15CrMoG耐热钢管道焊接施工工法.docx
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15CrMoG耐热钢管道焊接施工工法
15CrMoG耐热钢管道焊接施工工法
1前言
耐热钢中以珠光体铬钼耐热钢应用最广，因为这类钢一般适用于350-550℃之间，同时，这类钢的合金元素含量相对较少，一般都属于低合金钢的范畴，因为合金钢是在碳钢中加入少量的合金元素，钢的性能就发生了变化，就得到了碳钢所没有的性能，即耐高温、抗氧化、抗蠕化和良好的持久强度,由于合金元素小于3.5%，所以称作低合金，简称合金钢。
它的耐热性和强度均超过不锈钢，但是价格比不锈钢便宜得多，适用于在各种高温高压条件下工作的介质管道。
例如在攀钢煤化工厂外线工艺管道施工项目中，该工程管道φ273×11共1200米，其设计温度为480℃，设计压力为5.5Mpa，并且管道材质为15CrMoG耐热合金钢，这类高温高压的特殊材质管道以前我公司未施工过,所以还没有完善和成熟的施工工艺及经验可以借鉴。
由于合金钢的化学成分和性能与碳素钢、不锈钢存在较大的区别，所以施工15CrMoG耐热合金钢的焊接工艺及步骤都比碳素钢、不锈钢要求更高，也更严格和复杂。
因此掌握此项新技术、新工艺中所有技术参数是具有较大的技术难题。
为了保证焊接质量，公司成立了专题攻关技术小组，开展科技创新，取得了“15CrMoG耐热钢管道焊接技术”这一新成果，并且该技术于2006年通过攀钢冶金技术有限公司（原攀冶建公司）科技质量部组织的科技成果鉴定，获公司科技进步一等奖；在2007年4月全国冶金施工系统QC成果发布会上获得二等奖。
该技术填补了我公司在15CrMoG耐热合金钢焊接技术方面的空白，优化了生产工艺，提高了劳动生产率，保证了焊接质量，为公司创造了良好的社会效益和经济效益。
2工法特点
2.1由于15CrMoG钢中含有较高含量的Cr、C和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接接头淬硬倾向大，可能出现冷裂纹,因此15CrMoG钢焊接时，焊接材料的选择和严格的工艺措施，对于防止焊缝产生裂纹，保证管道使用性能至关重要。
所以15CrMoG耐热合金钢与碳素钢、不锈钢等管道相比不管从施工工艺还是施工时所使用的工机具要求都更高，也更复杂。
因此通过本工法的实施,使我公司的管道施工综合能力得到很大的提高,填补了我公司在15CrMoG耐热合金钢安装技术方面的空白，优化了生产工艺，提高了劳动生产率，保证了焊接质量，为公司创造良好的社会效益。
更为今后公司施工同类管道奠定了坚实的基础，提高了市场竞争能力。
2.2本工法贯彻实施后，使我公司得以熟练掌握15CrMoG材质高温高压蒸汽管道的打磨、预热、焊接、层间温度、焊后缓冷、焊缝及管道的热处理等所有工序及每个工序的具体要求及相关参数。
为今后公司施工同类合金管道将起到较大的指导作用。
3适用范围
适用于管道介质在10MPa、550℃以下的15CrMoG材质或同类型材质的高温、高压蒸汽管道或其它介质管道的焊接。
4工艺原理
为了保证耐热钢具有较好的高温强度和高温抗氧化性能,要加入一定量的Cr和Mo,但含有Cr和Mo的钢焊后在空气中冷却时,具有明显的淬硬倾向,焊缝和热影响区出现硬而脆的马氏体组织,不仅影响焊接接头的力学性能,而且引起很大的内应力,容易产生裂纹。
耐热钢焊缝及热影响区的淬硬倾向主要和以下因素有关：
Cr和C的含量越多,硬化越严重；焊件越厚,截面积越大（也就是焊件的刚性越大）硬化越严重；焊件不预热或预热温度过低（特别在冬季施焊时）硬化越严重;焊接时的线能量越小,硬化越严重。
此外，焊缝中扩散氢的含量较高也是导致15CrMoG耐热钢焊缝或热影响区产生裂纹的重要原因。
为保证焊接质量，在焊接时必须选用碱性低氢型焊条，严格按技术要求进行预热，保持层间温度、焊后缓冷并及时进行热处理等工艺措施。
5施工工艺流程及操作要点
15CrMoG耐热合金钢之所以能在一定的高温（350-550℃）下长期稳定的工作,是因为它具有比一般低碳钢更好的高温力学性能和高温抗氧化性能,因为普通碳素钢在高温时，不仅强度低，而且会发生氧化，温度越高，氧化越严重。
而氧化铁很粗疏，因而导致氧化过程不断向钢材内部进行，加速钢材的破坏。
如果在钢中加入铬（Cr），则由于铬（Cr）和氧（O）的亲和力比铁（Fe）与氧（O）的亲和力大，高温时，在金属表面首先形成氧化铬，致密的氧化烙在金属表面形成一层保护膜；因而能防止内部金属受到氧化。
但是由于15CrMoG钢中含有较高含量的Cr、C和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接性差。
15CrMoG钢的化学成分如下：
C：
0.16%，Si：
0.27%，Mn：
0.55%，Cr：
0.95%，Mo：
0.50%，S≤0.40%，P≤0.035%，其碳当量（按国际焊接协会11W）推荐的公式：
Ceq＝C＋Mn/6＋（Cr＋Mo＋V）/5＋（Ni＋Cu）/15＝0.545%
根据经验：
当Ceq＞0.4%时，焊接接头淬硬倾向大，可能出现冷裂纹，而15CrMoG钢的碳当量Ceq值已达0.545%，故15CrMoG钢的淬硬倾向大，焊接性差，因此15CrMoG钢焊接时，焊接材料的选择和制定严格的焊接工艺措施，对于防止裂纹，保证使用性能至关重要。
5.1施工工艺流程
5.2操作要点
5.2.1焊接工艺评定
1.焊接材料的选择
针对15CrMoG钢的焊接特点及材质性能表，参照国家相关规范上的焊接工艺要求，我们选择了两种方案进行焊接试验。
方案Ⅰ：
焊接预热，采用焊丝PP.TIG-R30，规格为Φ2.5的焊丝手工钨极氩弧焊打底。
采用牌号为CHH307（如图5.2.1-2）、规格为Φ3.2×350的焊条电弧焊盖面。
焊后进行局部热处理。
方案Ⅱ：
采用ER80S-B2L焊丝，规格为Φ2.5的焊丝手工钨极氩弧焊打底，采用牌号为E309Mo-16、规格为Φ3.2焊条填充电弧焊盖面，焊后不进行热处理。
焊丝和焊条的化学成分及力学性能见表5.2.1-1。
表5.2.1-1焊接材料的化学成分和力学性能
型号
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
S
P
δb/Mpa
δ5/%
PP.TIG-R30
0.059
0.85
0.58
1.27
0.54
0.004
0.015
550
31
CHH307
0.072
0.66
0.40
1.230
0.466
0.010
0.016
585
24
ER80S-B2L
0.05
0.7
0.4
1.2
0.15
0.5
0.020
0.02
500
25
E309Mo-16
0.10
0.62
0.9
23
13
2.0
0.025
0.03
550
25
2.焊前准备
试件采用15CrMoG钢管,规格为φ273×11，坡口型式及尺寸见图5.2.1-3。
焊前用角向磨光机将坡口内外及坡口边缘50mm范围内打磨至露出金属光泽，然后用丙酮清洗干净。
试件为水平固定位置，对口间隙为3-3.5mm，采用手工钨极氩弧焊沿圆周均匀点焊六处，每处点固长度不小于20mm。
焊条按表5.2.1-2的规范进行烘烤。
焊接接头：
对接详图：
α
坡口形式：
c
衬垫h
α=60°
p=1.5-2δ
b=3-3.5p
δ=11b
图5.2.1-3
注：
第一层为手工氩弧焊；第二、三、四层为手工电弧焊
表5.2.1-2焊条烘烤规范
焊条型号
烘烤温度
保温时间
CHH307
350℃
2h
E309Mo-16
150℃
1.5h
3.焊接工艺参数的选择
按方案Ⅰ焊前需进行预热，根据计算预热温度公式：
To=350√[C]-0.25（℃）（5.2.1-1）
式中，To——预热温度，℃。
[C]=[C]x+[C]p[C]p=0.005S[C]x
[C]x=C+（Mn+Cr）/9+Ni/18+7Mo/90式中，
[C]x——成分碳当量；
[C]p——尺寸碳当量；S——试件厚度（本文中S=11mm）
[C]x=C+（Mn+Cr）/9+7/90Mo=0.361
[C]p=0.045则To=138℃
因此预热温度选为150℃。
采用氧-乙炔火焰对试件进行加温，用测温仪判断试件表面的温度，测量点至少应选择三点，以保证试件整体均达到所要求的预热温度150℃。
焊接时，第一层采用手工钨极氩弧焊打底，为避免仰焊处焊缝背面产生凹陷，送丝时采用内填丝法，即焊丝通过对口间隙从管内送入。
其余各层采用焊条电弧焊，共焊4层，每个焊层一条焊道。
方案Ⅰ和方案Ⅱ的焊接工艺参数见表5.2.1-3、4。
表5.2.1-3方案Ⅰ的焊接工艺参数
焊道
名称
焊接
方法
焊接
材料
焊材规格/mm
焊接电流/A
电弧电压/V
预热及层间温度
热处理规范
打底层
钨板氩弧焊
PP.TIG-R30
Φ2.5
110
23
填充层
焊条电弧焊
CHH307
Φ3.2
90-110
22-25
150-200
715℃/75min
盖面层
焊条电弧焊
CHH307
Φ3.2
90-110
22-25
表5.2.1-4方案Ⅱ的焊接工艺参数
焊道
名称
焊接
方法
焊接
材料
焊材规格/mm
焊接电流/A
电弧电压/V
预热及层间温度
热处理
规范
打底层
钨板氩弧焊
ER80S-B2L
Φ2.5
110
12
填充层
焊条电弧焊
E309Mo-16
Φ3.2
100-120
22-24
盖面层
焊条电弧焊
E309Mo-16
Φ3.2
100-120
22-24
按方案Ⅰ焊接时，层间温度不低于150℃，为防止中断焊接而引起试件的降温，焊接过程中随时用测温仪检查试件焊缝表面的温度，并且施焊时最好由二名焊工交替操作，焊后立即采取保温缓冷措施。
4.焊后热处理
采用方案Ⅰ焊接的试件，焊后立即进行局部高温回火处理。
根据国家规范技术要求及反复试验总结出热处理的工艺为：
升温速度为200℃/h，升到715℃保温1小时15分钟，降温速度100℃/h，降到300℃后空冷。
具体采用电加热器包绕焊缝，用硅酸铝棉层保温，保温层厚度50mm，温度控制采用电加热器自动控温仪控制。
5.焊接工艺评定试验结果
试件焊后按JB/T4730.2-2005《承压设备无损检测》及GB50236-98《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》标准进行100%的X射线照相检验，焊缝Ⅱ级合格。
按JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》及GB50236-98《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》标准进行焊接力学性能评定试验。
试件评定结果见表5.2.1-5及图5.2.1-9。
表5.2.1-5焊接工艺评定试验结果
试验
方案
抗拉强度δb/Mpa
断裂部位
弯曲角度
面弯
背弯
焊缝
熔合线
热影响区（HB）
方案Ⅰ
550/530
母材
180
合格
合格
84.8
162
136
方案Ⅱ
525/520
母材
180
合格
合格
79.4
109
97
从上表5.2.1-5（图5.2.1-9）拉伸试验结果可知，两种方案的拉伸试样全部断在母材，说明焊缝的抗拉强度高于母材；弯曲试验全部合格，说明焊缝的塑性较好。
根据表5中的冲击韧性试验结果可知，方案Ⅰ的冲击韧性明显高于方案Ⅱ，证明方案Ⅰ的焊后热处理结果比较理想，高温回火不仅达到了改善接头组织和性能的目的，而且使韧性与强度配合适当。
方案Ⅰ采用了与母材成分接近的焊条，焊缝性能同母材匹配，焊缝具有较高的热强性，焊缝在高温下长期使用不易破坏。
难点是焊后热处理要求较为严格，回火温度和保温时间及加热和冷却速度控制不当反而会引起焊缝性能下降。
方案Ⅱ采用了奥氏体不锈钢焊条施焊，虽然可以省去焊后热处理，但由于焊缝与母材膨胀系数不同，长期高温工作时可发生碳的扩散迁移现象，容易导致焊缝在熔合区发生破坏、裂纹，存在安全隐患。
因此，从使用可靠性考虑及保证焊接质量，现场采用方案Ⅰ施焊更为稳妥，并编制详细的焊接工艺指导书。
5.2.2施工准备
1.施工人员要熟悉施工图纸，掌握有关设计、施工规范的要求。
并作好施工人员施工前的培训工作。
2.组织工程技术人员和测量人员对管道基础进行验收及复查。
3.对已到货的管道、管件应设置专人看管，并且要与其他材质的管道分开严禁不同材质的管道混放混装，不同材质的管道、管件并应作好相应的标记。
4.管道组成件及管道支撑件在施工过程中也应妥善保管，不得混淆或损坏，其色标或标记应明显清晰。
材质为有色金属的管道组成件及管道支撑件，在使用及储存期间不得与碳素钢接触。
暂时不能安装的管子，应封闭管口。
5.2.3焊接材料验收及复检
1.焊条、焊丝的选用，应按照5.2.1焊接工艺评定中的规定进行验收。
2.施工现场的焊接材料贮存场所及烘干、去污设施，应符合国家现行标准《焊条质量管理规程》JB3223的规定，并建立保管、烘干、发放制度,并应做好书面记录。
3.氩弧焊所采用的氩气应符合现行国家标准《氩气》GB4842的规定，且纯度不应低于99.9%。
5.2.4管道预制及焊条的烘烤
1.以图纸为依据准备好弯头、管道，焊缝坡口形式及尺寸见焊接工艺评定图5.2.1-3。
2．焊条需要设置专人保管和烘烤，焊条的烘烤采用远红外焊条烘干机（型号ZYH-100），其焊条的烘烤温度为350℃~380℃，烘烤时间为1小时。
焊条从烤箱中取出后必须放进保温桶内使其焊条能保持恒温，做到随取随用。
焊条冷却了就不能使用，如要使用必须重新烘烤，要注意焊条烘烤不能超过两次，超过两次后就不能使用。
焊条发放必须做好书面记录。
5.2.5管道焊缝的预热
预热可以说是15CrMoG耐热钢焊接时最重要的措施。
不但正式焊接时要预热，进行定位焊或焊接组装用的卡具时也应同样进行预热。
以免在定位焊或焊接卡具处产生裂纹。
因此必须正确地选择预热温度和方法。
根据焊接工艺评定结果其施工15CrMoG耐热钢高温高压蒸汽管道的预热方法为：
用手工操作法即用氧气乙炔火焰均匀加热，预热时应使焊口两侧及内外壁的温度均匀，以防止局部过热，边加热边用红外线测温仪（可测-30—900℃）控制其预热温度。
预热温度为150℃~200℃，如焊缝需返修其预热温度应比原来高。
5.2.6管道的焊接及保持层间温度
因为15CrMoG耐热钢的裂纹倾向较大，所以在焊接时应设法减小焊缝的拘束度，尽量在自由状态下焊接，以免因刚性过大而引起过大的内应力导致焊缝产生裂纹。
为此，除了要求班组在施工时要严格按照焊接工艺指导书的焊接顺序和方向施焊外，还要注意不可对焊件进行强制性固定。
所以在施工时先将管道在自由状态下对接好，并且坡口达到要求及焊缝预热温度（150℃~200℃）符合要求后方可施焊，焊缝分为四层：
第一层为钨极氩弧焊打底，第二、三、四层为焊条电弧焊盖面。
焊接过程中的层间温度不应低于其预热温度，这样才能保证焊接接头不致产生淬硬甚至裂纹。
但也不能过高，以免过烧，使晶粒粗大，降低性能。
（很明显，保持层间温度有和焊前预热同样的作用。
如果只注意预热而不保持层间温度，那么预热也就失去了意义。
因为预热只能保证第一层焊缝的施焊温度，在以后各层施焊时，层间温度就是其预热温度。
）每焊完一次必须用砂轮机清根以防止夹渣。
焊缝最好一次成型，如有断续焊缝必须重新预热。
在氩弧焊时，应做好防风措施以防止焊缝产生气孔。
每焊完一道焊缝必须用保温材料将焊缝包裹好，以防止焊缝冷却太快产生裂纹。
5.2.7焊缝的探伤检测
根据规范及设计要求焊缝做100%的超声波检验、25%的焊缝做射线照相检验（其中方型补偿器做100%射线照相检验）。
检验不合格的焊缝应进行返修，返修前进行质量分析，分析造成不合格的原因，针对原因采取对应措施。
当同一部位的返修次数超过两次时，应制定返修措施并经焊接技术负责人审批后方可返修。
补焊工艺应与原焊接工艺相同。
5.2.8焊缝的热处理
15CrMoG耐热钢焊后必须进行热处理，而且应尽快进行。
因为15CrMoG耐热钢产生的裂纹带有延迟性，也就是焊后当时不裂，待焊件冷却一段时间后才出现裂纹。
而焊后立即进行热处理是避免延迟裂纹的最有效措施。
其焊后热处理工艺方法是：
a、当用加温设备将温度升到400℃以上时加热速度应不大于330℃/h；b、焊后热处理恒温时间应为每25mm壁厚恒温1小时，且不得少于15分钟，在恒温期内最高与最低温度应低于65℃；c、恒温后的冷却速度不应大于260℃/h，400℃以下自然冷却。
其热处理曲线图及现场热处理图片如下图5.2.8-1.
温度（℃）
700
500
300
100
01234时间（h）
图5.2.8-1热处理曲线图
5.2.9焊缝硬度检测
当对15CrMo管道经过热处理后应及时用硬度仪（牌号HLM-100）测量焊缝及热影响区的硬度值,其硬度值应符合设计文件规定。
15CrMoG管道焊缝不宜大于母材硬度（布氏硬度HB170）的125%，即不大于HB212.5；热影响区的硬度值不大于母材硬度（布氏硬度HB170）；检验数量不应少于热处理焊口总数的10%。
如用硬度仪测得的哪条焊缝及热影响区的硬度值不符合要求，则应及时进行重新热处理，处理方法同第5项一样。
5.2.10管道试压、保温、吹扫
以上所有工序全部合格后即可按规范及图纸要求进行试压、保温、吹扫及送气运行。
6材料与设备
6.1施工用主要设备一览表
序号
机械或设备
名称
型号规格
数量
国别
产地
制造
年份
完好情况
备注
1
电焊机
BX2-1000
10台
完好
自有
2
氩弧焊机
8台
完好
自有
3
远红外焊
条烘干机
ZYH-100
1台
温州电焊机厂
2000年
完好
自有
4
X射线探伤机
XXQ-3005
1台
辽宁丹东
2005年
完好
自有
5
X射线探伤机
XXQ-2505
1台
辽宁丹东
2005年
完好
自有
6
超声波探伤仪
CTS-22
2台
2000年
完好
自有
7
红外线测温仪
2台
2001年
完好
自有
8
电加热控制仪
ZWK-1-30
1台
2005年
完好
自有
9
硬度检测仪
HLM-100
1台
2001年
完好
自有
10
汽车起重机
8t
1台
1999年
完好
自有
6.2施工用主要工机具及材料一览表
序号
主要机具名称
规格型号
数量
备注
1
磨光机
10台
2
手动倒链
1-20t
5台
3
千斤顶
1-300t
5台
4
钢盘尺
50m
3把
5
钢板尺
1m
5把
6
水平尺
0.02mm
5把
7
卡环
各种
10个
8
温度计
3只
9
8mm厚钢板
2张
10
焊丝
PP.TIG-R30
100kg
焊条
CHH307
300kg
11
干粉灭火器
10台
12
氧气瓶
80瓶
13
乙炔瓶
80瓶
7质量控制
7.1施工前对作业班组全体成员认真做好技术交底、现场交底，要求班组及时熟悉图纸，掌握焊接顺序及质量要求，并严格按施工方案进行施工。
7.2成立质量技术监督小组，坚持开展质量周检查活动，对施工中出现不按规范和不符合设计要求的质量问题，应督促班组及时整改。
7.3设备、管道安装应参见设计安装技术要求及安装说明。
同时应满足以下现行冶金行业规范的相关规定：
7.3.1《工业金属管道工程施工及验收规范》GB50235-97；
7.3.2《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》GB50236-98；
7.3.3《管道焊接技术》化学工艺出版社；
7.3.4《压力管道焊接》学苑出版社；
7.3.5《焊接手册》（材料的焊接）第二版机械工艺出版社；
7.3.6《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》GB3323-87；
7.3.7《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分析》GB11345-89；
7.4安装前必须对管道支架标高、定位轴线、基础轴线等进行检查，轴线标志及标高基准点应准确。
7.5现场安装焊接的电、气焊工必须考试合格，并取得相应的操作证方可上岗作业。
7.6焊缝出现裂纹时焊工不得擅自处理，待查清原因，制订出修补工艺后方可处理。
并且同一焊缝部位返修次数不宜超过两次，如超过两次应按返修工艺进行。
焊接完毕，焊工应将焊缝表面的溶渣及两侧飞溅物清除干净，检查焊缝外观质量，合格后在工艺规定焊缝及部位打上焊工钢印。
8安全措施
8.1参加现场施工人员都必须接受安全技术教育，开工前由安全科结合现场施工情况负责安全教育。
对新进场的工人必须进行两级安全教育；工地由安全员负责；班组由兼职安全员负责。
8.2施工现场设专职安全员，班组设兼职安全员。
对本职管辖范围应经常进行安全检查，贯彻安全技术措施的实施，对本管辖范围安全负全面责任。
8.3施工现场应悬挂安全标志牌，危险吊装地带应设安全路障或挂牌明示，并划出安全界区。
夜间施工应有红灯警示。
8.4电焊机二次线，地线禁止与钢丝绳接触，不得用钢丝绳和施工安装设备来代替零线，所有线接头必须固紧。
8.5乙炔瓶必须经常检查瓶口阀门无漏气，不得与氧气瓶同放一处，气割或施焊的位置应离开易燃易爆物距离大于10m，不得放在施焊或切割作业的正下方。
8.6氧气瓶不得在烈日下曝晒，并应防止油类污染，在临时场所施工时，氧气瓶上应设临时棚架遮盖之。
8.7从事高空作业人员应进行体格检查，患有高血压、心脏病及不适宜高空作业人员不得从事高空作业。
采用立梯高空作业，踏步不得缺层，上部应绑牢。
采用人字梯高空作业时，挡踏处应用绳索系牢，保持人字梯、立梯架设坡度在35°与60°之间，柱子根部应采取防滑措施。
8.8超过2m以上高空作业者须系安全带，高空作业人员应将材料、机具、工具放置妥当，以免掉下伤人，严禁随意往下乱扔物件。
8.9吊装机具钢索、绳索，吊装构件前应进行严格检查，对不符合安全规范要求的，须进行修理或更换。
吊装设备用的工机具、钢绳、滑轮组、吊环等，要有足够的安全系数，不许以小代大。
9环保措施
9.1施工现场“一图六牌”齐全，即总平面示意图，施工公告牌、工程概况牌、施工进度牌、安全纪律牌、各种标牌（包括其它标语牌）应悬挂在门前或场内明显位置。
9.2施工现场划区管理，每道工序都注意做好文明整洁工作；建筑垃圾及时清运，开挖场地及时平整；材料和工具及时回收、维修、保养、利用、归库，做到工完料净、场清、各工序成品保护好。
9.3工地现场悬挂文明施工标志牌、条幅、张贴宣传标语，采用多种形式，向项目部全体员工进行文明施工教育，提高全员文明施工意识。
施工场地场容整洁，各种材料、机具堆放、停置有序，并作标识。
施工垃圾设置专用场地堆放，并且将可回收与不可回收的垃圾分开并作好相应的标识。
9.4主要污染源
杂物：
如废钢管、支架、焊条及焊渣等，要由专人收集，统一堆放，由公司废钢厂统一回收。
噪声：
噪声污染源主要来自组对打磨管道作业工程，通过选用低噪声设备等噪声控制措施，噪声强度可降低10～15dB（A），经距离衰减后基本可满足相关标准限值要求
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