CN111829424B - 锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例涉及一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置及方法，该装置包括：传感器外壳，具有一个检测面，所述检测面朝向不锈钢管道的外壁；多通道磁性传感器，设置在检测面上，用于获取多通道的磁场信号；测距传感器，设置在检测面上，用于通过检测获取测距信号，所述测距信号为测距传感器与不锈钢管道的相对移动距离；处理电路，设置在传感器外壳内，用于根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量。本公开在检测装置中设置多通道磁性传感器和测距传感器，通过多通道检测兼具测距功能可以提高检测精度，且可实现快速检测，该装置具有检测原理简单、携带方便、灵敏度高以及成本低的优点。

Description

锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置及方法

技术领域

本公开涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置及方法。

背景技术

锅炉经过较长时间运行后，长期恶劣的工况环境易使不锈钢制造过热器和再热器的管道内壁发生氧化，在内壁表面形成氧化皮。当工况环境发生剧烈变化时，如停炉和启炉时，管道内壁的氧化皮非常容易剥落，剥落的氧化皮容易堆积在过热器和再热器管道弯头部位，严重时甚至堵塞管道，导致管道在加热时爆裂。因此，需要对锅炉管道内氧化皮堆积量进行检测，及时发现堆积量高的管道，并做出及时清理。

目前，检测锅炉管道内沉积氧化物的一种检测方法是使用γ射线探伤装置对锅炉管道内沉积的氧化物进行无损检测时，当沉积氧化物的数量较少时，难以从图像上辨认确定，尤其当管壁厚度增大时，检测灵敏度低的问题更加突出；而且使用γ射线存在危险性；同时还具有检测装置体积庞大、检测费用昂贵的不足，因此未在现场得到广泛应用。另一种检测方法是磁性无损检测，该种方法原理为：在管道外部施加交流磁场，通过检测管道磁导率的变化，对管道内氧化物堆积情况进行判断，此种方法更类似于涡流检测法，如低频涡流、远场涡流和脉冲涡流等。然而，该种检测方法仍然存在许多缺陷，一方面，使用交流磁场对管道进行磁化，无磁管道壁因电磁感应而产生涡流，进而使交流磁化场以及管内氧化物的感应磁信号都发生衰减，降低检测灵敏度；另一方面，交流磁场的幅值强度低，磁场穿透深度小，在检测厚管壁的管道时具有检测信号弱的问题，影响检测的灵敏度。另外，检测装置的信号发生系统和信号处理系统均比较复杂，检测信号还比较容易受到干扰。

基于上述，现有技术中对不锈钢管道内氧化物堆积的定量检测无法实现多通道快速检测的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本公开提供一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置及方法，解决现有技术中对不锈钢管道内氧化物堆积的定量检测无法实现多通道快速检测的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本公开采用的主要技术方案包括：

一方面，本公开一实施例提供一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置，包括：

传感器外壳，具有一个检测面，所述检测面朝向不锈钢管道的外壁；

多通道磁性传感器，设置在检测面上，用于获取多通道的磁场信号；

测距传感器，设置在检测面上，用于通过检测获取测距信号，所述测距信号为测距传感器与不锈钢管道的相对移动距离；

处理电路，设置在传感器外壳内，用于根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量。

在本公开的一个实施例中，所述多通道磁性传感器包括：

两个励磁元件，设置在检测面上且位于检测面的两端；

多通道磁敏元件，设置在检测面上且分布在两个励磁元件之间。

在本公开的一个实施例中，所述励磁元件为U型的强磁铁，用于产生大小在20mT-25mT之间的磁场。

在本公开的一个实施例中，所述检测面上具有开口，所述测距传感器设置在开口位置。

在本公开的一个实施例中，所述测距传感器包括：

检测轮，位于测距传感器内部靠前端，且从开口处露出预设宽度的轮缘部分，检测过程中轮缘部分紧贴不锈钢管道的外壁；

编码器，与检测轮连接，用于通过检测轮在不锈钢管道外壁的移动得到测距信号。

在本公开的一个实施例中，所述处理电路包括：

前置放大器，包括一组运算放大器，用于对来自多通道磁性传感器的磁场信号进行放大处理，得到对应的放大的电信号；

低通滤波器，与前置放大器连接，用于对放大的电信号进行滤波，去掉频率高于阈值的杂信号，得到过滤后的电信号；

调理放大器，与低通滤波器连接，用于对过滤后的电信号进行放大处理，得到处理后的磁场信号。

另一方面，本公开另一实施例中还提供一种炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测方法，包括：

在不锈钢管管道的外壁施加恒定强磁场；

通过多通道传感器采集获取多通道的磁场信号；

获取测距信号，所述测距信号为测距传感器与不锈钢管道的相对移动距离；

根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量。

在本公开的一个实施例中，根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量包括：

建立不锈钢管道内氧化物堆积厚度与磁性参数的映射关系；

基于磁性传感器的移动距离内检测到的氧化物堆积量的累加之和建立距离的积分量与氧化物堆积量对应的关系模型。

在本公开的一个实施例中，当所述多通道磁性传感器包括三个通道时，所述距离的积分量与氧化物堆积量对应的关系模型为：

其中

为管内L₂到L₁距离内堆积的氧化物总质量，D为不锈钢管道的壁厚与管径的系数，V_1i、V_2i、V_3i为多通道传磁性感器上在L_i点处的电压值，f(i)为与氧化物的堆积形状有关的函数，a、b1、b2、b3为预设系数。

(三)有益效果

本公开的有益效果是：本公开实施例提供的锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置及方法，在检测装置中设置多通道磁性传感器和测距传感器，通过多通道检测兼具测距功能可以提高检测精度，且可实现快速检测，该装置具有检测原理简单、携带方便、灵敏度高以及成本低的优点。

附图说明

图1为本公开一实施例提供的一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置的组成示意图；

图2为本公开一实施例提供的一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置的结构图；

图3为本发明一实施例中检测装置的外壳的正面示意图；

图4为本发明一实施例中检测装置的外壳实物图；

图5为本发明一实施例中检测装置的外壳实物的正面图；

图6为本发明一实施例中检测装置的检测原理示意图；

图7为本公开一实施例提供的一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测方法的流程图；

图8为本发明一实施例中切片磁场分布理论模型的示意图；

图9为单通道传感器的模型示意图；

图10为三通道传感器的模型示意图；

图11为本发明一实施例中利用上述检测装置对管线氧化物堆积量进行检测的流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本公开，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本公开作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本公开相关实施例中，提出一种利用电磁检测的原理，在不锈钢管外壁加一稳恒强磁场，使管道内部存在的氧化物磁化，使用磁场敏感元件在管道外部检测磁场的变化信号，利用此信号来衡量管道内部氧化物的多少，但是已有装置只是单一通道，在现场检测时效率低，覆盖的只是管径某侧的一条直线区域，无法实现多通道的快速检测。

图1为本公开一实施例提供的一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置的组成示意图，如图1所示，该装置100包括：传感器外壳110、多通道磁性传感器120、测距传感器130和处理电路140。

传感器外壳110具有一个检测面，所述检测面朝向不锈钢管道的外壁；多通道磁性传感器120设置在检测面上，用于获取多通道的磁场信号；测距传感器130设置在检测面上，用于通过检测获取测距信号，所述测距信号为测距传感器与不锈钢管道的相对移动距离；处理电路140设置在传感器外壳内，用于根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量。

在本公开的一个实施例中，所述多通道磁性传感器包括：两个励磁元件，设置在检测面上且位于检测面的两端；以及多通道磁敏元件，设置在检测面上且分布在两个励磁元件之间。

在本公开的一个实施例中，所述测距传感器包括：检测轮，用于检测到不锈钢管道表面的相对移动的距离，位于测距传感器内部靠前端，且从开口处露出预设宽度的轮缘部分，检测过程中轮缘部分紧贴不锈钢管道的外壁；以及编码器，与检测轮连接，用于通过检测轮在不锈钢管道外壁的移动得到测距信号。

在本公开的一个实施例中，所述处理电路包括：前置放大器、低通滤波器和调理放大器，前置放大器包括一组运算放大器，用于对来自多通道磁性传感器的磁场信号进行放大处理，得到对应的放大的电信号；低通滤波器与前置放大器连接，用于对放大的电信号进行滤波，去掉频率高于阈值的杂信号，得到过滤后的电信号；调理放大器与低通滤波器连接，用于对过滤后的电信号进行放大处理，得到处理后的磁场信号。

本发明提供的锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置，具有测距功能，含有多个检测通道，具有覆盖面的广、检测原理简单、携带方便、灵敏度高以及成本低的优点。

图2为本公开一实施例提供的一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置的结构图，如图2所示，包括：传感器外壳22，传感器外壳22上设置有弧形的检测面22，检测面22上设置有用于容置测距传感器的开口23以及用于容置多通道磁性传感器的开口24，多通道磁敏元件、励磁元件、编码器、检测轮和处理电路均设置在传感器外壳21的内部，图2中未示出。

图3为本发明一实施例中检测装置的外壳的正面示意图，同样示出检测面上用于容置测距传感器的开口23以及用于容置多通道磁性传感器的开口24位置关系，图2和图3均是以3通道磁性传感器为例。图4为本发明一实施例中检测装置的外壳实物图，图5为本发明一实施例中检测装置的外壳实物的正面图，图5中示出检测轮设置在开口23中的效果。

图6为本发明一实施例中检测装置的检测原理示意图，如图6所示，利用的是电磁检测原理，在不锈钢管外壁加一稳恒强磁场，当管内不存在氧化物时，因为不锈钢管几乎不影响磁场分布，所以磁场分布与不锈钢管不存在时基本相同，磁力线由N极不受影响地回到S极；当不锈钢管内存在氧化物时，外部强磁场将氧化物磁化，在氧化物内部形成磁路，这使更多的磁力线由N极发出后经过氧化物内部的磁路后再回到S极。所以管道内存在氧化物时磁场分布发生变化，管道内部的氧化物使管道内的磁力线变密集，相应地管道外部的磁力线变稀疏，测出管道外部磁场的变化，即可判断不锈钢管内是否存在氧化物。

在本公开的一个实施例中，多通道磁性传感器是指大于等于2个通道数。图6所示是以包含3个多通道磁敏元件为例。对于磁性传感器还需相应的处理电路对采集的磁场信号进行相应的处理以用于后续计算堆积量。可以每个通道是由感知测量磁场的磁敏元件、滤波电路、放大电路组成，具有独立的采集功能；还可以多个通道一起完成对被测管道经励磁装置磁化后的磁场信号采集，组成多通道信号，并且将滤波放大后的模拟形式的多通道磁场信号，发送到数据采集装置。通道数的多少取决于检测所需的精度以及被测管径的尺寸，精度要求越高，需要的通道数越多，管径越大，需要的通道数也越多。

在本公开的一个实施例中，励磁元件可以是U型的强磁铁，用于产生大小在20mT-25mT之间的稳恒磁场。通过强磁场激励和磁化被测不锈钢管道内检测点位置的氧化物，U型的强磁铁几何尺寸大小取决于传感器的整体尺寸大小与被测不锈钢管道直径的大小。

在本公开的一个实施例中，测距传感器是指具有测距功能的传感器，由检测轮、编码器等组成。测距传感器用以检测与被测管道的相对移动距离，并将相关检测数据传送给主机接收部分。检测轮应满足现场的环境，具有防滑、耐磨、防尘功能，编码器的编码精度满足测距精度要求，信号传输具有抗干扰能力。

在本公开的一个实施例中，检测面上具有开口，所述测距传感器设置在开口位置,具体为检测轮位于测距传感器内部靠前端，露出预设宽度(如1mm)的轮缘部分，用于检测到不锈钢管道表面的相对移动的距离。编码器与检测轮连接，用于通过检测轮在不锈钢管道外壁的移动得到测距信号。检测使用过程中随着检测装置沿着不锈钢管道的外壁移动，检测轮转动进而带动编码器转动得到测距信号。

在本公开的一个实施例中，传感器外壳是具有屏蔽电场干扰的金属材料加工而成，但是不能是铁磁性材料。

在本公开的一个实施例中，处理电路的前置放大器包括一组运算放大器，对来自所述专用磁敏元件感知的原始磁场信号而产生的电信号进行放大处理，得到磁场信号对应的放大的电信号；处理电路的低通滤波器对来自所述前置放大器的磁场放大电信号进行滤波操作，去掉频率高于阈值的杂信号，得到磁场信号对应的放大的纯净电信号，并发送到所述调理放大器；处理电路的调理放大器放大所述磁场纯净信号，使放大后的信号满足数据采集装置量程范围并接具有一定传输能力，得到最终的所述模拟形式的磁场对应的电信号。

图7为本公开一实施例提供的一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测方法的流程图，如图7所示，该方法包括以下步骤：

如图7所示，在步骤S41中，在不锈钢管管道的外壁施加恒定强磁场；

如图7所示，在步骤S42中，通过多通道传感器采集获取多通道的磁场信号；

如图7所示，在步骤S43中，获取测距信号，所述测距信号为测距传感器与不锈钢管道的相对移动距离；

如图7所示，在步骤S44中，根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量。

基于图6所示检测原理，建立电站锅炉过热器氧化物堆积厚度与磁性参数的映射关系，由于过热器和再热器管内堆积的氧化物呈现长条状，山峰状等不同形状，经过磁测传感器的U型恒磁场磁化的管内堆积氧化物只是在探头扫查时正前方少数区域的堆积氧化物。

为了能够定量化测量整条管内氧化物的堆积量，提出第一个假设模型，假设磁测传感器的U型恒磁场磁化的管内堆积氧化物只是一个理想的平行于磁场N-S极的薄片，图8为本发明一实施例中切片磁场分布理论模型的示意图。整条管内氧化物的堆积量就是随着传感器从堆积物一端移动到另一端，所有薄片累加之和，从而引出另一个关系模型，基于距离的信号积分量与氧化物堆积量对应的关系模型。为了提高检测精度，解决由于传感器放置与管内氧化物堆积物的相对位置带来的误差，和管内氧化物堆积不同形状带来的误差，采取增加传感器的通道数的方法，图9为单通道传感器的模型示意图，两个励磁元件之间只设置有一个磁敏元件；图10为三通道传感器的模型示意图，两个励磁元件之间只设置有三个磁敏元件。于是该检测模型变为基于距离的多通道信号积分量与氧化物堆积量对应的关系模型，实现电站锅炉过热器氧化皮定量检测。

以三通道为基础的定量检测理论，距离的积分量与氧化物堆积量对应的关系模型为：

其中

为管内L₂到L₁距离内堆积的氧化物总质量，D为不锈钢管道的壁厚与管径的系数，V_1i、V_2i、V_3i为多通道传磁性感器上在L_i点处的电压值，f(i)为与氧化物的堆积形状有关的函数，检测时可以近似的用一个常数代替，a、b1、b2、b3为预设系数。

通过仿真得到质量与传感器电压对应的系数为：

y＝ae^bx+ce^dx 公式(2)

当x为不同厚度氧化皮对应的电压时，y为BY值。其中：

a＝13.25；b＝2.04e^-4；c＝-10.679；d＝-0.7744。

公式中化简为y＝a·exp(b1·V_1i+b2·V_2i+b3·V_3i)的形式。

图11为本发明一实施例中利用上述检测装置对管线氧化物堆积量进行检测的流程图，如图11所示，包括以下步骤：

S81：进行被检测管线准备。

S82：将检测装置放置于被检测管道表面。其中传感器的励磁元件磁化被测管道内氧化物。

S83：沿被检测管道表面移动检测装置。其中测距传感器测量移动距离信号并传给主机，多通道磁性传感器中的磁敏元件感应堆积氧化物信号处理后传回主机。

S84：本次检测完成。

然后可以重复步骤S82至S83，通过移动检测装置将整个被检测管线检查完成。

下面介绍具有测距功能的电站锅炉过热器氧化物堆积多通道传感器一种具体实施例：

将专用多通道传感器放置在被测奥氏体不锈钢管表面，使之与工件表面全部接触；此时，磁化装置充分磁化氏体不锈钢管内堆积氧化物，按清零键，排除管壁未脱落的氧化层的影响；沿管壁滑动专用传感器，扫查整个不锈钢管，多通道传感器得到检测信号，测距传感器测量传感器在奥氏体不锈钢管表面相对移动的距离；现场检测信号通过专用传感器连接线，均传送到检测仪主机，通过检测仪主机内置的软件系统，对该检测数据进行分析、储存、显示等等操作，实现对现场不锈钢管的检测。

以下将采用该检测仪进行检测的方法详细描述如下：

步骤一、在检修期间，对被测管道表面进行预处理；

步骤二、将专用传感器和检测仪主机相连；

步骤三、打开检测仪主机，待1-2分钟，仪器稳定；

步骤四、选择仪器测量程序，设置仪器检测参数；

步骤五、待检测仪主机稳定后，使专用传感器与被测管道表面完全接触；按清零键，然后开始扫查被测管道，主机保存检测数据；

步骤六、运行检测软件分析检测数据。其中，检测软件是专门针对本仪器开发的软件系统，针对奥氏体不锈钢管氧化物堆积量的特点，实现信号处理和滤波，具有强大的数据管理功能，并且具有简单的操作界面，适合不同阶层的人员进行现场作业。

综上所述，采用本公开实施例提供的基于目标检测的锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置及方法，利用电磁检测的原理，通过在不锈钢管外壁施加稳恒强磁场，使管道内部存在的氧化物磁化，然后使用多通道的磁场敏感元件在管道外部检测磁场变化信号，利用测距传感器测量传感器在奥氏体不锈钢管表面相对移动的距离，利用多通道磁电压信号变化情况和距离信号确定管道内部氧化物堆积量；对专用传感器传输的信号进行采集、调理和处理，实现对各种奥氏体不锈钢管内氧化皮堆积的多通道定量快速检测。具有检测原理简单、携带方便、适合于现场应用、灵敏度高、成本低、使用无污染、操作简便快捷的优点，适合大范围推广应用，可应用于电厂中检测不锈钢管道内氧化皮堆积量，具有较大的优越性及应用前景，具有极大的社会价值和经济价值。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置，其特征在于，包括：

传感器外壳，具有一个检测面，所述检测面朝向不锈钢管道的外壁；

多通道磁性传感器，设置在检测面上，用于获取多通道的磁场信号；

所述多通道磁性传感器包括：

两个励磁元件，设置在检测面上且位于检测面的两端；

多通道磁敏元件，设置在检测面上且分布在两个励磁元件之间；

测距传感器，设置在检测面上，用于通过检测获取测距信号，所述测距信号为测距传感器与不锈钢管道的相对移动距离；

所述测距传感器包括：

检测轮，位于测距传感器内部靠前端，且从开口处露出预设宽度的轮缘部分，检测过程中轮缘部分紧贴不锈钢管道的外壁；

编码器，与检测轮连接，用于通过检测轮在不锈钢管道外壁的移动得到测距信号；

处理电路，设置在传感器外壳内，用于根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量；

根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量包括：

建立不锈钢管道内氧化物堆积厚度与磁性参数的映射关系；

基于磁性传感器的移动距离内检测到的氧化物堆积量的累加之和建立距离的积分量与氧化物堆积量对应的关系模型；

当所述多通道磁性传感器包括三个通道时，所述距离的积分量与氧化物堆积量对应的关系模型为：

其中

为管内L₂到L₁距离内堆积的氧化物总质量，D为不锈钢管道的壁厚与管径的系数，V_1i、V_2i、V_3i为多通道传磁性感器上在L_i点处的电压值，f(i)为与氧化物的堆积形状有关的函数，a、b1、b2、b3为预设系数。

2.如权利要求1所述的锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置，其特征在于，所述励磁元件为U型的强磁铁，用于产生大小在20mT-25mT之间的磁场。

3.如权利要求1所述的锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置，其特征在于，所述检测面上具有开口，所述测距传感器设置在开口位置。

4.如权利要求1所述的锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测装置，其特征在于，所述处理电路包括：

前置放大器，包括一组运算放大器，用于对来自多通道磁性传感器的磁场信号进行放大处理，得到对应的放大的电信号；

低通滤波器，与前置放大器连接，用于对放大的电信号进行滤波，去掉频率高于阈值的杂信号，得到过滤后的电信号；

调理放大器，与低通滤波器连接，用于对过滤后的电信号进行放大处理，得到处理后的磁场信号。

5.一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测方法，其特征在于，包括：

在不锈钢管管道的外壁施加恒定强磁场；

通过多通道传感器采集获取多通道的磁场信号；

获取测距信号，所述测距信号为测距传感器与不锈钢管道的相对移动距离；

根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量。

6.如权利要求5所述的锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测方法，其特征在于，根据多通道的磁场信号和测距信号计算得到不锈钢管道内的氧化物堆积量包括：

建立不锈钢管道内氧化物堆积厚度与磁性参数的映射关系；

基于磁性传感器的移动距离内检测到的氧化物堆积量的累加之和建立距离的积分量与氧化物堆积量对应的关系模型。

7.如权利要求6所述的锅炉奥氏体不锈钢管内氧化物堆积定量检测方法，其特征在于，当所述多通道磁性传感器包括三个通道时，所述距离的积分量与氧化物堆积量对应的关系模型为：

其中

为管内L₂到L₁距离内堆积的氧化物总质量，D为不锈钢管道的壁厚与管径的系数，V_1i、V_2i、V_3i为多通道传磁性感器上在L_i点处的电压值，f(i)为与氧化物的堆积形状有关的函数，a、b1、b2、b3为预设系数。

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