料類別、攜沙液流量對(duì)彎頭沖蝕磨損的影響,文獻(xiàn)[10-11]分別論述了殘余應(yīng)力、大型夾雜物、各種載荷、氯化物腐蝕介質(zhì)對(duì)彎頭失效的影響、文獻(xiàn)[12-16]分別論述了彎頭的缺陷檢測(cè)的各種方法,文獻(xiàn)[17]總結(jié)了熱處理工藝對(duì)彎頭使用壽命的影響,但這些試驗(yàn)和研究只是就某一方面對(duì)彎頭失效及使用壽命的影響因素進(jìn)行的分析或試驗(yàn),并沒有提出一個(gè)系統(tǒng)的彎頭失效分析、失效控制及評(píng)價(jià)方法。
圖1 壓裂彎頭實(shí)物
圖2 壓裂彎頭內(nèi)部腐蝕
壓裂彎頭在油田壓裂車和地面管匯中大量使用,主要存在以下問題:
1)壓裂彎頭的作業(yè)壓力高、大液量、含沙量高、流速高、含有腐蝕介質(zhì)。有的壓裂彎頭有作業(yè)壓力甚至高達(dá)100 MPa以上,含沙體積比在40%;高壓和高含沙比的壓裂液體,造成短時(shí)間壓裂彎頭進(jìn)口處和內(nèi)壁快速?zèng)_蝕,壁厚迅速減薄,甚至爆裂。
2)使用頻次高。油田壓裂作業(yè)隊(duì)為了加快施工進(jìn)度,縮短工期,高強(qiáng)度作業(yè),造成壓裂彎頭作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng),本應(yīng)該到期檢修的壓裂彎頭,沒有按計(jì)劃?rùn)z修,又重新使用。這樣彎頭出現(xiàn)問題,并未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理,容易造成彎頭失效。
3)彎頭安裝不合理,缺乏壓裂車與管匯之間的連接規(guī)范。為了達(dá)到比較長(zhǎng)的疲勞使用壽命,一個(gè)彎頭一般情況下,水平段長(zhǎng)度至少1.2 m[13]。因此,彎頭的安裝應(yīng)該遵循一定的方法。
金屬構(gòu)件失效模式的診斷是金屬構(gòu)件失效分析重要環(huán)節(jié),其失效模式主要有:斷裂、腐蝕、磨損及變形和功能失效。各種失效模式均有其產(chǎn)生的條件、特征及診斷依據(jù)[18]。結(jié)合壓裂彎頭使用過程中存在的問題,通過多年的實(shí)踐和總結(jié),彎頭失效主要有3個(gè)方面的模式。
1)壓裂彎頭斷裂失效,包括因彎頭內(nèi)部的沖刷腐蝕導(dǎo)致壁厚嚴(yán)重減薄的失效和彎頭內(nèi)部的應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生裂紋的失效。
2)壓裂泵震動(dòng)導(dǎo)致彎頭的疲勞斷裂失效。
3)彎頭內(nèi)部由于長(zhǎng)期受到腐蝕液體腐蝕,產(chǎn)生的刺穿失效。
彎頭失效的原因可能為一種,也可能是多種原因綜合作用的結(jié)果,其主要原因如圖3所示。
圖3 壓裂彎頭常見失效原因
油田或廠家委托做一個(gè)壓裂彎頭失效分析,首先應(yīng)該明確分析要求。對(duì)于不同的要求,有的僅需要分析失效類型即可,有的需要分清責(zé)任(仲裁用),有的可能需要分析原因并提出改進(jìn)措施等,應(yīng)根據(jù)不同的要求,選擇最經(jīng)濟(jì)的辦法,取得相應(yīng)的分析結(jié)果。對(duì)于不同的失效模式,其分析重點(diǎn)可能不同。首先應(yīng)該根據(jù)壓力彎頭失效的宏觀形貌和斷口情況,可以初步判斷彎頭的失效模式,主要分析思路如圖4所示。根據(jù)壓裂彎頭失效模式,就可以確定原因分析的方向和重點(diǎn)。對(duì)于斷裂失效,主要分析斷裂類別、斷裂的起始、斷裂的發(fā)展路徑以及裂紋起始區(qū)的相關(guān)信息(一般需要做痕跡分析、電鏡分析、金相分析等)。對(duì)于疲勞失效,主要分析交變應(yīng)力載荷、但疲勞失效一般具有交叉性,即大多數(shù)情況還與環(huán)境因素(腐蝕、磨損等)有關(guān),因此需要結(jié)合環(huán)境條件來確定,通過斷口分析方法可較容易判斷金屬構(gòu)件是否為疲勞失效,若要進(jìn)一步分析,則需要結(jié)合斷口的微觀特征做進(jìn)一步的分析。腐蝕失效一般是由與環(huán)境接觸的外表起始并向機(jī)體內(nèi)發(fā)展而形成。一般在外表均殘留有環(huán)境介質(zhì)與機(jī)體反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物,對(duì)腐蝕產(chǎn)物的全面分析是腐蝕診斷的重要內(nèi)容。同時(shí),在不同的腐蝕機(jī)理下,會(huì)形成不同的腐蝕形貌,因此可由腐蝕形貌的全面分析 (電鏡分析、金相分析)診斷腐蝕類型,從而推斷腐蝕失效的材料及環(huán)境因素。
在對(duì)失效彎頭原因分析完成后,其失效原因應(yīng)反饋給使用部門,使用部門應(yīng)該采取措施,對(duì)失效進(jìn)行控制,防止類似事故的發(fā)生。對(duì)未正在服役的壓力彎頭進(jìn)行管理,評(píng)估它們的檢驗(yàn)周期和剩余壽命,也就是形成圖5所示的一個(gè)基本過程。
圖4 彎頭失效分析思路
目前,油田壓裂彎頭在失效后基本以更換為主,很少注重原因分析,更缺乏對(duì)彎頭的完整性管理。完整性管理的概念很大,這里只涉及彎頭在役使用和后期管理方面。壓裂彎頭的完整性管理主要包括根據(jù)檢驗(yàn)周期對(duì)壓裂彎頭進(jìn)行定期檢驗(yàn),對(duì)檢驗(yàn)合格的彎頭進(jìn)行分級(jí)管理和剩余壽命評(píng)估,確定新的檢驗(yàn)周期和使用工況。在壓裂彎頭的定期檢驗(yàn)中,存在各種不足。
1)根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,多數(shù)壓裂高壓管匯(含高壓彎頭)檢測(cè)執(zhí)行的是一年一檢或者更長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)周期,未達(dá)到SY/T 6270—2012《石油鉆采高壓管匯的使用、維護(hù)、維修與檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)中的每6個(gè)月進(jìn)行一次檢測(cè)的要求。
圖5 壓裂彎頭失效控制流程
2)其次,各油田檢測(cè)中心對(duì)高壓管匯所開展的檢測(cè)工藝存在一定的不足。例如:外觀檢驗(yàn),通常僅憑肉眼通過電筒對(duì)管匯內(nèi)表面檢查,不能完全檢查到管匯所有內(nèi)表面腐蝕情況;在對(duì)管體進(jìn)行腐蝕坑和疲勞裂紋檢測(cè)時(shí),理論上是對(duì)管體進(jìn)行通體掃查,實(shí)際上彎頭活動(dòng)部位是未進(jìn)行檢測(cè)的;由于超聲探頭的曲率一定,不能實(shí)現(xiàn)管體每個(gè)部位都能耦合良好(超聲波能進(jìn)入被檢工件前提是耦合良好),導(dǎo)致某些部位檢測(cè)不了。
油田壓裂彎頭一般的檢驗(yàn)程序如圖6所示。其大概包括5個(gè)檢驗(yàn)步驟,其作用描述如下。
圖6 壓裂彎頭的一般檢驗(yàn)程序
1)外觀檢驗(yàn)。對(duì)彎頭外表面及螺紋進(jìn)行肉眼檢查,檢查外表面是否存在明顯磨損、裂紋、砸傷,螺紋是否完好、有無明顯缺陷等情況。
2)應(yīng)力集中檢測(cè)。利用金屬磁記憶檢測(cè)儀對(duì)彎頭管體進(jìn)行應(yīng)力集中檢測(cè)。鐵磁性金屬零件在加工和運(yùn)行時(shí),由于受載荷和地磁場(chǎng)共同作用,在應(yīng)力和變形集中區(qū)域會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向,這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后不僅會(huì)保留,還與最大作用應(yīng)力有關(guān)。金屬構(gòu)件表面的這種磁狀態(tài)“記憶”著微觀缺陷或應(yīng)力集中的位置,即所謂的磁記憶效應(yīng)。應(yīng)力集中檢測(cè)能夠?qū)濐^內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)缺欠,即微觀缺陷和早期失效和損傷等進(jìn)行診斷,防止突發(fā)性的疲勞損傷。但也僅是對(duì)彎頭存在的缺欠進(jìn)行預(yù)測(cè),并不表示應(yīng)力集中部位已經(jīng)形成腐蝕或裂紋。
3)壁厚檢測(cè)。一般利用超聲波測(cè)厚儀對(duì)彎頭的壁厚進(jìn)行測(cè)量。由于壁厚測(cè)量的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,也不能夠客觀反映彎頭壁厚的變化,甚至無法找到壁厚的最薄弱點(diǎn)。
4)疲勞裂紋檢測(cè)。通過彎頭管體外表面磁粉檢測(cè)和管體超聲波檢測(cè),可以檢查管體內(nèi)外表面的橫向和縱向是否存在疲勞裂紋。磁粉檢測(cè)管體外表面裂紋缺欠的靈敏度比較高,通??梢赃_(dá)到微米級(jí),但僅限于外表面和近外表面。超聲波可以檢測(cè)全管體的缺欠,檢測(cè)靈敏度較高,但沒有磁粉檢測(cè)直觀,檢測(cè)結(jié)果判斷和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰τ嘘P(guān),且因管體存在一定的曲率,其耦合可能存在一定的間隙,存在缺陷漏檢的情況。
5)靜水壓試驗(yàn)。靜水壓試驗(yàn)室對(duì)彎管進(jìn)行整體密封性能試驗(yàn),檢驗(yàn)管體活動(dòng)部位以及螺紋連接的密封性能。但通常靜水壓試驗(yàn)合格,并不能代表彎頭沒有缺欠。
圖6所示的一般檢驗(yàn)程序并不完善,所述的檢驗(yàn)方法對(duì)缺陷檢測(cè)也存在不足之處。因此對(duì)一般檢驗(yàn)程序進(jìn)行了改進(jìn),并加入了完整性管理的內(nèi)容,使得對(duì)彎頭的失效得到預(yù)判和控制,如圖7所示。
改進(jìn)后的的彎頭檢驗(yàn)流程,增加了相關(guān)缺陷檢測(cè)、評(píng)價(jià)方法,彌補(bǔ)了一般檢驗(yàn)流程的不足。下面對(duì)改進(jìn)后流程中的相關(guān)步驟作如下說明:
1)增加了B掃描和C掃描檢測(cè)。B掃描所顯示的是與聲束傳播方向平行且與工件的測(cè)量表面垂直的剖面。C掃描所顯示的是工件的橫斷面,為了挑選從某一深度回來的超聲信號(hào),要用一個(gè)電子閘門,改變電子閘門延遲時(shí)間,就能測(cè)到物體在不同深度的橫斷面的像。C掃描是通過顏色深淺來顯示缺陷的嚴(yán)重程度的。在外表面采用超聲B掃描技術(shù),可以檢測(cè)彎頭母頭管體部位內(nèi)部的缺陷。采用B掃描探頭在母頭管體外表面軸向掃查,如果內(nèi)部存在腐蝕缺陷,圖形底部就會(huì)出現(xiàn)缺失,如果有其他缺陷,圖形就會(huì)出現(xiàn)缺失,通過顯示圖形,就可以判斷彎頭的母頭部位有無缺陷?;顒?dòng)彎頭公頭管體的內(nèi)腐蝕可以采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察,其公頭軸承部位管體缺陷,由于拆卸不變,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,目前尚無較好的檢測(cè)辦法。彎頭其他管體部位也可采用B掃描和C掃描來查看腐蝕嚴(yán)重情況和腐蝕區(qū)域的大小。
圖7 改進(jìn)后的彎頭檢測(cè)及評(píng)價(jià)流程
2)含缺欠彎頭的分級(jí)。首先說明兩個(gè)定義,缺陷和缺欠。缺欠是物體中的不連續(xù)性,缺陷是超過標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范要求的缺欠。因此缺欠在材料中是允許存在的,但一旦確定缺欠為裂紋,也是不允許存在的。從圖7可以看出,發(fā)現(xiàn)缺欠后,需要對(duì)缺欠進(jìn)行分級(jí),然后采取不同的處理方式。目前,壓裂彎頭的成型通常采用鍛造工藝,其產(chǎn)生缺陷主要有夾雜物、裂紋、白點(diǎn)(小裂紋)等。在管體表面的裂紋,一般可以通過磁粉檢測(cè)來發(fā)現(xiàn)。但管體內(nèi)部的裂紋、夾雜物、白點(diǎn)等缺陷是無法通過磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的,只能通過超聲波檢測(cè)來發(fā)現(xiàn),且無法對(duì)缺陷的性質(zhì)進(jìn)行辨認(rèn)。因此,在管體內(nèi)部,可能存在不超過標(biāo)準(zhǔn)的夾雜物、裂紋、白點(diǎn)等。這里缺欠分級(jí)依據(jù)缺欠的尺寸大小來確定,當(dāng)量缺欠大小為人工缺陷大小的0.5~1倍時(shí),認(rèn)為該缺欠較為嚴(yán)重,評(píng)為3級(jí);當(dāng)量缺欠大小為人工缺陷大小的0.2~0.5倍時(shí),認(rèn)為該缺欠需要跟蹤關(guān)注,評(píng)為2級(jí);當(dāng)量缺欠大小為人工缺陷大小的0.2倍以下時(shí),認(rèn)為該缺欠影響較小,評(píng)為1級(jí)。
為了討論方便,這里假定夾雜物、裂紋(面積形缺陷)、白點(diǎn)等均為圓片形缺陷,而圓片形缺陷用一種規(guī)則反射體來模擬討論,該規(guī)則反射體即平底孔。這里用平底孔的回波聲壓來模擬夾雜物、裂紋等的回波聲壓計(jì)算。平底孔的回波聲壓計(jì)算公式為[19]:
式中:Hf1、Hf2分別為第一、二個(gè)平底孔的回波高度,%;Pf1、Pf2分別為第一、二個(gè)平底孔的回波聲壓,Pa;x1,x2分別為第一、二個(gè)平底孔距離波源的距離,mm;Df1、Df2分別為第一、二個(gè)平底孔的直徑,mm。
a)當(dāng)缺欠當(dāng)量尺寸(Df2)為人工反射體尺寸(Df1)的0.5倍時(shí),即Df2=0.5Df1,相同的傳播距離,即x1=x2,此時(shí)其缺欠回波高度Hf2和人工反射體回波高度Hf1的關(guān)系為:Hf2=1/4Hf1。
b)當(dāng)缺欠當(dāng)量尺寸(Df2)為人工反射體尺寸(Df1)的 0.2~0.5 倍時(shí),即 Df2=0.2Df1~0.5Df1,相同的傳播距離即x1=x2時(shí),此時(shí)其缺欠回波高度Hf2和人工反射體回波高度 Hf1的關(guān)系為:Hf2=1/25~1/4Hf1。
c)當(dāng)缺欠當(dāng)量尺寸(Df2)為人工反射體尺寸(Df1)的0.2倍以下時(shí),相同的傳播距離即x1=x2時(shí),此時(shí)其缺欠回波高度Hf2和人工反射體回波高度Hf1的關(guān)系為:Hf2<1/25Hf1。缺欠回波很小,幾乎掩蓋在雜波中,難以分辨。
通常人工反射體回波設(shè)定為100%屏幕高度。因此,當(dāng)彎頭中缺欠回波高度超過人工缺陷回波高度25%,該缺欠較為嚴(yán)重,應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確地登記上彎頭的編號(hào),缺欠的位置、長(zhǎng)度、深度等信息,做好記錄以便查找,評(píng)為3級(jí)。缺欠回波在人工缺陷回波5%至25%之間,也應(yīng)予以記錄,評(píng)為2級(jí)。缺欠回波低于人工缺陷回波5%的,可以不予記錄,評(píng)為1級(jí)。對(duì)于2、3級(jí)缺欠,要對(duì)缺欠做定量檢測(cè),并評(píng)價(jià)其剩余壽命,在下次檢測(cè)時(shí)對(duì)該部位進(jìn)行重點(diǎn)檢查,查看缺欠有否擴(kuò)展。對(duì)于1級(jí)缺欠,影響很小,可以正常使用。
3)超聲TOFD方法對(duì)缺欠的定量檢測(cè)。超聲TOFD(Time of Flight Diffraction)方法也稱衍射時(shí)差法,是利用缺欠部位的衍射波信號(hào)來檢測(cè)和確定缺陷尺寸的一種方法,通常使用縱波探頭,采用一發(fā)一收模式。彎頭中的2級(jí)和3級(jí)缺欠,可以通過TOFD方法進(jìn)行長(zhǎng)度、深度的測(cè)定,為剩余壽命評(píng)價(jià)提供依據(jù)。
4)斷裂力學(xué)方法進(jìn)行剩余壽命評(píng)價(jià)。壓裂彎頭中的各種缺欠可近似地看作裂紋,有了TOFD方法檢測(cè)的定量數(shù)據(jù),通過斷裂力學(xué)方法,可以分析具有缺欠的彎頭在外部載荷作用下缺欠是否擴(kuò)展、擴(kuò)展速率、是否斷裂、何時(shí)斷裂等,從而確定彎頭結(jié)構(gòu)是否安全,確定其壽命周期,以及重新確定其檢修周期等。裂紋擴(kuò)展公式一般是基于經(jīng)典的Paris公式及相關(guān)修正公式,按考慮因素由簡(jiǎn)單至復(fù)雜,則常用的有Walker公式、Forman 公式、Nasgro 公式等,文獻(xiàn)[3]等資料進(jìn)行了高壓彎頭的一次性斷裂分析及疲勞擴(kuò)展壽命分析,該文獻(xiàn)中相關(guān)內(nèi)容中較為詳盡,本文不再贅述。
基于失效控制技術(shù),系統(tǒng)地提出了油田壓裂彎頭的失效分析及失效控制思路,增加了多種彎頭綜合檢驗(yàn)方法,對(duì)彎頭缺欠進(jìn)行了分級(jí),對(duì)含有缺欠的彎頭進(jìn)行跟蹤和剩余壽命評(píng)價(jià),為油田壓裂彎頭的安全使用提供一定的參考。
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