郝 帥 ,余 楊 ,吳 雷,余建星 ,張 寧
(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350;2. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240;3. 中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司,深圳 518000)
頂張式立管(TTR)是張力腿平臺(tái)(TLP)的關(guān)鍵部件,也是海洋油氣管線中最為薄弱易損的構(gòu)件之一.其在內(nèi)部流體和外部載荷的共同作用下極易發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲失效.當(dāng)結(jié)構(gòu)屈曲失效時(shí),輕則導(dǎo)致停工停產(chǎn),影響作業(yè)效率;重則可能引起泄漏污染,甚至火災(zāi)爆炸,危及平臺(tái)人員及設(shè)備安全.我國(guó)南海油氣資源豐富,但深水環(huán)境復(fù)雜,立管通常面臨波、流、地震等極端環(huán)境載荷、碰撞、爆炸沖擊等第三方破壞載荷[1-2]以及材料腐蝕、介質(zhì)漏失的聯(lián)合作用,更進(jìn)一步加劇其發(fā)生屈曲的可能性及后果的嚴(yán)重性.因此,深水 TTR是有必要針對(duì)結(jié)構(gòu)屈曲失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行集中研究的,通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析可以提出更具針對(duì)性的防控措施,從而降低其失效風(fēng)險(xiǎn),提高安全性.
目前,已有立管風(fēng)險(xiǎn)分析研究主要是使用基于歷史事故案例統(tǒng)計(jì)的方式完成風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)過(guò)程[3-5].根據(jù)美國(guó)國(guó)家礦產(chǎn)管理局(MMS)和美國(guó)安全與環(huán)境執(zhí)行局(BSEE)關(guān)于美國(guó)外大陸架區(qū)域各種海洋工程事故的統(tǒng)計(jì)可以得到 1994—2013年共 66起立管事故的發(fā)生原因分布,由于腐蝕、載荷破壞、第三方破壞、管理不善及其他未知原因造成的事故分別為 8起、7起、17起、28起及其余 6起.可以看出,現(xiàn)有的立管事故資料主要是從宏觀角度上對(duì)事故原因進(jìn)行描述,并未根據(jù)立管類型和失效形式進(jìn)行精確劃分.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的海洋立管風(fēng)險(xiǎn)分析往往包含不同立管類型和各種失效形式在內(nèi)[4,,6],事故原因存在很強(qiáng)的離散性.深水立管在復(fù)雜載荷條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲失效的形式是多樣的,立管在不同作業(yè)階段所需考慮的屈曲失效形式也有所差異.因此若針對(duì)立管結(jié)構(gòu)屈曲失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行集中研究,則單純基于事故統(tǒng)計(jì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)是不完善的.此外,當(dāng)基于事故案例進(jìn)行辨識(shí)時(shí),只有那些實(shí)際曾經(jīng)導(dǎo)致事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)源才被納入辨識(shí)范圍,無(wú)法對(duì)各種潛在風(fēng)險(xiǎn)源做出詳盡且系統(tǒng)的整理和歸類.如果在此基礎(chǔ)上對(duì)特定立管對(duì)象和專屬失效形式進(jìn)行研究,深入度便會(huì)受到一定限制.
專家綜合評(píng)估法與模糊故障樹(shù)法相結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)分析方法已成為船舶、海洋平臺(tái)及立管設(shè)計(jì)、海底管線鋪設(shè)等領(lǐng)域較為成熟的分析手段之一,被一些學(xué)者應(yīng)用于實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)研究[4-8].這兩種方法中,前者利用專家經(jīng)驗(yàn)判斷來(lái)彌補(bǔ)統(tǒng)計(jì)資料的不完備,增強(qiáng)了方法的適用性;后者通過(guò)模糊數(shù)學(xué)理論將專家判斷的主觀性和隨機(jī)性降到最低,提高了方法的準(zhǔn)確性.在風(fēng)險(xiǎn)分析的具體過(guò)程方面,多數(shù)研究更加注重對(duì)系統(tǒng)總體風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率的確定,某些雖給出了系統(tǒng)總體失效后果,但忽略系統(tǒng)所包含各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)形式層面下發(fā)生概率及后果的判斷[4-6],不利于找出研究后期風(fēng)險(xiǎn)防控的工作重點(diǎn).
本文把分析深水TTR的屈曲失效風(fēng)險(xiǎn)作為研究目標(biāo),結(jié)合研究對(duì)象的特殊性,采用專家綜合評(píng)估法及模糊故障樹(shù)法,先后完成復(fù)雜載荷條件下深水TTR屈曲風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)、建樹(shù)、計(jì)算,從概率及后果兩方面,給出了風(fēng)險(xiǎn)薄弱環(huán)節(jié),為風(fēng)險(xiǎn)防控的實(shí)施提供指導(dǎo).本研究依托于工信部海洋工程裝備科研項(xiàng)目,研究?jī)?nèi)容將對(duì)未來(lái)我國(guó)深水 TLP自主研發(fā)的順利進(jìn)行具有重大意義.
本文以計(jì)劃建造的某深水 TLP平臺(tái)頂張式立管為研究對(duì)象,參考設(shè)計(jì)資料,以其工況種類及具體配置來(lái)劃定風(fēng)險(xiǎn)源及失效形式范圍.TTR設(shè)計(jì)水深403.7,m,采用干式采油樹(shù),多根鉆井和生產(chǎn)立管同時(shí)存在.截面結(jié)構(gòu)方面,鉆井立管為單層中空套管,生產(chǎn)立管為外管和油管的雙層管.
根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)研究的基本理論,風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)是風(fēng)險(xiǎn)分析的第一項(xiàng)任務(wù),需參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料,運(yùn)用科學(xué)方法辨識(shí)深水立管在復(fù)雜載荷條件下的失效模式.文獻(xiàn)資料中單獨(dú)討論立管屈曲的案例很少,且通常不區(qū)分立管失效是否直接由于或者包含結(jié)構(gòu)屈曲失效,這增加了風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)難度.由于本文僅把頂張式立管的屈曲失效作為研究范圍,故傳統(tǒng)基于事故案例的辨識(shí)方式不適用,而采用從結(jié)構(gòu)致災(zāi)機(jī)理出發(fā),整理、歸類基本風(fēng)險(xiǎn)形式或路徑的辨識(shí)方式.
經(jīng)過(guò)廣泛查閱 TLP平臺(tái)使用 TTR的相關(guān)介紹資料,總結(jié)出可能造成深水 TTR屈曲的主要風(fēng)險(xiǎn)源共分4類30項(xiàng)[9-10],見(jiàn)表1.
表1 深水TTR屈曲失效主要風(fēng)險(xiǎn)源Tab.1 Main risk sources causing buckling failure of deepwater TTRs
故障樹(shù)分析(FTA)法是對(duì)需要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)事件按照一定的邏輯關(guān)系組織成故障樹(shù)進(jìn)行分析的方法.故障樹(shù)是由一些基本事件和一些基本邏輯符號(hào)組合而成的樹(shù)形圖.此外,還有基于模糊數(shù)學(xué)理論改進(jìn)形成的模糊故障樹(shù)分析(fuzzy fault tree analysis,F(xiàn)FTA)法.本文風(fēng)險(xiǎn)分析采用模糊故障樹(shù)法,并通過(guò)人工演繹進(jìn)行故障樹(shù)的建立[12-14].
TTR立管根據(jù)功能的不同可分為鉆井立管和生產(chǎn)立管等.其屈曲形式主要分為整體屈曲和局部屈曲.故 TTR屈曲失效故障樹(shù)的建立既要?jiǎng)澐殖鰞煞N基本屈曲形式,也要考慮到多種立管狀態(tài)的存在.為此,故障樹(shù)中添加了“立管狀態(tài)事件”,以區(qū)分立管在不同階段可能發(fā)生的屈曲失效形式.例如:TTR立管屈曲類型中,有的屈曲只在立管下放和回收階段才會(huì)發(fā)生[15],而有的屈曲只在鉆井狀態(tài)下鉆桿存在于立管之中時(shí)才會(huì)出現(xiàn),還有的屈曲在生產(chǎn)狀態(tài)中立管內(nèi)部存在介質(zhì)時(shí)才有可能出現(xiàn).
最終,在所建立的故障樹(shù)模型中頂事件設(shè)置為“TTR屈曲失效”;二級(jí)結(jié)果事件分別為“整體屈曲”和“局部屈曲”;三級(jí)結(jié)果事件為4種基本的屈曲風(fēng)險(xiǎn)形式,分別為頂部張力失效、大變形/大位移、材料或部件缺陷、內(nèi)壓瞬時(shí)降低.故障樹(shù)的各級(jí)事件編號(hào)、名稱及分支如圖1和表2所示,其中綠色填充表示立管狀態(tài)事件;虛線邊框表示故障樹(shù)底事件;紅色部分為相似子樹(shù).
故障樹(shù)分析主要是把頂事件的邏輯表達(dá)分解為基本的最小割集,每一種最小割集對(duì)應(yīng)一種基本風(fēng)險(xiǎn)形式或稱為風(fēng)險(xiǎn)路徑.對(duì)故障樹(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估本質(zhì)上是對(duì)該故障樹(shù)包含的所有最小割集的發(fā)生概率和發(fā)生后果的評(píng)估[16].
對(duì)最小割集的求解采用上行法[12],經(jīng)過(guò)計(jì)算、整理得到基于全部最小割集的故障樹(shù)頂事件可表達(dá)為
圖1 故障樹(shù)的各級(jí)事件及分支Fig.1 Events in each level and branch of fault tree
該故障樹(shù)共包含 102個(gè)最小割集,其中 13個(gè) 1階最小割集,83個(gè) 2階最小割集,6個(gè) 3階最小割集.其中,S表示立管狀態(tài)事件,X表示故障樹(shù)一般底事件,其二級(jí)編號(hào)用于區(qū)分不同最小割集下的共因事件.共因事件的意義在于:雖然組成不同失效路徑的風(fēng)險(xiǎn)源相同,但其各自達(dá)到觸發(fā)邏輯門(mén)程度的概率不同,例如造成立管直接屈曲的波浪級(jí)別和造成立管碰撞平臺(tái)而導(dǎo)致屈曲的波浪級(jí)別并非同一個(gè)級(jí)別,不同級(jí)別有各自對(duì)應(yīng)的發(fā)生概率.
表2 故障樹(shù)事件編號(hào)及名稱Tab.2 Numbers and names of events in fault tree
由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺乏和精確度不足,導(dǎo)致深水TTR屈曲風(fēng)險(xiǎn)難以用經(jīng)典概率論方法進(jìn)行定量的安全評(píng)估.然而,專家綜合評(píng)估(experts comprehensive evaluation analysis,ECEA)法可很好解決上述困難.該方法是目前國(guó)際上通用的風(fēng)險(xiǎn)分析方法,其首先根據(jù)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)并運(yùn)用人類的自然語(yǔ)言來(lái)判斷系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),然后將專家的定性判斷轉(zhuǎn)換為定量的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行表達(dá)[5].這種轉(zhuǎn)換可通過(guò)模糊故障樹(shù)方法進(jìn)行.
在風(fēng)險(xiǎn)分析過(guò)程中,如不針對(duì)故障樹(shù)每一條單獨(dú)的失效路徑進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較,雖然可以求得系統(tǒng)整體的風(fēng)險(xiǎn)失效概率,卻無(wú)法得知究竟哪些失效形式會(huì)對(duì)立管的安全產(chǎn)生較大威脅,繼而無(wú)法進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)防控.另外,發(fā)生概率較小的風(fēng)險(xiǎn)失效形式的失效后果不一定較輕,甚至可能很嚴(yán)重;反之,發(fā)生概率較大的風(fēng)險(xiǎn)形式也不一定會(huì)造成嚴(yán)重后果.僅針對(duì)最終的立管整體失效給出其失效后果,而不將后果與某一種失效形式關(guān)聯(lián)起來(lái),與實(shí)際工程邏輯不符.因此,本文采用 TTR屈曲風(fēng)險(xiǎn)形式層面下概率與后果并重的分析過(guò)程,在前期專家對(duì)各個(gè)基本風(fēng)險(xiǎn)形式的概率和后果分別評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上兼顧風(fēng)險(xiǎn)的兩大要素,進(jìn)行兩者并列的風(fēng)險(xiǎn)分析.與普通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方式相比,該方法能夠更具針對(duì)性地找出風(fēng)險(xiǎn)薄弱環(huán)節(jié),并據(jù)此提出相應(yīng)防控措施.結(jié)合上述設(shè)計(jì)思路,專家綜合評(píng)估在本研究中主要有兩點(diǎn)具體應(yīng)用.
(1)在風(fēng)險(xiǎn)概率的確定過(guò)程中,依據(jù)專家的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)定性判斷立管各失效形式中基本事件發(fā)生概率的大小;
(2)在風(fēng)險(xiǎn)后果的評(píng)價(jià)過(guò)程中,依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)定性判斷立管各失效形式的后果嚴(yán)重性程度.
根據(jù)上文建立的立管屈曲失效故障樹(shù)及故障樹(shù)定性分析結(jié)果,設(shè)計(jì)制作用于專家綜合評(píng)估方法實(shí)施的 Excel電子表格“TTR屈曲失效故障樹(shù)專家綜合評(píng)價(jià)表”,表格示例(僅部分)如表3所示.
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本次評(píng)價(jià)共發(fā)放專家綜合評(píng)價(jià)表共 40余份,邀請(qǐng)國(guó)際海洋立管領(lǐng)域?qū)<?、海洋石油企業(yè)立管工程師、高校教師及研究人員等為其打分,最終實(shí)際收回評(píng)價(jià)表30份,有效評(píng)價(jià)表28份.有效評(píng)價(jià)表實(shí)際參與后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算.由于首次打分結(jié)果在某些點(diǎn)位樣本方差過(guò)大,體現(xiàn)出專家意見(jiàn)分歧,因此對(duì)方差超過(guò)3.5的打分點(diǎn)組織二次打分.此次打分前告知專家現(xiàn)存分歧,并澄清打分內(nèi)容的具體含義,使得專家能夠正確理解,以求達(dá)成一致.經(jīng)過(guò)一輪反饋,成功消除掉所有較大的分歧.
采用專家綜合評(píng)估方法時(shí),專家打分過(guò)程本身具有一定模糊性,存在一定程度的判斷誤差.為了將這種主觀性誤差盡可能地降低,有必要使用模糊數(shù)學(xué)理論來(lái)增強(qiáng)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性.而模糊故障樹(shù)法將決策者的主觀定性判斷與客觀定量分析相結(jié)合,可將自然語(yǔ)言帶有的不確定性進(jìn)行系統(tǒng)化、數(shù)學(xué)化和模型化,從而極大地提高了風(fēng)險(xiǎn)分析的效率、可靠性、準(zhǔn)確性和機(jī)動(dòng)性,適用于深水 TTR立管的屈曲失效風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題研究.
模糊故障樹(shù)方法的應(yīng)用已較為廣泛,它很好地融合了模糊數(shù)學(xué)理論和故障樹(shù)理論的優(yōu)點(diǎn).該方法在傳統(tǒng)故障樹(shù)分析流程的基礎(chǔ)上運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論的三角形及梯形隸屬函數(shù)和λ截集理論[17-20],通過(guò)代入專家綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,求解故障樹(shù)基本風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率;繼而求得最小割集事件的發(fā)生概率;再通過(guò)類似過(guò)程來(lái)確定最小割集事件的發(fā)生后果;最后形成風(fēng)險(xiǎn)概率及后果分布.本文故障樹(shù)模糊定量計(jì)算步驟示意如圖2所示.
本文所采用的專家評(píng)價(jià)語(yǔ)言描述向風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行轉(zhuǎn)化的隸屬函數(shù)如圖3所示,風(fēng)險(xiǎn)概率及后果的隸屬函數(shù)相同.
圖2 模糊定量計(jì)算步驟示意Fig.2 Sketch map for fuzzy quantitative computational procedure
圖3 三角形或梯形隸屬函數(shù)圖像Fig.3 Triangular or trapezoidal membership function image
風(fēng)險(xiǎn)值轉(zhuǎn)化的計(jì)算過(guò)程[8]如下所示.通過(guò)求解各λ截集的上、下限,將其代入專家意見(jiàn)總模糊集公式(見(jiàn)式(2)),設(shè)專家們選擇 7種不同程度描述的票數(shù)分別為a1~a7,則
這里的Li(λ)和Si(λ)分別對(duì)應(yīng) 7個(gè)隸屬函數(shù)的λ截集上、下限.
繼續(xù)使用式(3)求解總模糊集的平均模糊數(shù)W.
令,已知λ截集表達(dá)式,反算其隸屬函數(shù),則平均模糊數(shù)W的隸屬函數(shù)為
由于W仍然是一個(gè)模糊集合的概念,并非可用于比較和判斷的明確風(fēng)險(xiǎn)值,故再利用左右模糊排序法,將平均模糊數(shù)W轉(zhuǎn)化為模糊可能性值(FPS).該方法定義最大模糊集和最小模糊集分別為
左右模糊可能性值及最終模糊可能性值分別為
對(duì)不同類型的專家評(píng)價(jià)對(duì)象而言,F(xiàn)PS可作為立管狀態(tài)事件的發(fā)生概率,表示立管處于特定狀態(tài)的可能性,也可以是最小割集發(fā)生后果的嚴(yán)重性參考值,但由于一般底事件的失效概率通常集中于[0,1]區(qū)間的左端,且為一小值,故在對(duì)一般底事件與立管狀態(tài)事件的評(píng)價(jià)中,相同語(yǔ)言描述的概率參考值應(yīng)有所區(qū)別,這樣需對(duì)求得的概率值做下述進(jìn)一步處理.
為了將 FPS轉(zhuǎn)化為一般底事件的模糊失效概率(FFR),采用如下公式進(jìn)行計(jì)算:
式中 k = [(1 - F PS)/FPS]1/3× 2 .301.
求得故障樹(shù)所有底事件的發(fā)生概率后,可采用式(11)來(lái)近似計(jì)算故障樹(shù)頂事件的發(fā)生概率 P(T)[12].
本文為整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分析過(guò)程制作了 Excel電子計(jì)算表格,并借助其強(qiáng)大的VBA宏功能編寫(xiě)程序[21-22],實(shí)現(xiàn)對(duì)專家評(píng)價(jià)結(jié)果樣本容量、頻次、均值和方差的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)以及風(fēng)險(xiǎn)值的快速計(jì)算.風(fēng)險(xiǎn)分析電子計(jì)算表示例(僅部分)如表4所示.
根據(jù)故障樹(shù)模糊定量計(jì)算的結(jié)果,本文求得深水TTR屈曲失效的系統(tǒng)總體發(fā)生概率上限為 12.01%,,并繪制出TTR屈曲失效風(fēng)險(xiǎn)散點(diǎn)分布,如圖4所示.
在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率方面,以 X21、X23、X24、X28、X31的發(fā)生概率較大,分別為 0.50%、0.36%、0.35%,、0.35%,和 0.34%.其中 X21為一般海水腐蝕造成使用中產(chǎn)生的缺陷,屈曲抗力不足,以致發(fā)生局部屈曲;X23為酸性腐蝕環(huán)境造成使用中產(chǎn)生的缺陷,屈曲抗力不足,以致發(fā)生局部屈曲;X24為空氣海水腐蝕(飛濺區(qū)保護(hù)涂層失效)造成使用中產(chǎn)生的缺陷,屈曲抗力不足,以致發(fā)生局部屈曲;X28為應(yīng)力腐蝕造成使用中產(chǎn)生的缺陷,屈曲抗力不足,以致發(fā)生局部屈曲;X31為錨、拖網(wǎng)漁具撞擊立管,碰撞造成的外部損壞,以致發(fā)生局部屈曲.
圖5 TTR屈曲失效風(fēng)險(xiǎn)散點(diǎn)分布及局部放大Fig.5 Risk scatter distribution for TTR buckling failure and partial enlarged detail
在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后果方面,以 S1X7,1和 S1X14為代表,其嚴(yán)重性參考值分別為0.730和0.716.風(fēng)險(xiǎn)形式S1X7,1為海嘯導(dǎo)致平臺(tái)的橫向偏移,以致TLP的 setdown運(yùn)動(dòng),頂部張力失效,造成整體屈曲;S1X14為海底地震造成立管底部脫離連接,使得頂部張緊器張緊作用失效,發(fā)生整體屈曲.
其他的風(fēng)險(xiǎn)形式主要集中在發(fā)生概率為 0~0.20%,的范圍內(nèi)和后果嚴(yán)重性參考值為 0.45~0.65的范圍內(nèi).評(píng)估結(jié)果中,分布圖右上角區(qū)域未出現(xiàn)樣本點(diǎn),即沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)生概率較大且后果較嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)形式.
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通過(guò)基于結(jié)構(gòu)致災(zāi)機(jī)理的風(fēng)險(xiǎn)形式辨識(shí),完成了對(duì)復(fù)雜載荷條件下深水 TTR屈曲失效風(fēng)險(xiǎn)的分析.通過(guò)綜合各風(fēng)險(xiǎn)形式在發(fā)生概率和失效損失程度兩個(gè)維度上的分布,得出如下結(jié)論:
(1)一般海水腐蝕、酸性腐蝕環(huán)境、飛濺區(qū)腐蝕、應(yīng)力腐蝕以及錨、拖網(wǎng)漁具的撞擊等風(fēng)險(xiǎn)因素造成立管局部屈曲是發(fā)生概率較大的風(fēng)險(xiǎn)形式.
(2)海嘯造成TLP的set-down運(yùn)動(dòng)致使立管頂部張力消失而發(fā)生整體屈曲和海底地震造成立管底部脫離連接而失去張緊作用發(fā)生整體屈曲是造成后果較為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)形式.
(3)結(jié)果分析中未出現(xiàn)發(fā)生概率較大、同時(shí)后果較為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)形式.
上述風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果能夠?yàn)榻窈笪覈?guó)深水TTR屈曲失效的風(fēng)險(xiǎn)防控工作提供指導(dǎo)和依據(jù),從而達(dá)到采取有針對(duì)性的防控措施,降低立管屈曲失效風(fēng)險(xiǎn)的目的.
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