海底沖射式開溝機(jī)技術(shù)進(jìn)展

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(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

1 已有沖射式開溝機(jī)

1.1 沖射式開溝滑撬

1946年Samy Collins 制造了世界上第一臺(tái)高壓水沖射開溝滑撬，并在墨西哥灣埋設(shè)了第一條海底石油管線。從此沖射式開溝滑撬蓬勃發(fā)展，得到廣泛應(yīng)用。此種類型的開溝機(jī)主要由噴沖系統(tǒng)、抽吸系統(tǒng)、機(jī)架組成。最初的沖射式開溝滑撬動(dòng)力單元全部安裝在母船甲板上，包括高壓水泵和空氣壓縮機(jī)，滑撬的行走主要靠母船的拖動(dòng)。其主要工作原理是預(yù)先將管道鋪設(shè)在海底，沖射式滑撬騎跨在管道上，開溝機(jī)本身的重量主要通過兩側(cè)的滑撬傳遞到海底，管道不對(duì)滑撬提供支撐力。開溝時(shí)，母船通過鋼纜拖動(dòng)滑撬沿著管道前進(jìn)，并通過橡膠軟管將高壓水輸送到滑撬上的噴沖臂上，用高壓水射流將海底土質(zhì)破碎或者液化，然后同樣利用橡膠軟管將壓縮空氣輸入到抽吸臂中，利用氣體上升的浮力帶動(dòng)泥漿，從而將泥漿排出溝外形成溝槽。

隨著石油開采進(jìn)入更深的水域，埋設(shè)管線時(shí)需要的高壓水和壓縮空氣的輸送軟管長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，尤其是輸送高壓空氣需要首先克服海水的壓力，效率大大降低[3]。此時(shí)工程師們對(duì)沖射式滑撬進(jìn)行了較大的改進(jìn)，采用潛水泵代替了甲板上的水泵，射流抽吸泵排泥代替氣舉排泥，而母船僅僅提供電力和拖力，從而形成了目前沖射式滑撬的形式，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 沖射式滑撬結(jié)構(gòu)示意

沖射式開溝滑撬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易制造，成本相對(duì)低廉，適合在水深小于300 m區(qū)域作業(yè)，目前在世界上很多國(guó)家仍然在使用。

1.2 自推進(jìn)爬行開溝機(jī)

石油管線埋設(shè)進(jìn)入深水區(qū)后，沖射式開溝滑撬需要的纜繩越來越長(zhǎng)，給施工作業(yè)帶來很大不便，此時(shí)出現(xiàn)自推進(jìn)爬行開溝機(jī)。它自身安裝履帶，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)履帶推動(dòng)開溝機(jī)前進(jìn)，目前應(yīng)用的深水開溝機(jī)，大多采用此種形式。此類開溝機(jī)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，自身重量也較大，除水面動(dòng)力與控制系統(tǒng)外，它主要由履帶行走系統(tǒng)、噴沖系統(tǒng)、抽吸系統(tǒng)、開溝機(jī)底盤、動(dòng)力單元以及各類傳感器組成，通過安裝機(jī)械式破碎工具，還可以開鑿堅(jiān)硬的海底地層。目前具有代表性的產(chǎn)品主要有以下幾種。

總部位于巴黎的Nexans公司生產(chǎn)的Spider系列開溝機(jī)發(fā)展早，技術(shù)成熟，目前已經(jīng)埋設(shè)了超過6 000 km的管線。Spider 系列開溝機(jī)是從瑞士叢林機(jī)械改造而來，它結(jié)構(gòu)靈巧而具有很高的強(qiáng)度，基于這種底盤，Nexans開發(fā)了多種開溝機(jī)，包括 Spider terrain dredger system(地形平整系統(tǒng))和Spider Capjet。見圖2。

圖2 Nexans公司Spider系列開溝機(jī)

地形平整系統(tǒng)由操控集裝箱、發(fā)電機(jī)、變壓器、裝載箱、臍帶絞車和Spider本身組成，主要用于水下清障和場(chǎng)地整平。從外形看它類似于一臺(tái)挖掘機(jī)，由底盤和可繞底盤旋轉(zhuǎn)的上部結(jié)構(gòu)組成。底盤裝有4個(gè)支腿，每個(gè)支腿上帶有履帶，可以單獨(dú)活動(dòng)，非常靈巧，這使得機(jī)器可以在崎嶇不平的海床上工作。上部結(jié)構(gòu)主要由射流鏟斗和抽吸系統(tǒng)組成。鏟斗邊緣上帶有整排的噴嘴，挖土?xí)r，主要通過射流將土體破碎和液化，鏟斗本身受力很小，而抽吸系統(tǒng)的入口正好安裝在鏟斗內(nèi)，當(dāng)土體破碎后即將其抽走排到一邊。它裝有4套動(dòng)力單元，2個(gè)液壓泵站，2個(gè)高壓水泵。其中驅(qū)動(dòng)螺旋槳的泵站100 kW，驅(qū)動(dòng)鏟斗臂和支腿的泵站55 kW，供給鏟斗噴嘴的水泵功率420 kW,抽吸泵125 kW。它長(zhǎng)5 m、寬4 m、高2.5 m、重11 t，最大開挖深度6 m，可以開挖抗剪強(qiáng)度達(dá)300 kPa的土體，最大工作水深2 000 m。它還裝有眾多的傳感器，彩色攝像頭6只，聲吶2只及壓力傳感器、深度計(jì)、沉積物傳感器等。此外它還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力，上行傳輸能力達(dá)27 Gbit，下行傳輸為Rs232接口5個(gè)，Rs485/422接口5個(gè)，此外還有3×10 M的以太網(wǎng)。

它的運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)特殊的布放和回收系統(tǒng)(LARS)控制，臍帶用來提供電力和控制信號(hào)，在剛下水時(shí)，操縱者可以通過水下相機(jī)監(jiān)控Spider的動(dòng)作，當(dāng)開始工作后水下能見度變低，則通過一個(gè)3D軟件操縱，傳感器被安裝在各個(gè)傳感器關(guān)節(jié)上，聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝在海底，海底的3D模型不斷在人機(jī)交互界面上顯示。

2004年地形平整系統(tǒng)在挪威Ormen Lange氣田投入使用，它在30°的陡坡上工作，最多每天開鑿多達(dá)100 m3的土體，溝槽的最大深度4 m。

Spider Capjet主要用于埋纜，長(zhǎng)8 m、寬4 m、高2.5 m，總重14.5 t，主要靠螺旋槳推動(dòng)。Capjet 功率強(qiáng)勁，110 kW的液壓泵站2臺(tái)，4.4 kW的液壓泵站1臺(tái)，以驅(qū)動(dòng)10只螺旋槳。噴沖系統(tǒng)配有兩臺(tái)420 kW的水泵，噴射壓力1.0～1.6 MPa，它帶有前后2個(gè)噴沖臂，前噴沖臂主要是2個(gè)噴管，為電纜進(jìn)行預(yù)開溝，再由后面的噴沖臂將溝槽開到預(yù)定深度。最早它是被用來在淺水區(qū)埋設(shè)電纜，后來經(jīng)過不斷改進(jìn)，1999年形成了現(xiàn)在的Capjet開溝機(jī)。

圖3 SMD公司海底爬行開溝機(jī)

SMD(Soil Machine Dynamics Ltd.)公司位于英國(guó)沃爾森德市，在30年中它生產(chǎn)了超過100臺(tái)的水下開溝機(jī)，目前在產(chǎn)的開溝機(jī)多達(dá)11個(gè)型號(hào)，主要包括BT系列(見圖3)和QT系列開溝機(jī)。此外SMD公司還在水下開礦、重型ROV研發(fā)方面有著雄厚的實(shí)力。它開發(fā)的BT系列開溝機(jī)是一種海底爬行式開溝機(jī)，重量和功率都很大，重量上從30～180 t，功率從588～2 400 kW不等。它通過液壓泵站帶動(dòng)履帶驅(qū)動(dòng)開溝機(jī)前進(jìn)。它有兩種開溝方式，射流開溝和鏈?zhǔn)烬X條開溝，開溝深度能達(dá)到2～3 m，在利用鏈?zhǔn)烬X條開溝時(shí)，可以切割40～80 MPa的巖石。同時(shí)也配備抽吸系統(tǒng)，最大抽吸速度600 m3/h。埋纜直徑最大0.3 m，埋管直徑1.5 m，工作水深1 000 m。由于開溝機(jī)本身重量大，考慮到海底巖土體的承載力，還配備了浮力材料以減小履帶的接地比壓，使其可以在較軟的泥面上行走，最低可以行走于抗剪強(qiáng)度10 kPa的泥面。其結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼，以承受本身巨大的重量。各海底爬行式開溝機(jī)參數(shù)見表1。

表1 海底爬行式開溝機(jī)參數(shù)

自推進(jìn)爬行式開溝機(jī)自重和功率都很大，不需要母船的拖動(dòng)，開溝能力強(qiáng)，能夠在堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下開鑿寬大的溝槽，同時(shí)受水深限制小，可以在1 000～2 000 m深的水域工作，更適合深海的海底管道埋設(shè)。

1.3 開溝型ROV

開溝型ROV(remotely operated vehicle)，即開溝型遙控潛水器，顧名思義它是一臺(tái)具有開溝功能的ROV，它既能像ROV一樣在水中自由的運(yùn)動(dòng)，又可以完成水底開溝埋設(shè)管線的工作。目前的開溝ROV一般同時(shí)裝備螺旋槳和履帶，履帶由液壓泵站驅(qū)動(dòng)。它一般被設(shè)計(jì)為有一定的負(fù)浮力，以保證在海底開溝時(shí)的穩(wěn)定性。

在生產(chǎn)開溝型ROV中，以1974年成立于英國(guó)約克的Perry Slingsby公司最為久負(fù)盛名，2007年被Forum Energy Technologies Inc. 收購(gòu)。迄今為止，已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)以百計(jì)的開溝型ROV。Trition 系列開溝機(jī)是Perry 公司仍在生產(chǎn)的開溝型ROV，以Triton?XT600為例，它具有自由飛行和循線兩種工作模式，由一個(gè)73 kW的液壓泵站驅(qū)動(dòng)4個(gè)水平推進(jìn)器，3個(gè)垂向推進(jìn)器。除螺旋槳外，它還裝備有液壓驅(qū)動(dòng)履帶2條，可行走于最小3.5 kPa的土層上。它的總功率達(dá)到367 kW，最大開溝深度3 m，自由飛行模式時(shí)總重11 900 kg，循線模式時(shí)11 800 kg。具體結(jié)構(gòu)見圖4a)。圖4b)展示了另一個(gè)型號(hào)XT1200。此外它還裝有智能化系統(tǒng)和眾多的傳感器，操作簡(jiǎn)便。它具有兩種作業(yè)模式，自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。在自動(dòng)作業(yè)模式下可以對(duì)航向、深度、距離海底距離、電纜跟蹤進(jìn)行自動(dòng)控制。其中航向控制精度±2°，深度控制精度±150 mm，高度控制精度±150 mm。最大噴射壓力1 MPa,流量1 146m m3/h，最大開溝深度3 m。

圖4 Perry公司開溝型ROV

Trition帶有復(fù)雜的控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)ROV的精準(zhǔn)控制。包括：基于奔騰 PC的ROV水面控制、基于STD-32的ROV水下控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)軟件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它還帶有完善的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括單模式光纖視頻和數(shù)據(jù)多路復(fù)用器、8個(gè)實(shí)時(shí)視頻傳輸通道、4個(gè)全雙工RS232數(shù)據(jù)通道(115 kb/s)、4個(gè)全雙工/半雙工 RS485/422/232數(shù)據(jù)通道(115 kb/s)。

SMD公司也生產(chǎn)多種開溝型ROV，它生產(chǎn)的Q-Trencher 系列開溝型ROV是基于高強(qiáng)度底盤的電纜、管道埋設(shè)ROV，能夠開挖寬度達(dá)3 m的溝槽，其中QT-2800(見圖5)是世界上功率最大的開溝型ROV，重達(dá)63 t，它主要由機(jī)架、噴沖系統(tǒng)、抽吸系統(tǒng)、推進(jìn)器、管道對(duì)中系統(tǒng)以及滑撬組成，在工作時(shí)通過推進(jìn)器推動(dòng)滑撬在泥面上前進(jìn)，為保證開溝機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性，在水中有5 000 N的負(fù)浮力。它配有375 kW水泵4臺(tái)，總功率高達(dá)2.1 MW，其中1.5 MW的功率用于噴沖系統(tǒng)。共有推進(jìn)器10臺(tái)，其中垂向推進(jìn)器4臺(tái)，直徑750 mm，臍帶纜長(zhǎng)度1 800 m、直徑62.5 mm。此外上面還裝有眾多的傳感器，彩色攝像頭兩只，單色攝像頭6只，聲吶1臺(tái)，多普勒測(cè)速計(jì)1臺(tái)，陀螺儀1臺(tái)。它帶有2個(gè)可裝卸的噴沖臂，開溝寬度可調(diào)，最窄0.25 m，最寬1.2 m，開溝深度0～3 m，可以在軟粘土和砂土中開溝。

圖5 SMD公司開溝型ROV

各開溝型ROV的參數(shù)見表2。

表2 開溝型ROV參數(shù)

開溝型ROV在水中的重量輕，接地壓強(qiáng)小，最大工作深度大(1 500～3 000 m),自動(dòng)化程度高，適合在深海區(qū)或者海底軟粘土地區(qū)埋設(shè)電纜或者管道。

1.4 非接觸式控流開溝機(jī)

非接觸式控流開溝機(jī)是進(jìn)一步簡(jiǎn)化的水下射流開溝設(shè)備，它在工作中與管道和海底土體均不接觸。與以往的開溝設(shè)備有明顯不同，它主要由螺旋槳和噴管組成，無推進(jìn)器或者支架，質(zhì)量大大減小, 這也使得所有的功率消耗都用于開溝，效率得到提高。目前主要有AGR公司和Reotech兩家公司生產(chǎn)。

位于英國(guó)阿伯丁的AGR公司是世界上少數(shù)具有深海開溝作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的公司，他們推出兩款非接觸式控流開溝機(jī)，分別是SeaVator和ClayCutter X。SeaVator是用大流量、低壓力的射流來沖散海底松散的沉積物，它主要由一個(gè)垂直向下的導(dǎo)管螺旋槳組成，見圖6a)。工作時(shí)SeaVater懸于管線上方，不與海底或者管線以及其他結(jié)構(gòu)物相互接觸，通過母船帶動(dòng)前進(jìn)，適用于抗剪強(qiáng)度為50 kPa及以下的土體，當(dāng)遇到強(qiáng)度較高的土體時(shí)，母船上配有水泵噴射系統(tǒng)與其協(xié)同工作，水泵功率高達(dá)2 205 kW。從1990年代中期起就被廣泛用于開溝和海底場(chǎng)地整平。

ClayCutter X 主要由螺旋槳和重型射流橫梁組成，螺旋槳用來產(chǎn)生大流量、低壓力的射流，以沖刷海底沉積物，高壓射流由母船上的泵組提供，通過軟管連接到射流橫梁上，見圖6b)。其上共有24個(gè)噴嘴，噴嘴直徑7 mm，分為3組安裝在射流橫梁上，每組都有閥門控制。ClayCutter X母船上配備的3臺(tái)泵組，每臺(tái)的功率2 205 kW，產(chǎn)生的高壓射流高達(dá)200 MPa, 適用于從軟土到極堅(jiān)硬粘土海底開溝作業(yè)，最大可以切割抗剪強(qiáng)度高達(dá)500 kPa的粘土[4]。2008年夏季它被用于挪威北部 Ormen Lange的氣田管道埋設(shè)，此地的粘土抗剪強(qiáng)度高達(dá)400 kPa, 水深870 m，在工作中共開鑿了3 368 m3的土壤，平均23.8 m3/h。

圖6 AGR非接觸式控流開溝機(jī)

圖7 Rotech非接觸式控流開溝機(jī)

位于英國(guó)的Reotech公司在2010年推出了海底沖射式開溝機(jī)史上劃時(shí)代的產(chǎn)品,它由2個(gè)螺旋槳和一個(gè)匯流管組成，無推進(jìn)器或者行走機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，見圖7。工作時(shí)它懸掛于母船下方，隨母船一起前進(jìn)。與其它類型的開溝機(jī)相比，它具有下列特點(diǎn)：大流量，比已有開溝機(jī)的流量都大一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到每小時(shí)10 000 m3的級(jí)別；低壓力，壓力低于所有開溝機(jī)的壓力，水頭只有5 m左右；非接觸，噴管與海底土質(zhì)、海底管線以及其它海底構(gòu)筑物均不接觸，它工作時(shí)懸掛于海底管線的上方，由母船帶動(dòng)前進(jìn)；寬適應(yīng)性，可用于除基巖外的任何土質(zhì)，包括淤泥、沙土、礫石、硬粘土等，目前已經(jīng)發(fā)展出多個(gè)型號(hào)。Retech的開溝機(jī)利用電力驅(qū)動(dòng)的液壓泵可以使得作業(yè)深度達(dá)到3 000 m，最小作業(yè)水深1.4 m，其上還配備成像聲納，用來觀測(cè)溝槽的開鑿狀況。Retech 公司聲稱在全世界范圍內(nèi)完成了280個(gè)工程項(xiàng)目。2011年3月，T4000 在蘇格蘭東北部海域埋設(shè)了1 268 m長(zhǎng)的電纜，全程僅用15 h，平均84.5 m/h。2011年2月，在荷蘭進(jìn)行電纜開挖作業(yè)，當(dāng)?shù)睾５壮练e物為砂土和軟土，300 m長(zhǎng)的電纜僅僅用1.5 h即完全揭露出來。它們不僅可以用來進(jìn)行管線埋設(shè)，還可以進(jìn)行海洋平臺(tái)樁腿安裝，通過噴沖將海底土壤開鑿到樁腿的持力層，最大開鑿深度達(dá)到28 m。

目前已經(jīng)生產(chǎn)使用的非接觸式控流開溝機(jī)的參數(shù)見表3。

表3 非接觸式控流開溝機(jī)參數(shù)列表

從上述幾種類型的產(chǎn)品分析可知，非接觸式控流開溝機(jī)的特點(diǎn)是自身重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、效率高，但是它本身不具有移動(dòng)的能力，需要依賴母船的動(dòng)力定位功能(DP)。目前動(dòng)力定位母船已經(jīng)廣泛應(yīng)用，它的應(yīng)用會(huì)得到更進(jìn)一步的推廣。

2 海底沖射式開溝機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 射流破土技術(shù)

沖射式開溝機(jī)都是通過射流來破碎土體，然后利用射流泵或者泥漿泵將破碎后的土體抽吸到溝外。因此射流系統(tǒng)與抽吸系統(tǒng)的效率對(duì)開溝機(jī)的影響很大。從表1和表2可以得出，噴沖系統(tǒng)與抽吸系統(tǒng)所占的功率消耗占到總功率的60%～80%，所以提高噴沖系統(tǒng)和抽吸系統(tǒng)的效率對(duì)開溝機(jī)極為重要。

影響噴沖臂射流開溝的因素主要包括：噴嘴直徑、噴沖壓力、土體抗剪強(qiáng)度和開溝機(jī)前進(jìn)速度等;影響破土效率的因素還包括土體的抗拉強(qiáng)度以及塑性指數(shù)[5-6]。

射流破土是流體與土體耦合作用的過程，射流對(duì)巖土體破壞的主要作用有[7-9]：①?zèng)_擊作用，即射流連續(xù)錘擊巖土體產(chǎn)生錘擊力，促使巖土體發(fā)生破壞；②水楔作用，當(dāng)射流充滿巖土體時(shí)，由于射流的反作用力而產(chǎn)生水楔，在垂直射流軸線方向上，射流楔入巖體裂隙的薄弱部位，射流的靜壓變成動(dòng)壓，使巖土體剝落，裂隙加寬；③擠壓作用，在射流的末端，能量衰減很大，不能直接沖擊土體顆粒剝落，但能對(duì)有效射程的邊界土體產(chǎn)生擠壓力，對(duì)四周土體有壓密作用；④空化破壞作用，射流在打擊巖土體時(shí)壓力梯度大的部位將產(chǎn)生空泡，空泡的崩潰將對(duì)打擊面上的巖土體產(chǎn)生很大的破壞力。在實(shí)際的水射流過程中，有可能上述作用中的一種或者幾種起主導(dǎo)作用，其它處于次要地位。由此可見，射流破土的機(jī)理尚未完全清楚，還需要做大量的研究。

2.2 海底履帶推進(jìn)技術(shù)

海底自推進(jìn)式爬行開溝機(jī)大都由履帶驅(qū)動(dòng)，由于大部分海底表層都是軟質(zhì)的粘土或者淤泥，抗剪強(qiáng)度很低，多在3～10 kPa。根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)，履帶能夠提供的承載力和推動(dòng)力都與土體的抗剪強(qiáng)度成正比[10]，因此低抗剪強(qiáng)度的粘土一方面承載力很低，會(huì)造成履帶車輛的沉陷;另一方面，履帶在其上行走時(shí)推進(jìn)力很小，有可能使開溝機(jī)不能前進(jìn)。

Neil Morgan[11]等根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提出，在設(shè)計(jì)自推進(jìn)履帶開溝機(jī)時(shí)參考的土體抗剪強(qiáng)度值應(yīng)該是表面淺層土的抗剪強(qiáng)度，在作業(yè)過程中一定要避免海底土壤承載力失效，因?yàn)橐坏┏休d力失效會(huì)導(dǎo)致開溝機(jī)完全不能行走。由于開溝機(jī)履帶在行走時(shí)會(huì)破壞土體的強(qiáng)度，使得承載力和推進(jìn)力都降低，所以建議盡量避免開溝機(jī)在相同路線上行走多次。此外還建議，在海底操作履帶車輛進(jìn)行滑動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)，要進(jìn)行多次小角度的轉(zhuǎn)向操作，而不是大角度的轉(zhuǎn)向操作，否則會(huì)造成履帶推進(jìn)力的降低和開溝機(jī)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3 發(fā)展方向

1)智能化。開溝機(jī)具有智能的操作方式，可以定深作業(yè)，或者定方向作業(yè)，可以大大減少人為干預(yù)。

2)大型化。開溝機(jī)的重量和功率都很大，自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可以在堅(jiān)硬的土體中開鑿溝槽，埋設(shè)直徑較大的油氣管道。

3)寬適應(yīng)性。寬適應(yīng)性不僅表現(xiàn)在工作對(duì)象的適應(yīng)，還表現(xiàn)在工作環(huán)境的適應(yīng)。一臺(tái)開溝機(jī)可以完成多種作業(yè)，既可以埋設(shè)管道也可以埋設(shè)電纜，或者即可以在粘土中又可以在砂土中開溝作業(yè)，還可以通過更換工作套件變成機(jī)械式開溝機(jī)。

4)高效率。以非接觸式控流開溝機(jī)為代表，通過自動(dòng)定位船舶的定位功能，省去了開溝機(jī)的行走機(jī)構(gòu)和抽吸機(jī)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，整個(gè)開溝機(jī)消耗的功率全部用于開溝，開溝效率大大提高。

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