CN113864659A - 一种预应力钢筒混凝土管道在线监测系统和实时预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预应力钢筒混凝土管道在线监测系统和实时预警方法，包括刻写了超弱光纤光栅(反射率≤0.1％)的光纤，所述光纤与金属或者非金属套管形成准分布式超弱光栅振动传感器，所述传感器粘贴于管道内壁和/或管道外壁、和/或悬浮或沉于管道底部、和/或置于管道混凝土壁内的毛细不锈钢管和/或空腔内。每只所述超弱光纤光栅对应一节管节，并采集该管节长度范围内的断丝、泄漏、爆管发出的声音(振动)信号；所述紧包光纤连接弱光栅解调仪。采用本申请的一种PCCP管道断丝、泄漏监测系统和预警方法能够实时掌握管道断丝、泄漏事件及准确位置，及时对爆管及第三方施工破坏事件发出预警。管道运维人员可根据以上情况采取相应的应急管理策略，极大的降低PCCP管道断丝、泄漏、爆管所致的安全、环保风险和经济损失。

Description

一种预应力钢筒混凝土管道在线监测系统和实时预警方法

技术领域

本发明涉及预应力钢筒混凝土管道的在线监测需要和实时预警方法，属于大型PCCP管道工程安全监测和防灾减灾科技领域。

背景技术

预应力钢筒混凝土管(PCCP)，是在带有钢筒的混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，再在其上辊射水泥砂浆保护层而制成的输水管，在我国大型引调水工程和城市给排水工程中被广泛应用，属于水利和市政基础设施。

引调水工程和城市给排水工程具有水工建筑物种类多，输水管线超长，其工程监测和检测是世界性难题。预应力钢筒混凝土管(PCCP)失效主要表现为管道接头渗漏和预应力钢丝断裂，断丝降低了管道承压能力，严重时将引发爆管。目前采用的传统水工监测方法存在大量盲区，难以及时发现隐患；检测普遍采用停水检修期人工普查法，进行分段检测和修补，受检修时间限制，问题往往不能得到及时处理。国内外引调水工程和城市给排水工程运行中不断出现地面塌陷、管线断裂跑水、压力管道爆管等事故，严重威胁受水地区的供水安全和公共安全。因此，传统的监测和检测方法不能满足引调水工程和城市给排水工程缺陷诊断的要求，需要新的科技支撑。

发明内容

为了克服现有技术不能及时发现PCCP管道断丝和准确定位断丝位置的缺陷，本发明提供了一种预应力钢筒混凝土管道在线监测系统和实时预警方法。

本发明的技术方案如下：

一种预应力钢筒混凝土管道在线监测系统，其特征在于包括刻写了超弱光纤光栅(反射率≤0.1％)的紧包光纤，所述紧包光纤与金属或者非金属套管形成准分布式超弱光纤光栅传感器，所述传感光纤依次连接弱光栅解调仪、监测主机和报警平台。

所述传感器粘贴于管道内壁和/或管道外壁、和/或悬浮或沉于管道底部、和/或置于管道混凝土壁内的毛细不锈钢管和/或空腔内，每只所述超弱光纤光栅对应一节管节，并采集光纤长度范围内的断丝、泄漏、爆管发出的声音(振动)信号；所述紧包光纤连接弱光栅解调仪。

优选的，所述超弱光纤光栅(反射率≤0.1％)由飞秒光刻机按照管节长度在紧包光纤上按照管节长度等距离连续刻写形成阵列式传感器。超弱光纤光栅对声音的响应频率为5～2000Hz。

优选的，所述超弱光纤光栅传感器为高分子材料加玻璃纤维或者碳纤维包覆光纤单元挤制而成；或不锈钢管光纤单元加不锈钢丝铠装组成。

进一步优选的，所述高分子材料为PE和/或环氧树脂。

优选的，在刻写了弱光栅的紧包光纤上熔接点式光纤光栅压力传感器，连接光纤信号解调主机。

优选的，将分布式振动传感光纤和/或通信调度用光纤集成到所述准分布式超弱光栅振动传感器中，利用紧包光纤以外的光纤来通信或者接入其他的光纤传感系统。

优选的，对于新建PCCP管道，将所述准分布式超弱光栅振动传感器粘贴于管道内壁和/或管道外壁，或置于管道混凝土壁内的毛细不锈钢管和/或空腔内。

优选的，对于既有在线运行的PCCP管道，将所述准分布式超弱光栅振动传感器置入管道内、悬浮或者沉于管道底部，或者停水检修时将准分布式超弱光栅振动传感器安装于混凝土管道内壁。

使用前述系统的预警方法，其特征在于，安装时每节PCCP管道上对应安装一只光纤光栅传感器，每只所述超弱光纤光栅采集对应长度PCCP管节上的断丝、泄漏或者爆管发出的声音(振动)信号，所述超弱光栅解调仪对信号进行解调，经监测主机后台软件分析、处理和模式识别后，判断断丝、泄漏、爆管、第三方破坏等发生种类及传感器位置，并通过传感器的编号即管节的序号乘以管节长度，计算出准确位置；通过声光报警系统发出报警或通过光纤或者无线网络远程传输报警信息。

优选的，断丝、泄漏和爆管的判断方法为：

断丝、爆管声音(振动)为高强度的瞬时信号，且断丝信号强度低于爆管信号。若高强度瞬时声音(振动)发生后消失，再无类似声音(振动)信号，则为一次断丝；若高强度瞬时声音(振动)发生后继续发出连续的低频声音(振动)，则为爆管，该连续低频信号为爆管后的泄漏信号。

进一步优选的，腐蚀导致的断丝，信号强度弱于氢脆或者人为切割断丝的信号强度；

粘贴于管道表面的弱光纤光栅采集到的断丝信号强于埋设于土壤中或者悬浮于水中的弱光纤光栅采集的信号。

优选的，在确认新建PCCP管道正常没有断丝状态下，采集每节管道固有的声音(振动)信号数据，形成每节管道环境噪声数据图谱，并作为断丝、爆管信号的对比参考；

把采集到的断丝信号的频域、时域及强度数据特征作为断丝模式识别参考；

弱光纤光栅实时采集的声音(振动)能量信号没有异常时，表示管道没有发生断丝；

采集到单次断丝特征信号时，系统发出单次断丝报警；采集到多次断丝信号时，系统发出对应位置的多次断丝报警；多次断丝信号由同一个光纤光栅传感器采集到，则表明在同一根管节上发生了连续断丝；连续断丝信号由不同的光纤光栅传感器采集到，则在不同管节上发生了断丝；同一节管道发生多次断丝的次数达到报警阈值，系统发出爆管预警。

优选的，对采集的实时声音(振动)能量信号及位置数据加以分析处理和统计对比，判断断丝发生在多节管道还是同一节管道：

如果断丝分散在多节管道，系统发出预警并继续监测；

如果断丝发生在同一节管道，且断丝数量超过设定数量，系统发出报警；

如果断丝发生在同一节管道，虽然断丝数量没有达到报警阈值，但是发生连续断丝的时间频率达到设置频率报警阈值时，系统即时报警；

如果采集到比断丝能量大、延续时间长的声音(振动)信号，系统发出爆管报警；

系统报警时发出声和/或光信号，并同时将报警信号通过网络发送至监控中心和/或移动接受终端。

本发明的技术效果如下：

本申请提供了一种预应力钢筒混凝土管道在线监测系统和实时预警方法，带预应力的钢丝绷断时，钢丝脱离混凝土束缚的瞬间，会发出很大的声音(振动)能量；弱光纤光栅采集对应管节范围内的断丝、泄漏或者爆管发出的声音(振动)信号，弱光栅解调仪接收到信号后，通过光电信号转换，经后台软件从时域、频域、空间分布等多维度分析、处理和模式识别后，判断哪些个传感器位置发生了断丝或者泄漏、爆管，并通过传感器的编号乘以每节长度例如优选为5米计算出泄漏或者断丝点的准确位置(距离)；通过声光报警系统发出报警，也可通过光纤或者无线网络远程传输报警信息。

通常PCCP管道由单节5米一根的管道首尾承插连接而成，而本发明的弱光栅优选的也是按照5米(成插口接头做好后单节管道的长度4.8米)一只的间隔刻写在光纤上的，也就是每只光纤光栅传感器只监测对应的这一节管道发出的声音(振动)。一旦有报警，根据传感器的编号*5米就得到报警位置对应管道的精确定位(长度)。虽然光纤光栅传感器是点式的，但是每只传感器都能无盲区的监测单节管道上的异常信号，多只按照管节长度连续分布的光纤光栅传感器就能实现光纤光栅传感器覆盖范围内的分布式无盲区监测。相对而言，分布式光纤传感系统的定位原理是光信号的传播时间*光的传播速度，由于对时间精度掌握存在误差，而光速很高，所以定位精度远不如本发明的弱光栅系统高。所述超弱光栅解调仪通过对光纤中弱光栅信号的解调，可解析出断丝事件的声音(振动)能量以及幅度、频率和时域特征，实现对断丝事件实时精确监测。

刻写有弱光栅的光纤制成的准分布式传感器，根据不同管道量程的需要，光纤单元可选择紧包和/或松套结构，光纤的余长控制在0～6‰之间。

准分布式声音(振动)准分布式超弱光栅振动传感器采用PE或环氧树脂加玻璃纤维或者碳纤维包覆光纤单元挤制而成，具备声音(振动)敏感能力，还具有优良的防水和耐腐蚀性能，耐1.5MPa以上水压。

声音(振动)准分布式超弱光栅振动传感器的安装敷设方式包括：把准分布式超弱光栅振动传感器粘贴于管道内壁和/或管道外壁、或悬浮于管道内或者沉于管道底部、或内置于混凝土罐壁内预留的微管内部；对于新建的PCCP管道，在生产PCCP管道时在管道混凝土壁内预留毛细不锈钢管或空腔，敷设PCCP管道时将准分布式超弱光栅振动传感器同步内置于毛细不锈钢管或空腔内；或将准分布式超弱光栅振动传感器粘贴于管道外壁，便于不停水维修；对于已建在线运行管道，在停水检修时把准分布式超弱光栅振动传感器粘贴于管道内壁，或者在不停输的情况下将准分布式超弱光栅振动传感器随水流敷设到管道内，设计不同比重的准分布式超弱光栅振动传感器，让准分布式超弱光栅振动传感器悬浮或者沉于管底。准分布式超弱光栅振动传感器故障时可以不停水更换。

预应力钢丝氢脆引起的瞬间断丝，释放的能量较大，振动信号强度较高；

腐蚀导致的断丝，时间周期较长，钢丝逐渐变细最后断裂，释放的能量较小，振动信号强度较小；

由于不同的安装方式，光纤光栅采集到的信号强度也存在差异：

粘贴于管道表面的弱光纤光栅，其采集到的断丝信号强于敷设在水中的弱光纤光栅采集的信号；敷设在水中的弱光纤光栅，其采集的信号强于埋设于土壤中的光纤光栅采集的信号。

可同时在所述光纤上熔接点式光纤光栅压力传感器，连接光纤信号解调主机进行复合判断，泄漏引起水位微弱下降，爆管会导致管道压力急剧下降。如果弱光栅系统发现管道某处振动(声音、应变)发生了异常时，准分布式光纤光栅压力传感器也发出了压力微弱下降(1～3.0KPa)的报警，而且显示压力的区域覆盖了弱光栅系统报警的位置，则判断管道发生了泄漏。如果管道压力突然大幅下降，则管道发生了爆管。

采用本申请的一种预应力钢筒混凝土管道在线监测系统和实时预警方法能够实时了解管道断丝、泄漏情况并精确定位，而且能够根据管道断丝情况及时制定、实施应急预案，降低了运维费用。通过不同波长的超弱光纤光栅，融合多域信号处理算法，实现多点、多参量在线监测。通过波分复用、时分复用、空分复用等技术，实现一条光纤上数千只超弱光纤光栅传感器信号的采集和处理，实现管道异常声音的监测和精确定位，并结合分布式光纤振动(声音)传感系统的监测数据，采用智能算法，复合判断，提高管道泄漏报警准确率。通过在线监测管道渗漏引起的断丝声信号和振动信号，可以精确定位渗漏和断丝位置，确定问题管道。根据管道结构和运行特性，通过分析渗漏和断丝对特定问题管道的危害，确定爆管预警阈值，可采取加固维修或更换问题管节等措施，杜绝爆管。可用于实现引调水工程和城市给排水工程安全运行管理中隐患监控、健康诊断的需要，同样可以用于油气化工管道的泄漏监测和爆管、及第三方开挖破坏预警。

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，下面将对实施例或现有技术描述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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例1提供的一种预应力钢筒混凝土管断丝监测系统和爆管预警方法的工作流程示意图。

图2为准分布式超弱光栅振动传感器结构示意图。

图3为本申请实施例4的结构示意图。

图中各标号列示如下：

1-光纤，2-弱光纤光栅，3-准分布式超弱光纤光栅传感器，4-光纤光栅压力传感器。

具体实施方式

下面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。

实施例1

本实施例提供一种针对新建的PCCP管道的断丝、泄漏监测系统和实时预警方法，在PCCP管道内壁和管道外壁固定准分布式超弱光纤光栅传感器3，利用准分布式超弱光纤光栅传感器3里面的弱光纤光栅2作为准分布式声音(振动)传感器，所述弱光纤光栅2由光栅飞秒光刻机按照5米间隔在光纤1上刻写，所述光纤1为1芯以上单模光纤。

本实施例采用的准分布式声音(振动)超弱光纤光栅传感器3采用高分子材料制成微管保护光纤光栅传感器；也可以采用不锈钢管光纤单元加不锈钢丝铠装的结构保护传感器。且准分布式超弱光栅振动传感器具备声音(振动)敏感能力，还具有优良的防水和耐腐蚀性能，耐1.5MPa以上水压。准分布式超弱光纤光栅振动传感器的保护材料满足输水管道的安全环保要求。不仅能连续实时监测预警单向＞20Km双向＞40km长度的PCCP管道断丝、泄漏、及爆管，并能精确显示准确位置。

其中，准分布式超弱光纤光栅声音(振动)传感器连接解调主机，解调主机通过对光纤中弱光栅信号的解调，可高保真还原断丝、泄漏、爆管的声音(振动)信号，从而实现对断丝发出的声音(振动)的实时精确监测预警。

如图1所示，应用于PCCP管道断丝监测及爆管预警系统中，带预应力的钢丝绷断时，钢丝脱离混凝土束缚的瞬间，会发出很大的声音(振动)；利用弱光纤光栅采集每节管道长度范围内的断丝、泄漏或者爆管发出的声音(振动)信号，弱光栅解调仪接收到信号后，通过光电信号转换，经后台软件从时域、频域、空间分布等多维度分析、处理和模式识别后，判断哪些个传感器位置发生了断丝或者泄漏、爆管，并通过传感器的编号和单节管道的长度5m计算出泄漏或者断丝点的准确位置(距离)；通过声光报警系统发出报警，也可通过光纤或者无线网络远程传输报警信息

具体地，利用敷设于管道内、外的准分布式超弱光栅振动传感器，及时采集预应力钢丝发生绷断断丝时发出的声音(振动)以及外层砂浆碎裂发出的声音(振动)能量信号，其中单次断丝会发出单次短暂的信号；多次断丝会发出多次信号；然后实时向所述光纤信号分析仪反馈特征声音信号。

弱光栅解调仪对检测到的声音(振动)能量信号进行处理分析而做出判断，判断结果包括：

腐蚀导致的断丝，信号强度较弱；

氢脆或者人为切割断丝的信号强度较强；

进一步地，监测主机发现光纤光栅传感器收到额外声音(振动)能量信号时，会及时发出预警，具体包括：

在确认新建PCCP管道正常没有断丝状态下，每个光纤光栅传感器采集对应管节PCCP管道的声音(振动)能量信号数据，形成管道环境噪声曲线图，并作为设置报警阈值参考；把采集到的断丝信号的频域、时域及强度数据特征作为断丝模式识别参考；

若传感器采集的声音(振动)能量信号没有突发变化时，表示管道没有发生断丝；若传感器采集到类似断丝的单次特征信号时，系统发出单次断丝报警；若传感器采集到多次类似断丝信号时，系统发出对应的多次断丝报警；同一节管道发生多次断丝，系统会发出爆管预警。

如果两个以上的相邻的传感器同时采集到了连续的振动信号，则判断为管道附近有大型施工机械施工，系统将发出第三方施工破坏预警。

另外，监测主机对采集的实时声音(振动)能量信号及位置数据加以分析处理和统计对比，判断断丝发生在多根管道还是同一根管道。如果断丝分散在多根管道，系统发出预警并继续监测；如果断丝事件发生在同一根管道，且断丝数量超过设定数量，系统将报警；如果断丝事件发生在同一根管道，虽然断丝数量没有达到报警阈值，但是发生断丝的频率达到设计阈值，系统即时报警；如果装置采集到比断丝能量大、延续时间长的声音(振动)信号，系统将发出爆管报警；系统报警时会发出声光信号，并同时将报警信号通过网络发送至监控中心或者相关人员的移动接受终端。

可选地，系统报警时会发出声光信号，并同时将报警信号通过网络发送至监控中心或者相关人员的移动终端。如果断丝次数达到需要加固管道的设定数量，需要对管道进行加固；如果断丝的数量达到需要换管的设计数量，则需要更换管道。

实施例2

本实施例同样是对于新建的PCCP管道，安装方式为在生产PCCP管道时在管道混凝土壁内预留毛细不锈钢管或空腔，敷设PCCP管道时将准分布式超弱管线光栅振动传感器同步内置于毛细不锈钢管或空腔内，且可把通信调度用光纤集成到声音(振动)准分布式超弱光栅振动传感器的保护管中来。利用超弱光纤光栅紧包光纤以外的光纤来通信或者作为分布式光纤传感器、或者接入其他的点式光纤光栅传感器。

实施例3

本实施例针对已建在线运行管道，在停水检修时把准分布式超弱光纤光栅振动传感器粘贴于管道内壁，或者在不停输的情况下将准分布式超弱光纤光栅振动传感器随水流敷设到管道内，设计不同比重的准分布式超弱光纤光栅振动传感器，让传感器悬浮或者沉于管底。具体的，采用金属准分布式超弱光纤光栅振动传感器，用浮力浮标从阀门或者泵站水泵进水口把准分布式超弱光纤光栅振动传感器牵引到指定长度的管道内，把准分布式超弱光纤光栅振动传感器的一端和弱光栅解调仪连接，快速完成管道监测系统的安装。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于在刻写了弱光栅的紧包光纤体外的光纤上熔接点式光纤光栅压力传感器4，连接光纤信号解调主机，如图3所示。由于泄漏时管道压力下降微弱、爆管瞬间压力下降很大，通过实时、准分布式监测PPCP管道的声音(振动)和压力变化，复合判断PCCP管道的断丝、泄漏和爆管事件，并准确定位。

以上实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请披露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种预应力钢筒混凝土管道在线监测系统，其特征在于包括刻写了反射率≤0.1％的超弱光纤光栅的传感光纤，所述传感光纤与金属或者非金属套管形成准分布超弱光纤光栅传感器，所述传感光纤依次连接弱光栅解调仪、监测主机和报警系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述超弱光纤光栅传感器粘贴于管道内壁和/或管道外壁、和/或悬浮或沉于管道底部、和/或置于管道混凝土壁内的毛细不锈钢管和/或空腔内，每只所述超弱光纤光栅传感器对应一节管节，采集光纤长度范围内的断丝、泄漏、爆管和/或第三方破坏发出的声音振动信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述超弱光纤光栅由飞秒光刻机按照管节长度在紧包光纤上等距离刻写，所述超弱光纤光栅传感器采集频率5～2000Hz之间的声音信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述超弱光纤光栅振动传感器由高分子材料制成的微管套管包覆保护，或不锈钢套管光纤单元加不锈钢丝铠装组成。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于将分布式振动光纤和/或通信调度用光纤集成到所述超弱光纤光栅传感器的微管中，利用所述传感光纤以外的光纤来通信或者接入其他的光纤传感器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于管道为新建PCCP管道，将所述超弱光纤光栅传感器粘贴于管道内壁和/或管道外壁，或置于管道混凝土壁内的毛细不锈钢管和/或空腔内；每节PCCP管道上对应安装一只所述超弱光纤光栅传感器，采集紧包光纤长度范围内预应力钢筒混凝土管的断丝、泄漏、爆管和/或第三方破坏产生的声音信号。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于管道为既有在线运行的PCCP管道，将所述超弱光纤光栅振动传感器置入管道内、悬浮或者沉于管道底部，或者停水检修时将所述超弱光纤光栅传感器安装于混凝土管道内壁。

8.权利要求1-7任一所述的一种预应力钢筒混凝土管道在线监测系统的实时预警方法，其特征在于每只所述超弱光纤光栅传感器采集对应长度PCCP管节上的断丝、泄漏、爆管和/或第三方破坏发出的声音振动信号，所述弱光栅解调仪对信号进行解调，经监测主机后台软件分析、处理和模式识别后，判断断丝、泄漏、爆管和/或第三方破坏的发生种类及传感器位置，并通过传感器的编号即管节的序号乘以管节长度，计算出准确位置；通过声光报警系统发出报警或通过光纤或者无线网络远程传输报警信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于在确认新建PCCP管道正常没有断丝状态下，采集每节管道的声音振动信号数据，形成每节管道环境噪声数据图谱，并作为断丝、爆管信号的对比参考；

把采集到的断丝信号的频域、时域及强度数据特征作为断丝模式识别参考；

实时采集的声音振动能量信号没有异常时，表示管道没有发生断丝；

采集到单次断丝特征信号时，系统发出单次断丝报警；采集到多次断丝信号时，系统发出对应位置的多次断丝报警；多次断丝信号由同一个超弱光纤光栅传感器采集到，则在同一根管节上发生了连续断丝；连续断丝信号由不同的超弱光纤光栅传感器采集到，则在不同管节上发生了断丝；同一节管道发生多次断丝的次数达到报警阈值，系统发出爆管预警。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于断丝、泄漏和爆管的判断方法为：

断丝、爆管声音振动为高强度的瞬时声音振动，且断丝信号强度低于爆管，若高强度瞬时声音振动发生后消失，再无类似声音振动信号，则为一次断丝，若高强度瞬时声音振动发生后继续发出连续的低频声音振动，则为爆管，该连续低频信号为爆管后的泄漏信号。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于对采集的实时声音振动能量信号及位置数据加以分析处理和统计对比，判断断丝发生在多节管道还是同一节管道：

如果断丝分散在多节管道，系统发出预警并继续监测；

如果断丝发生在同一节管道，且断丝数量超过设定数量，系统发出报警；

如果断丝发生在同一节管道，虽然断丝数量没有达到报警阈值，但是发生连续断丝的频率达到设置频率报警阈值时，系统即时报警；

如果采集到比断丝能量大、延续时间长的声音(振动)信号，系统发出爆管报警；

系统报警时发出声和/或光信号，并同时将报警信号通过网络发送至监控中心和/或移动接受终端。

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