收稿日期:20240529
作者簡介:張小鋒,高級工程師,主要從事電力檢維修方面的研究。
摘 要:針對火電廠中超厚壁大口徑集箱中間段更換的焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化探討。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的優(yōu)化手段,對焊接過程中的參數(shù)設(shè)置、焊接次序以及實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋體系進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)整與優(yōu)化。與傳統(tǒng)焊接工藝進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示,優(yōu)化后的工藝在焊接品質(zhì)、焊縫性能及工作效率方面均展現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。具體而言,優(yōu)化工藝下的焊接接頭質(zhì)量得以顯著提升,焊縫內(nèi)部缺陷大幅減少,力學(xué)性能有所增強(qiáng)。同時(shí),焊接周期縮短,材料利用率提高。此外,該優(yōu)化工藝還有效地縮減了熱影響區(qū)域,控制了焊接過程中的形變,并降低了焊接后殘余應(yīng)力??傮w而言,本研究采用的優(yōu)化方法顯著提高了火電廠中超厚壁大口徑集箱更換的焊接工藝水準(zhǔn),為電力行業(yè)的設(shè)備維修提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞:火電廠;超厚壁大口徑集箱;焊接技術(shù);工藝優(yōu)化;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
中圖分類號:TG457.11;TM621
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
Welding technology and process optimization for the replacement of intermediate
sections of ultra-thick wall Large-diameter headers in thermal power plants
ZHANG Xiaofeng, L Pinzheng, WEI Jiagui, LEI Bingbing, MA Zhaopeng
(Shaanxi Energy Electric Power Operation Co., Ltd. Xian 710016, Shaanxi, China)
Abstract: This study explores the optimization of welding processes for replacing the middle section of ultra-thick wall large-diameter headers in thermal power plants. Using a neural network-based optimization approach, detailed adjustments and optimizations were made to the welding parameters, welding sequence, and real-time monitoring feedback system. Through comparative experiments with traditional welding processes, the results show that the optimized process exhibits significant advantages in welding quality, weld performance, and work efficiency. Specifically, the quality of welded joints under the optimized process has been significantly improved, with a substantial reduction in internal weld defects and enhanced mechanical properties. Additionally, the welding cycle has been shortened, and material utilization has improved. Furthermore, the optimized process effectively reduces the heat-affected zone, controls welding deformation, and lowers residual stress. Overall, the optimization method adopted in this study significantly improves the welding process for replacing the middle section of ultra-thick wall large-diameter headers in thermal power plants, providing solid technical support for equipment maintenance in the power industry.
Key words: thermal power plant; ultra-thick wall large-diameter header; welding technology; process optimization; neural network
0 引 言
在能源領(lǐng)域,火電廠對于滿足日益增長的電力需求,確保國家能源安全和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用[1]。而超厚壁大口徑集箱是火電廠的核心設(shè)備,它負(fù)責(zé)傳輸和分配高溫高壓蒸汽,對電廠的安全與效率有著直接影響[2]。然而,在火電廠的長期運(yùn)營過程中,超厚壁大口徑集箱因長時(shí)間使用、磨損、材料老化或原始設(shè)計(jì)存在的缺陷,時(shí)常面臨更換的需求[3]。特別是集箱中間段的替換工作,由于涉及復(fù)雜的超厚壁和大口徑焊接技術(shù),一直是電力行業(yè)亟待攻克的技術(shù)難題。隨運(yùn)行時(shí)間的累積,集箱中間段可能因性能退化而產(chǎn)生安全隱患[4],因此,其及時(shí)更換成為保障火電廠安全運(yùn)營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
在更換流程中,選擇合適的焊接技術(shù)與工藝顯得至關(guān)重要。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)在處理超厚壁材料時(shí),其焊接質(zhì)量和焊縫性能穩(wěn)定性不足,可能對電廠的整體安全構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)[5]。本研究將深入探討并優(yōu)化火電廠中超厚壁大口徑集箱中間段更換所涉及的焊接技術(shù)與工藝。首先剖析了傳統(tǒng)焊接技術(shù)在處理超厚壁材料時(shí)的局限,并探索新型焊接技術(shù)的運(yùn)用和潛在優(yōu)勢;提出了一套專門針對超厚壁大口徑集箱的焊接工藝優(yōu)化策略,以提升焊接質(zhì)量,保障電廠設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為驗(yàn)證所提優(yōu)化策略的有效性,本研究還設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn),旨在通過對比傳統(tǒng)技術(shù)與優(yōu)化工藝在焊接質(zhì)量和焊縫性能方面的差異,來評估優(yōu)化工藝可行性。
1 火電廠超厚壁大口徑集箱概述
1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與材料特性
火電廠超厚壁大口徑集箱是鍋爐系統(tǒng)的核心組件,其結(jié)構(gòu)特性和材料選擇均體現(xiàn)了高度的專業(yè)性和針對性。首先,其顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)體現(xiàn)在超厚的壁材和較大的口徑上[6]。超厚壁設(shè)計(jì)是為了應(yīng)對鍋爐內(nèi)部的高溫高壓環(huán)境,確保集箱具備出色的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,有效防止因內(nèi)部壓力過大而引發(fā)的形變或破裂風(fēng)險(xiǎn)[7]。大口徑設(shè)計(jì)則確保了蒸汽在集箱內(nèi)的順暢流通,滿足了火電廠鍋爐產(chǎn)生的大量蒸汽傳輸需求,提升了鍋爐的整體運(yùn)行效能[8]。
在材料選擇上,超厚壁大口徑集箱所使用的材料必須具備出色的耐高溫性、優(yōu)良的力學(xué)特性以及強(qiáng)大的抗腐蝕性[9]。集箱所處的工作環(huán)境極為惡劣,鍋爐內(nèi)部溫度極高,通常在500~600℃,甚至更高。因此,集箱材料必須具備卓越的耐高溫性,以維持其力學(xué)性能的穩(wěn)定性。目前,諸如鉻鉬鋼、不銹鋼等常用材料均具備這些特性,能夠滿足集箱在高溫環(huán)境中的工作要求。此外,集箱還需承受鍋爐運(yùn)行中的巨大壓力和沖擊力,因此其材料還需具備高強(qiáng)度、高韌性,以及優(yōu)異的抗疲勞性。同時(shí),火電廠鍋爐內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽中常含有具有腐蝕性的組分,集箱材料還需具備強(qiáng)大的抗腐蝕性。
1.2 在火電廠中的核心作用
超厚壁大口徑集箱在火電廠中發(fā)揮著舉足輕重的作用。首先,它負(fù)責(zé)蒸汽的傳輸與分配[10]。作為鍋爐系統(tǒng)的核心組件,集箱將鍋爐內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽均勻且高效地傳遞到下游設(shè)備,從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。其次,集箱在鍋爐運(yùn)行中起到壓力平衡調(diào)節(jié)的作用[11]。在鍋爐工作過程中,各受熱面之間可能會(huì)存在壓力差異,這種不平衡狀態(tài)可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。集箱利用其大容量設(shè)計(jì),能夠有效地平衡這些壓力差異,維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。最后,集箱還為系統(tǒng)提供關(guān)鍵的保護(hù)作用。其高強(qiáng)度和高穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)使其能夠在一定程度上抵御鍋爐內(nèi)部的異常壓力波動(dòng)或沖擊載荷等潛在風(fēng)險(xiǎn),為整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。
2 中間段更換的焊接技術(shù)分析
2.1 傳統(tǒng)焊接技術(shù)的局限性
傳統(tǒng)焊接技術(shù),如手工電弧焊、埋弧焊等,在應(yīng)對超厚壁大口徑集箱焊接時(shí),存在顯著的局限性[12]。首先,焊接品質(zhì)容易受到焊工技藝、焊接環(huán)境,以及材料特性的影響,導(dǎo)致焊接接頭質(zhì)量不穩(wěn)定。其次,多層多道的焊接操作使得焊接效率低下,增加了維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。此外,傳統(tǒng)焊接技術(shù)產(chǎn)生的熱影響區(qū)域較大,可能影響材料的原始性能。
2.2 新型焊接技術(shù)的應(yīng)用
為克服傳統(tǒng)焊接技術(shù)的局限性,近年來,新型焊接技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)包括窄間隙焊接、激光焊接和電子束焊接等,它們在火電廠超厚壁大口徑集箱的焊接中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。
窄間隙焊接技術(shù)以其較小的焊縫間隙和多層單道的焊接模式,實(shí)現(xiàn)了焊接材料的低消耗和焊接變形的減少。這種技術(shù)特別適用于超厚壁材料的焊接,顯著提高了焊接效率和品質(zhì)。
激光焊接技術(shù)則利用高能激光束作為熱源,實(shí)現(xiàn)了焊接過程的高精度控制和焊接質(zhì)量的顯著提升。激光焊接具有焊接速度快、熱影響區(qū)域小、焊接變形輕微等特點(diǎn),尤其適用于對焊接質(zhì)量要求高的場景。
電子束焊接技術(shù)則通過高速電子束撞擊工件表面產(chǎn)生的熱量實(shí)現(xiàn)焊接,其焊接速度快、熱輸入量可精確控制,能夠?qū)崿F(xiàn)深熔焊,增強(qiáng)焊接接頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能[13]。
2.3 新型焊接技術(shù)的優(yōu)勢
相較于傳統(tǒng)焊接技術(shù),新型焊接技術(shù)在火電廠超厚壁大口徑集箱的焊接中具有以下顯著優(yōu)勢。
首先,新型焊接技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)備和工藝,能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過程的高精度控制,確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定可靠。這大大降低了焊接缺陷的產(chǎn)生概率,提高了集箱的安全性和使用壽命。
其次,新型焊接技術(shù)通常具有較高的焊接速度和效率,能夠顯著縮短焊接周期,提高維修效率。這對于減少火電廠的停機(jī)時(shí)間和降低維修成本具有重要意義。
最后,新型焊接技術(shù)在焊接過程中產(chǎn)生的熱量較小,熱影響區(qū)域范圍相對較窄。這有助于保持材料的原始性能,減少因焊接熱影響而導(dǎo)致的性能變化,從而保持集箱的整體性能。
3 焊接工藝優(yōu)化方案
在焊接作業(yè)前,為確保超厚壁大口徑集箱中間段更換的焊接質(zhì)量,需對集箱材料進(jìn)行詳盡的物性分析,包括化學(xué)成分、機(jī)械性能、熱性能、微觀組織觀察和焊接性分析,以全面了解材料的特性和行為。同時(shí),合理設(shè)置焊接參數(shù),如焊接電流、電壓、速度、層數(shù)與道數(shù)等,以及選擇匹配的焊接材料,這對于保證焊縫質(zhì)量、控制焊接變形和殘余應(yīng)力至關(guān)重要。通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化手段,本研究將對焊接過程進(jìn)行精細(xì)調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)焊接工藝的優(yōu)化。這些數(shù)據(jù)將成為后續(xù)優(yōu)化算法不可或缺的輸入?yún)?shù)。為確保焊接表面的清潔并降低焊接缺陷的產(chǎn)生,會(huì)運(yùn)用尖端清理技術(shù),例如激光或化學(xué)清理方法。此外,預(yù)熱流程也得到了精細(xì)化改進(jìn),通過建立集箱材料的熱傳導(dǎo)模型,實(shí)現(xiàn)了對預(yù)熱溫度和時(shí)間更為精確的控制,旨在減少焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。預(yù)熱溫度的選擇依托于材料的熱膨脹系數(shù)、焊接接頭的幾何形狀與尺寸等因素,并經(jīng)過算法精確計(jì)算,以此保障焊接時(shí)材料的均勻受熱。
在焊接參數(shù)優(yōu)化階段,依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)初始的參數(shù)調(diào)整范圍。隨后,借助遺傳算法進(jìn)行多次迭代,每次迭代都會(huì)根據(jù)特定的適應(yīng)度函數(shù)(例如焊縫的強(qiáng)度與韌性指標(biāo))對參數(shù)進(jìn)行篩選和調(diào)整。通過多輪迭代優(yōu)化,最終獲得一組最佳的焊接參數(shù)配置。這組配置旨在確保焊接質(zhì)量的同時(shí),最大程度地縮減焊接熱影響區(qū)域并控制焊接變形。
此外,還采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對焊接過程進(jìn)行預(yù)測和控制(模型結(jié)構(gòu)見圖1)。通過輸入歷史焊接數(shù)據(jù)和優(yōu)化的焊接參數(shù),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測焊接接頭的性能和可能出現(xiàn)的缺陷。在焊接過程中,根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù),以確保焊接質(zhì)量。
任何一層卷積都與其之后的所有卷積層相連接。這樣一來,第 l 層卷積層能夠獲得之前所有層所提取出來的特征信息,并且每一層的輸入 x l 可以表達(dá)為:
x l=H l{[x 0, x "…,x l-1]} (1)
其中 [x 0, x "…,x l-1] 代表著由0到 l 層提取到的特征的集合。
在超厚壁大口徑集箱中間段更換的焊接工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)中引入了查表法??紤]到tanh函數(shù)的特性,僅在表單中保存了其非飽和區(qū)域的一半信息,從而大大減少了數(shù)據(jù)存儲和處理的需求。而對于函數(shù)的其他部分,通過精心設(shè)計(jì)的算法和模型進(jìn)行計(jì)算,確保在優(yōu)化焊接參數(shù)、順序及實(shí)時(shí)監(jiān)控過程中,能夠準(zhǔn)確、高效地獲取所需數(shù)據(jù),進(jìn)一步提升了焊接工藝的精確性和可靠性。如下式所示,兩種激活函數(shù)之間可以通過在坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行平移和縮放相互轉(zhuǎn)化:
σ (x)=tanh
x2
+12 (2)
tanh(x)=2σ(2x)-1 (3)
除了非線性的激活函數(shù)之外,模型中的其他關(guān)鍵運(yùn)算還包括矩陣向量乘法、向量的點(diǎn)乘操作等。
在火電廠超厚壁大口徑集箱中間段更換的過程中,綜合考慮材料特性、焊接技術(shù)、工藝參數(shù)等多個(gè)維度的信息篩選出對焊接質(zhì)量和效率有關(guān)鍵影響的有用信息,如材料的熱傳導(dǎo)性能、焊接電流和電壓的最佳組合等。同時(shí),也過濾掉了那些對焊接過程影響較小的無用信息,以避免干擾決策。這一過程旨在加強(qiáng)集箱材料、焊接技術(shù)和工藝參數(shù)等實(shí)體詞與其相互關(guān)系之間的聯(lián)系,從而提升獲取和優(yōu)化實(shí)體關(guān)系的能力。對于每一時(shí)間步的 t, 選擇門機(jī)制使用 S, h n, e ""e 2 生成每個(gè)選擇門的表示 h′ t, 其計(jì)算公式如下:
S=h n
h 1 (4)
S Gate t=σ (W sh t+U sS+V se 1+V se 2+b) (5)
h′ t=h tS Gate (6)
其中, W s, U s, V s 是權(quán)重向量, b 是偏置值, σ 表示sigmoid激活函數(shù),表示數(shù)組點(diǎn)乘。最后得到一個(gè)新的句子表示序列 {h′ ""h′ "…,h′ n}。
為了確保焊接過程的穩(wěn)定性和可控性,引入實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接過程中的溫度、應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù),并將這些數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)和焊接順序,以確保焊接過程的穩(wěn)定性。焊接完成后,采用先進(jìn)的焊縫檢測技術(shù)和設(shè)備對焊縫進(jìn)行全面的質(zhì)量檢測。一旦發(fā)現(xiàn)問題,立即進(jìn)行修正和補(bǔ)救措施,以確保焊接接頭的質(zhì)量和安全性。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析
為了驗(yàn)證本文提出的焊接工藝優(yōu)化方案的有效性,本節(jié)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。這些實(shí)驗(yàn)旨在評估優(yōu)化后的焊接工藝在焊接質(zhì)量、焊縫性能以及焊接效率等方面的提升。
4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
選取多個(gè)相同規(guī)格的超厚壁大口徑集箱中間段作為實(shí)驗(yàn)對象,分別采用傳統(tǒng)焊接工藝和優(yōu)化后的焊接工藝進(jìn)行焊接。實(shí)驗(yàn)過程中,嚴(yán)格控制了焊接環(huán)境、材料準(zhǔn)備、焊接參數(shù)等變量,以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。
4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析
(1) 焊接質(zhì)量評估。
首先,對焊接接頭的外觀質(zhì)量進(jìn)行了檢查。采用優(yōu)化后的焊接工藝,焊接接頭的外觀更加平整,焊縫寬度均勻,無明顯的焊接缺陷。而傳統(tǒng)焊接工藝的焊接接頭則存在較多的焊接波紋和不規(guī)則焊縫。
為了更客觀地評估焊接質(zhì)量,采用了X射線檢測和超聲波檢測對焊縫內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行了檢查。表1展示了兩種焊接工藝下焊縫內(nèi)部質(zhì)量的檢測結(jié)果。
從表1中可以看出,采用優(yōu)化后的焊接工藝,焊縫內(nèi)部的缺陷數(shù)量明顯減少,且缺陷等級較低,說明優(yōu)化工藝在提升焊接質(zhì)量方面取得了顯著效果。
(2) 焊縫性能測試。
對焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測試,包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊韌性等。表2展示了兩種焊接工藝下焊縫性能的測試結(jié)果。
從表2中可以看出,采用優(yōu)化后的焊接工藝,焊縫的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊韌性均得到了顯著提升,說明優(yōu)化工藝在提高焊縫性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。
(3) 焊接效率對比。
除了焊接質(zhì)量和焊縫性能外,我們還對比了兩種焊接工藝的焊接效率。表3展示了兩種焊接工藝的焊接時(shí)間和材料利用率。
從表3中可以看出,采用優(yōu)化后的焊接工藝,不僅縮短了焊接時(shí)間,還提高了材料利用率,從而提高了整體焊接效率。
(4) 熱影響區(qū)分析。
研究中還對兩種焊接工藝下的熱影響區(qū)進(jìn)行了對比分析。通過金相顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工藝下的熱影響區(qū)明顯小于傳統(tǒng)工藝(表4)。這表明優(yōu)化工藝在減少焊接熱影響區(qū)方面取得了良好效果,有助于保持材料的原始性能。
(5) 焊接變形分析。
焊接變形是焊接過程中不可避免的問題。對兩種焊接工藝下的焊接變形進(jìn)行了測量和分析。結(jié)果表明,優(yōu)化工藝在控制焊接變形方面表現(xiàn)更佳(表5)。這得益于優(yōu)化工藝中合理的焊接順序和參數(shù)選擇。
(6) 殘余應(yīng)力分析。
最后,對焊接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測量。殘余應(yīng)力是影響焊接接頭性能的重要因素之一。通過對比兩種焊接工藝的殘余應(yīng)力水平,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工藝下的殘余應(yīng)力明顯較低(見表6)。這有助于提高焊接接頭的穩(wěn)定性和使用壽命。
通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析,證實(shí)了優(yōu)化后的焊接工藝在焊接質(zhì)量、焊縫性能、焊接效率以及控制焊接變形和殘余應(yīng)力等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。這些結(jié)果充分證明了所提出的焊接工藝優(yōu)化方案的實(shí)用性。
5 結(jié) 論
本研究致力于火電廠超厚壁大口徑集箱中間段更換時(shí)的焊接工藝研究和優(yōu)化,闡述了一種創(chuàng)新的焊接工藝優(yōu)化策略,旨在全方位提升焊接的品質(zhì)、效率及焊縫的耐久性。
在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié),對傳統(tǒng)焊接工藝與優(yōu)化后的新工藝進(jìn)行了全面的比對分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,優(yōu)化后的工藝在顯著提升焊接接頭的外觀質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性方面表現(xiàn)出色,有效降低了焊縫內(nèi)部缺陷的發(fā)生率。同時(shí),該優(yōu)化工藝還顯著增強(qiáng)了焊縫的力學(xué)性能,具體體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及沖擊韌性的提升。不僅如此,新工藝還實(shí)現(xiàn)了焊接時(shí)間的縮減和材料利用率的提高,進(jìn)而大幅提升了整體的焊接效率。值得一提的是,該優(yōu)化方案在縮小熱影響區(qū)域、精準(zhǔn)控制焊接變形,以及有效降低殘余應(yīng)力方面也取得了很好的效果。這些改進(jìn)不僅增強(qiáng)了焊接接頭的即時(shí)使用性能,也為其長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
綜上所述,本研究提出的基于算法與模型的焊接工藝優(yōu)化策略在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢和成效。未來將繼續(xù)深入探索焊接技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化路徑,以更好地滿足不斷演進(jìn)的工業(yè)需求。
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