埋地管道的防腐保護(hù)及檢測方法分析

張攀峰 於孝春

(南京工業(yè)大學(xué))

埋地管道的防腐保護(hù)及檢測方法分析

張攀峰＊於孝春

(南京工業(yè)大學(xué))

腐蝕是埋地管道的主要失效模式之一,阻止埋地管道的腐蝕對埋地管道的安全運行具有重要意義。就埋地管道所采用的保護(hù)方法進(jìn)行分析,并提出了適當(dāng)?shù)姆椒▽艿缹嵤z測作業(yè),以期最大程度地降低埋地管道的運行風(fēng)險,實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

埋地管道 雜散電流 陰極保護(hù) 防腐層 檢測 泄漏

0 前言

作為國際貨物運輸?shù)姆绞街?管道運輸具有獨特的優(yōu)勢。管道具有運量大、不受氣候和地面其他因素限制、可連續(xù)作業(yè)以及運營成本低等優(yōu)點。在歐美等發(fā)達(dá)國家,幾乎全部的成品油都是通過管道特別是埋地管道來運輸?shù)摹ｋS著石油、天然氣消費速度的增長,管道運輸發(fā)展步伐不斷加快。埋地管道運輸可以節(jié)省鋪設(shè)管道所占用的空間,也可以節(jié)省管道鋪設(shè)過程中的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本;在跨越河流、湖泊時,埋地管道的敷設(shè)可以不架設(shè)橋梁,直接對石油、天然氣及其它貨物進(jìn)行運輸,我國天然氣西氣東輸所使用的管道大部分是埋地管道。地下管道是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,在供熱、給水、排水、煤氣以及通信等方面得到廣泛應(yīng)用,被稱為城市地下生命線工程。

目前,我國油氣輸送管道近 10萬多公里[1],城市埋地燃?xì)夤艿?7萬公里[2]。埋地管道長期埋在地下,隨著時間的推移,外界土壤及地形沉降等因素的影響,管道的防腐層極有可能出現(xiàn)破損、剝離等嚴(yán)重的問題;埋地管道與土壤的相互接觸會引發(fā)管道發(fā)生腐蝕、穿孔等破壞,造成介質(zhì)的泄漏。管道腐蝕破壞除了考慮造成的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失外,它還會引起有害物質(zhì)的泄漏,對環(huán)境造成污染,甚至?xí)鹜话l(fā)性的災(zāi)難事故,危及人身安全。由于管道穿越地區(qū)地形復(fù)雜、氣候特性各異、土壤性質(zhì)千差萬別,埋地鋼質(zhì)管道除采取不同的外防護(hù)措施外,還要在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)Ψ栏瘜舆M(jìn)行檢測。對長時間運營老化的埋地管道進(jìn)行泄漏檢測,不僅可以降低埋地管道維護(hù)的成本,提高經(jīng)濟(jì)效益,還可以保障生產(chǎn)的安全及人民的生命財產(chǎn)安全。

1 埋地管道腐蝕的原理

埋地管道長期埋在地下,由于環(huán)境的各異,會發(fā)生不同形式的腐蝕。通常見到的埋地管道的腐蝕大致有化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕等。

1.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是指金屬表面與非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的破壞。金屬直接和介質(zhì)接觸引起的金屬離子的溶解過程,在金屬表面均勻發(fā)生,腐蝕速度緩慢。鋼鐵在空氣中或土壤里的腐蝕就屬于化學(xué)腐蝕。

1.2 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是金屬表面與導(dǎo)電的介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的破壞,也就是金屬和電解質(zhì)組成原電池所發(fā)生的金屬電解過程。其實質(zhì)是浸在電解質(zhì)溶液中的金屬表面上形成了以金屬為陽極的腐蝕電池。包括異金屬接觸產(chǎn)生的腐蝕原電池、鋼管本身成分含量復(fù)雜產(chǎn)生的原電池、氧濃差產(chǎn)生腐蝕原電池、鹽濃差腐蝕原電池和直流雜散電流腐蝕、交流雜散電流腐蝕。圖 1是鐵質(zhì)管道自腐蝕過程圖。電化學(xué)腐蝕是埋地管道常見的一種腐蝕形式,在電解質(zhì)溶液中,鐵原子失去電子而變成可以自由移動的離子,化學(xué)反應(yīng)式如下:

圖1 埋地管道電化學(xué)腐蝕自腐蝕過程

其它自然電位高的原子得到鐵原子失去的電子而顯負(fù)電性,這樣鐵原子所帶的電子就從鐵原子轉(zhuǎn)移到其它電位高的原子上面。通過進(jìn)一步的反應(yīng),帶電物質(zhì)溶入溶液或參與發(fā)生析氫的反應(yīng)。

電化學(xué)腐蝕過程中,雜散電流的腐蝕是埋地管道腐蝕破壞中危害最嚴(yán)重的一種腐蝕形式。一般情況下,設(shè)計或規(guī)定回路以外流動的電流統(tǒng)稱雜散電流。雜散電流的來源十分廣泛,它可能產(chǎn)生于地鐵的運營過程及地下礦山的運輸過程中,也可能發(fā)生于電焊及電解的過程當(dāng)中。雜散電流在進(jìn)入管道時,管地電位為負(fù),這時的電流對管道起到一定程度的保護(hù)作用。但是當(dāng)雜散電流在靠近雜散電流源負(fù)極的時候,管地電位變?yōu)檎?此時的雜散電流不再對管道起保護(hù)作用,轉(zhuǎn)而加速埋地管道的腐蝕。在靠近雜散電流源的部位,管道的鐵原子失去電子而變成自由移動的離子,熔結(jié)到土壤當(dāng)中去。雜散電流的腐蝕速度比較快,是一般的電化學(xué)腐蝕所不能比擬的。自然電位腐蝕的腐蝕電位很低,在沒有雜散電流時腐蝕電池兩極電位差僅 0.65 V左右,雜散電流存在時,管道的電位可達(dá) 8～9 V[3]。資料表明,對于壁厚為 8～9 mm的鋼質(zhì)管道,快則幾個月就發(fā)生穿孔[4]。由此可以看出,雜散電流的腐蝕對埋地管道的影響是不容忽視的。

1.3 微生物腐蝕

腐蝕微生物主要是在自然界中參與硫、鐵元素循環(huán)的菌類,它們主要是通過氧化元素硫和還原性硫化物,最終產(chǎn)生硫酸或者氫硫酸腐蝕金屬的。由于不注重微生物的腐蝕作用,使得微生物腐蝕常給地下管線帶來嚴(yán)重危害,造成經(jīng)濟(jì)上的損失。

2 埋地管道的防腐措施

埋地管道的腐蝕會對生活帶來諸多不便,也會對生產(chǎn)造成相當(dāng)?shù)挠绊?。輸水管道的腐蝕破壞會影響人們的正常生活,油氣管道的破壞不僅會污染環(huán)境,而且還會對正常的工業(yè)生產(chǎn)造成影響。所以針對埋地管道的腐蝕,必須采取相應(yīng)的防腐措施。

2.1 埋地管道的涂層保護(hù)

埋地管道的腐蝕是通過土壤與管道相接觸來實現(xiàn)的,涂加適當(dāng)?shù)姆栏繉涌梢愿艚^管道與土壤之間的接觸,減少腐蝕作用對管道的影響。從某種程度上講,防腐層的質(zhì)量決定了管道的使用壽命。在管道外防腐涂層方面,國內(nèi)外采用的是石油瀝青、煤焦油瀝青、熔結(jié)環(huán)氧粉末、雙層 PE和三層聚乙烯 (3PE)等[5-7]。

2.1.1 防腐層的要求

防腐涂層的優(yōu)劣主要取決于它的黏結(jié)力和耐老化性。要得到性能良好的防腐層,除了選用合適的材料外,還需選用先進(jìn)的施工工藝。就防腐材料而言,除要考慮經(jīng)濟(jì)性能方面的要求以外,還要求有以下幾個方面的性能[8-9]。

(1)良好的電絕緣性。防腐層電阻率不應(yīng)小于10000Ω·m2,耐擊穿電壓強(qiáng)度不得低于按種類制定的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

(2)在腐蝕介質(zhì)中具有良好的穩(wěn)定性與持久的耐蝕性。耐大氣老化性能好;化學(xué)性能穩(wěn)定;耐水性好,吸水率低;耐熱性好,確保其在使用溫度下不變性、不流淌、不加速老化;耐低溫性能好,確保在低溫條件下不龜裂、不脫落;抗酸性介質(zhì)及微生物性能好。

(3)致密性好,對水、CO2和 H2S等有良好的抗?jié)B透性,而且耐陰極剝離性強(qiáng)。

(4)防腐涂層要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。良好的抗沖擊強(qiáng)度可防止由于搬運和土壤壓力而造成的損傷,良好的抗彎曲性可確保管道施工時不致因彎曲而損壞,較好的耐磨性可防止由于土壤摩擦而損傷。除此之外,還要求涂層的針入指標(biāo),并且與管道基材的附著力好。

2.1.2 熔結(jié)環(huán)氧粉末

熔結(jié)環(huán)氧粉末的主要優(yōu)點是黏結(jié)力強(qiáng),適用范圍寬 (-30～110℃),耐土壤應(yīng)力和耐陰極剝離性能好;其缺點是易受沖擊破壞,吸水率高,耐光老化性能差,對涂裝過程要求嚴(yán)格,成本高,適用于大部分土壤環(huán)境,不能用于石方段、地下水位高及土壤含水量較高地區(qū)。

2.1.3 煤焦油瓷漆

煤焦油瓷漆有能防止植物根莖穿入,抵御細(xì)菌及堿類腐蝕,防水及抗老化性能好,成本低等優(yōu)點;但是抗土壤應(yīng)力及熱穩(wěn)定性差,與陰極保護(hù)的相容性差,污染環(huán)境。適用于大部分土壤環(huán)境及水位高、植物根莖多、微生物活動多的沼澤或灌木地區(qū)。

2.1.4 雙層 PE與三層 PE

二層聚乙烯 (2PE)結(jié)構(gòu)底層為膠粘劑,外層為聚乙烯,它的電絕緣性能好,機(jī)械強(qiáng)度高,吸水率低,耐土壤應(yīng)力好;其缺點是黏結(jié)力較差,陽光下易老化,但是適用于大部分土壤環(huán)境及機(jī)械強(qiáng)度要求高、土壤應(yīng)力破壞大的地區(qū)。

三層聚乙烯 (3PE)結(jié)構(gòu)底層為熔結(jié)環(huán)氧底漆層,能很好地附著在管壁上;中間層的主要成分為聚烯烴,里面是纏繞的擠塑造聚乙烯帶。三層聚乙烯兼有熔結(jié)環(huán)氧粉末和二層聚乙烯結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,其缺點是成本高,涂敷工藝復(fù)雜,適用于苛刻環(huán)境,如碎土石、石方段、土壤含水高、植物根系多的地區(qū)。

2.1.5 雙層環(huán)氧粉末防腐層

近年來,雙層環(huán)氧粉末涂料的研究和應(yīng)用已成為管道外防腐領(lǐng)域的一個亮點,它的底層采用常規(guī)環(huán)氧粉末涂料,用作防腐蝕保護(hù);面層為增塑劑的環(huán)氧粉末體系,用于機(jī)械保護(hù)。涂層總厚度在1 mm以內(nèi),大大低于三層 PE的厚度。雙層環(huán)氧粉末體系以增塑劑的環(huán)氧粉末涂層取代三層 PE的塑料層,陰極保護(hù)的匹配性好,能有效地防止陰極屏蔽,同時由于涂層的固化官能團(tuán)類似,進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)不產(chǎn)生層間分離,采用結(jié)構(gòu)近似的環(huán)氧液體涂料對彎頭和補(bǔ)口防腐,防腐質(zhì)量很好。

2.2 陰極保護(hù)和犧牲陽極保護(hù)

埋地管道的腐蝕基本上都是通過自然電位差來實現(xiàn)的,也就是說,純金屬一般不發(fā)生在溶液中的自腐蝕。管道的腐蝕狀況與管道的自然電位、極化電位以及 pH值有密切關(guān)系,如圖 2所示。在圖中顯示,在不同的極化電位和 pH值條件下,金屬的腐蝕傾向是不同的,可通過調(diào)整電位和 pH值來控制金屬的腐蝕。通?？刹捎萌N方法將鐵移出腐蝕區(qū),以達(dá)到防腐的目的。通過外加負(fù)電流 (陰極極化)使鐵的電極電位負(fù)移到免蝕區(qū),以實現(xiàn)陰極保護(hù)。通過外加正電流 (陰極極化)使鐵的電極電位正移到鈍化區(qū),達(dá)到陽極保護(hù)的目的。也可以調(diào)整溶液的 pH值,使其達(dá)到 9～13范圍,使鐵進(jìn)入鈍化區(qū)[10]。

圖2 Fe-H2O系的簡化電位與 pH的關(guān)系 (腐蝕狀態(tài))

在埋地管道的運營當(dāng)中,很難做到調(diào)節(jié)土壤的pH值,不過,通過調(diào)節(jié)腐蝕區(qū)的電位的方法來調(diào)節(jié)管道電位是可以實現(xiàn)的。通過通入一定的電流使管道材料處于鈍化狀態(tài)或者處于免蝕狀態(tài)是比較理想的減少管道腐蝕的方法,所以可通過采用陰極保護(hù)的辦法,使管道處于免蝕區(qū)狀態(tài)。

陰極保護(hù)方法分為兩種:犧牲陽極保護(hù)法和外加電流陰極保護(hù)法。犧牲陽極的陰極保護(hù)是通過外加電位比埋地管道電位更負(fù)的金屬作為電極,實現(xiàn)陰極保護(hù)的,也就是說,負(fù)電位金屬在電偶電池中通過犧牲陽極溶解對保護(hù)金屬提供陰極保護(hù)電流。通常情況下,所使用的電極有Mg電極、Zn電極和Al電極,此種保護(hù)的方法適合在土壤電阻率低的地方使用。土壤電阻高出一定界限會因電極的接地電阻增大,而不能提供足夠大的保護(hù)電流。《埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽極保護(hù)設(shè)計規(guī)范》推薦,鋅陽極的土壤電阻率應(yīng)小于 15Ω·m,鎂陽極的土壤電阻率不超過 100Ω·m。在實際的埋地管道保護(hù)過程中,使用者可以根據(jù)自己的經(jīng)驗來選擇適當(dāng)?shù)年枠O。

外加電流陰極保護(hù)法是利用外部直流電源對被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物提供陰極保護(hù)電流。此種電流保護(hù)適合大型化的金屬構(gòu)筑物,由于其保護(hù)的范圍特別大,所以在對大型化的地下金屬構(gòu)筑物施加外加電流陰極保護(hù)時,可以實現(xiàn)其規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。

3 管道的不開挖檢測

在管道的運營過程中,經(jīng)常需要對管道的運營狀況進(jìn)行檢測。管道的開挖檢測不僅浪費大量的人力和物力,而且還可能對管道造成新的破壞。所以在管道的檢測過程中,通常使用非開挖的形式進(jìn)行檢測。

圖3 PCM對管道破損檢測分析

3.1 管道的陰極保護(hù)檢測

陰極保護(hù)是保持埋地管道免受各種腐蝕的有效方法。通入陰極保護(hù)電流使管道的對地電位發(fā)生變化,進(jìn)而使管道進(jìn)入免蝕區(qū)。對管道的陰極保護(hù)進(jìn)行檢測,是對埋地管道是否進(jìn)行有效保護(hù)的依據(jù)。通常情況下,可以通過自然電位與陰極保護(hù)電位檢測與評定,判斷管道保護(hù)電位是否達(dá)到有效保護(hù)。

3.2 管道的防腐層破損檢測

管道在運輸安裝的過程中,不可避免地會出現(xiàn)埋地金屬管道與其它構(gòu)筑物的相互碰撞的情況。運營過程中,由于土壤的原因,管道也極有可能與地下堅硬的物體如石塊等的相互碰撞,這都可能造成防腐層的破損。在管道陰極保護(hù)過程中,管道的陰極過保護(hù)也會造成管道防腐層的脫落。防腐層一旦脫落,土壤就與管道表面相接觸,進(jìn)而造成管道的腐蝕,自然腐蝕的速度雖然不快,但也會對管道特別是長時間運營的管道造成相當(dāng)?shù)挠绊?特別是在雜散電流存在的條件下,管道發(fā)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng),可能快速引發(fā)管道的穿孔。1A的雜散電流在一年內(nèi)可以消耗 9.1 kg的鐵,36 kg的鉛,11 kg的銅。根據(jù)資料表明,雜散電流的存在會使壁厚為8～9 mm和鋼質(zhì)管道,幾個月內(nèi)就發(fā)生腐蝕穿孔。所以及時找到管道防腐層的破損點是十分必要的。

管內(nèi)電流檢測技術(shù)可以對管道防腐層進(jìn)行無損檢測,以確定防腐涂層的狀況。管內(nèi)電流檢測技術(shù)(又稱多頻管中電流法或電流衰減法)采用等效電流原理,來評價管道防腐層絕緣性[11]。檢測時,將 RD-PCM(Pipeline CurrentMapper)發(fā)射機(jī)信號線分別與測試樁中的管道接線柱、接地陽極接線柱連接。由 PCM大功率發(fā)射機(jī)向管道發(fā)射近似直流的 4 Hz測繪電流、128 Hz/640 Hz定位電流。便攜式接收機(jī)能準(zhǔn)確地探測到這種信號。通過對電流的探測,可以找到管道的精確位置。如果管道的外防腐層完好,由于管道電阻的原因,管道中交流信號是沿程均勻衰減的;如果管道的外防腐層有破損或絕緣不好,在外防腐層破損點便會有電流泄漏入土壤中,這樣沿程測量管道中的電流信號,在破損點附近,就會出現(xiàn)管中電流陡降。同時,在管道破損點和土壤之間也會形成電壓差,且在接近破損點部位的電壓差最大,破損點的電位差相對較小,如圖3所示[12]。

對防腐層破損嚴(yán)重的區(qū)域可做開挖處理開挖之后,對管道進(jìn)行重新涂涮防腐層,腐蝕嚴(yán)重的蝕坑可用補(bǔ)焊的方法進(jìn)行修護(hù),處理完之后,再涂涮新的防腐層。

3.3 管道泄漏檢測

對于沒有涂防腐層的管道,或者是長期運營老化的管道,需要對管道和泄漏進(jìn)行定時的檢測。據(jù)統(tǒng)計,我國現(xiàn)在 7萬公里的城市埋地燃?xì)廨斔凸艿?其中有 40%已經(jīng)運營 20年左右,不少管道已進(jìn)入事故高發(fā)階段。由于管線老化,不可避免的腐蝕,自然或者人為損壞等因素,管道泄漏事故頻頻發(fā)生,發(fā)生多次由泄漏引發(fā)的惡性事故[2]。如果泄漏得不到及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的防護(hù)措施,就有可能會污染環(huán)境,浪費資源,并給經(jīng)濟(jì)造成損失。更嚴(yán)重的,燃?xì)獾男孤┛赡墚a(chǎn)生爆炸、火災(zāi)等災(zāi)難性事故,造成巨大的生命和財產(chǎn)損失。對于管道的泄漏,查找到泄漏點是十分必要的。

3.3.1 傳統(tǒng)檢漏方法

通常情況下,可以通過燃?xì)庑孤┧a(chǎn)生的氣味確定泄漏發(fā)生的位置。在工程檢測中,也使用相關(guān)的燃?xì)獬瑯?biāo)報警器,對埋地管道泄漏進(jìn)行檢測。如果管道發(fā)生泄漏,從地下滲出的氣體就傳播到地面上,造成地面部位燃?xì)獾某瑯?biāo),一旦發(fā)生埋地管道的泄漏,儀器會立即報警。這兩種方法是檢測中常用的兩種方法,不過這兩種方法并不總是有效的,特別是在路面下,氣體通過路面的石子瀝青混合物之間的縫隙傳播,傳播的方向受各種因素的影響。

3.3.2 負(fù)壓波原理檢漏

液體管道輸送能力 (或流速)的突然變化 (也稱為擾動),會在擾動產(chǎn)生處引起能量的不平衡。管道發(fā)生泄漏時,泄漏點因流體介質(zhì)損失而引起的局部液體密度減小,導(dǎo)致瞬間壓力降低,作為壓力波源通過流體介質(zhì)向泄漏點的上、下游傳播,相當(dāng)于在泄漏點處產(chǎn)生了以一定波速傳播的負(fù)壓力波,在水力學(xué)上稱為負(fù)壓波,又稱為減壓波,其原理圖如圖4所示。

圖4 負(fù)壓波管道泄漏

負(fù)壓波檢測定位技術(shù)主要應(yīng)用于大口徑長輸管道上?；谪?fù)壓波和流量平衡的泄漏監(jiān)測方法,結(jié)合了小波變換、GPS、RTU傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù),可進(jìn)行輸油管道泄漏檢測與定位,并能及時準(zhǔn)確定位泄漏點[13]。

泄漏點到上游站的距離 X可通過式 (2)進(jìn)行計算:

式中 L——監(jiān)測管道的總長度

c——負(fù)壓波在管輸液體中的傳播速度

Δt——上下游壓力傳感器接收到負(fù)壓波的時間差

3.3.3 聲發(fā)射檢漏

檢測體受到外加力作用時,晶格的變形不協(xié)調(diào)會產(chǎn)生超聲波。聲發(fā)射技術(shù)通過檢測由晶格變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的超聲波而獲得缺陷信號的一種無損檢測方法。2006年 10月,中國特檢院與北京聲華興業(yè)科技有限公司進(jìn)行了埋地燃?xì)夤艿佬孤┞晫W(xué)方法檢測關(guān)鍵技術(shù)的研究[2],并通過聲發(fā)射的方法對管道的泄漏點進(jìn)行檢測。與以往的埋地管道檢測不同,聲發(fā)射檢測是通過管道本身在運營過程中產(chǎn)生的信號來實現(xiàn)檢測的,其原理如圖 5所示。

圖5基于聲波的管道泄漏點定位原理A,B—聲發(fā)射傳感器 X—泄漏點距參考傳感器A的距離D—兩個傳感器之間的距離 V—聲波傳播的速度

通過聲發(fā)射的檢測,可以確定泄漏點的位置,其大致位置 (泄漏點到傳感器 A之間的距離)可以通過式 (3)計算出:

式 (3)中Δt是從相關(guān)函數(shù)得出的泄漏信號到達(dá)傳感器的時間差。由式 (3)可以看出,通過泄漏點所產(chǎn)生的信號到兩傳感器之間的時間差,就可計算出泄漏點到傳感器的距離,進(jìn)而確定泄漏點在管道中的位置。這樣就可及時對埋地管道進(jìn)行維護(hù)處理,避免可能的事故發(fā)生。

4 結(jié)語

對埋地管道的保護(hù)是一個復(fù)雜的工作,任何一種單一的方法都不能實現(xiàn)對埋地管道的保護(hù),在對管道實行保護(hù)的過程中,往往采用幾種防護(hù)方式相結(jié)合的辦法,對管道進(jìn)行保護(hù)。通常情況下,對管道進(jìn)行保護(hù)的過程中,不僅要在管道外施加防腐涂層,而且還要對埋地管道實施陰極保護(hù),在強(qiáng)制保護(hù) (外加電流陰極保護(hù))無法達(dá)到的區(qū)域,要進(jìn)行犧牲陽極陰極保護(hù)的辦法對管道進(jìn)行保護(hù)。在一段時間之后,我們要對防腐層進(jìn)行防腐層質(zhì)量的檢驗,并適時對老化管道進(jìn)行防腐層泄漏檢測。只有這樣,才能延長管道的使用壽命,最大限度地提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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2009-11-16)