CN108827821B - 一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置及方法，快速分析装置包括气体取样进样装置、氢气浓度测量装置和气体排出及回收装置，气体取样进样装置包括并联设置的第一进气支路和第二进气支路，第一进气支路与核电站安全壳连接并伸入安全壳内，第二进气支路连接有标准气罐，第一进气支路与第二进气支路的另一端与氢气浓度测量装置连通；氢气浓度测量装置包括第一容器和第二容器，第一容器的输出端与第二容器的输入端通过第一输出支路和或第二输出支路连接；气体排出及回收装置包括真空泵和转移泵。本发明可实现核电站安全壳内氢气浓度的快速在线或离线取样检测，检测范围宽，分析结果准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及核电站安全检测技术领域，具体涉及一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置及方法。
背景技术
核电站在发生严重事故时，由于事故早期的锆-水反应以及后期水的辐照分解等综合反应可产生大量氢气，氢气的急速聚集存在燃烧/燃爆的危险。日本福岛核事故后，核电厂安全壳严重事故工况下的氢风险控制引起了国内外的高度关注，而安全壳内氢气浓度的快速分析是进行氢气风险控制的前提条件。
由于氢气的产生是在事故状态下，安全壳内气体呈现高温、高压、高放射性的特点，对氢气浓度分析技术和装置提出了更为严苛的要求，同时事故的产生具有不确定性，要求氢气浓度分析技术和装置具备分析快速、准确可靠、能够免维护全天候待机的特性。
传统的气体测量仪器，如色谱、红外、拉曼等，测试周期长，方法复杂，每次测量前都需专业人员进行一系列繁琐复杂的校准工作，难以快速分析，并且维护困难，无法全天候待机使用；再次，壳内气体具有放射性，分析检测后需要返回安全壳，这对装置的密封性、抗辐射性和气体循环系统都提出了很高的要求。而现有核电站严重事故氢气浓度监测方案，无论是壳内测量方法和壳内取样、壳外测量方法，目前均着重于系统方案设计，其氢分析主要部件均为氢传感器、氢分析仪等，其分析检测依赖的主要元件在安全壳事故后的高温、高压、高湿度、高辐射条件下均存在失效性等问题，存在分析不准确、无法全天候待机等风险。
因此，提供一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置及方法，以解决上述现有技术所存在的问题，成为现在亟待解决技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，方法简单，分析快速准确，检测范围宽，可以实现全天候待机。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置，包括气体取样进样装置、氢气浓度测量装置和气体排出及回收装置，所述气体取样进样装置包括并联设置的第一进气支路和第二进气支路，所述第一进气支路上设置有第一阀门，并且所述第一进气支路的一端用于与核电站安全壳连接并伸入所述安全壳内，所述第二进气支路的一端连接有标准气罐，所述第一进气支路与所述第二进气支路的另一端汇接形成进气口，所述进气口与所述氢气浓度测量装置连通；
所述氢气浓度测量装置包括第一容器和第二容器，所述第一容器的输入端与所述进气口连接，所述第一容器的输出端与所述第二容器的输入端通过第一输出支路和或第二输出支路连接，所述第一输出支路依次串联第五自动阀和第一质量流量计，所述第二输出支路依次串联第三阀门、体积控制装置和第二质量流量计，所述第一输出支路与所述第二输出支路并联设置；
所述气体排出及回收装置包括真空泵和转移泵，所述进气口、所述第一容器以及所述第二容器均通过真空阀与所述真空泵的输入端连接，所述真空泵的输出端通过第六阀门与所述转移泵的输入端连接，所述转移泵的输出端通过样品回收管线连接所述安全壳，所述样品回收管线伸入所述安全壳内，并且所述样品回收管线上设置有第四阀门。
优选的，所述第一容器的输出端与所述第二容器的输入端之间设置所述第一输出支路时，所述第一容器和所述第二容器设置于恒温箱内。
优选的，所述进气口与所述第一容器的输入端通过三路气路进行连接，三路所述气路并联设置，所述进气口的输出端连接有第一压力传感器。
优选的，三路所述气路包括第一气路、第二气路和第三气路，所述第一气路依次串联第一自动阀、增压泵和第二自动阀，所述第二气路上设置有第三自动阀，所述第三气路依次串联减压器和第四自动阀。
优选的，所述第一容器的输入端还连接有一热交换器，所述热交换器的另一端与三路所述气路连接。
优选的，所述第一容器还连接有第二压力传感器和温度传感器，所述第二容器还通过第一真空阀连接有真空计。
优选的，所述第一进气支路上还依次设置有过滤器和冷凝器，所述冷凝器的输出端与所述第一阀门连接。
优选的，所述冷凝器的输出端还通过第五阀门连接所述转移泵，并且所述第五阀门与所述第一阀门并联设置。
优选的，所述标准气罐为耐压不小于10MPa的不锈钢气体储存罐，用于装载预先配置好的氢气浓度已知的氢气-空气混合气体；所述第一容器为体积是5mL～10L且经过体积标定的、耐压不小于10MPa的不锈钢罐，所述第二容器是体积不小于第一容器的5倍体积、耐压不小于2MPa的不锈钢罐。
本发明还公开了一种基于上述用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置的用于核电站安全壳内氢气浓度的分析方法，包括以下步骤：
步骤1)作标准曲线：首先用真空泵将分析装置管路抽空至真空度优于5Pa；其次，分别将置于标准气罐中的氢气浓度已知的氢气-空气混合气体依次与第二阀门的输入端相连，使其注入分析装置，根据第一压力传感器所反馈的压力值自动控制已知气体由第一气路、第二气路或第三气路进入第一容器；每向第一容器输入一次氢气浓度已知的氢气-空气混合气体均需重复管路抽真空步骤；
若第一容器输出端的气体通过第一输出支路进入第二容器，则通过第一压力传感器与第五自动阀的配合来控制气体输出，调节每次进入第一容器的已知气体的压力与温度一致，且压力不小于0.5MPa，而后控制第一容器内气体进入第二容器，通过第一质量流量计计量气体质量，并保证每次第一容器内气体压力降一致；若第一容器输出端的气体通过第二输出支路进入第二容器，通过体积控制装置来控制第一容器的输出气体，则采用第二质量流量计计量气体质量，由体积控制装置控制进入第二容器的气体体积标准状态下一致，以气体质量做x轴，氢气浓度做y轴，作出标准曲线；
步骤2)样品气分析：用真空泵将管路抽空至真空度优于5Pa后，第一进气支路利用采样器采集安全壳内待分析气体，经过滤器、冷凝器去除固体杂质、气溶胶以及水分后，将待分析气体从第一阀门输入，系统根据第一压力传感器所示压力大小自动控制气体从第一气路、第二气路或第三气路进入第一容器；
若第一容器输出端的气体通过第一输出支路进入第二容器，则通过第一压力传感器与第五自动阀的配合来控制气体输出，调节第一容器的温度与压力条件确保其与步骤1)制作标准曲线时一致，而后控制气体进入第二容器，采用第一质量流量计计量气体质量，并确保第一容器压力降与已知气体相同；若第一容器输出端的气体通过第二输出支路进入第二容器，通过体积控制装置来控制第一容器的输出气体，控制进入第二容器的气体体积标准状态下与步骤1)制作标准曲线时一致，采用第二质量流量计计量气体质量；
将气体质量代入标准曲线，可得到待分析气体的氢气浓度。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)可实现核电站安全壳内氢气浓度的快速在线或离线取样检测，检测范围宽，分析结果准确可靠。
(2)可极大提高用于核电站安全壳内氢气浓度的分析检测安全性；
(3)系统可实现自动化，操作简单，通用性强，成本低，无需耗材且免维护，可全天候待机。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置的结构示意图；
图2为本发明氢气浓度标准曲线图；
其中，1.安全壳，2.过滤器，3.冷凝器，4.第一压力传感器，5.第一阀门，6.标准气罐，7.第二阀门，8.第一自动阀，9.增压泵，10.第二自动阀，11.第三自动阀，12.减压器，13.第四自动阀，14.热交换器，15.第一容器，16.第二压力传感器，17.温度传感器，18.第五自动阀，19.第一质量流量计，20.第三阀门，21.体积控制装置，22.第二质量流量计，23.真空计，24.第一真空阀，25.第二容器，26.第二真空阀，27.第三真空阀，28.第四真空阀，29.真空泵，30.第五真空阀，31.转移泵，32.第四阀门，33.恒温箱，34.第五阀门，35.第六阀门。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置及方法，以解决现有技术存在的问题，方法简单，分析快速准确，检测范围宽，可以实现全天候待机。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一、
如图1所示，本实施例提供一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置，包括气体取样进样装置、氢气浓度测量装置和气体排出及回收装置，气体取样进样装置包括并联设置的第一进气支路和第二进气支路，第一进气支路上设置有第一阀门5，并且第一进气支路的一端用于与核电站安全壳1连接并通过密封件贯穿伸入安全壳1内，第二进气支路的一端通过第二阀门7连接有标准气罐6，用于将氢气浓度已知的标准气注入分析装置，第一进气支路与第二进气支路的另一端汇接形成进气口，进气口与氢气浓度测量装置连通。
氢气浓度测量装置包括第一容器15和第二容器25，第一容器15的输入端与进气口连接，第一容器15的输出端与第二容器25的输入端通过第一输出支路和或第二输出支路连接，第一输出支路依次串联第五自动阀18和第一质量流量计19，第二输出支路依次串联第三阀门20、体积控制装置21和第二质量流量计22，第一输出支路与第二输出支路并联设置；
气体排出及回收装置包括真空泵29和转移泵31，进气口、第一容器15以及第二容器25的输出端均通过真空阀与真空泵29的输入端连接，具体的是，进气口的输出端连接有第二真空阀26，第一容器15的输出端连接有第三真空阀27，真空泵29通过第四真空阀28连接第二真空阀26、第三真空阀27，第二容器25的输出端通过第五真空阀30连接真空泵29，用于将注入分析装置的标准气体排出。
其中，本实施例第一容器15的输出端可以只设置第一输出支路，也可以只设置第二输出支路，或者是同时设置第一输出支路和第二输出支路，当两个输出支路同时设置时，第一输出支路与第二输出支路并联。
当第一容器15的输出端与第二容器25的输入端之间设置有第一输出支路时，第一容器15、第二容器25以及两者之间的输出支路设置于恒温箱33内，恒温箱33温控精度优于0.5℃，恒温箱33内设置有加热丝、隔板以及冷风出口，一侧还设置有制冷机以及控制区，恒温箱33的壳体内还设置有保温层，能够调节温度并进行保温。若仅设置有第二输出支路，或者仅利用体积控制装置21控制气体输出时，则不需要使用恒温箱33。
进气口与第一容器15的输入端通过三路气路进行连接，三路气路并联设置，进气口的输出端连接有第一压力传感器4。三路气路包括第一气路、第二气路和第三气路，第一气路依次串联第一自动阀8、增压泵9和第二自动阀10，第二气路上设置有第三自动阀11，第三气路依次串联减压器12和第四自动阀13；上述自动阀可根据第一压力传感器4反馈的压力信号自动控制样品气或标准气选择性地从三路并联气路中的其中一路进入氢气浓度测量装置。
第一进气支路上还依次设置有过滤器2和冷凝器3，冷凝器3的输出端与第一阀门5连接，能够去除进入分析装置气体中的固体杂质、气溶胶以及水分。第一容器15的输入端还连接有一热交换器14，热交换器14的另一端与三路气路连接，通过热交换器14的气体温度与恒温箱33的温度偏差不超过0.5℃。第一容器15还连接有第二压力传感器16和温度传感器17，第二容器25还通过第一真空阀24连接有真空计23；热交换器14、第二压力传感器16、温度传感器17、第一真空阀24以及真空计23等装置，均设置于恒温箱33内。
真空泵29的输出端通过第六阀门35与转移泵31的输入端连接，转移泵31的输出端通过样品回收管线连接安全壳1，样品回收管线通过密封件贯穿伸入安全壳1内，并且样品回收管线上设置有第四阀门32；冷凝器3的输出端还通过第五阀门34连接转移泵31，并且第五阀门34与第一阀门5并联设置，用于将安全壳1内的待分析气体样品送回安全壳1内。真空泵29为极限真空优于5Pa的干泵，抽速不小于5L/s，本实施例优选为真空泵29为极限真空优于5Pa的无油涡旋泵，抽速大于16L/s；转移泵31能够将真空泵29输出端的样品气体加压转移回安全壳1内。
本实施例体积控制装置21为热式气体质量流量控制器或其它类型控制器，能够准确控制相同体积的气体通过第二气体质量流量计22，其体积误差不超过0.5％，压力范围从0.1psi到1000psi。
第一气体质量流量计和第二气体质量流量计为科里奥利气体质量流量计或可计量气体质量的其它类型流量计，精度优于±1％RD+±0.5％FS，流量范围1sccm到100slmN2eq，压力范围从0.1psi到1000psi，具备多种通讯接口用于流量控制与数据传输；本实施例优选精度优于±0.5％RD+±0.2％FS，流量范围1sccm到1000sccm N2eq。
第一压力传感器4和第二压力传感器16的精度均优于国家标准0.5级，且带反馈信号输出，根据需要选择压力范围为0-1MPa或0-10MPa。
第一自动阀8、第二自动阀10、第三自动阀11、第四自动阀13以及第五自动阀18为电磁开关阀或气动开关阀，本实施例优选为气动阀。第一自动阀8、第二自动阀10、第三自动阀11、第四自动阀13可依据第一压力传感器4反馈的信号选择性开启，根据第二压力传感器16反馈的信号自动关闭；具体的，当第一压力传感器4所示气体压力值低于0.5MPa时，第一自动阀8和第二自动阀10开启，气体由增压泵9所在第一气路增压进入第一容器15，当达到所需压力后第一自动阀8和第二自动阀10根据第二压力传感器16反馈信号关闭；当第一压力传感器4所示气体压力值大于2.0MPa时，第四自动阀13开启，气体由减压器12所在第三气路进入第一容器15，当达到所需压力后第四自动阀13根据第二压力传感器16反馈信号关闭；第五自动阀18开启后可依据第二压力传感器16反馈的信号自动关闭。
第一阀门5、第二阀门7、第三阀门20、第四阀门32、第五阀门34、第六阀门35、第一真空阀24、第二真空阀26、第三真空阀27、第四真空阀28、第五真空阀30为自动阀门(电磁开关阀或气动开关阀)或手动阀门(隔膜阀、针阀、波纹管阀等)，耐压不小于10MPa，漏率优于1×10-7m3·Pa·s-1，本实施例优选漏率优于1×10-9m3·Pa·s-1。
标准气罐6为耐压不小于10MPa的不锈钢气体储存罐，所盛装的为已经过标定的氢气体积浓度分别为0％、50.32％、75.18％与100％的氢气-空气混合气体；第一容器15为体积为1L且经过标定的、耐压不小于10MPa的不锈钢罐；第二容器25为体积为10L、耐压不小于2MPa的不锈钢罐。
本实施例连接各组件的气体管路选用内壁经过电解抛光的不锈钢管道，其材质为316/316L或者304/304L不锈钢，耐压不小于10MPa，密封材料均采用不锈钢或者纯镍，或者通过氩弧(或电子束、激光)直接焊接密封。
本实施例还公开了一种基于上述用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置的用于核电站安全壳内氢气浓度的分析方法，包括以下步骤：
在进行分析之前，首先将标准气罐6接入第二阀门7，待分析气体样品瓶代替安全壳1内气体直接接入第一阀门5，对分析装置进行全系统的抽真空，其步骤为：打开第一阀门5、第二阀门7、第一自动阀8、第二自动阀10、第三自动阀11、第四自动阀13、第五自动阀18、第三阀门20、第二真空阀26、第三真空阀27、第四真空阀28、第五真空阀30、体积控制装置21内部阀门对分析系统进行抽空；当第二压力传感器16压力小于0.1MPa时，打开第一真空阀24用真空计23监测系统真空，当系统压力降到5Pa以下，关闭上述所有阀门，准备进行分析操作。每进行一次分析操作均需进行一次全系统抽真空步骤。
开展分析之前，需要用氢气浓度已知的氢气-空气混合气体作为标准气对分析系统进行标定。本实例中分别配置了氢气体积浓度分别为0％、50.32％、75.18％与100％的氢气-空气混合气体作为标准气，其氢气浓度通过安捷伦气体色谱仪标定。开启第二阀门7，系统根据第一压力传感器4指示自动控制标准气体由第一气路、第二气路或第三气路进入第一容器15，容器内气体压力为1.0MPa；本实施例优选第一容器15的输出气体通过第一质量流量计19所在第一输出支路进入第二容器25，此时第五自动阀18根据第二压力传感器16反馈的信号自动关闭；第一质量流量计19检测混合气体的质量分别为1175.5mg、619.7mg、349.2mg与80.6mg。以气体质量为x轴坐标，氢气浓度(v％)为y轴坐标，作出标准曲线，如图2所示。
待分析气体为经配制氢气浓度一定的氢气-空气混合气体，将其通过第一阀门5注入分析装置，压力条件与操作步骤同上，经第一质量流量计19检测通过的混合气体质量为924.5mg，由标准曲线计算出混合气体中氢气浓度为22.76％，混合气体经安捷伦气体色谱分析其中氢气浓度为22.76％，本实施例与色谱分析完全一致。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置，其特征在于：包括气体取样进样装置、氢气浓度测量装置和气体排出及回收装置，所述气体取样进样装置包括并联设置的第一进气支路和第二进气支路，所述第一进气支路上设置有第一阀门，并且所述第一进气支路的一端用于与核电站安全壳连接并伸入所述安全壳内，所述第二进气支路的一端连接有标准气罐，所述第一进气支路与所述第二进气支路的另一端汇接形成进气口，所述进气口与所述氢气浓度测量装置连通；
所述氢气浓度测量装置包括第一容器和第二容器，所述第一容器的输入端与所述进气口连接，所述第一容器的输出端与所述第二容器的输入端通过第一输出支路和或第二输出支路连接，所述第一输出支路依次串联第五自动阀和第一质量流量计，所述第二输出支路依次串联第三阀门、体积控制装置和第二质量流量计，所述第一输出支路与所述第二输出支路并联设置；
所述气体排出及回收装置包括真空泵和转移泵，所述进气口、所述第一容器以及所述第二容器均通过真空阀与所述真空泵的输入端连接，所述真空泵的输出端通过第六阀门与所述转移泵的输入端连接，所述转移泵的输出端通过样品回收管线连接所述安全壳，所述样品回收管线伸入所述安全壳内，并且所述样品回收管线上设置有第四阀门；所述第一容器的输出端与所述第二容器的输入端之间设置所述第一输出支路时，所述第一容器和所述第二容器设置于恒温箱内；
所述进气口与所述第一容器的输入端通过三路气路进行连接，三路所述气路并联设置，所述进气口的输出端连接有第一压力传感器；三路所述气路包括第一气路、第二气路和第三气路，所述第一气路依次串联第一自动阀、增压泵和第二自动阀，所述第二气路上设置有第三自动阀，所述第三气路依次串联减压器和第四自动阀；
所述第一容器的输入端还连接有一热交换器，所述热交换器的另一端与三路所述气路连接；所述第一容器还连接有第二压力传感器和温度传感器。
2.根据权利要求1所述的用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置，其特征在于：所述第一容器还连接有第二压力传感器和温度传感器，所述第二容器还通过第一真空阀连接有真空计。
3.根据权利要求2所述的用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置，其特征在于：所述第一进气支路上还依次设置有过滤器和冷凝器，所述冷凝器的输出端与所述第一阀门连接。
4.根据权利要求3所述的用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置，其特征在于：所述冷凝器的输出端还通过第五阀门连接所述转移泵，并且所述第五阀门与所述第一阀门并联设置。
5.根据权利要求4所述的用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置，其特征在于：所述标准气罐为耐压不小于10MPa的不锈钢气体储存罐，用于装载预先配置好的氢气浓度已知的氢气-空气混合气体；所述第一容器为体积是5mL～10L且经过体积标定的、耐压不小于10MPa的不锈钢罐，所述第二容器是体积不小于第一容器的5倍体积、耐压不小于2MPa的不锈钢罐。
6.一种引用权利要求5所述用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置的用于核电站安全壳内氢气浓度的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)作标准曲线：首先用真空泵将分析装置管路抽空至真空度优于5Pa；其次，分别将置于标准气罐中的氢气浓度已知的氢气-空气混合气体依次与第二阀门的输入端相连，使其注入氢气浓度测量装置，根据第一压力传感器所反馈的压力值自动控制已知气体由第一气路、第二气路或第三气路进入第一容器；每向第一容器输入一次氢气浓度已知的氢气-空气混合气体均需重复管路抽真空步骤；
若第一容器输出端的气体通过第一输出支路进入第二容器，则通过第一压力传感器与第五自动阀的配合来控制气体输出，调节每次进入第一容器的已知气体的压力与温度一致，且压力不小于0.5MPa，而后控制第一容器内气体进入第二容器，通过第一质量流量计计量气体质量，并保证每次第一容器内气体压力降一致；若第一容器输出端的气体通过第二输出支路进入第二容器，通过体积控制装置来控制第一容器的输出气体，则采用第二质量流量计计量气体质量，由体积控制装置控制进入第二容器的气体体积标准状态下一致，以气体质量做x轴，氢气浓度做y轴，作出标准曲线；
步骤2)样品气分析：用真空泵将管路抽空至真空度优于5Pa后，第一进气支路利用采样器采集安全壳内待分析气体，经过滤器、冷凝器去除固体杂质、气溶胶以及水分后，将待分析气体从第一阀门输入，系统根据第一压力传感器所示压力大小自动控制气体从第一气路、第二气路或第三气路进入第一容器；
若第一容器输出端的气体通过第一输出支路进入第二容器，则通过第一压力传感器与第五自动阀的配合来控制气体输出，调节第一容器的温度与压力条件确保其与步骤1)制作标准曲线时一致，而后控制气体进入第二容器，采用第一质量流量计计量气体质量，并确保第一容器压力降与已知气体相同；若第一容器输出端的气体通过第二输出支路进入第二容器，通过体积控制装置来控制第一容器的输出气体，控制进入第二容器的气体体积标准状态下与步骤1)制作标准曲线时一致，采用第二质量流量计计量气体质量；
将气体质量代入标准曲线，可得到待分析气体的氢气浓度。
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