高壓降套筒式蒸汽疏水閥振動(dòng)特性研究

李樹(shù)勛， 王天龍， 徐曉剛， 孟令旗， 婁燕鵬

(1. 蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050; 2. 機(jī)械工業(yè)泵及特殊閥門(mén)工程研究中心，蘭州 730050)

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，蒸汽作為二次能源廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，蒸汽供熱所消耗的能源在我國(guó)能源總消耗中占有重要地位[1]。蒸汽疏水閥作為保證蒸汽系統(tǒng)高效工作的節(jié)能元件，起著阻汽通水的功能，在蒸汽加熱設(shè)備和蒸汽管網(wǎng)中廣泛應(yīng)用[2]。由于蒸汽疏水閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥內(nèi)件具有典型的節(jié)流特征，在其啟閉過(guò)程和運(yùn)行工況下介質(zhì)的流態(tài)為典型的高速湍流，流體產(chǎn)生劇烈的壓力脈動(dòng)和漩渦，誘發(fā)流體激振并產(chǎn)生高噪聲[3]。針對(duì)高壓降疏水閥流體激振問(wèn)題，國(guó)際上通常采用多級(jí)降壓疏水閥，但由于缺乏基礎(chǔ)理論研究與指導(dǎo)，無(wú)法針對(duì)具體工況精確設(shè)計(jì)和選用多級(jí)降壓節(jié)流內(nèi)件。

現(xiàn)有關(guān)于流激振動(dòng)可供參考的研究中，文獻(xiàn)[4-5]對(duì)流體壓力脈動(dòng)引發(fā)的閥-管系統(tǒng)振動(dòng)進(jìn)行了研究，分析閥內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響，文獻(xiàn)[6-7]分別通過(guò)建立閥芯運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)方程和CFD數(shù)值模擬對(duì)閥門(mén)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，分析閥門(mén)啟閉過(guò)程流激振動(dòng)特點(diǎn)，文獻(xiàn)[8-10]基于流固耦合模擬分析了流體湍動(dòng)對(duì)管道壁面振動(dòng)的影響，揭示出流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)與管道振動(dòng)間的耦合關(guān)系。以上研究探討了閥在運(yùn)行及啟閉過(guò)程中管道流激振動(dòng)情況，未涉及到在高溫高壓工況下疏水閥啟閉及運(yùn)行過(guò)程誘發(fā)的管路流體激振，也未研究閥內(nèi)節(jié)流件對(duì)流激振動(dòng)的影響。

針對(duì)以上問(wèn)題，應(yīng)充分考慮閥門(mén)運(yùn)行工況，建立典型工況下疏水閥的振動(dòng)模型，分析閥內(nèi)件參數(shù)對(duì)疏水閥及管道振動(dòng)的影響，定量分析流激振動(dòng)產(chǎn)生的總振級(jí)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)頻譜特性，從疏水閥角度出發(fā)尋找降低流激振動(dòng)的途徑。

1 疏水閥模型及內(nèi)件設(shè)計(jì)

1.1 疏水閥模型

本文以DN100PN100高壓降多級(jí)套筒疏水閥為研究對(duì)象，分析閥內(nèi)節(jié)流件參數(shù)對(duì)疏水閥及管道振動(dòng)的影響。圖1為三級(jí)套筒疏水閥結(jié)構(gòu)示意圖，其中二級(jí)套筒(閥芯套筒)為流量調(diào)節(jié)元件。該疏水閥設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖1 三級(jí)套筒疏水閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of three-level sleeve steam trap

名稱(chēng)數(shù)值公稱(chēng)壓力PN100公稱(chēng)直徑DN100設(shè)計(jì)溫度/℃250閥體材質(zhì)316L流體介質(zhì)液態(tài)水額定流量(t/h)120

1.2 疏水閥降壓級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)

高壓降疏水閥由于壓降高，不可避免地產(chǎn)生湍流壓力脈動(dòng)和空化現(xiàn)象，誘發(fā)管路振動(dòng)，故采用節(jié)流降壓的原理把高壓降逐級(jí)分散成若干低壓降，將壓力突變轉(zhuǎn)化為壓力漸變[11]。多級(jí)降壓時(shí)每一級(jí)壓降的實(shí)際壓差小于阻塞流壓差，即可避免阻塞流及閃蒸空化，從而降低流激振動(dòng)。阻塞流壓差如式(1)所示。

(1)

式中：p1為入口壓力(絕壓)；FL為壓力恢復(fù)系數(shù)；PV為飽和蒸汽壓；pC為熱力學(xué)臨界壓力。

疏水閥正常運(yùn)行時(shí)，流體介質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 正常運(yùn)行時(shí)流體介質(zhì)參數(shù)

將表中數(shù)據(jù)代入式(1)，得到疏水閥正常運(yùn)行時(shí)阻塞流壓差為2.83 MPa。

多級(jí)降壓閥門(mén)各級(jí)壓降按式(2)計(jì)算

(2)

取疏水閥降壓級(jí)數(shù)n分別為2、3級(jí)，其中三級(jí)降壓疏水閥模型如圖1所示，為對(duì)比降壓級(jí)數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響，在不改變其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將三級(jí)降壓疏水閥第三級(jí)套筒去除得到二級(jí)降壓疏水閥，將n代入式(2)中得到各級(jí)套筒的壓降，詳見(jiàn)表3。

表3 各級(jí)套筒壓降

1.3 疏水閥孔徑設(shè)計(jì)

借鑒管路限流孔板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算節(jié)流套筒小孔個(gè)數(shù)時(shí)，應(yīng)首先按式(3)計(jì)算單孔直徑，然后按式(4)求解小孔個(gè)數(shù)。

(3)

式中：Q為工作狀態(tài)下體積流量；C為孔板流量系數(shù)； 由Re值和d0/d查表求??；ΔP為孔板壓降；γ為流體工作狀態(tài)下的相對(duì)密度。

(4)

式中：d1為小孔直徑。

針對(duì)本文研究對(duì)象，取疏水閥節(jié)流孔徑為4 mm，將表1～表3相關(guān)參數(shù)代入式(3)～式(4)中，求解各級(jí)套筒的小孔個(gè)數(shù)，二、三級(jí)降壓疏水閥小孔個(gè)數(shù)詳見(jiàn)表4。

表4 二、三級(jí)降壓疏水閥小孔個(gè)數(shù)

為對(duì)比分析節(jié)流套筒孔徑對(duì)高壓降疏水閥振動(dòng)的影響，以三級(jí)降壓疏水閥及閥控管系為研究對(duì)象，取三級(jí)降壓疏水閥的開(kāi)孔直徑分別為4 mm、7 mm、10 mm，求解各級(jí)套筒的小孔個(gè)數(shù)，并將其圓整，三種孔徑下的各節(jié)流套筒的開(kāi)孔個(gè)數(shù)詳見(jiàn)表5。

表5 不同孔徑下三級(jí)降壓疏水閥小孔個(gè)數(shù)

2 流激振動(dòng)模擬及分析

2.1 閥門(mén)流激振動(dòng)原因

閥門(mén)流激振動(dòng)的主要原因是閥內(nèi)流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性引起的[12]。由于流道的急劇變化，流經(jīng)閥門(mén)的流體會(huì)對(duì)閥瓣產(chǎn)生脈動(dòng)沖擊，從而誘發(fā)振動(dòng)；當(dāng)流體流過(guò)閥瓣時(shí)，閥瓣周?chē)男郎u流與閥瓣相互作用，形成渦激振動(dòng)的激勵(lì)源；在閥門(mén)小開(kāi)度工況下，當(dāng)流體靜壓降低到等于或低于該流體在閥入口溫度下的飽和蒸汽壓時(shí), 部分液體汽化形成氣泡形成空化現(xiàn)象，隨著閥出口流道的逐漸擴(kuò)大，氣泡破裂恢復(fù)到液相，氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力沖擊引起閥門(mén)的振動(dòng)。本文的疏水閥在設(shè)計(jì)階段通過(guò)多級(jí)降壓避免了閥在高壓差下的空化，故本文的主要流激振動(dòng)激勵(lì)為壓力脈動(dòng)誘發(fā)的振動(dòng)。

2.2 流場(chǎng)模擬

用雷諾時(shí)均動(dòng)量方程來(lái)描述疏水閥及閥控管道內(nèi)流體流動(dòng)：

(5)

(6)

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)疏水閥及閥控管道流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。疏水閥進(jìn)出口均采用給定壓力值，計(jì)算過(guò)程中不考慮介質(zhì)重力的影響，且無(wú)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，離散項(xiàng)格式的動(dòng)量方程和湍流方程選用一階迎風(fēng)格式，收斂精度為10-4。以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果為初始條件進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬以提高收斂速度及穩(wěn)定性。

采用RNG k-ε模型進(jìn)行流場(chǎng)瞬態(tài)模擬。RNG k-ε模型中的各相關(guān)項(xiàng)既與流體流動(dòng)情況有關(guān)，同時(shí)是空間坐標(biāo)的函數(shù)，可有效地處理疏水閥及閥控管道內(nèi)彎曲度較大的湍流流動(dòng)。RNG k-ε方程模型封閉雷諾時(shí)均動(dòng)量方程，即：

(7)

(8)

瞬態(tài)模擬時(shí)離散項(xiàng)格式的動(dòng)量方程和湍流方程選用二階迎風(fēng)格式。本文振動(dòng)采樣頻率為20～8 000 Hz，瞬態(tài)流場(chǎng)模擬時(shí)間間隔取6.25×10-5s，采樣總時(shí)長(zhǎng)為0.05 s，以cgns格式輸出流體域外表面壓力脈動(dòng)，最終得到不同降壓級(jí)數(shù)、不同節(jié)流孔徑下各個(gè)開(kāi)度的流體域外表面壓力脈動(dòng)信息。

2.3 流激振動(dòng)數(shù)值模擬

將流體外表面壓力脈動(dòng)信息導(dǎo)入LMS Virtual. Lab軟件中，基于流固單向耦合采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移模塊將流場(chǎng)外壁面的壓力脈動(dòng)信息傳遞至疏水閥及閥控管道殼體內(nèi)壁面，對(duì)傳遞后的殼體內(nèi)壁面的壓力脈動(dòng)時(shí)域信息進(jìn)行快速傅立葉變換(Fast Fourier Transformation， FFT)，得到殼體內(nèi)壁面的壓力脈動(dòng)頻域信息，轉(zhuǎn)換后的采樣頻率為20～8 000 Hz。

根據(jù)閥-管系統(tǒng)實(shí)際使用工況，對(duì)閥-管系統(tǒng)進(jìn)行位移約束，疏水閥及閥控管道邊界約束模型如圖2所示，對(duì)圖2中的2-2、3-3截面處進(jìn)行地腳螺栓固定，可簡(jiǎn)化為對(duì)縱向、橫向及三向扭轉(zhuǎn)執(zhí)行固定約束；由于1-1、4-4截面為閥-管系統(tǒng)振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)切斷面，對(duì)1-1、4-4截面處進(jìn)行軸向及三向扭轉(zhuǎn)約束。

圖2 疏水閥及閥控管道模型Fig.2 Model of steam trap and valve controlling pipe

根據(jù)以上約束條件及殼體內(nèi)壁面的壓力脈動(dòng)，基于直接邊界元法對(duì)疏水閥及閥控管道進(jìn)行振動(dòng)數(shù)值模擬。取如圖3所示模型中黃色原點(diǎn)為振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)疏水閥流激振動(dòng)進(jìn)行定量分析，利用LMS Virtual.Lab中自帶的后處理模塊求解得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三向頻域振動(dòng)加速度。

圖3 疏水閥及閥控管道三維模型Fig.3 3D model of steam trap and trap controlling pipeline

2.4 流激振動(dòng)結(jié)果分析

將得到的不同降壓級(jí)數(shù)、不同節(jié)流孔徑下各個(gè)開(kāi)度疏水閥振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab軟件中，按式(9) ～(11)[13]編程得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的總振級(jí)頻譜曲線(xiàn)。

振動(dòng)加速度級(jí)轉(zhuǎn)換公式：

(9)

式中：a為各個(gè)頻率下的振動(dòng)加速度；a0為基準(zhǔn)振動(dòng)加速度；a0=10-6m/s2。

三向振級(jí)合成公式：

(10)

式中：ni為第i個(gè)頻率點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)；N為頻率采樣數(shù)。

總振級(jí)合成公式：

(11)

式中： VaL1、VaL2、VaL3分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸向、縱向和橫向振動(dòng)加速度級(jí)。

2.4.1 降壓級(jí)數(shù)對(duì)流激振動(dòng)影響分析

對(duì)二、三級(jí)降壓疏水閥不同開(kāi)度下模型進(jìn)行振動(dòng)模擬，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)加速度，按式(9) ～式(10)編程得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)，如圖4～圖5所示。

圖4 二級(jí)降壓疏水閥不同開(kāi)度下振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)Fig.4 Vibration spectrum curves of two-level depressurization steam trap at different opening degree

由圖4～圖5可知相同降壓級(jí)數(shù)的疏水閥不同開(kāi)度下其振動(dòng)頻譜特性基本一致，振動(dòng)主要成分相同，均集中于50～500 Hz；對(duì)比圖4、5可知，在額定流量和額定壓差均相同時(shí)，三級(jí)降壓疏水閥不同頻率下的振動(dòng)幅值均有所降低，尤其對(duì)400～1 000 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)抑制較強(qiáng)，隨著套筒層數(shù)增加，疏水閥振動(dòng)減弱、總振級(jí)降低，但由于疏水閥的流道結(jié)構(gòu)基本不變，其振動(dòng)影響較大的頻率范圍不變。

圖5 三級(jí)降壓疏水閥不同開(kāi)度下振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)Fig.5 Vibration spectrum curves of three-level depressurization steam trap at different opening degree

對(duì)圖4～圖5不同開(kāi)度下各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度級(jí)按式(8)進(jìn)行合成，得到二、三級(jí)降壓疏水閥總振級(jí)隨閥門(mén)開(kāi)度的變化，如圖6所示。

圖6 總振級(jí)隨閥門(mén)開(kāi)度變化曲線(xiàn)Fig.6 Total vibration level changes following opening degree of steam trap

由圖6可知，0～10%開(kāi)度下二、三級(jí)降壓疏水閥總振級(jí)基本一致，10%～70%開(kāi)度下三級(jí)降壓疏水閥總振級(jí)明顯小于二級(jí)降壓疏水閥總振級(jí)，70%～100%開(kāi)度下三級(jí)降壓疏水閥總振級(jí)略小于二級(jí)降壓疏水閥總振級(jí)，綜上可知三級(jí)降壓疏水閥對(duì)10%～70%開(kāi)度的振動(dòng)抑制較強(qiáng)，對(duì)大開(kāi)度下的振動(dòng)抑制相對(duì)較弱，三級(jí)降壓總振級(jí)的最大值小于二級(jí)降壓總振級(jí)的最大值。

2.4.2 節(jié)流孔徑對(duì)流激振動(dòng)影響分析

對(duì)三級(jí)降壓疏水閥不同節(jié)流孔徑下的模型進(jìn)行流激振動(dòng)數(shù)值模擬，節(jié)流孔徑及開(kāi)孔個(gè)數(shù)詳見(jiàn)表5，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)加速度，按式(9)～式(10)編程得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)，如圖7～圖9所示。

由圖7～圖9可知，相同孔徑不同開(kāi)度下的振動(dòng)頻譜特性基本一致，不同孔徑下的頻譜圖略有差異，4 mm節(jié)流孔徑疏水閥主要振動(dòng)頻率范圍為50～500 Hz，7 mm節(jié)流孔徑疏水閥主要振動(dòng)頻率范圍為50～1 000 Hz，10 mm節(jié)流孔徑疏水閥主要振動(dòng)頻率范圍為50～2 500 Hz，可見(jiàn)4 mm節(jié)流孔徑疏水閥可顯著降低500～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)，綜上可知孔徑越小，疏水閥振動(dòng)頻率的主要成分越集中。

圖7 4 mm孔徑下疏水閥不同開(kāi)度振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)Fig.7 Vibration spectrum curves of 4 mm throttle diameter at different opening degree

圖8 7 mm孔徑下疏水閥不同開(kāi)度振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)Fig.8 Vibration spectrum curves of 7 mm throttle diameter at different opening degree

圖9 10 mm孔徑下疏水閥不同開(kāi)度振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)Fig.9 Vibration spectrum curves of 10 mm throttle diameter at different opening degree

對(duì)不同開(kāi)度下各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度級(jí)按式(11)進(jìn)行合成，得到不同孔徑降壓疏水閥總振級(jí)隨閥門(mén)開(kāi)度的變化，如圖10所示。

圖10 總振級(jí)隨閥門(mén)開(kāi)度變化曲線(xiàn)圖Fig.10 Total vibration level changes following opening degree of steam trap

由圖10可知，4 mm孔徑疏水閥總振級(jí)在40%～70%開(kāi)度范圍內(nèi)增速較快，在其他開(kāi)度范圍內(nèi)增速緩慢；7 mm和10 mm孔徑疏水閥總振級(jí)隨開(kāi)度增加迅速增大，當(dāng)開(kāi)度增至40%時(shí)，總振級(jí)增速變慢，趨于平緩。分析可知，當(dāng)額定流量和額定壓差不變時(shí)，小孔徑節(jié)流套筒對(duì)疏水閥振動(dòng)抑制較強(qiáng)，對(duì)小開(kāi)度下振動(dòng)的抑制尤為明顯；當(dāng)孔徑為7 mm和10 mm時(shí)，疏水閥總振級(jí)隨開(kāi)度變化曲線(xiàn)基本一致，均大于相同開(kāi)度下4 mm孔徑疏水閥的總振級(jí)，表明隨著孔徑增大節(jié)流套筒對(duì)疏水閥的振動(dòng)抑制減弱。

2.4.3 壓降對(duì)流激振動(dòng)影響分析

考慮高壓降疏水閥的實(shí)際使用工況，開(kāi)啟瞬間壓差較大，隨著開(kāi)度增大壓差逐漸減弱，由于疏水閥開(kāi)啟時(shí)間較短可將閥前壓力視為不變，閥后壓力逐漸增大。本文以疏水閥剛打開(kāi)時(shí)閥前壓力5.8 MPa，閥后壓力1.8 MPa，閥門(mén)完全開(kāi)啟時(shí)閥前壓力保持5.8 MPa不變，閥后壓力升高為3.8 MPa的設(shè)計(jì)工況對(duì)疏水閥的噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。取節(jié)流孔徑為4 mm的三級(jí)降壓疏水閥進(jìn)行研究，對(duì)疏水閥2 MPa、3 MPa、4 MPa壓差下不同開(kāi)度的模型進(jìn)行振動(dòng)模擬，將不同開(kāi)度下振動(dòng)加速度按式(9)～式(11)進(jìn)行合成，得到不同壓差不同開(kāi)度的總振級(jí)，以壓差(MPa)為X坐標(biāo)、相對(duì)開(kāi)度為Y坐標(biāo)、總振級(jí)(dB)為Z坐標(biāo)，通過(guò)三次多項(xiàng)式插值法擬合出不同壓差、不同開(kāi)度下的總振級(jí)曲面圖，如圖11所示。

圖11 不同壓差下疏水閥總振級(jí)隨閥門(mén)開(kāi)度變化曲面圖Fig.11 Total vibration level changes following opening degree of steam trap at various pressure differentials

由圖11可知，當(dāng)閥門(mén)剛開(kāi)啟時(shí)疏水閥壓差較大，總振級(jí)迅速上升，隨著相對(duì)開(kāi)度增大壓差逐漸降低，總振級(jí)基本保持不變，當(dāng)相對(duì)開(kāi)度達(dá)到70%以后流量對(duì)總振級(jí)影響增大，總振級(jí)上升，故在流量滿(mǎn)足要求的情況下應(yīng)盡量使疏水閥在中間開(kāi)度下工作。

3 結(jié) 論

本文基于流固單向耦合聯(lián)用CFD軟件和LMS Virtual.Lab軟件對(duì)高壓降套筒式疏水閥及閥控管道流激振動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

(1) 對(duì)于結(jié)構(gòu)相同開(kāi)度不同的疏水閥，其振動(dòng)頻譜特性基本一致，即振動(dòng)主要成分相同，說(shuō)明疏水閥流激振動(dòng)頻譜特性由閥內(nèi)節(jié)流件結(jié)構(gòu)決定，受開(kāi)度變化影響較小。

(2) 在額定壓差和額定流量不變的情況下，隨著降壓級(jí)數(shù)增加，疏水閥總振級(jí)降低，振動(dòng)主要成分的頻率范圍不變，即降壓級(jí)數(shù)對(duì)總振級(jí)影響較大，對(duì)振動(dòng)頻譜特性分布影響較小，因此在疏水閥內(nèi)部空間允許的情況下可適當(dāng)增加降壓級(jí)數(shù)。

(3) 在額定壓差和額定流量不變的情況下，當(dāng)節(jié)流孔徑從4 mm增大至10 mm時(shí)，疏水閥振動(dòng)主要成分范圍從50～500 Hz增大至50～2 500 Hz，即節(jié)流孔徑越小，振動(dòng)主要成分越集中，將該結(jié)論應(yīng)用于疏水閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率遠(yuǎn)離流激振動(dòng)峰值頻率，避免流激共振發(fā)生。

(4) 隨著節(jié)流孔徑增大，總振級(jí)明顯增加，故選擇孔徑時(shí)應(yīng)盡量選小孔，考慮疏水閥節(jié)流套筒開(kāi)孔時(shí)加工特點(diǎn)，開(kāi)孔尺寸應(yīng)取4～5 mm。

(5) 實(shí)際使用中閥門(mén)剛開(kāi)啟時(shí)疏水閥壓差較大，總振級(jí)迅速上升，隨著相對(duì)開(kāi)度增大壓差逐漸降低，總振級(jí)基本保持不變，故在流量滿(mǎn)足要求的情況下應(yīng)盡量使疏水閥在中間開(kāi)度下工作。

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