CN107385350A - 含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管及其生产方法 - Google Patents

含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管及其生产方法。该无缝钢管的原料由重量百分比为90％的高炉铁水和10％的重型废钢组成；管坯的化学成分按重量百分比计分别为：C 0.07‑0.13；Si 0.20‑0.40；Mn 1.40‑1.60；P≤0.015；S≤0.005；Cr 1.50‑1.70；Mo 0.50‑0.70；V 0.05‑0.15；Ti 0.01‑0.03；Al 0.01‑0.04；稀土元素RE 0.0005‑0.0030；Cu<0.10；Ni<0.10；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素。上述700MPa无缝钢管具有成本低，生产难度小，力学性能优异的优点。

Description

含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管及其生产方法
技术领域
本发明涉及黑色金属冶炼及金属压力加工领域，特别涉及一种含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管及其生产方法。
背景技术
海洋钻井平台桩腿用无缝钢管，长期处于地层蠕动、高压海水的冲刷和腐蚀等恶劣环境下服役，因此，钢管面临着腐蚀开裂及疲劳失效等破坏性事故的困扰。这两种破坏形式通常都是灾难性的，均会带来人、财、物等多方面的巨大损失，为适应海洋环境这种苛刻的服役工况，特开发一种含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管。
经检索，相似的背景技术有：“疲劳强度≥600MPa的海洋钻井平台用钢及其生产方法”(专利申请号：201410197337.6)，其存在以下问题和缺点：由于钢中含有贵重元素Ni和Cu，生产成本相对较高、生产工艺相对复杂、生产难度相对较大；
经检索，相似的背景技术还有：“一种海洋钻井平台用钢”(专利申请号：201210435768.2)，其存在以下问题和缺点：由于钢中含有贵重元素Ni和Cu，生产成本相对较高；
经检索，相似的背景技术还有：“一种海洋钻井平台用钢的制备方法”(专利申请号：201210435770.X)，其存在以下问题和缺点：由于钢中含有贵重元素Ni和Cu，生产工艺相对复杂、生产难度相对较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管及其生产方法。
本发明提供一种含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管，其原料由重量百分比为90％的高炉铁水和10％的重型废钢组成；管坯的化学成分按重量百分比计分别为：C0.07-0.13；Si 0.20-0.40；Mn 1.40-1.60；P≤0.015；S≤0.005；Cr 1.50-1.70；Mo 0.50-0.70；V 0.05-0.15；Ti 0.01-0.03；Al 0.01-0.04；稀土元素RE 0.0005-0.0030；Cu<0.10；Ni<0.10；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素。
进一步地，所述RE为Ce与La的混合稀土金属：它们的重量百分比分别为Ce67％、La33％。
本发明还提供一种上述含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管的生产方法，其依次包括如下步骤：
铁水预处理，顶底复吹转炉冶炼，LF炉精炼，VD真空处理，圆坯连铸，切割，管坯加热，穿孔，连轧管，定径，冷却，锯切，热处理，矫直，探伤。
进一步地，所述铁水预处理的工序中：将高炉铁水经预处理，使得铁水中S降低到0.010％以下；
顶底复吹转炉冶炼的工序中：将预处理后的铁水和重型废钢分别按设计比例加入顶底复吹转炉，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度和终点目标；出钢过程中进行脱氧合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程进行挡渣或扒渣，出钢过程中合金加完以后加入白灰块。
进一步地，LF炉精炼的工序中：精炼全过程吹氩气，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热提温；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作。
进一步地，LF炉精炼结束后保持底部软吹氩气，按预定加入量喂入稀土丝。
进一步地，进行VD真空处理的工序中：设置真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟。
进一步地，VD真空处理结束后喂入定长硅钙丝，喂丝后进行10～15分钟软吹氩气。
进一步地，将经过VD真空处理后的钢水进行圆坯连铸的工序中：采用低拉速的恒拉速控制和电磁搅拌工艺，控制钢水过热度，铸坯经过矫直后，切割为圆管坯。
进一步地，所述热处理工艺具体为：900±10℃保温40～60min后出炉进行水淬，690±20℃保温70～90min后出炉进行空冷；回火后执行带温矫直，矫直温度≥500℃。
相对于现有技术，发明提供的含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管及其生产方法具有以下有益效果：
1、由于本产品不含有贵重元素Ni和Cu，因此生产成本相对较低、生产难度相对较小；
2、由于在500℃以上进行带温矫直，钢管的残余应力较低，残余应力：≤40MPa(采用环切法)；
3、由于含稀土元素的独特成分设计，结合成熟生产工艺，使得钢管的各项性能优异，具体性能指标如下：
屈服强度720～800MPa；抗拉强度800～900MPa；疲劳强度450～500MPa；0℃时的横向冲击值aKV≥120J/cm2；晶粒度≥9.0级。
4、按照NACE Standard TM 0177-2005标准A方法，采用光滑拉伸试样法，本发明基于屈服强度为700MPa钢级设计，试验恒定应力为0.8Rt0.6(560MPa)，经过H2S饱和的A溶液连续720小时浸泡，试样未出现开裂、也未出现破坏性裂纹。
具体实施方式
本发明公开了一种含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管及其生产方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明提供一种含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管，其特征在于，其原料由重量百分比为90％的高炉铁水和10％的重型废钢组成；管坯的化学成分按重量百分比计分别为：C 0.07-0.13；Si 0.20-0.40；Mn 1.40-1.60；P≤0.015；S≤0.005；Cr 1.50-1.70；Mo 0.50-0.70；V 0.05-0.15；Ti 0.01-0.03；Al 0.01-0.04；稀土元素RE 0.0005-0.0030；Cu<0.10；Ni<0.10；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素。
优选地，所述RE为Ce与La的混合稀土金属：它们的重量百分比分别为Ce67％、La33％。
相应的，本发明还提供一种上述含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管的生产方法，其依次包括如下步骤：
铁水预处理，顶底复吹转炉冶炼，LF炉精炼，VD真空处理，圆坯连铸，切割，管坯加热，穿孔，连轧管，定径，冷却，锯切，热处理，矫直，探伤。
进一步地，所述铁水预处理的工序中：将高炉铁水经预处理，使得铁水中S降低到0.010％以下；
顶底复吹转炉冶炼的工序中：将预处理后的铁水和重型废钢分别按设计比例加入顶底复吹转炉，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度和终点目标；出钢过程中进行脱氧合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程进行挡渣或扒渣，出钢过程中合金加完以后加入白灰块。
优选地，LF炉精炼的工序中：精炼全过程吹氩气，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热提温；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作。
优选地，LF炉精炼结束后保持底部软吹氩气，按预定加入量喂入稀土丝。
优选地，进行VD真空处理的工序中：设置真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟。
进一步地，VD真空处理结束后喂入定长硅钙丝，喂丝后进行10～15分钟软吹氩气。
优选地，将经过VD真空处理后的钢水进行圆坯连铸的工序中：采用低拉速的恒拉速控制和电磁搅拌工艺，控制钢水过热度，铸坯经过矫直后，切割为圆管坯。
优选地，所述热处理工艺具体为：900±10℃保温40～60min后出炉进行水淬，690±20℃保温70～90min后出炉进行空冷；回火后执行带温矫直，矫直温度≥500℃。
本发明提供的含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管一90％的高炉铁水与10％的重型废钢作为原料。按照以下述工艺流程进行生产：首先对上述高炉铁水进行预处理，然后与上述重型废钢一同加入顶底复吹转炉进行冶炼，再将冶炼好的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼，精炼完成后进入VD工位进行真空脱气处理，再进行圆坯连铸，并将连铸坯切割成管坯，然后对连铸管坯进行加热，对加热好的管坯进行穿孔和连轧使其成为连轧管，对轧管进行定径后送入冷床冷却，然后实施锯切，对切好的钢管进行热处理，然后进行矫直，最后经探伤检测，合格者即为钢管成品。
其工艺流程简述为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→切割→管坯加热→穿孔→连轧管→定径→冷却→锯切→热处理→矫直→探伤。
其具体工艺过程详述如下：
1、将高炉铁水经预处理，使得铁水中的含S量(重量百分比)降低到0.010％以下；
2、将预处理后的铁水兑入顶底复吹转炉，加入(重量百分比)10％重型废钢，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度和终点目标，出钢过程中进行脱氧合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程必须挡渣或扒渣，出钢过程中合金加完以后加入白灰块；
3、在LF炉进行精练：精炼全过程按要求正常吹氩气，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热提温；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作；
4、LF炉精炼结束后保持底部软吹氩气，按预定加入量喂入稀土丝。
5、进行VD真空处理：真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟；
6、喂入定长硅钙丝，喂丝后进行10～15分钟吹氩气。将经过VD真空处理后的钢水进行圆坯连铸，采用低拉速的恒拉速控制和电磁搅拌工艺；控制钢水过热度；铸坯经过矫直后，切割为圆管坯。
对管坯进行化学成分化验，管坯的化学成分应符合下述要求(重量百分比％)：C0.07-0.13；Si 0.20-0.40；Mn 1.40-1.60；P≤0.015；S≤0.005；Cr1.50-1.70；Mo 0.50-0.70；V 0.05-0.15；Ti 0.01-0.03；Al 0.01-0.04；稀土元素RE 0.0005-0.0030；Cu<0.10；Ni<0.10；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素。
钢种成分设计依据如下：
C是提高强度和淬透性最有效的元素之一，但为防止淬火变形及开裂，考虑钢管耐硫化氢腐蚀性能和冲击性能的要求，尽量提高Mn/C比，C含量控制在0.07～0.13％之间；
Si有脱氧的作用，但含量超过0.40％时不利于抗硫化氢腐蚀，因此Si含量控制在0.20～0.40％之间；
Mn有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性，并可补偿低碳所造成的强度损失，但Mn含量过高会产生偏析，容易产生对HIC裂纹敏感的MnS夹杂物，因此，将Mn含量控制在1.40～1.60％之间；
Cr能提高钢的强度和淬透性，并能在钢表面形成一层钝化膜，具有抗硫化氢腐蚀和抗氧化能力，同时Cr可提高耐二氧化碳腐蚀，并能抑制S的吸附，因此添加1.50～1.70％的Cr；
Mo能增加淬透性、并能提高回火稳定性，同时还能在表面形成致密的钝化膜，具有抗硫化氢腐蚀的能力，并可改善点腐蚀，因此加入0.50～0.70％的Mo；
V是较强的碳氮化物形成元素，钢中绝大多数的V以VC和VN形式从奥氏体-铁素体相界面沉淀析出，有效地阻止铁素体晶粒的长大，从而细化了铁素体晶粒，以充分发挥其细晶强化和沉淀强化的功效；
Ti是强烈的氮化物形成元素，微量的Ti可以捕捉钢中游离的N，以TiN质点的形式弥散析出，对奥氏体晶界具有强烈的钉扎作用，从而达到细晶强化的功效，提高热影响区的韧性，改善钢的焊接性能；
P会造成微观偏析，容易导致淬火马氏体形成显微裂纹，成为氢的聚集源，因此，将P含量控制在0.015％以下；
S含量的增加会显著增加HIC的敏感性，为了达到理想的抗硫化氢腐蚀效果，钢中S含量应控制在0.005％以下；
Al具有良好的脱氧能力，并可细化奥氏体晶粒，提高钢的耐腐蚀能力，将Al含量控制在0.01～0.03％之间；
加入RE元素能够起到净化钢液、改善非金属夹杂物形态、减少点腐蚀和强化晶界等作用，从而取得提高钢材的冲击韧性和抗硫化氢腐蚀性能的效果。
所述稀土元素为Ce、La的混合稀土金属：它们的重量百分比分别为：Ce67％、La33％。
将成分化验合格及硫印不大于2.0级的连铸圆管坯进行制管，制管过程如下：
将管坯放入加热炉进行加热，连续检查并控制好加热炉各加热段的温度，各段温度的控制范围见表1：
表1环形加热炉各段温度控制(℃)
加热一段 加热二段 加热三段 加热四段 加热五段 加热六段
1050～1120 1150～1250 1250～1290 1240～1300 1240～1300 1240～1300
用微机对加热炉各段温度进行自动控制并自动记录。
热工具在使用前必须测量，轧前必须检查、处理辊道，避免划伤管壁。
将加热好的管坯穿孔后在相应的连轧管机组轧制成所需规格的无缝钢管，轧制时每批至少进行一次热取样，检查几何尺寸；在冷床上冷却之后进行定尺锯切，尺寸精度检查合格的钢管再进行热处理；控制淬火加热炉的炉温、加热稳定性和冷却水流量，以保证淬火质量；控制回火加热炉的炉温和加热稳定性，以保证回火质量。
热处理制度为：900±10℃保温40～60min进行水淬，690±20℃保温70～90min进行空冷，回火后执行带温矫直，矫直温度≥500℃。钢管进行逐支探伤、水压和通径。
经过上述工艺过程，可以生产出本发明所述的含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管。
相对于现有技术，发明提供的含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管及其生产方法具有以下有益效果：
1、由于本产品不含有贵重元素Ni和Cu，因此生产成本相对较低、生产难度相对较小；
2、由于在500℃以上进行带温矫直，钢管的残余应力较低，残余应力：≤40MPa(采用环切法)；
3、由于含稀土元素的独特成分设计，结合成熟生产工艺，使得钢管的各项性能优异，具体性能指标如下：
屈服强度720～800MPa；抗拉强度800～900MPa；疲劳强度450～500MPa；0℃时的横向冲击值aKV≥120J/cm2；晶粒度≥9.0级。
4、按照NACE Standard TM 0177-2005标准A方法，采用光滑拉伸试样法，本发明基于屈服强度为700MPa钢级设计，试验恒定应力为0.8Rt0.6(560MPa)，经过H2S饱和的A溶液连续720小时浸泡，试样未出现开裂、也未出现破坏性裂纹。下面结合实施例，进一步阐述本发明：
实施例1-3
按重量百分比原料为：高炉铁水90％，重型废钢10％。
生产工艺流程顺序为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→切割→管坯加热→穿孔→连轧管→定径→冷却→锯切→热处理→矫直→探伤。
具体生产工艺流程如下所述：
将90吨高炉铁水用“金属镁粉”作脱硫脱氧预处理，使铁水中的含S量降低到(重量百分比)0.010％以下。
将所述的90吨预处理铁水兑入100吨级的顶底复吹转炉中，再加入10吨重型废钢，然后采用单渣工艺进行冶炼，终渣碱度按3.0控制，出钢时采用硅锰、锰铁和铬铁进行脱氧合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程必须挡渣，挡渣失败必须扒渣，出钢过程中合金加完以后加入200kg白灰块。
将冶炼好的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼：精炼时按要求正常吹氩气，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热升温；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作，钒铁、钼铁和钛铁合金在中后期加入。
当LF炉精炼结束后要保持底部软吹氩气，按预定的加入量喂入一定长度的稀土丝。
然后对精炼好的钢水再进行VD真空处理：深真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟；再喂入一定长度的硅钙线，喂丝后保持12分钟软吹氩气。
将经过VD真空处理后的钢水大包吊上钢包回转台进行5机5流圆坯连铸，连铸时采用低拉速的恒速控制和电磁搅拌工艺；钢水过热度ΔT≤30℃；铸坯出二次冷却区域后进行矫直，然后用火焰切割为圆管坯。
对规格为管坯取样进行化、检验，其化学成分化验结果(重量百分比含量)见表2。
表2化学成分检测结果(重量％)
所述稀土元素RE为：67％的Ce+33％的La构成的混合稀土金属，其化学成分及其含量合格。
硫印：均不超过1.0级，低倍检验合格。
将化、检验合格的管坯进行制管，制管过程如下：
为了使管坯具有良好的轧制性能，要连续检测并控制加热炉的各加热段温度，保证加热透彻均匀而不过热，环形炉各段的温度见表1。
用微机对加热炉各段温度进行自动控制并自动记录。
热工具在使用前必须测量，轧前必须检查、处理辊道，避免划伤管壁。
将加热好的管坯穿孔后在连轧管机组上轧制成规格为的无缝钢管，每批进行一次热取样，检查几何尺寸；在冷床上冷却之后进行定尺锯切；尺寸精度检查合格的钢管再进行热处理：控制淬火加热炉的炉温、加热稳定性和冷却水流量，以保证淬火质量；控制回火加热炉的炉温和加热稳定性，以保证回火质量。
热处理制度为：900℃保温50min后出炉进行水淬，690℃保温80min后出炉进行空冷。
钢管回火后进行带温矫直，矫直温度控制在520～530℃。对矫直后的钢管逐支进行探伤检测、水压试验和通径检验。
经过上述工艺生产及无损探伤过程，合格者即成为本发明所述的“含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管”的成品，用其制取试样进行力学性能和金相检验。
经过检验，实施例1～实施例3所产无缝钢管的力学性能和金相检验结果见表3。
表3钢管的力学性能检测结果
Rt0.6(MPa) Rm(MPa) A(％) a KV(J/cm2) 疲劳强度(MPa) 残余应力 组织 晶粒度
实施例1 732 821 22 146 459 29MPa 回火S 10级
实施例2 753 846 22 137 472 31MPa 回火S 10级
实施例3 775 867 21 128 483 34MPa 回火S 10级
对比样 746 827 21 93 451 41MPa 回火S 9.5级
注：冲击试样均为横向、试验温度为0℃；对比样与实施例1～实施例3所产无缝钢管的规格和热处理工艺完全相同。
表4 SSC性能检验结果
实施例1 光滑拉伸试样、恒定应力560MPa、经过H2S饱和溶液连续浸泡、720小时试样不开裂
实施例2 光滑拉伸试样、恒定应力560MPa、经过H2S饱和溶液连续浸泡、720小时试样不开裂
实施例3 光滑拉伸试样、恒定应力560MPa、经过H2S饱和溶液连续浸泡、720小时试样不开裂
对比样 光滑拉伸试样、恒定应力560MPa、经过H2S饱和溶液连续浸泡、231小时试样开裂
由上述内容可知，采用本发明提供的方法制备含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管的屈服强度为720～800MPa、疲劳强度为450～500MPa、0℃时的横向冲击值≥120J/cm2。本发明的产品具有生产成本低、强韧性能匹配高、组织均匀细小、残余应力低、耐硫化氢腐蚀的特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管，其特征在于，其原料由重量百分比为90％的高炉铁水和10％的重型废钢组成；管坯的化学成分按重量百分比计分别为：C0.07-0.13；Si 0.20-0.40；Mn 1.40-1.60；P≤0.015；S≤0.005；Cr 1.50-1.70；Mo 0.50-0.70；V 0.05-0.15；Ti 0.01-0.03；Al 0.01-0.04；稀土元素RE 0.0005-0.0030；Cu<0.10；Ni<0.10；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素。
2.根据权利要求1所述的含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管，其特征在于，所述RE为Ce与La的混合稀土金属：它们的重量百分比分别为Ce67％、La33％。
3.权利要求1或2所述的含稀土海洋钻井平台桩腿用700MPa无缝钢管的生产方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
铁水预处理，顶底复吹转炉冶炼，LF炉精炼，VD真空处理，圆坯连铸，切割，管坯加热，穿孔，连轧管，定径，冷却，锯切，热处理，矫直，探伤。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述铁水预处理的工序中：将高炉铁水经预处理，使得铁水中S降低到0.010％以下；
顶底复吹转炉冶炼的工序中：将预处理后的铁水和重型废钢分别按设计比例加入顶底复吹转炉，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度和终点目标；出钢过程中进行脱氧合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程进行挡渣或扒渣，出钢过程中合金加完以后加入白灰块。
5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，LF炉精炼的工序中：精炼全过程吹氩气，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热提温；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作。
6.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，LF炉精炼结束后保持底部软吹氩气，按预定加入量喂入稀土丝。
7.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，进行VD真空处理的工序中：设置真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟。
8.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，VD真空处理结束后喂入定长硅钙丝，喂丝后进行10～15分钟软吹氩气。
9.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，将经过VD真空处理后的钢水进行圆坯连铸的工序中：采用低拉速的恒拉速控制和电磁搅拌工艺，控制钢水过热度，铸坯经过矫直后，切割为圆管坯。
10.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述热处理工艺具体为：900±10℃保温40～60min后出炉进行水淬，690±20℃保温70～90min后出炉进行空冷；回火后执行带温矫直，矫直温度≥500℃。
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