CN102224368B - 油田用的带螺纹的连接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油田用的带螺纹的管连接，其包括具有内螺纹(16)、(18)的母接头(12)和具有用于与内螺纹配合的外螺纹(22)、(24)的公接头(14)。母接头力矩台肩(20)和公接头力矩台肩(26)中的每一个可以是负角度的台肩，并且内螺纹和外螺纹上的螺纹侧面也可以是负角度的承载侧面。当在装配期间涂布油被圈闭在螺纹之间时，接头基本上保持期望的预加载荷。另一个实施例提供了正角度的力矩台肩和正角度的承载侧面。
Description
技术领域
本发明涉及具有接合力矩台肩类型的油田用的带螺纹的连接装置。更具体地，本发明涉及一种油田用的带螺纹的连接装置，其中螺纹承载侧面成微小的负角度，并且力矩台肩成类似的负角度。该组合使得当由于截留的丝扣油而在连接装置中形成高压时使预加载荷的损失最小。
背景技术
利用自动处理和装配系统，致使海上钻井有连接装置，该连接装置在开始操纵绞车以用于将管状物柱下入井下之前已经在岸上基地或者在钻机上配备有丝扣油。虽然上述技术令人期望地使员工远离伤害，但是这些技术排除了利用“人接触”来正确地施加丝扣油的能力。因此，连接装置对施加过多丝扣油的敏感性显著高于下入管的现代方法。
带螺纹的连接装置在每个端部附近具有既用于内部压力密封又用于外部压力密封的密封件，该带螺纹的连接装置倾向于在密封件之间圈闭丝扣油。期望密封件达到压力反向情况所需的能力。然而，无意中，这些密封件还圈闭(trap)了在装配期间试图逸出连接装置的丝扣油的压力。此外，由于通过批准它们使用的间隙问题(clearanceissues)驱动的可获得的有限材料，一体的、膨胀的、母螺纹的带衬的连接装置(通常具有这种配置)常常不如螺纹联接的连接装置坚固耐用。
市场上存在一体的、锥形的、两级的、负承载侧面的、双密封的连接装置。一个实例是Grant Prideco ANJO连接装置，该连接装置具有负承载侧面螺纹形式的两级螺纹、在接头的轴向中心附近的15°的力矩台肩和内部密封件与外部密封件。另一种连接装置是HydrilSLX连接装置，该连接装置也具有负承载侧面螺纹形式的两级螺纹、在接头的轴向中心附近的15°的力矩台肩以及内部密封件与外部密封件。对于该后一种情况，外部密封件也是中间接头。具有负承载侧面螺纹形式的两级螺纹的第三种连接装置是VAM SLIJII连接装置，该连接装置在接头的轴向中心附近具有基本上垂直于连接装置的轴线的力矩台肩，并且该连接装置还具有内部密封件和外部密封件。市场上还存在一体的、锥形的、单级的、负承载侧面的、双密封的连接装置。一个实例是Hunting Seal Lock SF，其具有负承载侧面螺纹形式的单级螺纹、在接头的外表面附近的15°的力矩台肩以及内部密封件与外部密封件。还存在具有齐平的或者接近齐平的外直径的其它类似的接头。
在接头内部产生高压力的过多的丝扣油的一个潜在的显著不利作用是在丝扣油压力消散时连接装置的预加载荷和所储存的力矩损失。所储存的力矩的损失在海上钻井应用中是非常受关注的，在该海上钻井应用中，接头在下入过程中有旋松和脱开的可能性。对于作业者在6,000英尺的水中钻出100百万美元的井来说，在高达30,000英尺磅(ft.lb)下拧紧连接和在5,000英尺磅(ft.lb)下拆开连接是特别令人为难的。通过基本上保持拧紧力矩和预加载荷，可以显著地提高连接装置的可靠性。
美国专利US 4,753,460公开了一种带螺纹的连接装置，其中该连接装置在两级螺纹上具有负承载侧面、在公接头上具有正角度力矩台肩以及具有用于高转矩接合的母接头。美国公开文献US 2002/0033603公开了一种带螺纹的连接装置，其中该连接装置具有带倒圆齿根的传统螺纹以及在母接头的端部与公接头上的配合面之间的承载台肩。母接头构件的端表面还可按合公接头构件上的配合面。
通过本发明，克服了现有技术的缺点，并且在下文中公开了一种改进的油田用管状物的连接装置。
发明内容
在一个实施例中，带螺纹的油田用管状物的连接装置包括：母接头，所述母接头具有内螺纹和母接头力矩台肩；以及配合的公接头，所述公接头具有外螺纹和公接头力矩台肩，所述公接头力矩台肩在装配连接装置时用于与母接头力矩台肩接合。外螺纹和内螺纹中的每一个具有螺纹承载侧面，该螺纹承载侧面相对于连接装置的中心轴线成负角度。母接头力矩台肩和公接头力矩台肩两者都具有类似的负角度。多个变型包括比承载侧面角度有更高量值的力矩台肩角度。当过量的涂布油被圈闭在螺纹之间时，产生了丝扣油压力，该丝扣油压力可能引起公接头构件和母接头构件的某些径向分离。在该压力消散的事件中，该径向分离减小。如果螺纹承载侧面和力矩台肩的角度是基本上平行的，则公接头构件和母接头构件之间的接触力的轴向分量保持恒定，并且所储存的力矩基本上不受影响。在公接头构件和母接头构件之间的径向分离由于这些角度的不一致而减小时，如果承载侧面与力矩台肩之间的轴向距离增大，则由于所圈闭的涂布油压力的潜在能量被转换为产生附加储存力矩的附加机械预加载荷，可增大接触力的轴向分力。
在另一个实施例中，带螺纹的油田用连接装置包括：母接头，该母接头具有内螺纹和母接头力矩台肩；以及公接头，该公接头具有外螺纹和公接头力矩台肩。外螺纹和内螺纹中的每一个都具有垂直于连接装置的中心轴线或者相对于连接装置的中心轴线成正角度的螺纹承载侧面；以及，母接头力矩台肩和公接头力矩台肩中的每一个都相对于连接装置的中心轴线也成类似的角度。多个变型包括比承载侧面角度有更小量值的力矩台肩角度。公接头的承载侧面角度与公接头的力矩台肩角度之间的最大差值或者母接头的承载侧面角度与母接头的力矩台肩角度之间的最大差值通常应该为5°或者更小。
根据参照附图的下述详细说明，本发明的这些和其它的特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1示出了根据发明的带螺纹的连接装置的一个实施例。
图2是图1所示的螺纹和力矩台肩的一部分的放大图。
图3是图2所示的螺纹和力矩台肩在连接装置承受圈闭在螺纹之间的内部压力时的放大图。
图4是根据本发明的带螺纹的连接装置的另一个实施例的局部横截面图，该连接装置具有正角度承载侧面螺纹和正角度力矩台肩。
具体实施方式
参见图1，带螺纹的油田用管状物的连接装置10包括：母接头14，该母接头具有内部的、锥形的、两级螺纹16、18；以及力矩台肩20。配合的公接头12具有外部的、锥形的、两级螺纹22、24，以及具有与力矩台肩20配合的力矩台肩26。在公接头和母接头两者中，在螺纹梯级之间轴向地设置有力矩台肩，该力矩台肩优选地设置在稍微锥形体上，并且在螺纹的两级之间具有显著的径向间距。图1还公开了母接头14上的截头锥形的密封表面28，该密封表面28与公接头12上的配合表面30形成了金属-金属密封，从而阻止内部压力通过螺纹18、24。公接头12具有类似的截头锥形表面32，该截头锥形表面32与母接头14上的表面34配合以便类似地密封螺纹16、22而阻止外部流体侵入。当装配连接装置10时，外部密封件和内部密封件在所述密封件之间圈闭流体压力，从而在螺纹之间圈闭流体压力。当该圈闭的腔室充满润滑剂或者丝扣油(通常称为管的涂布油)时，在连接装置的最后装配期间，压力随着腔室减小而增大，并从而引起了螺纹的径向分离。
仍然参见图1，因此，应当理解的是，当由于所圈闭的丝扣油的液压力而在连接装置内产生高压力时，在所述液压压力消散时，可能有预加载荷的显著损失。通过利用本文所公开的特征，一旦由于“涂布油过量”状态而引起的流体压力消散，可基本上保持最终的预加载荷。这些特征对于(但不限于)一体的、锥形的、两级连接装置来说是特别有利的，其中力矩台肩在母接头和公接头两者的两级螺纹之间间隔开，并且其包括负承载侧面螺纹形式。如随后所公开的，关键的特征是：负力矩台肩和螺纹的负承载侧面角度是平行的或者具有微小的角度差异，这阻止预加载荷的损失，从而基本上有效地保持初始的高预加载荷，同时由于涂布油的高压力而引起的公接头和母接头的径向分离在涂布油的压力消散时转化为台肩的干涉。再者，如图4所示及以下所论述的，可以控制正角度的承载侧面和力矩台肩之间的相对角度，以在径向偏转期间阻止轴向脱开接合。
现在参见图2，在公接头和母接头两者上的两级螺纹中的每一个具有负的承载侧面角度36，该角度优选地可在大约1°到大约15°的量级内变化。负的侧面或者钩状螺纹在张力和压力负载下按用于接合接头的公知方式来使公接头和母接头的径向分离最小。公接头和母接头之间的接合力矩台肩类似地成负角度，如图2中的角度38所示。力矩台肩的角度38根据承载侧面的角度优选地可在大约1°到大约20°的量值内变化。随着径向分离响应于公接头与母接头之间的流体(涂布油)压力减小而减小，承载侧面与力矩台肩之间的轴向距离增大，这些角度之间的微小差别允许连接由于台肩施加的反作用力而轴向地增强。对于许多实施例来说，螺纹承载侧面上的负角度和负的公接头力矩台肩角度以及母接头力矩台肩角度之间的差值小于5°，并且在大部分应用中，力矩台肩的负角度基本上等于或者稍微大于螺纹承载侧面的负角度，这可以在涂布油压力散失之后在力矩台肩接触面处提供更多的轴向重叠，以使得可以令人期望地提高拆开扭矩。优选地，母接头力矩台肩和公接头力矩台肩中的每一个都具有在母接头和公接头的负螺纹承载侧面角度的1°范围内的负角度。对于许多实施例来说，母接头和公接头的螺纹承载侧面有在大约3°到大约12°之间的负角度，并且母接头力矩台肩和公接头力矩台肩具有在大约3°到大约13°之间的负角度，以使得力矩台肩和承载侧面之间的角度差异基本等于1°。内螺纹和外螺纹上的对扣侧面中的每一个优选成正角度，但是，根据发明可使用各种期望的对扣侧面角度。根据本发明，对扣侧面角度可以是正的、负的或者中性的。
根据现有技术的某些连接，在承载侧面和力矩台肩之间有效地形成了楔形接合。当由丝扣油压力引起的径向偏转减小时，该楔形接合减弱。已经测得在装配期间和装配之后连接装置内存在的压力增大和随后的压力降低达到10,000磅/平方英寸。在“涂布油过量”状态中，公接头和母接头径向地分离，而在流体压力减小时，在初始的预加载荷中存在显著的损失。如图3所示，根据本发明，涂布油过量状态还导致公接头与母接头之间的径向分离。然而，在该情况下，当流体压力减弱时，径向分离减小，并且连接装置使力矩台肩和承载侧面向下倒转，从而导致接头具有相等或者较高的预加载荷，而不出现在许多现有技术的连接装置中发生的预加载荷的明显减小。通过提供具有负角度的力矩台肩，在与也有负角度的承载侧面接合时，连接装置在螺纹之间存在过量的丝扣油时对减小的预加载荷不太敏感。如本文所使用的术语“负”角度是指上传统上在母接头上方与公接头装配的母接头表面与垂直于连接装置的中心轴线的直线相比具有稍微向下的斜度，而不是具有向上的斜度，该向上的斜度在具有正角度承载侧面(诸如支壁和8个倒圆的螺纹)的美国石油学会的接头的公知领域中是惯用的。类似地，公接头上的负表面稍微向下成锥形，以用于与母接头上的相应表面配合接合。两个承载侧面是稍微向下倾斜的并且保持在小于1度的相当精密的公差内。再者，优选的是，公接头上的承载侧面和母接头上的承载侧面两者在连接装置完全装配好时都具有相当大的平面接合，虽然在这些侧面角度之间可能存在微小的差异，或者螺纹本身的侧表面可能具有稍微不同的长度。类似地，在母接头构件上的力矩台肩与公接头构件上的力矩台肩之间期望基本上平面的接合，虽然在这些角度之间由于加工公差也可能存在微小的差值，例如，一般小于1度。承载台肩不必具有相同的径向长度。
如果力矩台肩的角度具有较高的量值，则在承载侧面与力矩台肩之间形成楔形，该楔形可将涂布油压力的径向预加载荷转换成力矩台肩上的附加轴向预加负荷。如果力矩台肩的角度具有较低的量值，则形成由本发明提出的楔形接合构造。如果力矩台肩的角度平行于或者接近平行于螺纹承载侧面，则应该基本上保持预加载荷。通过提供本文中所公开的特征，油田用管状物连接装置即使在密封件之间圈闭有过量的涂布油也能够保持较高的脱开性能。所圈闭的涂布油增大了环向应力，并且可能出现接头的径向分离，虽然当过量的涂布油的压力减小时，连接装置在初始的预加载荷没有明显减小的情况下令人期望地返回其大致初始形态。在下述情况下这是不可能的：当连接装置上的承载侧面和连接装置上的力矩台肩有效地处于显著不同的角度时，并且其有效地产生了楔形接合状态时。根据发明的一个实施例，螺纹的承载侧面角度和力矩台肩角度两者都为负角度，优选在微小的差别范围内，这允许连接在随着公接头和母接头的径向分离响应于丝扣油压力的减小而减小、承载侧面与力矩台肩之间的距离增大时轴向地增强。
锥形力矩台肩(其仅应用于“负”台肩的选择)的另一个潜在的优点是允许接头在高压缩的轴向载荷下发生径向偏转，这允许对扣侧面间隙闭合。这进而增加了支承区域，以便承载压缩负载并且阻止台肩屈服。通过使台肩的刚性较小，在力矩台肩的支承区域屈服之前，对扣侧面间隙能够闭合并且参与承载压缩负载。由于力矩台肩上的反作用力的径向分力，该径向偏转允许所述轴向推进。该径向力是由倾斜的力矩台肩引起的。
在如图4所示的发明的另一个实施例中，带螺纹的连接装置10包括：公接头构件14和母接头构件12，以及通过公接头构件的表面20和母接头构件的表面26的接合而形成的力矩台肩。图4示出的连接装置具有两级锥形螺纹，但是图1-3或者图4的发明也可以用在单级的锥形螺纹上。
图4示出了螺纹具有正角度的承载侧面42，并且由表面26和28所形成的力矩台肩也是正角度的。根据本发明，控制这些表面，以使得公接头构件或母接头构件中的一个上的承载侧面和相同的公接头构件或者母接头构件上的力矩台肩之间的任何差值小于大约5°，例如，承载侧面角度可以是正10°，而力矩台肩可以是正9°。对于该实施例，表面26、28中的每一个都垂直于从0°到15°且更优选小于15°的正角度。图4显示了在两级螺纹之间间隔开的力矩台肩，尽管可替代地力矩台肩可设置在连接装置的任一端部上。除了承载侧面和力矩台肩中的差异之外，如上所论述的，连接装置另外可以用于负角度的实施例。本文所描述的原理可应用于螺纹联接接头、单级接头或者仅具有单个密封件的接头。由于内部密封件与力矩台肩的结合或者由于与外部密封件的存在无关的螺纹中的限制，可能出现丝扣油压力。其它具有内部密封结构和外部密封结构的连接装置对涂布油过量敏感并且也将受益于本发明。
虽然本文已经详细地描述了发明的具体实施例，这仅仅是为了用于说明发明的各个方面的目的，并且旨在限制下述权利要求中所限定的发明范围。本领域的技术人员应当理解的是，所显示和描述的实施例是示例性的，在不脱离本发明范围的情况下，在发明的实践中可进行其它各种替换、变更和修改，包括但不限于本文所具体论述过的那些设计替代方案。尽管已经参照附图具体地描述了本发明，但是应当理解的是，除了本文所显示和暗示的那些修改之外，在本发明的范围和精神内可进行其它的和进一步的修改。
Claims (17)
1.一种带螺纹的油田用管状物的连接装置，该连接装置包括：
母接头，所述母接头具有内螺纹和母接头力矩台肩；
公接头，所述公接头具有当装配所述连接装置时用于与所述内螺纹配合接合的外螺纹和用于与所述母接头力矩台肩接合的公接头力矩台肩；
所述外螺纹和所述内螺纹中的每一个都具有相对于所述连接装置的中心轴线成负角度的螺纹承载侧面；以及
其特征在于，所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩中的每一个都相对于所述连接装置的中心轴线成负角度；
其中所述母接头和所述公接头中的每一个都包括锥形的两级螺纹，并且所述锥形的两级螺纹中的每一个都具有负角度的承载侧面；
其中所述母接头力矩台肩使得在所述母接头的所述两级螺纹之间有轴向间隔；以及所述公接头力矩台肩使得在所述公接头的所述两级螺纹之间有轴向间隔。
2.如权利要求1所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述连接装置还包括：
公接头密封表面，所述公接头密封表面邻近所述公接头的外螺纹端，以用于在装配所述连接装置时与所述母接头密封接合；以及
母接头密封表面，所述母接头密封表面邻近所述母接头的内螺纹端，以用于在装配所述连接装置时用于与所述公接头密封接合。
3.如权利要求1所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述母接头和所述公接头上的螺纹承载侧面中的每一个、所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩相对于所述连接装置的中心轴线成负角度，其中，相应的公接头上的所述螺纹承载侧面的负角度与所述公接头力矩台肩的负角度之间的差值小于5°，或者相应的母接头上的所述螺纹承载侧面的负角度与所述母接头力矩台肩的负角度之间的差值小于5°。
4.如权利要求3所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述螺纹承载侧面的角度为1°到15°，所述母接头力矩台肩的角度和所述公接头力矩台肩的角度均为1°到20°，所述母接头力矩台肩的角度和所述公接头力矩台肩的角度均基本上等于或者大于所述螺纹承载侧面的角度。
5.如权利要求1所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩中的每一个的负角度都在所述母接头和所述公接头上的螺纹承载侧面的负角度的5°内。
6.如权利要求1所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述母接头和所述公接头上的螺纹承载侧面中的每一个有小于15°的负角度，并且所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩中的每一个具有小于20°的负角度。
7.如权利要求1所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述内螺纹和所述外螺纹的对扣侧面中的每一个成正角度。
8.一种带螺纹的油田用管状物的连接装置，所述连接装置包括：
母接头，所述母接头具有内螺纹和母接头力矩台肩；
公接头，所述公接头具有当装配所述连接装置时用于与所述内螺纹配合接合的外螺纹和用于与所述母接头力矩台肩接合的公接头力矩台肩；
所述外螺纹和所述内螺纹中的每一个都包括锥形的两级螺纹，该锥形的两级螺纹具有螺纹承载侧面，所述螺纹承载侧面相对于所述连接装置的中心轴线成一角度；
其特征在于，所述母接头力矩台肩使得在所述母接头的两级螺纹之间有轴向间隔，以及所述公接头力矩台肩使得在所述公接头的两级螺纹之间有轴向间隔；以及
所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩中的每一个相对于所述连接装置的中心轴线成一角度，相应的公接头的螺纹承载侧面的角度与公接头力矩台肩的角度之间的差值小于5°，或者相应的母接头上的螺纹承载侧面的角度与母接头力矩台肩的角度之间的差值小于5°；
其中所述母接头和所述公接头上的螺纹承载侧面中的每一个都成小于15°的正角度，并且所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩中的每一个都具有小于15°的正角度。
9.如权利要求8所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述连接装置还包括：
公接头密封表面，所述公接头密封表面邻近所述公接头的外螺纹端，以用于在装配所述连接装置时与所述母接头密封接合；以及
母接头密封表面，所述母接头密封表面邻近所述母接头的内螺纹端，以用于在装配所述连接装置时与所述公接头密封接合。
10.如权利要求8所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述母接头和所述公接头上的螺纹承载侧面中的每一个的角度、所述母接头承载侧面的角度、所述母接头力矩台肩的角度和所述公接头力矩台肩的角度在任何两个角度之间的差值小于5°。
11.一种形成油田用管状物的连接装置的方法，包括：
提供母接头，所述母接头具有内螺纹和母接头力矩台肩；
提供公接头，所述公接头具有在装配所述连接装置时用于与所述内螺纹配合接合的外螺纹和用于与所述母接头力矩台肩接合的公接头力矩台肩；
使所述外螺纹和所述内螺纹中的每一个形成有螺纹承载侧面，所述螺纹承载侧面相对于所述连接装置的中心轴线成一角度；
其特征在于，所述方法还包括下述步骤：
使所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩中的每一个相对于所述连接装置的中心轴线形成一负角度；以及
装配所述母接头和所述公接头以形成所述带螺纹的连接装置；
其中所述母接头和所述公接头中的每一个形成有锥形的两级螺纹；以及
所述母接头力矩台肩使得在所述母接头的两级螺纹之间有轴向间隔；以及所述公接头力矩台肩使得在所述公接头的两级螺纹之间有轴向间隔。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括：
邻近所述公接头的外螺纹端形成公接头密封表面，以用于在装配所述连接装置时与所述母接头密封接合；以及
邻近所述母接头的内螺纹端形成母接头密封表面，以用于在装配所述连接装置时与所述公接头密封接合。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述母接头和所述公接头上的螺纹承载侧面中的每一个、所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩形成一角度，其中，相应的公接头上的螺纹承载侧面的角度与公接头力矩台肩的角度之间的差值小于5°，相应的母接头上的螺纹承载侧面的角度与母接头力矩台肩的角度之间的差值小于5°。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述螺纹承载侧面成从1°到15°的负角度，并且所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩均成从1°到15°的负角度，所述母接头力矩台肩的角度和所述公接头力矩台肩的角度均基本上等于或者大于所述螺纹承载侧面的角度。
15.一种带螺纹的油田用管状物的连接装置，包括：
母接头，所述母接头具有内螺纹和母接头力矩台肩；
公接头，所述公接头具有在装配所述连接装置时用于与所述内螺纹配合接合的外螺纹和用于与所述母接头力矩台肩接合的公接头力矩台肩；
所述外螺纹和所述内螺纹中的每一个都具有螺纹承载侧面，该螺纹承载侧面相对于所述连接装置的中心轴线成正角度；
所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩中的每一个相对于所述连接装置的中心轴线成正角度；以及
其特征在于，所述母接头和所述公接头上的螺纹承载侧面中的每一个、所述母接头力矩台肩和所述公接头力矩台肩相对于所述连接装置的中心轴线成正角度，其中相应的母接头上的螺纹承载侧面的正角度与母接头力矩台肩的正角度之间的差值小于5°，或者相应的公接头上的螺纹承载侧面的正角度与公接头力矩台肩的正角度之间的差值小于5°。
16.如权利要求15所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述母接头和所述公接头中的每一个都包括锥形的两级螺纹，并且所述锥形的两级螺纹中的每一个具有正角度承载侧面。
17.如权利要求16所述的带螺纹的油田用管状物的连接装置，其中，所述母接头力矩台肩使得在所述母接头的两级螺纹之间有轴向间隔，以及所述公接头力矩台肩使得在所述公接头的两级螺纹之有轴向间隔。
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