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壓水堆核電廠核級(jí)板材超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)淺析

2014-05-14 06:45:42,,
無損檢測(cè) 2014年4期
關(guān)鍵詞:板材邊緣鋼板

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(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,深圳 518124)

壓水堆核電廠一回路的設(shè)備中,如蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等壓力容器的筒體大多采用板材卷制后焊接的制造工藝。這類筒體是一回路和二回路的承壓邊界,屬于核一級(jí)部件。鑒于這類板材絕大部分在國外采購的現(xiàn)狀,在具體實(shí)施過程中,存在不同標(biāo)準(zhǔn)體系下如何正確地使用標(biāo)準(zhǔn),合理地制定驗(yàn)收準(zhǔn)則的問題。

目前,關(guān)于這類板材的超聲波檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)主要有法國標(biāo)準(zhǔn)RCCM[1](壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則)、ASME[2]核電廠規(guī)范第Ⅲ卷核設(shè)施部件建造規(guī)則,國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T2970厚鋼板超聲波檢驗(yàn)方法。

1 概述

鑒于三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來自于不同的工業(yè)體系,超聲波檢驗(yàn)方法大多引用歐洲或美國的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在編制核級(jí)板材的采購技術(shù)條件時(shí),一般做法是在這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上增加補(bǔ)充規(guī)定。主要引用的基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如下:

EN 10160《厚度大于等于6 mm鋼板的超聲波檢測(cè)》;

ASME SA-577/SA-577M《鋼板超聲波斜射波檢驗(yàn)》;

ASME SA-578/SA-578M《特殊用途普通鋼板與復(fù)合鋼板超聲直射波檢驗(yàn)》。

RCCM是建立在法國工業(yè)體系上的標(biāo)準(zhǔn),引用了歐標(biāo)EN 10160作為核級(jí)板材的超聲檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),考慮到核工業(yè)的特殊性,RCCM MC2400在此基礎(chǔ)上修訂和補(bǔ)充了一些規(guī)定,使其適用核電工業(yè)的要求。GB/T 2970是國內(nèi)較為常用的適用于鍋爐、壓力容器、橋梁等方面鋼板超聲波檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。ASME標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)使用較多,在此不再贅述。另外,對(duì)于厚度小于6 mm的鋼板,工程上稱之為薄板,薄板的超聲波檢驗(yàn)使用板波法[3]。

2 分析比較

2.1 探頭

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探頭的頻率、尺寸和探頭類型進(jìn)行了規(guī)定。

EN10160規(guī)定探頭的頻率在2~5 MHz,探頭整體尺寸在10~25 mm的范圍,探頭的型式取決于鋼板厚度,鋼板的名義厚度或任意不連續(xù)區(qū)域的深度為6 mm≤e<60 mm時(shí),探頭型式為雙晶探頭;60 mm≤e<200 mm時(shí),探頭型式為單晶或雙晶探頭。

例外情況,當(dāng)滿足以下條款中的任意一條時(shí),可以選用超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻率、尺寸的探頭:① 當(dāng)采用自動(dòng)檢測(cè)或半自動(dòng)檢測(cè)的方法時(shí)。② 為了滿足本標(biāo)準(zhǔn)的要求,被檢測(cè)鋼板的聲學(xué)性能衰減顯著時(shí)。

ASME規(guī)定在直射波檢驗(yàn)時(shí),推薦采用2.5 MHz的檢測(cè)頻率,探頭晶片尺寸為25或30 mm直徑或長(zhǎng)度為25 mm的正方形探頭。推薦采用2.25 MHz的檢測(cè)頻率,當(dāng)被檢鋼板厚度小于20 mm,可采用5 MHz的頻率。斜射波檢驗(yàn)時(shí),探頭的有效長(zhǎng)度和寬度規(guī)定最小12.5 mm,最大為25 mm,探頭角度應(yīng)為45°,檢驗(yàn)頻率應(yīng)能探測(cè)出所要校準(zhǔn)刻槽的最高頻率,且信噪比大于3。

GB/T 2970按照待檢板材厚度,規(guī)定探頭的頻率,當(dāng)板厚為6 mm≤e≤13 mm,探頭型式為雙晶探頭,頻率為5 MHz;當(dāng)板厚為13 mm<e≤60 mm,探頭型式為雙晶或單晶,頻率不小于2.0 MHz;當(dāng)板厚大于60 mm,探頭型式為單晶探頭,頻率不小于2.0 MHz。

分析比較,無論采用哪種檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),選用哪種探頭,其目的是保證有效檢出探測(cè)區(qū)的缺陷。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均給出了探頭尺寸的限值,在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下,應(yīng)該選擇適宜于被檢件的探頭型式和探頭頻率。EN10160規(guī)定自動(dòng)化和半自動(dòng)化的檢驗(yàn)可以不受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范限制,隨著工業(yè)化水平的提升,自動(dòng)化檢測(cè)是發(fā)展趨勢(shì),這項(xiàng)規(guī)定更適用于實(shí)際操作和先進(jìn)技術(shù)的推廣使用。ASME的規(guī)定相對(duì)寬泛,提供給檢測(cè)者更多的選擇空間。GB/T 2970的要求相對(duì)嚴(yán)格,并且對(duì)不同厚度的鋼板規(guī)定了探頭的型式和頻率,符合國內(nèi)的使用習(xí)慣。對(duì)于厚度小的薄板,選用雙晶探頭和5 MHz的頻率,減少了盲區(qū),提高了檢測(cè)精度。

2.2 聲衰減的特殊規(guī)定

在超聲檢測(cè)中,由于被檢板材表面的耦合不良,以及板材在軋制過程中易產(chǎn)生分層和折疊等平面性缺陷等因素,會(huì)出現(xiàn)反射波大幅衰減的情況。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)衰減進(jìn)行了限制規(guī)定,EN10160認(rèn)為聲衰減是影響缺陷判斷的重要因素,在RCCM MC2413中補(bǔ)充了聲衰減的測(cè)量,見圖1。探測(cè)底波衰減大于18 dB的區(qū)域,并在報(bào)告中記錄,評(píng)定該區(qū)域內(nèi)的顯示時(shí),應(yīng)考慮聲衰減的情況后進(jìn)行修正。

圖1中,1為始脈沖;2為平底孔回波;3為基準(zhǔn)靈敏度水平;4為第一次底面回波;5為第二次底面回波;6為第一次底面回波-18 dB時(shí)的波幅高度;7為第二次底面回波-18 dB時(shí)的波幅高度。

圖1 板材超聲檢測(cè)底面回波衰減示意圖

ASME在NB 2532的驗(yàn)收準(zhǔn)則中規(guī)定,對(duì)板材任一區(qū)域存在一個(gè)或幾個(gè)不連續(xù)缺陷,使在同一平面上產(chǎn)生連續(xù)顯示的同時(shí),出現(xiàn)連續(xù)的底面反射波完全消失,消失區(qū)域75 mm的圓所包圍的范圍不可接受。GB/T 2970沒有對(duì)聲衰減相關(guān)的規(guī)定,但要求對(duì)于底面第一次反射波低于滿刻度的50%的信號(hào)應(yīng)予以記錄。

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聲衰減的規(guī)定不同,在ASME規(guī)范中強(qiáng)調(diào)底波完全消失,但同時(shí)伴隨出現(xiàn)連續(xù)的顯示,這樣的描述直觀、形象。EN10160中沒有聲衰減的描述,RCCM標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)充了相關(guān)規(guī)定,充分說明對(duì)聲衰減的重視,標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了18dB的限值,而且詳細(xì)描述了聲衰減的測(cè)量方法。顯然,這種處理方式更具有操作性和參考使用價(jià)值。

2.3 靈敏度的調(diào)節(jié)

鋼板檢測(cè)以直射波檢測(cè)為主,有特別規(guī)定時(shí),例如ASME規(guī)定公稱厚度不大于50 mm用于制作管件、泵和閥門的鋼板,應(yīng)在鋼板的一面進(jìn)行橫波斜射法超聲檢測(cè)。各標(biāo)準(zhǔn)并未明確規(guī)定壓力容器用的板材是否進(jìn)行橫波斜射法檢驗(yàn),一般按照相關(guān)的設(shè)計(jì)文件和采購雙方的協(xié)議要求執(zhí)行。

直射縱波檢驗(yàn)的靈敏度調(diào)節(jié)方法主要有底波法、參考反射體法。EN 10160規(guī)定采用參考反射體法,ASME根據(jù)NB 2532的檢驗(yàn)準(zhǔn)則,可以判斷為底波法,GB/T 2970采用底波法。

EN 10160根據(jù)不同的質(zhì)量驗(yàn)收等級(jí)選用不同的參考反射體(不同尺寸的平底孔),例如質(zhì)量等級(jí)為S3和E4,選用的參考反射體為5 mm平底孔。當(dāng)選用雙晶直探頭時(shí),只允許選用5 mm的平底孔,原因是當(dāng)選用8 mm或11 mm平底孔時(shí),會(huì)導(dǎo)致底波的靈敏度曲線難以評(píng)定。距離波幅曲線由兩條曲線組成,一條是利用不同深度的平底孔分別做出11,8,5 mm孔徑的特征曲線;另外一條是利用階梯試塊,作出一條底波幅值變化的特征曲線。在檢驗(yàn)時(shí),根據(jù)被檢鋼板的厚度,調(diào)整無缺陷區(qū)底波的高度到底波特征曲線上,作為基準(zhǔn)靈敏度。掃查缺陷時(shí),缺陷回波高度利用平底孔特征曲線作為判定和驗(yàn)收的參考線。

ASME規(guī)定進(jìn)行一般掃查時(shí),調(diào)節(jié)儀器使其能從鋼板無缺陷區(qū)域的底波產(chǎn)生相當(dāng)于50%到90%滿波幅的第一次反射信號(hào)。監(jiān)督靈敏度的調(diào)整使與表面粗糙度相適應(yīng)。如果在一般掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)有不連續(xù)性缺陷,調(diào)節(jié)儀器使其能從鋼板無缺陷區(qū)域的底波產(chǎn)生相當(dāng)于75%±5%滿幅度的第一次反射信號(hào)。在評(píng)定不連續(xù)性情況時(shí),應(yīng)保持這一儀器調(diào)整值。

GB/T 2970規(guī)定用壓電探頭時(shí),靈敏度應(yīng)計(jì)入對(duì)比試樣與被檢鋼板之間的表面耦合聲能損失。用雙晶直探頭時(shí),在同厚度鋼板上將第一次反射波高度調(diào)整到滿刻度的50%,再提高靈敏度10 dB作為檢驗(yàn)靈敏度。用單晶直探頭檢驗(yàn)時(shí),按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平底孔試塊的第一次反射波高等于滿刻度的50%來校準(zhǔn)。

比較分析,三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的靈敏度調(diào)節(jié)差異較大,ASME和GB/T 2970采用底波法,但GB/T 2970選用的底波參考試塊與ASME的大平底試塊是不同的。GB/T 2970在板厚小于60 mm時(shí),采用的雙晶直探頭檢驗(yàn)對(duì)比試樣同ASME采用的底波法是一致的。但當(dāng)板厚大于60 mm后,采用單晶直探頭,參考反射體為直徑5 mm的平底孔,檢驗(yàn)面到平底孔的距離隨著鋼板的厚度增加,見表1。

表1 GB/T 2970單晶直探頭對(duì)比試塊 mm

ASME要求的靈敏度調(diào)節(jié)易于操作,方法簡(jiǎn)單,用底波作為參考線評(píng)定缺陷;GB/T 2970的規(guī)定相對(duì)復(fù)雜,在缺陷測(cè)定時(shí),同時(shí)考慮缺陷反射波和底面波;EN10160的特點(diǎn)是對(duì)缺陷和底波衰減分別予以評(píng)定[4],同時(shí)利用兩條特征曲線,在給定厚度的情況下,底波構(gòu)成的曲線能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)視底波的變化情況。一般情況下,造成底波大幅下降的兩個(gè)原因,一種可能是表面耦合情況不良,另一種可能是出現(xiàn)了分層、折疊等缺陷。但無論哪種情況,這種方法都能夠保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)底波下降的區(qū)域,及時(shí)采取補(bǔ)償?shù)却胧?。另外一條由平底孔構(gòu)成的曲線,作為評(píng)定和驗(yàn)收,判斷缺陷是否超過限值。在實(shí)際操作中,這是一種行之有效且值得推薦的探傷方法。

2.4 板邊緣的掃查和劃分

板邊緣區(qū)是超聲檢測(cè)中重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域,三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)板邊緣區(qū)均有相應(yīng)的規(guī)定。鋼板邊緣區(qū)的劃分直接影響到鋼板的掃查計(jì)劃和驗(yàn)收準(zhǔn)則。

EN10160規(guī)定鋼板的四個(gè)板邊緣區(qū)進(jìn)行100%的掃查,板邊緣區(qū)的劃分,鋼板的厚度為6 mm≤e<50 mm時(shí),板邊緣寬度為50 mm;鋼板的厚度為50 mm≤e<100 mm時(shí),板邊緣寬度為75 mm;鋼板的厚度為100 mm≤e<200 mm時(shí),板邊緣寬度為100 mm。

ASME規(guī)定掃查應(yīng)沿標(biāo)稱中心距225 mm的正交格子線,或按制造廠的方案,沿垂直于鋼板主軸線的標(biāo)稱中心距為100 mm的平行線,或是沿平行于鋼板主軸線中心距75 mm或更小的平行線掃查,掃查線應(yīng)從鋼板的中心或某個(gè)頂角量起,并在掃描面上距離鋼板所有邊緣不到50 mm處補(bǔ)加一條掃查線。

GB/T 2970規(guī)定探頭垂直于鋼板壓延方向、間距不大于100 mm的平行線進(jìn)行掃查,在鋼板周圍50 mm(板厚大于100 mm時(shí),取板厚的一半)及坡口預(yù)訂線兩側(cè)各25 mm內(nèi)沿周邊進(jìn)行掃查。

EN 10160按厚度規(guī)定邊緣區(qū),厚度越大,板邊緣區(qū)就越大;ASME簡(jiǎn)化處理,統(tǒng)一規(guī)定50mm;GB/T 2970以100mm的鋼板厚度為界限。例如鋼板厚度80mm,根據(jù)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定板邊緣區(qū)分別為:75,50,50mm,顯然 EN 10160的區(qū)域最大,相比其它兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。GB/T 2970規(guī)定剖口預(yù)訂線的位置,是實(shí)際執(zhí)行中的難點(diǎn),在鋼板的采購階段,設(shè)備制造單位一般很難提供坡口預(yù)訂線的詳細(xì)位置,原因可能是設(shè)備制造單位缺乏預(yù)先的工藝設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn),其結(jié)果是造成鋼板的供貨方無法執(zhí)行此項(xiàng)要求。因此,鋼板采購單位應(yīng)在采購板材前,預(yù)先考慮鋼板的坡口位置,向鋼板的供貨方提供準(zhǔn)確的焊接坡口預(yù)定線,避免后續(xù)無法按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,導(dǎo)致不必要的不符合項(xiàng)。

2.5 質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收

EN10160對(duì)鋼板的驗(yàn)收分為三個(gè)部分,板材區(qū)域、板邊緣區(qū)域和待焊接區(qū)域,在每個(gè)區(qū)域按照從低到高的原則劃分為四個(gè)質(zhì)量等級(jí)。簡(jiǎn)要摘錄見表2,3。E3等級(jí)允許的缺陷個(gè)數(shù)限定在平底孔曲線8與11mm區(qū)間的范圍。E4等級(jí)允許的缺陷個(gè)數(shù)限定在平底孔曲線5mm與8mm區(qū)間的范圍。

表2 鋼板區(qū)域雙晶直探頭質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收

表3 邊緣區(qū)質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收準(zhǔn)則

ASME的驗(yàn)收沒有按區(qū)域劃分,驗(yàn)收要求如下:

(1)在板材的任一區(qū)域中,存在一個(gè)或幾個(gè)缺陷,使在同一平面上產(chǎn)生連續(xù)顯示的同時(shí)出現(xiàn)連續(xù)的底面反射波完全消失,且消失的區(qū)域不能被直徑75mm或一半板厚的圓(取大者)所包圍,則為不可接受。

(2)對(duì)于小于(1)中規(guī)定的兩個(gè)或兩個(gè)以上的缺陷。若缺陷間的最小距離小于較大缺陷的最大直徑,或者缺陷的分布面積大于(1)中所述的圓的面積,這些缺陷也為不可接受。

GB/T 2970規(guī)定板材區(qū)域按質(zhì)量等級(jí)分為四級(jí),見表4。板邊緣區(qū)(板厚大于100mm時(shí),取板厚一半)可檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)及坡口預(yù)定線兩側(cè)各25mm內(nèi),單個(gè)缺陷的指示長(zhǎng)度不得大于或等于50mm。

表4 GB/T 2970鋼板質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收準(zhǔn)則

2.6 不同區(qū)域驗(yàn)收的討論

由于三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法的不同,造成驗(yàn)收準(zhǔn)則差異很大。對(duì)板邊緣區(qū)的劃分,EN10160和GB/T 2970將板材劃分為三個(gè)區(qū)域(板邊緣區(qū)、非邊緣區(qū)、待焊接剖口預(yù)定線區(qū)),規(guī)定了每個(gè)區(qū)域的驗(yàn)收準(zhǔn)則,板邊緣區(qū)和坡口預(yù)定線兩側(cè)區(qū)域的驗(yàn)收比板材區(qū)域嚴(yán)格。在實(shí)際工程中,采購方更愿意選用這種方式,一方面有利于采購方控制板材的質(zhì)量,另一方面有利于保證后續(xù)的焊接質(zhì)量。一般情況下,對(duì)于焊縫的檢驗(yàn),熱影響區(qū)按照焊縫的質(zhì)量等級(jí)驗(yàn)收,而焊縫的驗(yàn)收準(zhǔn)則往往高于板材。為了規(guī)避鋼板待焊接區(qū)域按照焊縫的質(zhì)量等級(jí)驗(yàn)收,造成該區(qū)域驗(yàn)收不合格的風(fēng)險(xiǎn),提高該區(qū)域的驗(yàn)收等級(jí)是一種有效地的控制手段。在制定采購技術(shù)文件時(shí),甚至可以規(guī)定待焊接的區(qū)域按焊縫標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。但是,如果這樣規(guī)定,會(huì)帶來另外一個(gè)衍生的問題,因?yàn)楹缚p的檢驗(yàn)方法與板材的檢驗(yàn)方法不同,焊縫的檢驗(yàn)方法不僅包括縱波直射法,還包括橫波斜射法,另外,二者的檢驗(yàn)靈敏度(參考反射體)也不同。因此,不能單純地提高驗(yàn)收等級(jí),而是應(yīng)劃定區(qū)域的性質(zhì),再按相應(yīng)的焊縫或板邊緣區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。建議在鋼板的采購合同中補(bǔ)充規(guī)定,如果對(duì)整個(gè)板材執(zhí)行橫波斜射法檢驗(yàn),那么對(duì)板邊緣區(qū)可以要求橫波斜射法檢驗(yàn)。如果采購時(shí)沒有要求,可免除橫波斜射法檢驗(yàn)。另外值得注意的是,GB/T 2970雖然對(duì)板材的三個(gè)區(qū)域采用不同的驗(yàn)收準(zhǔn)則,但采用的驗(yàn)收準(zhǔn)則與板材區(qū)域是一致的,唯一的不同是提高了板邊緣區(qū)和焊接坡口預(yù)定線的待焊接區(qū)域的驗(yàn)收等級(jí);EN 10160對(duì)板邊緣區(qū)規(guī)定了五個(gè)等級(jí)(E0-4),不僅劃分了等級(jí),而且對(duì)板邊緣區(qū)的缺陷重新進(jìn)行了定義,不僅評(píng)定缺陷的面積,同時(shí)評(píng)定缺陷的指示長(zhǎng)度。按照缺陷的長(zhǎng)度確定質(zhì)量等級(jí),見表3和圖2。這種規(guī)定更為嚴(yán)格,合理。在編制采購技術(shù)要求時(shí),為編制者提供了更大的選擇空間,大大增強(qiáng)了板邊緣區(qū)質(zhì)量的可控性。圖2中,1為鋼板邊緣區(qū)寬度;2為掃查線;3為d≤L2,則S=S1+S2;4為鋼板扎制方向;5為鋼板邊緣;6為被檢測(cè)的鋼板;7為指示寬度;8為指示長(zhǎng)度。

圖2 EN 10160鋼板缺陷示意圖

3 結(jié)語

通過以上分析比較以及工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)反饋,在對(duì)核級(jí)板材制定超聲波檢驗(yàn)時(shí),可以增加和考慮以下幾點(diǎn):

(1)充分考慮鋼板檢測(cè)的自動(dòng)化的現(xiàn)狀,當(dāng)采用自動(dòng)檢測(cè)或半自動(dòng)檢測(cè)的方法時(shí),在保證檢驗(yàn)靈敏度的前提下,可以選用超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻率和尺寸的探頭。

(2)重視在鋼板檢測(cè)中的聲衰減,可以借鑒RCCM MC2413對(duì)衰減的測(cè)量規(guī)定,探測(cè)底波衰減大于18 dB的區(qū)域,避免上述區(qū)域影響缺陷的檢測(cè)和評(píng)定。在評(píng)定該區(qū)域內(nèi)的顯示時(shí),應(yīng)考慮聲衰減后修正。

(3)靈敏度的調(diào)節(jié),建議采用兩條特征曲線,一條參考反射體的特征曲線,一條底波幅值變化曲線。對(duì)發(fā)現(xiàn)底波下降的區(qū)域,及時(shí)采取補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

(4)板邊緣區(qū)的劃分,預(yù)先劃分板材區(qū)域,對(duì)非邊緣區(qū)、邊緣區(qū)制定不同的質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

(5)對(duì)于坡口預(yù)定線的待焊區(qū)域,確定該區(qū)域的范圍,驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可按照焊縫的質(zhì)量等級(jí)評(píng)定。

[1]RCC-M(2000+2002addendum) Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands[S].

[2]ASME 2004 Boiler &pressure vessel code[S].

[3]鄭暉,林樹青.全國特種設(shè)備無損檢測(cè)人員資格考核統(tǒng)編教材超聲檢測(cè)[M].北京:中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2008:216.

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