1. 摘要與前言
1.1 報告目的與範疇
本報告旨在針對SUS304不銹鋼管在兩種典型應用情境,安裝於管架上及埋設於地下酸性土壤中所面臨的腐蝕風險,進行全面的技術性評估與分析。報告將深入剖析這兩種環境的獨特挑戰,並據此提出具體的防護與管理策略。
此外,將詳盡比較銲接與冷作彎管兩種常用工法對SUS304材料機械性能與耐蝕性的影響,並在綜合考量下,提出針對不同應用場景的工法適用性建議。本報告的最終目標是為工程設計、資產完整性管理與長期維護決策提供堅實的科學依據。
1.2 SUS304不銹鋼之材料基礎
SUS304不銹鋼,俗稱18/8不銹鋼,是一種奧氏體不銹鋼變體,其化學成分主要由18-20%的鉻(Cr)和8-10.5%的鎳(Ni)組成,並含有微量的碳、錳和矽等元素。這種獨特的成分賦予了SUS304高度的耐腐蝕性、良好的耐熱性與優異的加工性能和可銲性,使其成為世界上應用最廣泛的不銹鋼等級之一 [1, 2]。其優異的韌性、機械特性及穩定性,使其在食品、飲料、航太及醫療等諸多產業中扮演關鍵角色 [1, 2]。然而,儘管SUS304具備廣泛的優勢,其耐腐蝕能力並非無限。在特定的化學、物理或生物環境下,其表面的鈍化膜可能遭受破壞,進而導致腐蝕發生。因此,深入理解其腐蝕機制與環境的相互作用,是確保材料長期可靠性的重要前提。
2. SUS304不銹鋼之腐蝕基礎:鈍化膜與常見失效模式
2.1 鈍化膜的形成與作用機制
不銹鋼之所以能抵抗腐蝕,其核心機制在於其表面會自發地形成一層極薄但堅固、緻密且穩定的富鉻氧化膜,即「鈍化膜」[3, 4]。這層保護膜的化學成分主要是鐵、鉻、鎳的混合氧化物,其中富含的鉻氧化物(Cr2O3)能有效地阻止氧原子繼續滲透至基體金屬內部,從而隔離了金屬與腐蝕介質的接觸,達到防鏽的效果 [3, 5]。這層鈍化膜還具備強大的自修復能力,即使在機械或化學作用下局部受損,只要在有氧氣的環境中,它便能迅速重新生成,恢復其保護功能 [5]。然而,在某些特定的惡劣條件下,例如缺乏氧氣或存在強烈的破壞性介質時,鈍化膜的形成與修復平衡會被打破,導致不銹鋼發生腐蝕破壞。
2.2 局部腐蝕:不銹鋼的主要失效模式
儘管不銹鋼的鈍化膜能有效抵禦均勻腐蝕,但在實際應用中,其主要的失效模式往往是更具破壞性的局部腐蝕。此類腐蝕的發生通常具有隱蔽性,且發展速度快,對結構完整性構成重大威脅。
2.2.1 孔蝕 (Pitting Corrosion)
孔蝕是不銹鋼在氯離子環境中最常見且最危險的腐蝕形式 [6]。氯離子(Cl−)因其半徑小且易於吸附在不銹鋼表面,能夠穿透並破壞局部區域的鈍化膜 [6]。一旦鈍化膜被破壞,該區域便形成一個微觀的陽極點,與周圍保持鈍化狀態的陰極區形成微型電化學電池 [7]。隨著陽極溶解的加速,氯離子會被吸引至腐蝕孔洞內部富集,與金屬離子水解後形成鹽酸,進一步降低孔內的pH值,形成一個「自催化」的加速腐蝕循環 [5]。這種腐蝕通常會向深處發展,形成針孔狀的孔洞,從外表可能難以察覺,但最終可能導致管線穿孔泄漏。
2.2.2 縫隙腐蝕 (Crevice Corrosion)
縫隙腐蝕發生在不銹鋼表面與另一物體(如墊圈、法蘭、螺栓或沉積物)形成狹窄縫隙的區域 [6]。在這些氧氣供應受阻的縫隙中,鈍化膜難以有效修復,導致縫隙內的氧氣首先被消耗殆盡 [7]。此時,縫隙內部變為缺氧的陽極區,而外部富氧區則成為陰極,形成「閉塞電池」[6]。腐蝕介質(如氯離子)會因電位差被吸引進入縫隙,並在其中富集,進一步加速腐蝕 [6, 7]。這種自催化機制與孔蝕類似,使得縫隙成為管線最脆弱的腐蝕起點。
2.2.3 晶間腐蝕 (Intergranular Corrosion)
晶間腐蝕是一種沿著晶粒邊界發生的腐蝕現象 [4]。其主要原因在於奧氏體不銹鋼在約450°C至850°C的「敏化」溫度區間內,碳(C)會與主要抗腐蝕元素鉻(Cr)在晶界處形成碳化鉻[4, 8]。這導致晶界附近的區域因鉻的消耗而形成「貧鉻區」,從而失去了耐腐蝕能力 [4, 8]。當材料處於腐蝕環境中時,腐蝕會沿著這些貧鉻的晶界優先發生,使得晶粒之間的分離,從而導致材料強度和韌性顯著下降,最終在無外力作用下也可能突然斷裂。晶間腐蝕與銲接工法密切相關,因為銲接過程的熱循環會使焊縫附近區域長時間暴露於敏化溫度範圍內,是誘發此類腐蝕的典型場景 [4, 7, 8]。
2.2.4 應力腐蝕開裂 (Stress Corrosion Cracking, SCC)
應力腐蝕開裂是一種由材料拉伸應力與特定腐蝕介質(尤其是氯離子)共同作用下引起的開裂現象 [6, 7]。這種腐蝕形式極具危險性,因為它可能在材料整體腐蝕程度很低的情況下,導致突然且災難性的脆性破壞 [6, 7]。奧氏體不銹鋼(如SUS304)在含有氯離子的潮濕空氣或熱水環境下,對SCC特別敏感 [9, 10]。無論是材料在製造、加工或裝配過程中產生的殘留應力,或是外部施加的設計應力,都可能與腐蝕介質形成協同效應,在晶界或穿晶的方式中引發裂紋,並使其持續擴展 [6]。
3. 管架上SUS304不銹鋼管之腐蝕風險與防護
3.1 環境特性與腐蝕風險
安裝在管架上的不銹鋼管通常直接暴露於大氣環境中,這使得其面臨與地下埋設完全不同的腐蝕挑戰。大氣環境中的挑戰包括空氣濕度、降雨、溫濕度循環以及可能存在的工業或海洋污染物。尤其是在沿海或化學工廠附近等高氯離子環境下,這些氯化物會隨著水氣附著在管線表面,極大增加了孔蝕與縫隙腐蝕的風險 [6]。
更值得注意的是,管架系統的設計本身可能隱藏著另一類型的腐蝕風險:異種金屬接觸腐蝕,也稱為電偶腐蝕 [11, 12]。這種腐蝕發生於兩種不同電位的金屬在電解質(例如雨水或露水)存在下直接接觸時 [11]。SUS304不銹鋼管通常會使用碳鋼或鋁製支架及緊固件來固定。在電化學電位序列中,鋁和鍍錫鐵的電位遠低於不銹鋼 [11, 12]。當雨水或水氣作為電解質時,這些電位較低的金屬會充當陽極,加速自身腐蝕以保護作為陰極的不銹鋼管 [11, 12]。這意味著,雖然不銹鋼管本身可能不會生鏽,但其支撐結構(螺絲、支架)會加速腐蝕,並可能因此導致結構性失效。這種風險並非單一材料的耐蝕性問題,而是一個涉及整個管架系統的結構性問題,其後果可能比不銹鋼管本身的腐蝕更為嚴重。
3.2 防護與管理策略
針對管架上不銹鋼管的腐蝕風險,應採取以下綜合防護與管理策略:
- 材料與設計優化:在氯離子濃度較高的環境(如沿海地區或化學工廠),應優先考慮選用耐腐蝕性更強的材料。例如,SUS316不銹鋼因其化學成分中添加了2%的鉬(Mo),其耐氯離子侵蝕能力顯著優於SUS304,能有效抵抗孔蝕與應力腐蝕 [1]。此外,雙相不銹鋼(如2205或2507)因其高鉻、鉬與氮含量,在耐氯化物應力腐蝕開裂、點蝕和縫隙腐蝕方面的性能更優異,是極端環境下的理想替代方案 [10, 13]。
- 絕緣隔離:為從根本上杜絕電偶腐蝕的發生,在SUS304管與異種金屬支架或緊固件的接觸點之間,必須使用介電絕緣材料進行隔離 [11, 12]。這類材料可以是聚合物墊片、襯墊或特殊絕緣塗層,其目的在於物理性地阻斷兩種金屬之間的電子交換路徑,從而防止電偶腐蝕的發生。
- 表面處理與維護:定期對管架系統進行檢查和清潔至關重要。應清除管線表面任何可能積聚的沉積物或污染物,以防止縫隙腐蝕的發生。此外,對於任何因施工或維護造成的表面損傷,應及時進行修復,例如透過機械打磨或酸洗鈍化處理,以恢復鈍化膜的完整性。
4. 地下酸性土壤中SUS304不銹鋼管之腐蝕風險與防護
4.1 土壤環境特性與腐蝕風險
4.1.1 一般土壤腐蝕
相較於碳鋼管,SUS304不銹鋼管在地下埋設時通常具有較好的耐土壤腐蝕性能 [14]。然而,土壤並非均質介質,其腐蝕性質受多種因素影響,包括酸鹼度(pH值)、含水量、含鹽量以及電阻率。高酸性(低pH值)、高含水量或高鹽度的土壤環境會顯著增加腐蝕風險 [14]。此類環境中的氯化物、硫酸鹽等化學物質,會對不銹鋼鈍化膜構成威脅,加速孔蝕與縫隙腐蝕的發生。
4.1.2 微生物誘發腐蝕 (MIC)
單純地將地下腐蝕歸因於「酸性土壤」是不夠全面的,因為更深層次的風險來源可能是微生物誘發腐蝕(Microbially Induced Corrosion, MIC)。研究顯示,MIC是造成地下管線失效的隱藏殺手,其破壞力遠超一般化學腐蝕 [15]。附著在管材表面的微生物,如硫酸鹽還原菌,會形成一層具有保護作用的生物膜。然而,在生物膜內部,微生物通過其新陳代謝活動,會產生具有強烈腐蝕性的物質,例如硫化氫或硫酸 [16]。這些物質在局部微環境中創造出極度惡劣的化學條件,能夠有效地破壞不銹鋼的鈍化膜,並以極快的速度加速腐蝕進程。文獻指出,微生物腐蝕的速率可以比一般的有氧腐蝕快10倍,且約有50%的地下管線失效與MIC有關 [15, 16]。這表明,在進行地下管線風險評估時,僅僅測量土壤的巨觀pH值是遠遠不足的,必須將土壤中的微生物活性納入考量,並將抗微生物侵蝕作為防護策略的核心。
4.2 多層次防護系統
鑒於地下埋設環境的複雜性與高風險,單一的防護措施往往不足以確保管線的長期安全。因此,應採用多層次、複合式的防護系統。
4.2.1 表面防護塗層與保護帶
這是第一道也是最直接的防護屏障。可選用的防腐塗層種類繁多,包括醇酸樹脂瓷漆、氯化橡膠系面漆、環氧樹脂漆、環氧樹脂柏油漆,以及富鋅底漆等 [17, 18]。在施工前,管線表面必須經過嚴格的表面處理,例如噴砂處理至SIS-Sa 2 1/2以上等級,以去除氧化層和污染物,並創造有利於塗層附著的適當粗糙度 [18, 19]。
除了液態塗層,自融性防蝕保護帶也是一種高效的防護方式 [20, 21]。這類保護帶通常以聚乙烯、丁基橡膠或聚合柏油為基材,其自我融合特性能夠在纏繞於管材上時,自動形成一個連續、無縫隙的保護層,有效地防止水氣或空氣進入縫隙,從根源上預防腐蝕 [20]。
4.2.2 保護套管
保護套管是提供額外物理性與化學性屏障的有效方法。聚氯乙烯(PVC)和高密度聚乙烯(HDPE)是常用的保護套管材料 [22, 23]。它們皆具有良好的耐腐蝕性,能抵禦土壤中的酸鹼介質 [22]。HDPE套管因其分子結構的優勢,對強酸、強鹼和有機溶劑具有卓越的耐受性 [23]。
值得注意的是,HDPE套管的施工方式為其提供了獨特的優勢。不同於PVC套管通常依賴溶劑焊接或機械接頭,HDPE套管可以採用熱熔接合的方式 [23]。這種技術能夠在管線連接處形成一個無縫、完全連續的接頭,從根本上消除了傳統接頭可能存在的洩漏點或縫隙。地下管線的接頭處往往是腐蝕最易發生的脆弱點,因此,HDPE的熱熔技術從施工層面提高了整個防護系統的可靠性,大幅降低了接頭處因防護不完整而導致的腐蝕風險。
4.2.3 陰極防蝕法 (Cathodic Protection, CP)
陰極防蝕是一種電化學防腐技術,通過外加直流電源或連接犧牲陽極,將被保護的金屬(SUS304管)極化為陰極,從而使其免於腐蝕 [24, 25, 26]。此技術被廣泛應用於長距離的埋地管線 [27]。
然而,對於不銹鋼管線而言,陰極防蝕是一個複雜且充滿風險的雙刃劍。一方面,適度的陰極保護可以有效抑制不銹鋼的點蝕和縫隙腐蝕 [5]。但另一方面,不銹鋼對電位變化極為敏感。保護電流過小將無法形成有效保護,但保護電位一旦過負(即施加的電流過大),將可能導致鈍化膜的「活化溶解」或更嚴重的氫脆現象 [5]。氫脆是指金屬在高負電位下發生陰極析氫反應,導致氫原子滲透到材料內部,使得材料的延展性和韌性急劇下降,最終可能導致脆性斷裂 [5]。相關研究指出,SUS316L不銹鋼的最適保護電位範圍非常狹窄(-500~-600mV),這對SUS304同樣適用 [5]。此外,陰極防蝕系統還可能受到來自城市中其他地下金屬設施或電氣系統的雜散電流干擾,這些雜散電流可能導致保護失效或在管線的某些區域加速腐蝕 [28, 29]。因此,不銹鋼管線的陰極防蝕設計與實施需要極高的專業性,並必須建立精密的持續監測系統,以確保保護電位始終維持在安全的範圍內,從而避免由技術本身所帶來的潛在破壞。
5. 銲接與冷作彎管工法對SUS304管材的影響與適用性
5.1 銲接工法之影響
銲接是連接管線最常用的工法,但其熱循環會對不銹鋼管材的微觀結構與性能產生顯著影響 [30]。銲接區域可分為銲縫與熱影響區(HAZ)[30, 31]。在HAZ中,材料會經歷高溫加熱與隨後的快速冷卻,這會導致其組織發生變化,包括晶粒粗化、硬度增加以及韌性下降 [30]。
對SUS304不銹鋼而言,銲接工法最主要的負面影響在於其可能誘發晶間腐蝕。銲接過程的熱輸入會使HAZ區域的溫度處於$450\text{°C}至850\text{°C}$的敏化範圍內,導致碳與鉻在晶界處析出,形成貧鉻區,從而顯著降低該區域的耐腐蝕性 [8, 32]。此外,銲接還會產生局部殘留應力,這些應力與環境中的腐蝕介質(特別是氯化物)共同作用,極大提升了應力腐蝕開裂的風險 [6, 32]。銲接後,銲道表面會產生一層貧鉻的氧化層(俗稱「焊道色」),若不徹底清除,將會成為腐蝕的起始點 [32]。因此,銲接後必須進行徹底的表面處理,例如機械打磨或酸洗鈍化,以去除貧鉻層,並使不銹鋼基體重新形成完整的鈍化膜 [32]。
5.2 冷作彎管工法之影響
冷作彎管是在常溫下對管線進行彎曲,相較於銲接,它避免了熱循環對材料組織的影響。然而,冷作彎管會產生自身的影響,主要體現在兩個方面:加工硬化和殘留應力 [33]。在冷彎過程中,材料的晶體結構發生塑性變形,導致其硬度與強度增加,但塑性與韌性下降 [33]。
更重要的是,在奧氏體不銹鋼的冷作變形過程中,可能會發生應變誘發的麻田散鐵相變態 [34]。這意味著部分奧氏體結構在應力作用下轉變為不穩定的麻田散鐵相。雖然這提高了材料的強度,但同時也增加了其內部缺陷,並降低了其在腐蝕環境中的整體耐性 [34]。冷作彎管所產生的內部拉伸殘留應力,與相變態所帶來的缺陷共同作用,會顯著增加管線在氯化物環境中對應力腐蝕開裂的敏感性 [34, 35]。
5.3 工法綜合比較與選用建議
銲接與冷作彎管兩種工法對SUS304管材的影響,從本質上來看是不同的。銲接的風險是高度局部化的,集中在銲縫及熱影響區,但由於敏化與高應力的存在,該區域的腐蝕敏感性極高。而冷作彎管的風險則影響整個彎曲段,其腐蝕敏感性與應力水平和相變程度有關,但通常比一個未經銲後處理的銲接接頭更均勻。
在對工法進行選擇時,應將風險管理的思維納入考量:
- 銲接:適用於需要高強度連接、精確尺寸控制,且能夠嚴格執行銲後處理的應用。當環境腐蝕性較低時,正確的銲接與處理能夠提供長期的可靠性。
- 冷作彎管:適用於簡化管線佈局、減少接頭數量、對外觀有要求且環境腐蝕性較低的場合。其優勢在於消除了銲接可能帶來的組織變化,但必須注意彎曲半徑與應力控制。
- 關鍵權衡:在高度腐蝕性(高氯化物)環境下,兩種工法都有其固有風險。在某些情況下,冷作彎管所產生的殘留應力可能比一個不完美的銲接接頭更低且更均勻,反而是一種更為安全的選擇。因此,決策應基於對具體環境條件與品質控制能力的綜合評估。在最嚴苛的環境下,使用預製的彎頭配件,或直接選用更高耐蝕性的不銹鋼(如SUS316L或雙相不銹鋼)來取代SUS304,從源頭上降低風險,可能是最佳的策略。
6. 綜合評估與關鍵建議
6.1 總結性比較
本報告深入分析了SUS304不銹鋼管在兩種典型應用環境中的腐蝕風險與兩種關鍵工法的影響,現將主要發現總結如下表。
應用場景 | 主要腐蝕風險 | 具體腐蝕機制 | 關鍵防護策略 | 建議工法考量 |
管架上 | 孔蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕 | 氯離子侵蝕、閉塞電池、異種金屬電位差 | 絕緣隔離、定期清潔、選用高PREN值材料 | 銲接與冷彎皆適用,需注意應力與銲後處理 |
地下埋設 | 微生物誘發腐蝕、一般土壤腐蝕 | 微生物代謝、土壤酸性、含鹽量 | 多層次保護(塗層、套管、陰極防蝕) | 銲接與冷彎皆需考慮;接頭完整性至關重要 |
銲接工法 | 晶間腐蝕、應力腐蝕開裂 | 銲接熱循環、敏化、殘留應力 | 嚴格銲接程序、銲後酸洗鈍化或打磨 | 適用於高強度連接,但需嚴格品管 |
冷作彎管工法 | 應力腐蝕開裂 | 加工硬化、殘留應力、相變態 | 控制彎曲半徑、適當的退火處理(如適用) | 適用於減少接頭,但需評估應力風險 |
6.2 關鍵決策建議
基於上述詳盡的分析,為確保SUS304不銹鋼管在工程應用中的長期可靠性,提出以下關鍵決策建議:
- 重新審視材料選用:在任何涉及氯離子或高風險環境(如沿海、工業區、潮濕酸性土壤)的應用中,應重新評估SUS304的適用性。儘管SUS304的初始材料成本較低(約為SUS316的50%,或雙相不銹鋼的30-40%)[36, 37],但其潛在的腐蝕失效、維護成本和可能造成的安全風險,遠超其材料價差。若環境風險高,強烈建議考慮選用SUS316L或雙相不銹鋼,其長期的全生命週期成本可能更具經濟效益 [10, 38]。
- 嚴格執行施工品質控制:無論是銲接還是冷作彎管,都必須將施工品質控制視為專案成功的關鍵。特別是銲接,銲後處理絕非可有可無的步驟。未經徹底處理的銲道貧鉻層與殘留應力,將成為未來腐蝕的必然起點。
- 建立系統化的多層次防護:對於地下埋設管線,應採用多層次防護系統。這包括高品質的表面塗層、無縫連接的保護套管(如HDPE熱熔接管),以及在必要時實施的陰極防蝕。其中,陰極防蝕應被視為一項高度專業化的技術,其設計與實施必須由具備相關經驗的專業工程師負責。對於不銹鋼,必須審慎選擇保護電位,並建立持續監測系統,以避免陰極活化溶解和氫脆等潛在的破壞性後果 [5]。
- 落實系統性維護與監測:對於暴露於管架上的管線,應建立定期的檢查與維護計畫,重點檢查管材與支架的接觸點,確保絕緣隔離完好無損,並及時清理任何可能導致縫隙腐蝕的堆積物。對於地下埋管,除了定期的電位測量,考慮採用地表電位分析等非破壞性技術,以檢測和定位潛在的防護層缺陷或腐蝕點,從而實現預防性維護,延長資產使用壽命 [29]。
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