KR101551797B1 - 액화천연가스 화물창 및 단열성능 유지방법 - Google Patents

Abstract

액화천연가스 화물창이 개시된다. 본 발명의 액화천연가스 화물창은, 저장탱크에 저장된 액화천연가스(LNG)를 1차적으로 단열시키며 내부가 진공 상태로 유지되며 내부에 입자형 단열재가 채워지는 1차 단열박스; 1차 단열박스의 진공 압력을 조절하는 진공압 조절부; 및 저장탱크에서 BOR(Boil off Ratio)이 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우 진공압 조절부를 제어하여 BOR을 미리 설정된 범위로 유지시키는 제어부를 포함한다.

Description

액화천연가스 화물창 및 단열성능 유지방법{LNG CARGOCONTAINMENT AND ITS INSULATION CAPABILITY ENHANCING METHOD}

본 발명은, 액화천연가스 화물창 및 단열성능 유지방법에 관한 것으로서, 액화천연가스(LNG)를 운반하는 가스(Gas) 운반선(carrier), 부유식 해상 구조물(LNG-FPSO, LNG-FSRU) 및 LNG 재기화 선박(LNG-RV) 등에 가스를 저장하기 위한 화물창에 있어서 진공압의 제어에 의해 단열성능을 개선시킨 액화천연가스 화물창에 관한 것이다.

일반적으로, 천연가스는 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 액화된 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하, 'LNG'라 함)의 상태로 LNG 수송선에 저장되어 원거리의 소비처로 운반된다.

이러한 LNG는 천연가스를 극저온, 예컨대 대략 -163℃로 냉각하여 얻어지는 것으로서, 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 적합하다.

이와 같은 LNG는 LNG 수송선에 실려서 바다를 통해 운반되어 육상 소요처에 하역되거나, LNG RV(LNG Regasification Vessel)에 실려서 바다를 통해 운반되어 육상 소요처에 도달한 후 재기화되어 천연가스 상태로 하역될 수 있는데, LNG 수송선과 LNG RV에는 LNG의 극저온에 견딜 수 있는 LNG 저장탱크('화물창'이라고도 함)가 마련된다.

또한, LNG FPSO(Floating Production Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 부유식 해상 구조물에 대한 수요가 점차 증가하고 있으며, 이러한 부유식 해상 구조물에도 LNG 수송선이나 LNG RV에 설치되는 LNG 저장탱크가 마련된다.

여기서, LNG FPSO는 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요 시 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다.

또한, LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 LNG를 저장탱크에 저장한 후, 필요에 따라 LNG를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 부유식 해상 구조물이다.

이와 같은 LNG 저장탱크는 LNG를 극저온 상태로 저장하기 위한 단열재가 화물의 하중에 직접적으로 작용하는지 여부에 따라 독립탱크형(independent tank type)과 멤브레인형(membrane type)으로 분류되고, 독립탱크형 저장탱크는 MOSS형과 IHI-SPB형으로 나뉘며, 멤브레인형 저장탱크는 GT NO 96형과 TGZ Mark Ⅲ형으로 나뉘어진다.

종래 기술의 일 실시예에 따른 멤브레인형인 GT NO 96형 화물창은, 선체의 내벽에 적층되어 설치되되 플라이우드 박스(plywood box) 및 펄라이트(perlite) 등으로 이루어지는 1차 방벽 및 2차 방벽을 포함한다. 이러한 화물창에 관련된 선행기술이 한국특허공개공보 제2003-39709호(2003.05.22)에 개시되어 있다.

화물창의 1차 방벽은 LNG 측에 위치하고, 2차 방벽은 선체의 내벽 측에 위치하도록 설치된다. 그리고, 1차 방벽 및 2차 방벽은 LNG를 단열시키는 단열벽을 포함하고, 각각의 단열벽의 상측에는 0.5~0.7㎜ 두께의 인바(Invar) 강(36% Ni)으로 이루어지는 1차 밀봉벽 및 2차 밀봉벽이 각각 설치된다.

따라서, 1차 방벽과 2차 방벽이 거의 같은 정도의 액밀성 및 강도를 갖고 있어 1차 방벽의 누설시 상당한 기간 동안 2차 방벽만으로도 화물인 LNG를 안전하게 지탱할 수 있다.

이와 같은 종래 기술의 일 실시예에 따른 화물창은 1차 방벽과 2차 방벽 각각의 단열 공간을 입자형의 펄라이트로 채운 다음, 질소가스를 충진하여 단열성능을 확보하도록 함과 아울러, 누설된 가스를 감지하는 데에 사용되도록 한다.

그러나, 종래 기술의 일 실시예에 따른 화물창은 전체 열손실에서 질소가스를 통한 열손실이 차지하는 비중이 작지 않으며, 단열성능의 저하로 인한 증발가스(Boil Off Gas, 이하 'BOG'라 함)의 발생을 증가시키는 문제점이 있었다.

한국특허공개공보 제2003-39709호(대우조선해양 주식회사) 2003. 05. 22.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 진공압이 입자형 단열재의 단열 성능에 미치는 영향을 이용하여 요구되는 BOR을 만족시키면서 단열 성능을 탄력적으로 유지할 수 있는 액화천연가스 화물창을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크에 저장된 액화천연가스(LNG)를 1차적으로 단열시키며 내부가 진공 상태로 유지되며 내부에 단열재가 채워지는 1차 단열박스; 상기 1차 단열박스의 진공 압력을 조절하는 진공압 조절부; 및 상기 저장탱크에서 BOR(Boil off Ratio)이 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우 상기 진공압 조절부를 제어하여 상기 BOR을 미리 설정된 범위로 유지시키는 제어부를 포함하는 액화천연가스 화물창이 제공될 수 있다.

상기 제어부는, 선체에 마련되어 상기 저장탱크에서 발생되는 증발가스의 양을 계측하는 BOR 계측기; 및 상기 BOR 계측기에서 계측되는 값을 기초로 상기 진공압 조절부를 제어하는 진공압 조절부 제어기를 포함할 수 있다.

상기 진공압 조절부 제어기는, 미리 설정된 BOR 이상의 증발가스가 발생된 경우 상기 진공압 조절부를 작동시켜 상기 1차 단열박스 내부의 진공압을 낮추고, 상기 저장탱크의 진공압이 미리 설정된 진공압에 도달한 경우 상기 진공압 조절부의 작동을 중단시켜 진공압을 유지시킬 수 있다.

상기 진공압 조절부는 선체에 마련되어 상기 1차 단열박스의 내부 진공 압력을 조절하는 진공 펌프를 포함할 수 있다.

상기 단열재는 펄라이트(perlite), 글래스 버블(glass bubble), 에어로겔(aerogel) 및 건식 실리카(fumed silica) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 1차 단열박스와 선체의 내벽 사이에 마련되어 상기 액화천연가스를 2차적으로 단열시키며 내부에 단열재가 채워지고 상압이 형성되는 2차 단열박스를 더 포함할 수 있다.

상기 단열재는 입자형 단열재 또는 부피형 단열재를 포함할 수 있다.

상기 입자형 단열재는 펄라이트(perlite), 글래스 버블(glass bubble), 에어로겔(aerogel) 및 건식 실리카(fumed silica) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 부피형 단열재는 폴리우레탄 폼 또는 멜라민 폼을 포함할 수 있다.

상기 1차 단열박스, 상기 2차 단열박스 및 단열재 중 적어도 하나에는 복사열을 차단하는 코팅층이 마련될 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 저장탱크에 저장된 액화천연가스(LNG)를 단열시키며 내부에 입자형 단열재가 채워진 단열박스의 내부를 진공압으로 유지시키는 단계; 및 상기 저장탱크에 미리 설정된 BOR(Boil off Ratio) 이상의 증발가스가 발생된 경우 상기 단열박스 내부의 진공압을 낮추고, 상기 저장탱크의 진공압이 미리 설정된 진공압에 도달한 경우 상기 진공압의 낮춤을 중단시켜 진공압을 유지시키는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 화물창의 단열성능 유지방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 진공압이 입자형 단열재의 단열 성능에 미치는 영향을 이용하여 요구되는 BOR을 만족시키면서 단열 성능을 유지시킬 수 있고, 증발가스를 연료 사용 등의 목적으로 인위적으로 발생시킬 경우 목표 BOR을 상향 수정할 수 있으며, 단열 성능 및 증발가스의 사용을 탄력적으로 운용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 화물창을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 액화천연가스 화물창에서 1차 단열박스를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 진공압의 변화에 따른 입자형 단열재의 열전도율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시된 액화천연가스 화물창에서 제어부의 진공압 조절부 제어에 의해 BOR변화되는 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예가 적용된 액화천연가스 화물창의 단열층의 높이가 종래 기술의 일 실시예에 비해 축소된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 화물창을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 액화천연가스 화물창에서 1차 단열박스를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에서 진공압의 변화에 따른 입자형 단열재의 열전도율 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4는 도 2에 도시된 액화천연가스 화물창에서 제어부의 진공압 조절부 제어에 의해 BOR변화되는 상태를 나타낸 그래프이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 액화천연가스 화물창(1)은, 저장탱크에 저장된 액화천연가스(LNG)를 1차적으로 단열시키며 내부가 진공 상태로 유지되며 내부에 단열재(P)가 채워지는 1차 단열박스(100)와, 1차 단열박스(100)와 선체의 내벽(H) 사이에 마련되어 액화천연가스를 2차적으로 단열시키며 내부에 단열재가 채워지고 상압이 형성되는 2차 단열박스(200)와, 1차 단열박스(100)의 진공 압력을 조절하는 진공압 조절부(300)와, 저장탱크에서 BOR(Boil off Ratio;증발가스 발생량)이 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우 진공압 조절부(300)를 제어하여 BOR을 미리 설정된 범위로 유지시키는 제어부(400)를 구비한다.

1차 단열박스(100)는, 액화천연가스를 1차적으로 단열시키는 것으로서, 1차 단열박스(100)의 내부는 200mbar의 진공압으로 유지될 수 있고, 그 내부에는 입자형 단열재(P)가 채워진다. 또한 1차 단열박스(100)는 플라이우드(plywood) 또는 섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastic)으로 제작될 수 있다.

본 실시 예에서 1차 단열박스(100)의 내부에 채워지는 단열재(P)는 펄라이트(perlite), 글래스 버블(glass bubble), 에어로겔(aerogel) 및 건식 실리카(fumed silica) 중 어느 하나를 포함하는 입자형 단열재일 수도 있고, 폴리우레탄폼 또는 메라닌 폼을 포함하는 부피형 단열재일 수도 있다.

입자형 단열재 중 글래스 버블은 원형 형상을 가지므로 진공압 형성시 펄라이트나 에어로겔에 비해 서로 부딪혀 깨어지는 것이 거의 없다.

그리고 입자형 단열재를 사용하는 경우 단열재의 크기를 사전에 단열박스의 크기에 맞춰 준비할 필요가 없으므로 단열박스를 용이하게 제작할 수 있다. 또한 단열공간이 협소한 경우 입자형의 형상적 특징으로 부피형 단열재에 비해 편리하게 작업할 수 있다. 나아가, 입자형 단열재는 기체의 흐름에 대한 간섭이 부피형 단열재에 비해 적어 부피형 단열재에 비해 진공압을 원활히 형성할 수 있다.

본 실시 예에서 1차 단열박스(100)의 내부에 채워지는 입자형 단열재(P)와 그 내부의 진공압은 열절도율 면에서 서로 연관관계가 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 입자형 단열재(P)로 채워진 1차 단열박스(100)의 내부 진공압과 열전도율은 서로 비례 관계에 있다.

구체적으로 입자형 단열재(P)로 채워진 1차 단열박스(100)의 내부 진공압을 높이면 열전도율이 증가되어 증발가스(BOG;Boil Off Gas)의 발생이 활성화되며, 이는 BOR(증발가스 발생량)을 증가시킨다.

한편 진공압의 변화에 따른 단열 성능 즉 BOR의 변화량은 후술하는 제어부(400)에 의해 제어되며, 본 실시 예는 자세히 후술하겠지만 진공압과 입자형 단열재(P)의 단열 성능의 상호 관계를 고려하여 요구되는 BOR을 만족시키면서 단열 성능을 유지시킬 수 있다.

그리고 본 실시 예는, 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 단열박스(100)에 마련된 종래의 복수의 홀(110)을 이용하여 단열박스의 진공압을 조절할 수도 있다. 즉, 후술하는 진공압 조절부(300)와 복수의 홀(110)을 튜브(미도시)로 연결하여 1차 단열박스(100)의 내부 진공압을 조절할 수 있다.

2차 단열박스(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 단열박스(100)와 선체의 내벽(H) 사이에 배치되어 액화천연가스를 2차적으로 단열시키는 것으로서, 2차 단열박스(200)의 내부에는 입자형 단열재(미도시) 또는 부피형 단열재(V)가 채워지며 그 내부는 상압으로 유지될 수 있다.

본 실시 예에서 2차 단열박스(200)의 내부를 전술한 1차 단열박스(100)와 같이 진공으로 유지할 수도 있지만, 1차 단열박스(100)의 진공 작업 시 1차 단열박스(100)의 내부로 폭발 조건을 형성하는 산소의 유입 등이 차단되도록 상압으로 유지된다.

그리고 미 도시되었지만 2차 단열박스(200)와 선체의 내벽(H) 사이에는 효율적으로 산소의 유입 등을 차단하도록 2차 단열박스(200)보다 낮은 높이를 갖되 내부가 상압으로 유지되는 별도의 산소유입 방지방벽이 마련될 수 있다.

한편 본 실시 예에서 2차 단열박스(200)의 내부에 채워지는 입자형 단열재는 펄라이트(perlite), 글래스 버블(glass bubble), 에어로겔(aerogel) 및 건식 실리카(fumed silica) 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 부피형 단열재(V)는 폴리우레탄 폼 또는 멜라민 폼을 포함할 수 있다.

진공압 조절부(300)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 단열박스(100)의 내부 공간과 연결되어 후술하는 제어부(400)에 의해 작동되어 1차 단열박스(100)의 내부 진공압을 조절하는 것으로서, 본 실시 예에서 진공압 조절부(300)는 진공 펌프를 포함한다.

제어부(400)는, 액화천연가스가 저장된 저장탱크에서 BOR(증발가스 발생량)이 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우 이를 감지하며, 이를 토대로 전술한 진공압 조절부(300)를 제어하여 BOR을 미리 설정된 범위로 유지시키는 역할을 한다.

본 실시 예에서 제어부(400)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 선체에 마련되어 저장탱크에서 발생되는 증발가스의 양을 계측하는 BOR 계측기(410)와, BOR 계측기(410)에서 계측되는 값을 기초로 진공압 조절부(300)를 제어하는 진공압 조절부 제어기(420)를 포함한다.

제어부(400)의 BOR 계측기(410)는, 밀도차를 이용하여 저장탱크 내부의 BOR을 계측할 수도 있고, 저장탱크의 상측부에 별도의 증발가스 순환유로를 마련하고 이를 기초로 BOR을 측정할 수도 있다.

제어부(400)의 진공압 조절부 제어기(420)는, BOR 계측기(410)에서 계측된 데이터를 기초로 진공압 조절부(300)를 on 또는 off시켜 1차 단열박스(100)의 내부 진공압을 제어할 수 있다.

이하에서 전술한 도면을 참조하여 제어부(400)의 작동 상태를 간략히 설명한다.

먼저 저장탱크의 내부에 미리 설정된 BOR 이상의 증발가스가 발생된 경우BOR 계측기(410)에서는 이를 감지하여 진공압 조절부 제어기(420)로 신호를 보내고, 진공압 조절부 제어기(420)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 진공압 조절부(300)를 작동시켜 1차 단열박스(100) 내부의 진공압을 낮춘다.

*전술한 바와 같이 진공압은(도 3 참조) 열전도율과 비례관계에 있으므로 진공압이 낮아지면 BOR이 줄어들어 목표 BOR을 유지할 수 있다. 여기서 목표 BOR이란 선박의 제작시에 선주와 협의되는 BOR을 말하고, 진공압 목표 BOR이란 목표 BOR을 유지시키기 위한 최소한의 값을 말한다.

본 실시 예에서 목표 BOR은, 도 4에 도시된 바와 같이, 0.1% BOR일 수 있고, 진공압 목표 BOR은 0.08% BOR일 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부는 상기 BOR이 0.08% 이상인 경우 상기 진공압 조절부를 작동시킬 수 있다.

한편 진공압을 낮춰 BOR이 진공압 목표 BOR에 도달하면, BOR 계측기(410)는 이를 인식하여 진공압 조절부 제어기(420)로 신호를 보내고, 진공압 조절부 제어기(420)는 이 신호를 기초로 진공압 조절부(300)의 작동을 중단시켜, 도 4에 도시된 바와 같이, 진공압을 중단된 상태 즉 진공압 목표 BOR로 유지시킨다.

그리고 증발가스를 연료 사용 등의 목적으로 인위적으로 발생시킬 경우 목표 BOR을 편리하게 상향 수정할 수 있으며, 요구되는 단열성능을 유지하면서 증발가스를 탄력적으로 이용할 수 있다.

덧붙여 본 실시예는 1차 단열박스(100), 상기 2차 단열박스(200) 및 단열재 중 적어도 하나의 표면부에 마련되어 복사열을 차단하는 코팅층을 포함한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예가 적용된 액화천연가스 화물창(1)의 단열층의 높이가 종래 기술의 일 실시예에 비해 축소된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 실시 예는 1차 단열박스(100)에 채워지는 입자형 단열재(P)와 1차 단열박스(100)의 내부 진공압의 상관 관계에 의해 단열 두께의 변화없이 내부 단열재의 단열 성능을 진공압에 따라 향상시킬 수 있어 기존의 시스템을 그대로 이용할 수 있으므로 비용부담이 적은 이점이 있다.

또한 본 실시 예는 단열성능의 중요한 요소인 내부 단열재의 성능이 진공압에 따라 수배에서 수십배에 이르기까지 획기적으로 향상되어 BOR의 절감 효과가 우수한 장점이 있다.

나아가 BOR 저감과 동시에, 도 5에 도시된 바와 같이, 단열층의 두께를 감소시킬 수 있어 화물창의 공간을 극대화하고 단열박스의 좌굴 강도를 향상시킬 수 있다. 여기서 미설명 부호 IB1은 종래의 1차 단열박스이고, IB2는 종래의 2차 단열박스이다.

마지막으로 진공의 정도를 적절히 조절하여 화물창의 외부에 소요되는 증발가스의 양에 능동적으로 대처할 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 액화천연가스 화물창 100 : 1차 단열박스
110 : 홀 200 : 2차 단열박스
300 : 진공압 조절부 400 : 제어부
410 : BOR 계측기 420 : 진공압 조절부 제어기
H : 선체의 내벽 P : 입자형 단열재
V : 부피형 단열재

Claims (10)

1. 저장탱크에 저장된 액화천연가스(LNG)를 1차적으로 단열시키며 내부가 진공 상태로 유지되며 내부에 단열재가 채워지는 1차 단열박스;
   상기 1차 단열박스와 선체의 내벽 사이에 마련되어 상기 액화천연가스를 2차적으로 단열시키며 내부에 단열재가 채워지는 2차 단열박스;
   상기 2차 단열박스와 상기 선체의 내벽 사이에 마련되는 내부가 상압으로 유지되는 산소 유입방지방벽;
   상기 1차 단열박스의 진공 압력을 조절하는 진공압 조절부; 및
   상기 저장탱크에서 BOR(Boil off Ratio)이 목표 BOR 이상이면 상기 진공압 조절부를 작동시키고, 상기 저장 탱크의 BOR이 진공압 목표 BOR에 도달하면 상기 진공압 조절부의 작동을 중단시키는 제어부를 포함하고,
   상기 저장탱크에서 증발가스를 발생시킬 경우 상기 목표 BOR은 상향 수정되고, 상기 단열재는 글래스 버블인, 액화천연가스 화물창.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는,
   선체에 마련되어 상기 저장탱크에서 발생되는 증발가스의 양을 계측하는 BOR 계측기; 및
   상기 BOR 계측기에서 계측되는 값을 기초로 상기 진공압 조절부를 제어하는 진공압 조절부 제어기를 포함하는 액화천연가스 화물창.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 진공압 조절부 제어기는,
   미리 설정된 BOR 이상의 증발가스가 발생된 경우 상기 진공압 조절부를 작동시켜 상기 1차 단열박스 내부의 진공압을 낮추고,
   상기 저장탱크의 진공압이 미리 설정된 진공압에 도달한 경우 상기 진공압 조절부의 작동을 중단시켜 진공압을 유지시키는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 화물창.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 진공압 조절부는 선체에 마련되어 상기 1차 단열박스의 내부 진공 압력을 조절하는 진공 펌프를 포함하는 액화천연가스 화물창.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차 단열박스의 내부는 상압으로 유지되는, 액화천연가스 화물창.
7. 삭제
8. 삭제
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 1차 단열박스, 상기 2차 단열박스 및 단열재 중 적어도 하나에는 복사열을 차단하는 코팅층이 마련된 것을 특징으로 하는 액화천연가스 화물창.
10. 삭제

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