相控阵培训教材(第四版).pdf
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相控阵超声检测培训讲义(第4版)中国特种设备检验协会检测技术应用与评价工委会相控阵超声检测教材编写组二二一年五月特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义I目录第一章绪论.11.1超声检测与相控阵超声检测.11.2相控阵超声检测发展简史及现状.21.3相控阵超声检测的技术特点.41.4相控阵超声检测适用对象及优缺点.10第二章相控阵超声检测的基本原理和阵列探头的声场特征.142.1超声波传播的基本原理.142.2相控阵技术的基本原理.192.3单晶片的辐射声场.202.4相控阵探头的辐射声场.252.5楔块.382.7分辨力与分辨率.412.7相控阵探头工艺参数.432.8全聚焦成像(TFM).45第三章相控阵超声检测设备及工作原理.473.1相控阵超声检测系统的构成.473.2相控阵探头.473.3相控阵仪器主机.533.4扫查器和编码器.673.5仿真软件.693.6试块.69第四章原材料和受压元件的相控阵超声检测.724.1板材的检测.724.2复合板的检测.784.3管材的相控阵超声检测.854.4棒材相控阵超声检测.984.5汽轮机叶片(叶根)相控阵超声检测.1004.6螺栓的相控阵超声检测.114第五章焊接接头相控阵超声检测工艺.134特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义II5.1焊接加工及常用缺陷.1345.2相控阵超声检测的扫描方式.1385.3相控阵超声检测的扫查方式.1415.4扫查覆盖和扫查面.1455.5探头与楔块选择.1475.6相控阵仪器选择.1515.7聚焦参数选择.1545.8扇扫角度范围选择.1555.9纵向垂直扫查(沿线扫查)的探头位置设置(步进偏置).1565.10探头移动速度(扫查速度).1575.11仪器设置与校准.1585.12焊接接头检测工艺规程和操作指导书.1605.13焊接接头检测的主要步骤.1615.14焊接接头检测工艺应用案例.1625.15小径管对接接头相控阵超声检测.1955.16聚乙烯(PE)管电熔接头相控阵超声检测.224第六章长输管道全自动超声检测.2276.1全自动超声检测发展史和优点.2276.2全自动超声检测方法.2306.3全自动超声检测设备、探头和试块.2336.4全自动超声检测系统的调试方法.2406.5输出显示.2456.6现场检测.2486.7实际应用检测示例.250第七章超声相控阵的数据分析与判读.2657.1坐标系的设定和显示类型的定义.2657.2缺陷回波信号的典型特征.2687.3焊接接头的缺陷定量.276特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义1第一章第一章绪论绪论1.1超声检测与相控阵超声检测超声检测与相控阵超声检测超声检测一般是指使超声波与试件相互作用,就反射、透射和散射的波进行研究,对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征,并进而对其特定应用性进行评价的技术。
工业超声领域中,通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。
在特种设备行业,国内外应用最广泛、使用频度最高的是A型脉冲反射法超声检测。
目前,特种设备行业对工件内部宏观缺陷进行检测的方法主要是胶片照相射线检测和A型脉冲反射法超声检测。
胶片照相射线检测,可以获得缺陷的投影图像,结果直观,有底片作为见证记录,缺陷定性、长度测量比较准确,对体积型缺陷和薄壁工件中的缺陷检出率较高;其缺点是难以确定缺陷在工件厚度方向的位置,难以测量缺陷自身高度,对面积型缺陷的检出受到多种因素影响,对厚壁工件的缺陷检出率偏低,另外射线对人体和环境有害从而防护成本较高,射线检测速度较慢,射线检测装置重量或体积偏大等。
A型脉冲反射法超声检测,适用性强、穿透力好,尤其适用于厚壁工件,缺陷定位准确,可以测量缺陷自身高度,对面积型缺陷的检出率较高,同时超声波对人体和环境无害,设备便携,检测速度较快等;其缺点是检测结果无直接见证记录,缺陷显示不直观,缺陷定性存在一定困难,缺陷长度测量精度不高,另外,一般需要对探头移动区域的工件表面进行打磨处理,增加了工作量和工作环节等。
随着工业生产对检测效率和检测可靠性要求的不断提高,尤其是国家对产品质量和公共安全日益重视,人们要求超声检测更加快速可靠,缺陷的显示更加直观,对缺陷的描述更加准确。
因此,原有的以A型显示手工操作为主的A型脉冲反射法超声检测难以满足新的需求,逐渐发展出基于扫查装置和位置编码器的B、C或D型超声成像检测技术、衍射时差法超声检测技术(TOFD)和相控阵超声检测技术等。
其中,相控阵超声检测因其灵活的声束形成以及快速成像性能得到了越来越多的关注,成为超声检测领域新近发展起来的研究热点,并且已经在各行各业无损检测领域得到了成功应用。
相控阵超声检测,是根据设定的延迟法则激发相控阵阵列探头各独立压电晶片(阵元),合成声束并实现声束的移动、偏转和聚焦等功能,再按一定的延迟法则对接收到的超声信号进行处理并以图像的方式显示被检对象内部状态的超声检测方法。
与传统A型脉冲反射法超声检测相比,其主要区别见表1-1:
特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义2表1-1相控阵与传统A型脉冲反射法超声检测主要区别A型脉冲反射法相控阵换能器大晶片晶片小型阵列化声束固定角度,单一声束合成声束,灵活可控扫查方式探头移动电子扫描+探头移动仪器通道一个晶片对应一个通道,通道数少,各通道激发时间一般无需控制一个阵元对应一个通道,通道数多,各通道激发时间需精确控制显示方式仅波形显示(A型)A型+成像显示(B/C/D等)1.2相控阵超声检测相控阵超声检测发展发展简史及现状简史及现状相控阵超声检测与传统A型脉冲反射法超声检测同样是基于超声的技术,但两者的差异是很大的,从原理、设备、工艺、信号处理各个方面,前者比后者要复杂得多。
相控阵超声技术是借鉴相控阵雷达技术的原理而发展起来的,相控阵雷达天线是由许多辐射单元排成阵列组成,通过控制阵列天线中各个单元上电流的幅度和相位,得到所需要的方向图和波束指向,或者在一定的空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。
相控阵超声技术初期主要应用于医学领域,有关研究从上世纪50年代末60年代初开始,至80年代中期,医学领域相控阵技术进入实用阶段,主要是对人体组织进行成像(俗称B超),见图1.1和图1.2;另外,还可配套大功率超声仪器,利用其可控聚焦特性使人体内目标组织局部升温热疗,并减少非目标组织的功率吸收。
图1.1医用相控阵设备图1.2孕妇胎儿B超时至今日,医学相控阵超声技术在研发和应用上仍然领先于工业相控阵技术。
医学相控阵历史上有过多次重大改进,包括使用软件程序进行探头优化设计、波速预测计算、精确的波束位置计算、超高分辨率成像,以及用脉冲多普勒法进行流体流动速度评估等。
特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义3工业领域的超声技术应用比医学领域复杂得多。
医学领域超声传播的介质是人体的组织,在这些组织中,超声信号拥有基本一致的声速和差异较小的声阻抗,折射现象和波型转换在界面处很少发生,这使得超声信号的识别变得相对简单;此外目标对象(人体器官或组织)的形状结构也是相同或相近的,给信号分析带来极大方便;第三是由于人体表面是光滑、柔软和连续的,所以耦合也比较好。
而在工业超声领域,传播介质类型非常复杂,包括金属、复合材料、瓷器、塑料、玻璃纤维等,这些材料在声阻抗、声速、晶粒结构,以及表面粗糙度上都有很大的差异,这些差异不但影响声束的传播,而且在耦合上也有很大的差异。
其次,缺陷的外形和几何尺寸千差万别、各不相同,给信号分析带来很大难度;第三,缺陷中的介质与材料本体的声阻抗往往相差极大,从而导致声波往往不能穿透并在缺陷表面形成反射、衍射和波型转换,材料中存在的声波类型也极其复杂;此外,市场相对较小、成本高等原因也是制约工业相控阵技术发展的重要原因。
为简便起见,本书以下章节中,除非特别指明,相控阵超声技术均指工业相控阵超声技术。
最早的相控阵检测仪器出现于上世纪80年代,主要用于核电站相关零部件的检测,其体积庞大且价格高昂,至少需要两人来操作,还需要将数据输入电脑来进行数据处理和显示图像,在工业中的应用并不广泛。
90年代后期,随着微电子技术、计算机等高新技术的飞速发展,促成了集相控阵信号产生、数据处理、显示和分析等功能于一台体积不大的电池驱动型便携式相控阵仪器上实现,同时工业相控阵探头设计和制造技术进一步完善,在欧美等国家,相控阵超声逐步开始应用于石油天然气长输管线焊缝检测、海洋平台结构环焊缝检测及核电站检测等领域。
2000年以后,工业相控阵技术应用的检测对象和应用领域越来越多。
在相控阵标准方面,1998年美国发布石油天然气钢质管道对接接头多通道分区检测标准ASTME1961StandardPracticeforMechanizedUltrasonicExaminationofGirthWeldsUsingZonalDiscriminationwithFocusedSearchUnits;2011年欧盟发布相控阵术语标准EN16018Non-destructivetesting-Terminology-Termsusedinultrasonictestingwithphasedarrays;2012年,国际标准化组织(ISO)发布关于焊缝检测的相控阵方法标准ISO13588:
2012Non-destructivetestingofwelds-Ultrasonictesting-Useofautomatedphasedarraytechnology。
国内在相控阵超声检测理论、相关技术及应用方面的研究相对滞后,始于2000年初,但近年来发展很快。
2001年,西气东输天然气管道建设过程中引进国外全自动超声检测(AUT)设备进行了多通道分区检测,严格意义上属于采用相控阵设备进行多通道分区的A+B型脉冲反射法超声检测和TOFD检测,中石油同时配套制订了SY/T0327-2003石油天然气钢质管道对接环焊缝全自动超声波检测标准,后于2009年制订了适用于在役管道的检测标准SY/T6755-2009在役油气管道对接接头相控阵超声及多探头检测。
2002年,安徽理工大学研究了检测管道焊缝的相控阵超声仪器。
2003年,清华大学设计实现了16通道相控阵超特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义4声检测实验系统,研究了数字波形相位延时的原理和实现方法,达到了较高的发射延时分辨率。
2005年,大连理工大学研究了相控阵超声精确延时控制技术完成了通道控制方案的设计。
应用研究方面,2007年,中国特种设备检测研究院在新疆独山子石化1000万吨/年炼油及120万吨/年乙烯改扩建工程开展了将相控阵超声应用于承压设备焊接接头;2009年,西南交通大学开展了将相控阵超声技术应用于车轮轮辋探伤;2010年,北京航空材料研究所开展了将相控阵超声技术应用于航空复合材料制品。
相控阵检测应用标准方面,航天一院制订了QJ20045-2011铝合金搅拌摩擦焊相控阵超声检测方法,中国特检院制订了Q/CSEI01-2013钢制承压设备焊接接头相控阵超声检测,安徽电建一公司制订了DL/T1718-2017火力发电厂焊接接头相控阵超声检测技术规程,适用于承压设备的行业标准NB/T47013.15承压设备无损检测相控阵超声检测正处于报批阶段,拟于2020年底发布实施。
工业相控阵超声检测仪器研制方面,国外起步较早,1992年美国通用电气公司(GE)研制出数字式相控阵超声实时成像系统,实现完全可编程的数字式声束形成;1994年,英国科学家Hatfield研制了可手持式操作的高集成度相控阵超声系统;1998年,法国原子能委员会(CEA)研制了自适应聚焦超声成像系统(FAUST系统),实现了更灵活、适应性更强的检测;2000年,柔性相控阵探头于法国研制成功,可用于不规则表面零件的检测;2001年,加拿大R/DTECH公司研制出相控阵超声管道检测系统;2005年,GE与德国联邦材料试验研究所(BAM)、德国铁路(DB)联合研发用于检测火车轮轴关键部位横向裂纹的相控阵超声系统。
目前,国外具有成熟的商业化小型便携式相控阵超声检测仪产品的公司有Olympus、ISONIC、GE、ZETEC、M2M、SONATEST等公司。
国内仪器研制方面起步较晚,系统开展工业相控阵检测仪器的研制始于21世纪初,2010年前后,汕头超声研究所和广州多浦乐公司先后推出第一代商业化小型便携式相控阵超声检测仪产品,2008年至2009年,多浦乐公司和汕头超声研究所先后设计制造出实用化的相控阵探头,目前国内具有成熟的商业化小型便携式相控阵超声检测仪产品的公司还有汕头超声电子、武汉中科、深圳神视和南通友联,国内相控阵产品正在迎头赶上,小型便携机的技术水平已经接近国际先进水平甚至部分性能指标已经超出国外同类产品。
1.3相控阵相控阵超声检测超声检测的的技术技术特点特点1.3.1相控阵超声探头传统A型脉冲反射法超声探头的压电晶片是一个整体,一般为圆形或矩形,圆形晶片工程常用尺寸为625mm,矩形晶片尺寸一般为6*6mm及以上。
相控阵探头的压电晶片则不一样,它不是一个整体,是由多个相互独立的小晶片组成阵列(简单的说,可看做是将常规超声探头切割成多个独立的小晶片单元),每个小晶片称为一个阵元,每个阵元都有独立的接头、激发电路且阵元之间彼此声绝缘。
每个阵元相当于一特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义5个常规超声探头,32个晶片的相控阵探头相当于由32个常规探头组成。
对于线阵探头,每个阵元多为矩形,工程常用尺寸为0.5*10mm,晶片间距为0.41mm。
两者压电晶片如图1.3、1.4所示。
图1.3常规探头图1.4相控阵探头(1维线阵)为适应不同的应用需求,相控阵超声探头可以将若干个独立的阵元按照一定的排列方式组合成若干种阵列,主要包括1维线阵、1.5维矩阵、2维矩阵、环形阵、扇形阵、1维曲面阵、双线阵、双1.5维矩阵等,如图1.5至1.12所示。
图1.51维线阵图1.61.5维矩阵图1.72维矩阵图1.8环形阵图1.9扇形阵图1.101维曲面阵图1.11双线阵图1.12双1.5维矩阵所有排列形式的相控阵换能器都可以通过控制阵元的激励顺序及延时,来实现声束的偏转以及聚焦,获得灵活的声束,并在不移动探头的情况下进行较大区域的检测。
其中,1维线阵因为制造工艺相对简单,特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义6应用得最为广泛;2维矩阵由于加工工艺限制和电路复杂及制作成本高等原因,目前主要应用于特殊的材料检测中;1维曲面阵适用于检测管道内外壁;环形阵列不能进行声束偏转控制,一般不用于特种设备中;扇形阵列多应用于棒材和螺栓坯件等检测;双线阵和双1.5维阵一般应用于近表面缺陷检测和粗晶材料检测。
以上分类是根据阵元的排列方式。
此外,针对某些特殊的检测对象及检测环境,会有一些特殊用途的相控阵换能器,如适用于小径管焊接接头的自聚焦探头,用于狭小空间区域检测的小尺寸换能器,适用于不规则表面零件检测的柔性换能器等。
1.3.2相控阵超声声束形成相控阵超声是基于惠更斯-菲涅耳(Huygens-Fresnel)原理,由各个阵元发出的超声波经过干涉合成为预期的声束。
仪器激发电路以相同的电脉冲激发探头各阵元,并对各阵元的激发时间施加一定的延迟,各阵元依次发射超声波并在介质中传播,在空间某处时,因各列波频率相同、相位差恒定,从而形成干涉;对各阵元的激发延时(一般称为聚焦法则或延时法则)进行精确设定,可实现声束的偏转、聚焦等现象。
以应用最广泛的一维线阵为例,简单介绍相控阵超声声束的形成及特点。
声束偏转:
按固定延时依次激发各阵元,得到倾斜的声束;调整延时值的大小,则得到不同倾斜角的声束。
如图1.13(a)所示。
图1.13相控阵波束的倾斜与聚焦声束聚焦:
先激发两端的阵元,再逐渐激发中间的阵元,得到聚焦的声束;调整延时值的大小,则得到不同聚焦点的声束。
如图1.13(b)所示。
与传统单晶片换能器的超声检测不同,相控阵超声可以采用特定的延迟法则控制阵列探头中的各阵元,通过不同的阵元组合与不同的延迟法则相结合,形成了3种特有的工作方式,即线性扫描、扇形扫描和动态聚焦,使其产生的声束在探头不移动的情况下也可在工件被检测区域中移动,也称为电子扫描方式。
(1)线性扫描具体步骤为:
1)假设相控阵阵元总数为N,令其中相邻的n(1nN)个阵元为一组,对每一组阵元施加相同的聚焦法则;2)以设定的聚焦法则激发第一组阵元;3)沿阵列长度方向向前移动一个步进值特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义7(一般为一个阵元晶片),以同样的聚焦法则激发第2组阵元;以此类推,直至最后一个阵元。
一般将上述的一组阵元称为一个序列。
这样激发完成后会得到Nn+1个序列回波信号,在不移动探头的情况下就可以检测到较大区域。
线性扫描的示意图如图1.14(a)所示。
(2)扇形扫描扇形扫描,即选择一组阵元,对这组阵元依次实施不同的聚焦法则,每次改变声束的偏转角度,从而形成一个扇形的扫查区域,如图1.14(b)所示。
与线性扫描不同,扇形扫描阵元不变,而聚焦法则随时改变。
(3)动态聚焦动态聚焦是指在声轴的不同深度进行聚焦,即通过动态控制晶片的聚焦法则,实现声轴上不同深度点的动态聚焦。
如图1.14(c)所示。
图1.14相控阵超声的3种扫描方式1.3.3相控阵超声成像传统A型脉冲反射法超声检测是将超声回波信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来,横坐标代表声波的传播时间,纵坐标代表信号幅度。
采用该方法时,检测结果受检测人员的素质、经验等人为因素影响较大。
相控阵超声既可以实现A型显示,也可以实现超声成像。
一般而言,超声成像方法是基于A型显示形成的工件不同截面的图像显示。
超声成像显示按工件不同剖面成像的不同又可分为B、C、D、S型显示等。
超声成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。
由于声波可以穿透很多不透光的物体,故利用声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息,超声成像技术将这些信息变成人眼可见的图像,即可以获得不透光物体内部声学特性分布的图像。
物体的超声图像可提供直观和大量的信息,直接显示物体内部情况,且可靠性、复现性高,还可以对缺陷进行定量动态监控。
超声成像的研究最早可以追溯到20世纪30年代,原苏联科学家萨卡洛夫S.J.Sokolov于1935年完成了特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义8液面成像装置,在超声成像研究方面为声学界作出了重大贡献。
其后由于技术上的种种原因,超声成像研究进展缓慢。
60年代末,由于电子技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展,超声成像研究恢复了生机。
70年代形成了几种较成熟的方法,大量商品化设备上市,在医学诊断中得到极其广泛的应用,并在工业材料超声检测中逐渐得到大量应用。
超声成像是现代定量无损检测的一种重要技术,有着非常广阔的发展前景。
超声成像方法发展到现代,主要采用扫描接收信号、再进行图像重构的方式,因此又称为超声扫描成像技术,起初主要为B、C型显示,随后为检测焊缝而开发出D、P型显示(投影扫描成像);因为相控阵技术的出现,又出现S型显示(扇形成像)等。
(1)B、C、D、S型显示A型显示中,示波管的电子束是振幅调制的,换言之,A型显示的内容是探头驻留在工件上某一点时,沿工件深度方向的回波振幅分布。
若将示波管和电子束作强度调制,即用荧光屏上的每一点代表被测工件某个截面上的一个点,而用该点的亮度大小表示从工件内对应点测得的回波振幅的大小,就得到B,C,D型显示方式。
B型显示是与声束传播方向平行且与工件的测量表面垂直的剖面;D型显示是与声束平面及测量表面都垂直的剖面;C型显示则是工件的横断面,为了挑选出从某一深度回来的超声信号,要用一个电子闸门,改变电子闸门延迟时间,就能测到物体在不同深度的横断面的图像。
假设焊缝中有一长条未焊透缺陷,各型显示方式如图1.15所示。
特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义9图1.15A、B、C、D型显示在B、D型显示成像方式中,探头沿物体表面上的一条直线扫查。
对应于探头的每一个实际位置,在显示屏上可得到一个A型显示。
在衍射时差法超声检测(TOFD)中,采用非平行扫查方式时为D型显示,而采用平行扫查时则为B型显示。
在C型显示方式中,对应于探头的每一个位置,在显示屏上得到一个亮点,因此在C型显示中探头需作二维扫查,扫查轨迹可以有许多形式,通常用矩形栅格扫查方式,在自动扫查时还常采用水浸法。
相控阵超声检测最基础的成像方式是S型显示,即在某入射点形成一定角度的扇形扫查范围,又称扇形显示,如图1.16。
图1.16S型显示然后,为便于检测人员观察和识别,相控阵超声往往再基于S型显示向各截面进行投影并进行体积修正,进而得到B、C、D型显示,其效果如图1.17所示。
特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义10图1.17基于S型显示的投影1.4相控阵相控阵超声检测适用对象及优缺点超声检测适用对象及优缺点1.4.1适用对象相控阵超声检测的适用范围非常广,从检测对象的材料来说,可用于金属、非金属和复合材料;从检测对象的制造工艺来说,可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等;从检测对象的形状来说,可用于板材、棒材、管材等;从检测对象的尺寸来说,厚度可小至1mm,也可大至几米;从缺陷部位来说,既可以是表面缺陷,也可以是内部缺陷。
一般而言,传统A型脉冲反射法超声检测适用的检测对象,相控阵超声技术均适用;传统A型脉冲反射法超声检测难以检测的对象,相控阵超声技术也有相当程度的适用性。
常见的适用对象包括:
简单形状部件(板、管、圆柱体、环形体等)复杂形状部件(叶片、多台阶轴、螺柱等)一般板、管对接接头小径薄壁管对接接头长输管道对接接头(多通道分区聚焦技术)正交角接接头非正交角接接头其它复杂结构焊接接头粗晶材料及异种钢焊接接头值得注意的是,对于粗晶材料及异种钢焊接接头,不同的相控阵超声设备、器材、工艺组合的检测效果差异较大,应进行专项训练和工艺验证;对于复杂结构的检测,往往需要仪器软件功能的配套和支持。
1.4.2相控阵超声检测的优点和局限性与传统A型脉冲反射法超声检测技术相比,相控阵超声检测技术的优点:
1、声束精确可控,灵活性强,尤其适用于复杂结构工件的检测。
A型脉冲反射法超声检测技术采用的是单一晶片的探头,探头发射的波束以单一折射角沿声束轴线传播。
如果检测过程中需要改变折射角,必须更换探头或楔块。
其次,声束覆盖检测区域主要靠探头移动来实现,如果现场空间限制,或工件外形尺寸限制导致探头不能移动,就不能实现声束覆盖,检测也就无法进行。
而相控阵技术能够通过电子扫描方式实现声束角度偏转和移动,在不移动探头的情况下将声束覆盖到检测区,从而使得以往A型脉冲反射法超声检测技术无法进行检测的场合,例如没有探头前后移动区的焊缝,甚至仅能放置探头的狭小的空间,特种设备无损检测人员资格培训相控阵超声检测培训讲义11以及各种结构形状复杂的工件等,都可以采用相控阵技术实施检测。
2、缺陷以图像方式显示,直观和可记录,重复性好。
A型脉冲反射法最大的问题之一就是检测数据难以记录,即使采用数字超声检测仪记录下检测信号,却难以和检测位置相关联,无法实现检测数据重现。
而相控阵仪器可以连续记录和保存检测全过程信号,获得检测的完整信息,它除了将检测过程中探头接收的A扫信号全部记录下来,同时还记录下每一条
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