AP1000核電站施工期間防護(hù)涂層失效的原因及對(duì)策

李炳穎*，林金平，朱瑞峰

（國(guó)核工程有限公司，上海 200233）

AP1000核電站施工期間防護(hù)涂層失效的原因及對(duì)策

李炳穎*，林金平，朱瑞峰

（國(guó)核工程有限公司，上海 200233）

基于山東海陽(yáng)核電項(xiàng)目，對(duì)AP1000核電站獨(dú)特的模塊化建造施工工藝帶來(lái)的防護(hù)涂層破壞問(wèn)題進(jìn)行了分析：“開(kāi)頂法”施工使涂層遭受光照和雨水侵蝕，潮濕的環(huán)境有利于霉菌生長(zhǎng)并加速對(duì)涂層的浸蝕，運(yùn)輸、組裝、吊裝、焊接等施工過(guò)程造成涂層損傷，涂層體系選擇不當(dāng)，等等。提出了相應(yīng)的解決措施：合理安排施工進(jìn)度，加蓋臨時(shí)覆蓋物，加強(qiáng)排水通風(fēng)，將用于混凝土墻面的內(nèi)墻涂料Dry Fall改為耐輻射、防潮防污、耐老化性能好的Macropoxy646涂料，采用“無(wú)機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合涂層體系代替環(huán)氧單層漆用于結(jié)構(gòu)模塊和鋼結(jié)構(gòu)件等。

核電站；模塊化施工；防腐；涂層；失效

First-author's address： State Nuclear Power Engineering Company， Shanghai 200233， China

AP1000核電機(jī)組作為當(dāng)今世界上最先進(jìn)、最安全的第三代核電技術(shù)，目前正在浙江三門和山東海陽(yáng)如火如荼地開(kāi)展。其創(chuàng)新性的模塊化建造方式，創(chuàng)造了土建與安裝平行施工的先例，減少了計(jì)劃主線上的實(shí)體工作量，大大縮短整個(gè)核電建造工期［1］。但這一建造模式也帶來(lái)了一些負(fù)面作用，模塊化建造必須采用“開(kāi)頂法”施工：廠房需要所有的土建施工和模塊設(shè)備安裝完成之后才能進(jìn)行封頂，致使防護(hù)涂層長(zhǎng)期處于異于核電站建設(shè)完畢后的外界環(huán)境中，再加上土建與安裝并行的交叉施工模式，最終導(dǎo)致防護(hù)涂層出現(xiàn)大面積的污染、變色、霉斑、鼓泡、脫落等質(zhì)量問(wèn)題，需要多次返工返修，造成工程進(jìn)度延長(zhǎng)和費(fèi)用增加。

本文結(jié)合AP1000核電站的施工特點(diǎn)，研究了防護(hù)涂層的產(chǎn)品性能，分析了涂層破壞的原因，為有效緩解防護(hù)涂層在施工期間失效的問(wèn)題，提出有針對(duì)性的改進(jìn)措施，為AP1000核電站及其后續(xù)國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目提供借鑒。

1　AP1000核電模塊化建造對(duì)防護(hù)涂層的影響

傳統(tǒng)的核電建設(shè)模式一般是先土建后安裝，即先將土建廠房建設(shè)起來(lái)，再將設(shè)備通過(guò)龍門吊、設(shè)備閘門等運(yùn)入廠房?jī)?nèi)。而AP1000核電機(jī)組采用模塊化建造，現(xiàn)場(chǎng)土建與安裝并行，主體結(jié)構(gòu)和部件在工廠模塊化預(yù)制和拼裝，平行于核島現(xiàn)場(chǎng)主體工程建設(shè)，從而大大減少計(jì)劃主線上的實(shí)體工作量，起到優(yōu)化施工工藝、合理壓縮工期的目的。但這一建設(shè)模式的開(kāi)頂法施工、模塊化預(yù)制、運(yùn)輸?shù)跹b及交叉施工等直接影響到防護(hù)涂層的使用壽命。

1. 1 “開(kāi)頂法”施工導(dǎo)致雨水侵蝕和潮濕環(huán)境問(wèn)題

與模塊化建造相輔相成的是開(kāi)頂法施工，它使大型模塊和構(gòu)件提前進(jìn)入，再進(jìn)行廠房封頂。這種建設(shè)雖然可以有效減少現(xiàn)場(chǎng)絕對(duì)工期，但也帶來(lái)一個(gè)實(shí)際問(wèn)題：廠房在封頂或房間封閉之前就要移交供模塊設(shè)備安裝就位的空間。房間移交時(shí)，要先完成墻面和地面的油漆涂層，但在廠房上部還未封頂時(shí)，排水系統(tǒng)并未發(fā)揮作用，雨季雨水可自然下流至標(biāo)高的較低位置。而雨水流過(guò)后，會(huì)給墻面涂層尤其是水性油漆帶來(lái)破壞性的影響。而標(biāo)高位置較低的房間雖然未直接受到雨水侵蝕，但長(zhǎng)時(shí)間的水氣下沉、房間封閉且通風(fēng)不暢，使空氣濕度增大。在夏季施工時(shí)，晝夜冷熱交替會(huì)在墻壁和地面上形成結(jié)露。防護(hù)涂層長(zhǎng)期處于這種潮濕的環(huán)境下，逐漸被侵蝕而發(fā)生鼓泡，甚至有脫落現(xiàn)象。同時(shí)，這種潮濕的環(huán)境也給霉菌提供了有利的生長(zhǎng)條件［2］，如各種灰塵、工人汗跡以及水性涂料環(huán)境，給無(wú)處不在的微生物提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在經(jīng)歷夏天適宜的生長(zhǎng)溫度后，微生物便開(kāi)始生長(zhǎng)繁殖，最終在涂層表面形成霉斑。

1. 2模塊化預(yù)制導(dǎo)致的光照輻射影響

鋼結(jié)構(gòu)和模塊一般在車間進(jìn)行防護(hù)涂層施工，特別是結(jié)構(gòu)模塊干面（碳鋼 A36），需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝，其順序?yàn)椋很囬g制作─涂漆─現(xiàn)場(chǎng)組裝─吊裝就位─設(shè)備、大宗物項(xiàng)安裝─封頂。

在拼裝、運(yùn)輸、吊裝、一直到廠房封頂之前，內(nèi)部模塊和鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層會(huì)長(zhǎng)時(shí)間暴露在露天環(huán)境中，受陽(yáng)光照射，而光照輻射是導(dǎo)致涂層破壞的一個(gè)重要因素。原因是涂料中的高聚物經(jīng)光照引起高分子結(jié)構(gòu)發(fā)生物理化學(xué)變化，宏觀表現(xiàn)為涂層表面失光、變色、粉化、變脆、開(kāi)裂等。實(shí)際上，在涂層沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂、粉化前，其抗?jié)B性能已經(jīng)下降，并喪失了保護(hù)性能［3］。與此同時(shí)，涂層經(jīng)光照輻射，其吸水率明顯增加，吸入的水將引起涂層表面出現(xiàn)起泡、剝離現(xiàn)象，加速氧和電解質(zhì)的擴(kuò)散，從而加速涂層下金屬的腐蝕，導(dǎo)致涂層失效［4］。

1. 3運(yùn)輸?shù)跹b及交叉施工的影響

AP1000核電機(jī)組的許多構(gòu)件或設(shè)施在涂層施工完畢后，會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里經(jīng)歷各種施工條件和施工環(huán)境，涂層不可避免地遭受破壞。以CA01結(jié)構(gòu)模塊為例，在第一罐混凝土澆注（FCD）之前，CA01子模塊便開(kāi)始在工廠預(yù)制并進(jìn)行涂裝施工，然后運(yùn)抵拼裝場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝。組裝過(guò)程中，子模塊會(huì)經(jīng)受多次吊裝、焊接熱應(yīng)力和焊渣迸濺等因素的影響；組裝完成后，CA01再進(jìn)行整體運(yùn)輸?shù)跹b就位。CA01從安裝就位到CV頂封頂，歷時(shí)近3 a的時(shí)間，除了一直暴露于大氣環(huán)境中，還要經(jīng)歷反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部107’平臺(tái)、118’鋼結(jié)構(gòu)和135’平臺(tái)這三大平臺(tái)以及反應(yīng)堆壓力容器（RV）、蒸發(fā)器、主管道等設(shè)備的安裝等各種工況的交叉施工影響，如果缺乏必要的保護(hù)措施，防護(hù)涂層將遭到破壞。

1. 4涂層產(chǎn)品性能對(duì)防護(hù)涂層的影響

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，施工期間防護(hù)涂層破壞最為嚴(yán)重的分別為混凝土面上的水溶性 Dry Fall涂料（Waterborne Acrylic Dry Fall）和鋼表面上單涂層自打底高固態(tài)環(huán)氧漆（Caboline890N），而與這兩種油漆處于類似環(huán)境的溶劑型油漆（Macropoxy646）和“無(wú)機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合系統(tǒng)卻未出現(xiàn)明顯的質(zhì)量問(wèn)題?？梢?jiàn)，涂層系統(tǒng)自身的性能也是導(dǎo)致施工期間出現(xiàn)防護(hù)涂層質(zhì)量問(wèn)題的一個(gè)重要因素。

1. 4. 1混凝土面DRYFALL水性涂料與Macropoxy646溶劑型涂料應(yīng)用對(duì)比

根據(jù)設(shè)計(jì)，島外非輻射控制區(qū)室內(nèi)墻裙以上部位要求使用 Dry Fall涂料，是山東海陽(yáng)項(xiàng)目選用宣偉（SHERWIN WILLIAMS）公司生產(chǎn)的白色內(nèi)墻專用涂料；墻裙部位面漆要求自打底高固態(tài)環(huán)氧漆（SPHSE），選用的是宣偉“Macropoxy646 Fast Cure Epoxy”環(huán)氧涂料。這兩種涂料在性能上有很大差異：Dry Fall是一種水性丙烯酸快干型內(nèi)墻涂料，僅適用于室內(nèi)環(huán)境，最低施工溫度為10 °C，涂層附著力只有408 psi（1 psi = 0.006 895 MPa）；Macropoxy646為聚酰胺型環(huán)氧涂料，屬于溶劑型環(huán)氧涂料，較Dry Fall油漆有更好的耐鹽霧、耐輻射、防潮防污和耐老化性能，1.7 °C時(shí)即可施工，涂層附著力可達(dá)1 037 psi。

海陽(yáng)項(xiàng)目中輔助廠房的多數(shù)房間內(nèi)墻均選用Dry Fall內(nèi)墻專用涂料，對(duì)于先完成結(jié)構(gòu)封頂再進(jìn)行油漆施工的程序，涂層質(zhì)量無(wú)問(wèn)題。但在AP1000“模塊化”施工中，這些墻面涂層均長(zhǎng)時(shí)間暴露于外界環(huán)境中，盡管施工過(guò)程采取了相應(yīng)的防護(hù)措施，但現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，工作面大，并受模塊、設(shè)備及管線安裝的影響，致使墻面涂層防護(hù)難度加大，給涂層造成的破壞更為嚴(yán)重。

將這兩種涂料使用于同一區(qū)域，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，在經(jīng)歷同樣的雨水侵蝕和潮濕環(huán)境后，其破壞形態(tài)有較大差異：Dry Fall油漆發(fā)生鼓泡、霉變等質(zhì)量問(wèn)題，而Macropoxy646油漆僅因表面污染出現(xiàn)輕微變色，未造成較大面積破壞，擦拭處理后，仍能較好地恢復(fù)到原來(lái)的顏色。

1. 4. 2自打底高固態(tài)環(huán)氧單涂層漆與“無(wú)機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合涂層體系對(duì)比

自打底高固態(tài)環(huán)氧涂層漆為典型的有機(jī)涂層，大量應(yīng)用于結(jié)構(gòu)模塊、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。其在施工過(guò)程中常常出現(xiàn)失光、褪色、泛黃、鼓泡、剝落、開(kāi)裂甚至脫落等現(xiàn)象。而采用“無(wú)機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合系統(tǒng)的CV安全殼內(nèi)壁107’ ～ 142’、CA20等模塊則未見(jiàn)上述現(xiàn)象。原因之一是無(wú)機(jī)富鋅涂層作為自底漆高固態(tài)環(huán)氧涂層的底漆，其只有在環(huán)氧涂層失效后才受影響；另一個(gè)原因則是無(wú)機(jī)鋅涂層對(duì)各種失效因素具有較強(qiáng)的抵抗力［5］。

2　AP1000核電站施工期間防護(hù)涂層的防護(hù)與改進(jìn)

AP1000核電站施工期間發(fā)生防護(hù)涂層質(zhì)量問(wèn)題，主要是由以上多種因素造成的。針對(duì)這些影響因素，可以考慮采取如下防護(hù)措施來(lái)緩解或避免防護(hù)涂層在施工期間被破壞。

2. 1有效降低自然因素對(duì)涂層的影響

2. 1. 1合理安排施工進(jìn)度

設(shè)計(jì)、施工中，綜合考慮各專業(yè)施工進(jìn)度，盡可能平行施工，減少間歇期，使得施工環(huán)節(jié)緊湊，有效減少模塊或鋼結(jié)構(gòu)露天放置的時(shí)間。例如，模塊在預(yù)定房間就位后，該房間上部的樓板就要及時(shí)施工到位；在綁扎完鋼筋，放置好預(yù)埋件，并完成接地線鋪設(shè)后，要及時(shí)澆筑混凝土，以減少局部腐蝕的發(fā)生［6］。

2. 1. 2合理加蓋臨時(shí)覆蓋物

當(dāng)房間內(nèi)設(shè)備安裝的施工物項(xiàng)較多，同時(shí)房間封閉前需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的施工時(shí)間時(shí)，可采取增設(shè)臨時(shí)覆蓋物（如三防布）的方式來(lái)保護(hù)房間內(nèi)墻面涂料及模塊、設(shè)備涂層。例如，對(duì)于反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部，從CA01就位到CV頂封頭安裝，要經(jīng)歷兩年多的工期，在此期間，CV內(nèi)部已經(jīng)安裝了大量的模塊、設(shè)備。為了讓提前安裝到位的這些構(gòu)件不遭受陽(yáng)光曝曬和雨水的侵蝕，在不影響施工的前提下，采取加設(shè)臨時(shí)頂蓋的方式，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)與自然環(huán)境隔離。目前，這種方式已在三門1、2號(hào)和海陽(yáng)2號(hào)核島中使用。

2. 1. 3做好排水通風(fēng)措施

海陽(yáng)地處煙臺(tái)地區(qū)，最大降雨量達(dá)313 mm/13 h，即24 mm/h，大暴雨級(jí)的降水量為70 ～ 140 mm/12 h，即5.8 ～ 11.6 mm/h，所以在AP1000核電站房封頂前，雨水會(huì)直接進(jìn)入廠房?jī)?nèi)部。因此，所有設(shè)備均需采取防雨措施，同時(shí)采取將雨水集中引導(dǎo)收集，使其匯集于臨時(shí)積水點(diǎn)，然后通過(guò)水泵將積水集中排走的措施［7］。

在降低廠房濕度方面，可采取在封閉房間內(nèi)增加除濕機(jī)的方法；在半封閉房間采取增設(shè)通風(fēng)裝置，增加空氣流通，帶走濕氣的方法。

2. 2優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)涂層工藝

2. 2. 1選擇適宜產(chǎn)品

涂料選擇應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地理位置、氣候條件、施工邏輯等情況，全方位多角度考慮，在滿足化學(xué)成分、最小干膜密度、熱傳導(dǎo)率、防火性能、鹽霧耐蝕性、耐γ輻照試驗(yàn)和模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBA）試驗(yàn)等要求之外，盡可能選擇耐候性好的產(chǎn)品。在容易受到雨水或潮濕環(huán)境侵蝕的部位，應(yīng)選擇固化快、涂層結(jié)構(gòu)致密、耐水性好的涂料。在AP1000國(guó)產(chǎn)化后續(xù)項(xiàng)目中，可以考慮將混凝土墻面上的“Dry Fall”水性涂料改為“Macropoxy646”或與其性能相近的溶劑型涂料。長(zhǎng)時(shí)間暴露在外界環(huán)境中，應(yīng)選用耐老化的涂層系統(tǒng)，如在結(jié)構(gòu)模塊金屬表面采用“無(wú)機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合涂層體系。

2. 2. 2涂層工藝改進(jìn)

根據(jù)AP1000核電依托項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)油漆體系在最后移交前，基本都要重新涂刷，有些位置甚至需要多次涂刷。為避免面漆在運(yùn)輸、存放以及施工過(guò)程中發(fā)生再次破壞，可考慮在現(xiàn)場(chǎng)涂刷最后一道面漆的辦法。目前，在后續(xù)國(guó)產(chǎn)化AP1000項(xiàng)目中的鋼制安全殼（CV）和結(jié)構(gòu)模塊（CA）涂層已經(jīng)開(kāi)始考慮改進(jìn)施工工藝。

2. 2. 2. 1鋼制安全殼（CV）油漆涂裝

AP1000鋼制安全殼油漆選用的是無(wú)機(jī)富鋅底漆 + 環(huán)氧面漆的涂層體系，后續(xù)國(guó)產(chǎn)化 AP1000項(xiàng)目，可考慮增加臨時(shí)防銹漆，并將最后一道環(huán)氧面漆在最后階段涂裝，各階段施工工藝流程如下：

（1） 車間制造階段：鋼制安全殼制造─噴砂除銹、涂裝臨時(shí)防銹漆。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)組裝區(qū)域階段：組裝、焊接、熱處理─焊縫無(wú)損檢測(cè)─噴砂除去臨時(shí)防銹漆─涂裝無(wú)機(jī)富鋅底漆，修補(bǔ)預(yù)留焊接接口及熱影響區(qū)的臨時(shí)防銹漆。

（3） 核島區(qū)域階段：運(yùn)輸、吊裝─依次就位（環(huán)焊縫對(duì)接焊、無(wú)損檢測(cè)）─焊接及熱影響區(qū)底漆涂裝，其他區(qū)域底漆修補(bǔ)─涂裝環(huán)氧面漆。

此方案增加了臨時(shí)防銹漆，在現(xiàn)場(chǎng)組裝區(qū)域涂裝無(wú)機(jī)富鋅底漆，并保持環(huán)氧面漆在最后階段涂裝，可以滿足防護(hù)要求，保證永久油漆的施工質(zhì)量，并消除最終外觀色差問(wèn)題。

2. 2. 2. 2結(jié)構(gòu)模塊（CA）油漆涂裝

結(jié)構(gòu)模塊涂層選用的是自打底高固態(tài)環(huán)氧單層漆，后續(xù)國(guó)產(chǎn)化AP1000項(xiàng)目選用的油漆產(chǎn)品允許復(fù)涂，因此可分為兩道涂裝。第1道涂裝在車間完成，涂裝膜厚80 ～ 150 μm；第2道在安裝現(xiàn)場(chǎng)完成，涂膜厚60 ～ 100 μm。最終保證70 ～ 200 μm的漆膜厚度。

該漆在車間完成第 1道涂裝后，漆膜的常規(guī)性能應(yīng)符合要求。由于核電站安裝現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，工件露天放置時(shí)間較長(zhǎng)，還有其他不確定的因素都對(duì)第1道漆膜產(chǎn)生較大的影響；因此，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行第2道涂裝時(shí)，必須對(duì)第 1道漆膜進(jìn)行去油，清除鹽分和其他雜質(zhì)，然后除去損壞的涂層，打磨除去粉化的漆膜，對(duì)堅(jiān)固涂層表面打磨拉毛、清除灰塵后，再涂裝第2道環(huán)氧面漆。若第1道漆膜有較大局部缺陷，如開(kāi)裂或脫落等，應(yīng)進(jìn)行局部噴砂，重新涂裝高固態(tài)環(huán)氧涂料。

上述防護(hù)涂層改進(jìn)方案在一定程度上可以避免施工期間因涂層失效對(duì)CA模塊的影響，以確保防護(hù)涂層的最終質(zhì)量。但長(zhǎng)期放置在室外環(huán)境，受到光照等影響導(dǎo)致的油漆變色問(wèn)題仍無(wú)法避免。

2. 2. 3控制涂層施工質(zhì)量

保證施工質(zhì)量是避免防護(hù)涂層失效的關(guān)鍵因素之一，對(duì)涂裝前、涂裝中和涂裝后控制環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)。涂裝前，應(yīng)確保將要進(jìn)行施工的涂料符合設(shè)計(jì)要求，做好涂料的進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，杜絕不合格涂層產(chǎn)品流入施工階段，并制定好嚴(yán)格的施工程序，在涂層施工前做好表面清理工作；涂裝中，要嚴(yán)格遵照涂層廠商的說(shuō)明書(shū)進(jìn)行施工，控制好單道涂層厚度及施工溫度；涂裝后，要做好涂層的養(yǎng)護(hù)工作，養(yǎng)護(hù)工作完成之前嚴(yán)禁執(zhí)行后續(xù)操作。

3　結(jié)語(yǔ)

模塊化建造技術(shù)有著其他常規(guī)核電站建造方法不可比擬的工期優(yōu)勢(shì)，是AP1000核電站的重要特點(diǎn)，需要進(jìn)一步鞏固和發(fā)展。但這種土建與安裝并行的模塊化建造模式，會(huì)導(dǎo)致已施工完成的防護(hù)涂層長(zhǎng)期暴露在陰暗潮濕或日曬雨淋的復(fù)雜施工環(huán)境中，成為致使涂層出現(xiàn)嚴(yán)重破壞的主要因素。為減小這一建造模式對(duì)防護(hù)涂層造成的負(fù)面影響，可以采取多方面措施，改進(jìn)施工環(huán)境，優(yōu)化施工邏輯，選擇合適的油漆體系并控制好施工過(guò)程等方法，來(lái)達(dá)到保護(hù)防護(hù)涂層，減少返修、返工，最終降低工程造價(jià)的目的。

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［ 編輯：韋鳳仙 ］

Cause and countermeasure of protective coating failure for AP1000 nuclear power station during construction

// LI Bing-ying*， LIN Jin-ping， ZHU Rui-feng

Based on the Shandong Haiyang Nuclear Power Plant project， the problem of protection coating failure during the special modularization construction of AP1000 nuclear power plant was analyzed as follows： open-top construction leads to coating suffering of sun light irradiation and rain water erosion； wet environment benefits the mildew growth and accelerates coating erosion； coating is easily damaged during transportation， assembly， lifting， setting， soldering， and other construction procedures； and improper coating system is selected. Some countermeasures were presented： reasonably arrange construction schedule； add temporary covering； enhance water discharge and airing； replace the Dry Fall interior wall coating for concrete wall by Macropoxy646 coating which has good resistance to irradiation， moisture， fouling， and aging； and use a composite coating system composed of inorganic zinc-rich primer plus epoxy topcoat in place of the monolayer epoxy paint for structural modules and steel structure parts.

nuclear power station； modularization construction； corrosion protection； coating； failure

TQ639

A

1004 - 227X （2015） 06 - 0331 - 04

2014-11-06

2014-12-03

李炳穎（1983-），男，山東成武人，碩士研究生，工程師，主要從事AP1000核電站設(shè)計(jì)管理。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） libingying@snpec.com.cn。