基于頂驅(qū)多種故障分析的設(shè)備維保探究

摘" " 要：頂驅(qū)是機(jī)電液一體化的鉆井設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，其故障具有多樣性和突發(fā)性。由于頂驅(qū)在鉆井平臺(tái)運(yùn)行中扮演著舉足輕重的角色，因此加強(qiáng)頂驅(qū)各項(xiàng)功能的監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在問題，做到預(yù)防性維護(hù)就顯得極其重要。頂驅(qū)故障的解決過程牽涉到機(jī)械、電控、液壓等方面，屬綜合性邏輯推理分析，需提高對(duì)設(shè)備原理的認(rèn)識(shí)。以頂驅(qū)工作原理的分析及國產(chǎn)北石頂驅(qū)在生產(chǎn)中典型故障的分析為依據(jù)，提出頂驅(qū)故障分析的種類、原則、方法，以及頂驅(qū)維護(hù)保養(yǎng)的重點(diǎn)，以便將來發(fā)生頂驅(qū)設(shè)備故障時(shí)能夠快速找到設(shè)備故障的原因，及時(shí)解決設(shè)備存在的故障問題。

關(guān)鍵詞：頂驅(qū)；電控；液壓；接近開關(guān)；上跳；故障分析

Equipment maintenance based on multiple fault analysis of top drive

LIANG Jiaxiang， CAO Xiqing， JIANG Hui， REN Xinwen

Drilling Branch of China Petroleum Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Top drive is a mechanical-electrical-hydraulic integrated drilling equipment with a complex structure. Used in harsh environments， the top drive encounters multiple and sudden failures. Due to the pivotal role of the top drive in the drilling platform， it is extremely important to enhance daily monitoring of its various functions for potential problem identification and preventive maintenance.The process of top drive failure solving is a comprehensive logic analysis， involving aspects including machinery， electronic control，and hydraulic pressure. Therefore， it requires a deeper understanding of the equipment principle. Based on the analysis of top driveworking principle and typical failures of Beijing Petroleum Machinery （BPM） top drive in operation， this paper put forward types， principles， and methods of top drive failure analysis， as well as key points of top drive maintenance to quickly find the cause and solution of equipment failure in the future.

Keywords：top drive; electronic control; hydraulic pressure; proximity switch; jump up; fault analysis

頂驅(qū)在生產(chǎn)過程中既高效又安全，既是生產(chǎn)的核心，同時(shí)也是鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備。由于海上環(huán)境以及鉆井作業(yè)的特殊性，頂驅(qū)故障的出現(xiàn)往往有隱蔽性及突發(fā)性的特點(diǎn)。隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)和升級(jí)，在信號(hào)采集等方面更加全面，設(shè)備的動(dòng)作邏輯能形成很好的閉環(huán)，這就為查找設(shè)備故障的原因提供了方便。某鉆井公司目前使用的頂驅(qū)有3種類型，分別是Canrig頂驅(qū)、國產(chǎn)北石頂驅(qū)DQ90BSC、NOV頂驅(qū)。雖然平臺(tái)使用的頂驅(qū)類型及廠家不一樣，但在結(jié)構(gòu)、電控和液壓原理方面大同小異，邏輯控制上有一定的相通性。

1" " 頂驅(qū)DQ90BSC的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置在結(jié)構(gòu)上主要由動(dòng)力水龍頭、管道處理裝置、電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、司鉆操作臺(tái)、單導(dǎo)軌與滑車、運(yùn)移架等幾大部分組成[1]。

在控制上，頂驅(qū)可分為電氣控制系統(tǒng)（見圖2）和液壓系統(tǒng)（見圖3）。這兩大系統(tǒng)是相輔相成的。電氣控制系統(tǒng)包括交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和PLC/MCC系統(tǒng)，主要由變頻控制柜、PLC控制柜、操作控制臺(tái)、輔助控制臺(tái)、本體站、液壓源、動(dòng)力電纜、控制電纜等幾大部分組成。其中司鉆操作臺(tái)給出命令后，經(jīng)PLC柜處理，將指令輸出傳送至本體站及變頻器單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)?？傮w來說，電氣控制系統(tǒng)好比人體的神經(jīng)系統(tǒng)，主要作用在于信號(hào)的采集和指令的傳輸。

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置是機(jī)電液一體化的鉆井設(shè)備，液壓系統(tǒng)是頂驅(qū)裝置的重要組成部分之一。液壓系統(tǒng)可以通過液壓動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)一系列的功能，除主旋轉(zhuǎn)由主電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，其他功能如上卸扣、吊環(huán)傾斜與回轉(zhuǎn)、IBOP打開與關(guān)閉、主電機(jī)制動(dòng)、主體重量平衡等均由液壓傳動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)[2]。電控系統(tǒng)可以通過電磁閥的換向及其導(dǎo)通斷開，來控制液壓回路的工作，以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)液壓功能。如圖4所示，通過控制電磁換向閥，可以實(shí)現(xiàn)平衡液缸平衡狀態(tài)及上調(diào)狀態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)剎車的打開和剎車狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。加強(qiáng)對(duì)頂驅(qū)裝置液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理的了解和認(rèn)識(shí)，有助于工作人員正確地操作和維護(hù)液壓系統(tǒng)。

2" " 北石頂驅(qū)DQ90BSC常見故障解析

2.1" " 頂驅(qū)鎖緊銷液壓缸及鎖緊銷接近開關(guān)故障

當(dāng)鉆井工況需要拆卸頂驅(qū)保護(hù)接頭和鉆具之間的連接，或者更換保護(hù)接頭和上下IBOP時(shí)，就會(huì)涉及到頂驅(qū)上卸扣操作，司鉆操作“回轉(zhuǎn)頭鎖緊”選擇開關(guān)，將其轉(zhuǎn)到“鎖緊位”，回轉(zhuǎn)鎖緊指令信號(hào)送入PLC程序，根據(jù)程序設(shè)定，通過液壓閥組使回轉(zhuǎn)頭進(jìn)行“微動(dòng)”，同時(shí)鎖緊油缸驅(qū)動(dòng)鎖緊銷（設(shè)定壓力為4 MPa）進(jìn)行插孔動(dòng)作，當(dāng)鎖緊銷進(jìn)入旋轉(zhuǎn)頭鎖孔后，接近開關(guān)進(jìn)行檢測，2對(duì)常開接點(diǎn)閉合，輸出“低電位”，PLC接收到鎖緊反饋信號(hào)后，停止微轉(zhuǎn)，司鉆臺(tái)鎖緊指示燈亮起，司鉆同時(shí)按下“背鉗”和“上卸扣”，觀察扭矩表指示情況，確認(rèn)是否卸扣成功，完成后將鎖緊開關(guān)轉(zhuǎn)至開位[3]。

A平臺(tái)北石頂驅(qū)鎖緊液壓缸損壞過兩次（見圖5），均是由于液壓缸內(nèi)部液壓桿斷裂導(dǎo)致，液壓缸動(dòng)作后不能將銷體收回。另外由于北石生產(chǎn)的回轉(zhuǎn)鎖緊油缸在尺寸上有少許的差異，在更換液壓油缸后，如果不能根據(jù)鎖緊油缸安裝接近開關(guān)的接近間隙，很容易造成接近開關(guān)的損壞。鑒于安裝槽深有誤差，每次更換后均須進(jìn)行測量，并使間隙不大于3 mm。如近開關(guān)安裝槽深13.5 mm，需將傳感器留出大概10.5 mm的量，以實(shí)現(xiàn)功能且避免損壞設(shè)備。

A平臺(tái)現(xiàn)已對(duì)鎖緊液壓缸定期進(jìn)行更換（更換周期為3個(gè)月），并定期檢查接近開關(guān)狀態(tài)，有效避免了類似情況的出現(xiàn)。

2.2" " 冬季背鉗不能完全夾緊故障

背鉗液壓系統(tǒng)由防爆電磁換向閥、單向液壓鎖及減壓閥三個(gè)單元組成，由減壓閥調(diào)節(jié)背鉗動(dòng)作所需的力，單向液壓鎖使背鉗的卡瓦可以長時(shí)間停在任意位置，目的是在正常打鉆時(shí)讓卡瓦不外露，以防碰傷鉗牙。注意采用背鉗夾緊、崩扣或緊扣時(shí)，切勿忘記動(dòng)作完畢后將背鉗從夾緊狀態(tài)轉(zhuǎn)換為松開狀態(tài)[4]。

圖6為A平臺(tái)頂驅(qū)背鉗電磁閥動(dòng)作的邏輯。在梯形圖的下游和電磁閥并列輸出延時(shí)繼電器（T38 2S）。此時(shí)在滿足邏輯條件下，背鉗電磁閥打開，背鉗開始動(dòng)作，嘗試夾緊管柱。

為了實(shí)現(xiàn)背鉗夾緊后主軸開始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行上卸扣操作，只有當(dāng)延時(shí)2 s后（見圖7及圖8），主軸才開始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行上卸扣操作。冬季液壓油在極端寒冷的情況下，黏度增大，導(dǎo)致頂驅(qū)的各項(xiàng)液壓動(dòng)作遲緩，特別是上卸扣操作，需要背鉗和主軸配合完成。在背鉗未完全夾緊的情況下進(jìn)行上卸扣操作，易造成鉗牙的損壞?！爸杏秃?2”平臺(tái)就曾出現(xiàn)過冬天環(huán)境溫度過低，背鉗動(dòng)作緩慢，鉗牙使用周期變短的情況。

為保證平臺(tái)冬季設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，平臺(tái)應(yīng)提前更換冬季液壓油。在極端條件下，如果出現(xiàn)該故障，可與北石公司溝通，將電機(jī)啟動(dòng)邏輯風(fēng)機(jī)停掉，當(dāng)背鉗夾緊后再啟動(dòng)，使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，完成卸扣的應(yīng)急操作。除此之外，應(yīng)定期檢查背鉗油路的輸出壓力，一般背鉗系統(tǒng)閥塊設(shè)定在12 MPa。若壓力過低，鉗牙不能有效地卡緊鉆桿；若壓力過高，可能導(dǎo)致機(jī)械部件損壞，或者卡緊力太大，導(dǎo)致卡壞鉆桿。

2.3" " 頂驅(qū)平衡液缸上跳功能丟失故障

平衡系統(tǒng)是頂驅(qū)裝置重要的輔助系統(tǒng)之一，由減壓溢流閥、轉(zhuǎn)換板二個(gè)單元及與之相連的蓄能器組件組成，蓄能器組件由板式溢流閥、單向閥及蓄能器組成，見圖4、圖9。平衡系統(tǒng)的主要作用在于平衡本體重量，其功能相當(dāng)于大鉤補(bǔ)償彈簧，保護(hù)絲扣在上卸扣時(shí)不至于磨損。減壓溢流閥的作用在于調(diào)節(jié)平衡油缸的工作壓力與本體重量相適應(yīng)；溢流閥起安全保護(hù)作用，防止沖擊負(fù)荷，蓄能器起緩沖減振作用[5]。

A平臺(tái)頂驅(qū)在更換后，不再具有上跳功能，需要根據(jù)說明書進(jìn)行平衡壓力和上調(diào)壓力的設(shè)定。平衡閥組中的減壓閥對(duì)次級(jí)回路有減壓功能，用于調(diào)節(jié)平衡油缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的7～8 MPa壓力。溢流閥用于調(diào)定上跳壓力，設(shè)定值為12 MPa。防爆電磁球閥的作用是切換是/否上跳的狀態(tài)，得電為上跳狀態(tài)，失電為平衡狀態(tài)。蓄能器組件中的板式溢流閥對(duì)系統(tǒng)起安全保護(hù)作用，其調(diào)節(jié)壓力為12.5～13 MPa。

圖10、圖11為上跳閥動(dòng)作的前置邏輯，所以在調(diào)整上跳壓力時(shí)，將上跳閥開關(guān)置于上跳位，并且需要將速度手輪歸零，轉(zhuǎn)向位于中位，模式為鉆井模式。在這樣的前提條件下，才能實(shí)現(xiàn)上跳閥的動(dòng)作。由圖10可見，當(dāng)反向旋扣、正向旋扣及卸扣時(shí)，上跳才能動(dòng)作。與北石公司溝通對(duì)上跳功能程序進(jìn)行改動(dòng)，2019年之前，在上扣和卸扣動(dòng)作時(shí)均有上跳功能；2019年以后進(jìn)行了調(diào)整，只有卸扣時(shí)才有上跳功能。

3" " 故障類型及分析方法

在鉆井生產(chǎn)過程中，頂驅(qū)一直處于高負(fù)荷狀態(tài)，加之頂驅(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，牽涉的設(shè)備元器件復(fù)雜多樣。對(duì)頂驅(qū)日常多種故障進(jìn)行分析和研究，能更好地減少設(shè)備故障率，以及發(fā)現(xiàn)問題后快速地解決。通過對(duì)以上典型故障的分析可以發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)行過程中，因疲勞損傷、磨損、操作不當(dāng)?shù)仍颍瑢?dǎo)致頂驅(qū)故障不同程度地影響機(jī)械設(shè)備正常功能的實(shí)現(xiàn)，造成生命財(cái)產(chǎn)或者經(jīng)濟(jì)效益損失。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、找出故障原因并排除重大故障非常重要。隨著時(shí)間的推移，設(shè)備各部件之間相互作用，會(huì)引起機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，隨著這些狀態(tài)的變化，也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)、聲音、溫度的變化[6]。

3.1" " 故障診斷

設(shè)備故障診斷主要包括兩個(gè)方面：初級(jí)層面的故障診斷，該診斷主要針對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行分析。對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)做出迅速而有效的評(píng)價(jià)結(jié)論，以及找出故障診斷中判定為“異?！钡臋C(jī)械設(shè)備[6]。

在日常生產(chǎn)中，設(shè)備的巡檢、參數(shù)的監(jiān)測包括電機(jī)軸承溫度、電機(jī)電流、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速扭矩，以及各個(gè)液壓動(dòng)作的過程等，這些參數(shù)可以很直觀地體現(xiàn)出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，反映出其可能存在的問題?，F(xiàn)今設(shè)備大部分具有WinCC和PLC的頂驅(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，其功能全面，人機(jī)界面友好，且具有很好的靈活性和擴(kuò)展性。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了頂驅(qū)、液壓、整流等參數(shù)的顯示、記錄、報(bào)警和存檔，有效提高了企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)效益、自動(dòng)化程度，同時(shí)降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也便于隨時(shí)掌握設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在問題[7]。前述頂驅(qū)背鉗不能完全夾緊，導(dǎo)致鉗牙損壞事故，就是通過觀察設(shè)備的功能狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備故障問題的實(shí)例。通過日常巡檢，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常和隱患，能很好地做到預(yù)防性維護(hù)，大大減少設(shè)備的故障率。

深層次診斷[3]是由機(jī)械故障診斷專門技術(shù)人員實(shí)施的高級(jí)故障診斷，主要功能是對(duì)采用初級(jí)故障診斷技術(shù)判定為“異常”的機(jī)械設(shè)備，進(jìn)行專門的、細(xì)致的分析，進(jìn)一步縮小范圍，查出故障的原因，給出故障的發(fā)展趨勢及影響程度等，為故障的排除、修復(fù)等方面提供決策依據(jù)。WINCC和PLC的監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警記錄和存檔功能，在深層次分析診斷時(shí)起到了很好作用，便于分析了解設(shè)備故障產(chǎn)生的邏輯因果和發(fā)生過程。另外需要技術(shù)人員對(duì)液壓系統(tǒng)工作原理以及設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)有很深的認(rèn)識(shí)，可以通過原理分析出設(shè)備可能存在的故障點(diǎn)。另一比較重要的方面是，通過PLC程序可以了解各個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行邏輯，以及各個(gè)液壓元件的功能和作用；能合理地使用測壓工具對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查，不只是通過邏輯進(jìn)行推理，也是現(xiàn)場解決問題快速有效的方法。鎖緊銷液壓缸及鎖緊銷接近開關(guān)故障的現(xiàn)象很明顯，出現(xiàn)鎖緊銷不能鎖緊或不能打開的故障。此時(shí)可以通過測壓工具測量電磁閥的測壓點(diǎn)，判斷電磁閥是否正常動(dòng)作，還可進(jìn)一步判斷液壓缸和接近開關(guān)的狀態(tài)是否完好。

3.2" " 故障類型

由于頂驅(qū)的元件在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生故障，而且往往是不同類型的故障，因此首先要找出系統(tǒng)中各機(jī)構(gòu)有可能發(fā)生的故障及其類型，找出每種類型故障對(duì)鄰近子系統(tǒng)的影響，以及對(duì)系統(tǒng)的最終影響，并且要提出控制這些影響的措施[6]。從以往的經(jīng)驗(yàn)來看，設(shè)備故障有很大一部分是出現(xiàn)在外部傳感器上，導(dǎo)致設(shè)備失去了感知，不能監(jiān)測到實(shí)時(shí)的反饋信號(hào)，如頂驅(qū)電機(jī)的編碼器損壞會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的采集丟失。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障，液壓系統(tǒng)中影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的主要部件是機(jī)械結(jié)構(gòu)液壓缸，以及執(zhí)行原件電磁閥等。據(jù)平臺(tái)頂驅(qū)故障統(tǒng)計(jì)情況，頂驅(qū)故障一般為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和各種傳感器故障，其中傳感器故障可以在加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)控的情況下進(jìn)行應(yīng)急處理，而對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)則只能搶修設(shè)備。

發(fā)生故障的機(jī)理十分復(fù)雜，故障類型多樣，一個(gè)系統(tǒng)往往不止有一種故障類型。掌握設(shè)施的故障類型需要大量的經(jīng)驗(yàn)，特別是要利用故障類型、影響分析來積累經(jīng)驗(yàn)[6]。為此平臺(tái)方現(xiàn)在對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的任何故障現(xiàn)象原理及分析過程進(jìn)行存檔記錄，便于統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障發(fā)生的頻率和季節(jié)環(huán)境及工況的關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上平臺(tái)頂驅(qū)一般在夏季或者長時(shí)間不使用的情況下，會(huì)出現(xiàn)頂驅(qū)絕緣低的故障。冬季和頂驅(qū)轉(zhuǎn)速超過120 r/min時(shí)，軸承易出現(xiàn)問題。這些經(jīng)驗(yàn)可以在很大程度上提高維保的針對(duì)性，以便采取相應(yīng)的措施杜絕或減緩故障發(fā)生的頻率。

3.3" " 分析步驟

對(duì)于故障的分析，一般包括以下兩個(gè)方面。

第一，掌握和了解對(duì)象系統(tǒng)。首先要深入了解系統(tǒng)，熟悉系統(tǒng)的工作原理、工作過程，同時(shí)確定分析的詳細(xì)程度，要正確區(qū)分故障現(xiàn)象和故障原因，實(shí)際過程中這兩方面容易混在一起，難于分辨。分析故障原因時(shí)，可以從內(nèi)因和外因兩個(gè)方面著手[6]。如頂驅(qū)平衡液缸的上跳功能失效，不能上跳是設(shè)備呈現(xiàn)的故障現(xiàn)象。在解析時(shí)，應(yīng)該了解上跳功能實(shí)現(xiàn)的具體過程，以及現(xiàn)在不能上跳的原因。平衡液缸不能上跳的原因，是電磁閥不能正常工作，或者是上跳壓力設(shè)定不合理。另外，還需確定以下方面：一是要了解設(shè)備的工作流程和操作流程，如前面所述，要充分了解設(shè)備各項(xiàng)動(dòng)作的基本原理，這樣可以在整體上對(duì)設(shè)備有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)；二是對(duì)象系統(tǒng)不止包括液壓系統(tǒng)，還包括電氣系統(tǒng)，小到邏輯程序，大到機(jī)械結(jié)構(gòu)，都要對(duì)故障類型進(jìn)行分析，應(yīng)對(duì)故障類型進(jìn)行正確的判斷，判斷設(shè)備故障是電氣故障還是機(jī)械故障，電氣故障是在傳感器上還是在電路控制上，機(jī)械故障是發(fā)生在液壓系統(tǒng)中還是存在于機(jī)械結(jié)構(gòu)中。

第二，故障發(fā)生后，應(yīng)快速判斷出該故障引發(fā)的一系列問題。有沒有應(yīng)急措施，在保障設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，爭取合適的時(shí)間進(jìn)行搶修。如必須立刻進(jìn)行搶修，應(yīng)考慮怎么做才能合理快速地解決問題。

4" " 結(jié)束語

頂驅(qū)是機(jī)電液一體化的鉆井設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，故障具有多樣性和突發(fā)性。由于其在鉆井平臺(tái)的生產(chǎn)中扮演著舉足輕重的角色，因此加強(qiáng)日常頂驅(qū)各項(xiàng)功能的監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在問題，做到預(yù)防性維護(hù)極其重要。頂驅(qū)故障的解決過程牽涉到機(jī)電液各方面，是一項(xiàng)綜合性的邏輯推理分析，需提高對(duì)設(shè)備原理的認(rèn)識(shí)。本文以頂驅(qū)工作原理的研究、北石頂驅(qū)在生產(chǎn)中典型故障的分析為依據(jù)，提出頂驅(qū)故障分析的種類、原則、方法，以及頂驅(qū)維護(hù)保養(yǎng)的重點(diǎn)，以便將來在發(fā)生頂驅(qū)設(shè)備故障時(shí)能夠快速找到故障的原因，并及時(shí)解決設(shè)備的故障問題。

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作者簡介：

梁甲祥（1985—），男，天津人，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井平臺(tái)電氣設(shè)備管理和維保工作。Email：405525870@qq.com

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