犯罪

蒸汽发电厂热交换器,由宏犯规犯规
冷凝器带有生物污染的残基(切开)

污垢是在固体表面上积累的材料。结垢材料可以由生物(生物污染)或非生物物质(无机或有机物)组成。污垢通常与其他表面生长现象区分开,因为它发生在组件,系统或植物的表面上执行定义且有用的功能,并且结垢过程会阻碍或干扰该功能。

文献中用来描述结垢的其他术语包括沉积物形成,包裹,无聊,沉积,缩放,尺度形成,凹陷和污泥形成。最后六个术语的含义比在结垢科学和技术范围内犯规的含义更狭窄,而且它们在此范围之外也具有含义。因此,应谨慎使用它们。

结垢现像是常见和多样的,从船体的结垢,海洋环境中的天然表面(海洋结垢)(海洋污染),通过冷却水或气体中包含的成分污染热量转移组件,甚至是牙齿上的发育牙齿的发育或在火星上的太阳能电池板上的沉积物,以及其他例子。

本文主要致力于工业热交换器的污染,尽管相同的理论通常适用于其他种类。在冷却技术和其他技术领域中,在宏结垢和微型结垢之间进行了区别。在这两者中,微型结垢通常更难预防,因此更重要。

由犯规的组件

碳酸钙缩放的冷凝器管的横截面
腐蚀痕迹的黄铜管的横截面

可能会受到污垢和犯规的相应影响的组件的示例:

  • 热交换器表面 - 降低热效率,降低热通量,升高热侧的温度,降低寒冷的温度,诱导不足的腐蚀,增加对冷水的使用;
  • 管道,流道 - 减少流动,增加压降,增加上游压力,增加能量消耗,可能导致流动振荡,在两相流动中倾斜,空化;可能会增加其他地方的流速,可能引起振动,可能会导致流动阻塞。
  • 船体船体 - 产生额外的阻力,增加燃料使用情况,降低最大速度;
  • 涡轮机- 降低效率,增加故障的可能性;
  • 太阳能电池板 - 降低产生的电力;
  • 逆渗透膜- 增加压降,增加能量消耗,减少通量,膜破坏(在严重情况下);
  • 加热元件- 升高元件温度,增加腐蚀,降低寿命;
  • 枪支枪管 - 增加腔室压力;弹药装载器的篮板装载器
  • 加压水反应堆中的核燃料 - 轴向偏移异常,可能需要取消利用发电厂;
  • 注入/喷嘴(例如,喷嘴将燃料喷到炉子中) - 注入不正确的,畸形的喷气机,零件效率低下,组件故障;
  • 文丘里管孔板- 流速的不准确或不正确的测量;
  • 飞机中的皮托管- 飞机速度的不准确或不正确的指示;
  • 汽车中的火花塞电极 - 发动机火不体;
  • 石油储层油井的生产区 - 随着时间的推移降低了石油的产量;插头;在某些情况下,几天之内完全停止了流量;
  • 牙齿 - 促进牙齿或牙龈疾病,减少美学;
  • 生物生物 - 组织中过量矿物质(例如,钙,铁,铜)的沉积与衰老/衰老有关。

宏犯规

宏filling是由生物学或无机起源的粗糙物质引起的,例如工业产生的垃圾。此类物质通过诸如公海河流湖泊等来源的冷却水泵进入冷却水回路。在封闭的电路中,像冷却塔一样,可以通过敞开的运河或风能进入冷却塔盆地的宏观污染。有时,冷却塔的一部分内部分离自己并将其带入冷却水回路。这样的物质可能会使热交换器的表面施加破坏,并可能导致相关的传热系数恶化。它们还可能会产生流量阻滞,重新分布组件内部的流量或造成折线损坏。

例子
  • 人造垃圾;
  • 分组的内部部分;
  • 维护后意外留下的工具和其他“异物”;
  • 藻类;
  • 青口贝;
  • 叶子,植物的一部分,直至整个树干

微型犯规

至于微型污染,在以下区别之间进行了区分:

  • 缩放或降水结垢,作为水溶液中固体氧化物氢氧化物结晶(例如碳酸钙或硫酸钙)
  • 颗粒结垢,即,颗粒的积累,通常是胶体颗粒,在表面上
  • 腐蚀结垢,即,腐蚀沉积物的原位生长,例如碳钢表面上的磁铁矿
  • 化学反应结垢,例如,有机物在加热表面上的分解或聚合
  • 固化结垢 - 当流动流体的成分高熔点冻结到亚冷的表面
  • 生物污染,例如细菌和藻类的定居点
  • 复合污染,犯规涉及多个污垢或犯规机制

降水结垢

管道内的酸橙堆积可减少流过管道的液体流动,并减少从液体到外管壳的热传导。当用作热交换器时,两种效果都会降低管道的总体热效率。
极限锅炉管秤积累
硫酸钙(3阶段)在纯水中的溶解度的温度依赖性。水被加压,以便可以在较高的温度下将其保持在液态状态。

缩放或降水结垢涉及从溶液结晶固体氧化物氢氧化物的结晶。这些通常是水溶液,但也已知非水降水结垢。在用硬水运行的锅炉和热交换器中,降水结垢是一个非常普遍的问题,通常会导致酸橙

通过温度的变化或溶剂蒸发退化,盐的浓度可能会超过饱和度,从而导致固体的沉淀(通常是晶体)。

例如,容易溶于碳酸盐钙的平衡 - 总是在天然水中流行 -碳酸钙易溶性钙,可以写下以下化学方程:

通过该反应形成的碳酸钙会沉淀。由于反应的温度依赖性以及CO 2随温度升高的挥发性的增加,在热交换器的热口气中,缩放率高于冷却器入口。

通常,盐溶解度对温度或蒸发的依赖通常是降水污染的驱动力。重要的区别是在溶解度对温度的“正常”或“逆行”依赖性之间的盐之间。具有“正常”溶解度的盐会随着温度的升高提高其溶解度,因此会使冷却表面施加污垢。具有“反向”或“逆行”溶解度的盐会使加热表面施加污垢。图中显示了溶解度的温度依赖性的示例。硫酸钙是由于其逆行溶解度而引起的加热表面的常见沉淀。

在没有加热或汽化的情况下,也可能发生降水结垢。例如,硫酸钙随着压力降低而降低其溶解度。这可能会导致油田中的储层和井的降水污染,从而随着时间的推移降低了它们的生产率。由于硫酸钡在不同离子强度的溶液中的差异溶解度,可能会发生在反渗透系统中的膜污染。同样,由于其他因素引起的溶解度变化,例如,液体闪烁,液体脱气,氧化还原电位变化或混合不兼容的流体流,可能会发生降水结垢。

以下列出了在实际溶液中观察到的降水污染沉积物的一些工业常见阶段:

以下方程式通常描述了降水量的沉积速率:

运输:
表面结晶:
全面的:

在哪里:

- 材料的质量(每个单位表面积),kg/m 2
- 时间,S
- 物质在大部分流体中的浓度,kg/m 3
- 界面处物质的浓度,kg/m 3
- 物质在界面条件下的平衡浓度,kg/m 3
- 结晶反应和整体沉积过程的反应顺序,无量纲
- 分别用于运输,表面反应和整体沉积反应的动力学速率常数;用m/s的尺寸(当

颗粒污染

通过悬浮在水中(“ crud ”)或气体中的颗粒污染与降水污染不同的机制。对于至少一个维度(但比原子尺寸大得多),此过程通常对于胶体颗粒(即IE,颗粒)最重要。颗粒通过多种机制传输到表面,并且它们可以通过絮凝凝结来附着自己,例如。请注意,胶体颗粒的附着通常涉及电力,因此粒子的行为违反了宏观世界的经验。附件的概率有时称为“粘性概率”,

在哪里分别是沉积和运输的动力学速率常数。的价值对于胶体颗粒,是表面化学,几何形状和局部热液压条件的函数。

使用粘性概率的一种替代方法是假设一阶反应使用动力学附着速率常数:

然后将传输和附着动力学系数组合为两个过程中发生的两个过程:

在哪里:

  • 是粒子沉积速率,kg m -2 s -1
  • 是沉积的动力学速率常数,m/s,
  • 分别是界面和散装流体中粒子污垢的浓度; kg m -3

本质上,作为一种表面化学现象,这种结垢机制可能对影响胶体稳定性的因素非常敏感。当结垢颗粒和底物表现出相反的电荷,或接近其中任何一个的零电荷点时,通常会观察到最大结垢速率。

大于胶体尺寸的颗粒也可能通过沉积(“沉积物结垢”)或在小型开口处扭曲。

随着时间的流逝,所得的表面沉积物可能会通过统称为“沉积巩固”的过程加固,或者俗称“老化”。

由水悬浮液形成的常见颗粒污染沉积物包括:

气溶胶中的颗粒污染也具有工业意义。颗粒可以是固体或液体。常见的例子可以通过烟道气体污染,也可以通过空气中的灰尘污染空气冷却的组件。该机制在有关气溶胶沉积的文章中进行了讨论。

腐蚀污染

腐蚀沉积物是通过底物腐蚀创建的。它们与污染沉积物区分开,这些沉积物与原始的前态材料形成。腐蚀沉积物不应与前耐用的腐蚀产物形成的结垢沉积物混淆。腐蚀沉积通常将具有与底物组成相关的组成。同样,金属氧化物和氧化物流体界面的几何形状可以允许在腐蚀和结垢沉积物之间进行实际区分。腐蚀结垢的一个例子是形成氧化铁或从下面的碳钢腐蚀中形成的。腐蚀结垢不应与结垢腐蚀相混淆,即,可能由结垢引起的任何类型的腐蚀类型。

化学反应污染

化学反应可能在化学物种与传热表面的过程中接触。在这种情况下,金属表面有时充当催化剂。例如,在化学工业的冷却水中发生了腐蚀和聚合,其碳氢化合物含量很小。石油加工中的系统容易容易聚合烯烃或沉积重分数(沥青质,蜡等)。高管壁温的温度可能导致有机物的碳化。食品工业,例如牛奶加工,也经历了化学反应的结垢问题。

通过离子反应与无机固体进化的污染通常被归类为降水结垢(不是化学反应污染)。

固化犯规

当流体流体的成分“冻结”到形成固体结垢沉积物的表面上时,就会发生凝固结垢。示例可能包括从烃溶液中凝固蜡(具有高熔点),或熔融灰分(在炉子排气中携带)到热交换器表面上。表面的温度需要低于一定阈值。因此,据说它是根据污垢的固化点进行的。

生物污染

法国北部的运河锁的碎片,上面覆盖着斑马贻贝

生物污染或生物结垢是微生物,藻类和矽藻,植物和动物在表面(例如船舶和海底船体)上的不良积累,或者使用未经处理的水管道和储层。这可以伴随着微生物学影响的腐蚀(MIC)。

细菌可以形成生物膜或粘液。因此,生物体可以使用水和细胞外聚合物物质(EPS)(多糖,脂质,核酸等)在表面上聚集。生物膜结构通常很复杂。

在有氧(氧气溶于水中)或厌氧(无氧)条件下,细菌结垢可能发生。实际上,有氧细菌更喜欢开放系统,当氧气和养分都经常传递时,通常在温暖和阳光的环境中。当存在足够的养分时,厌氧结构频率更高。例子可能包括还原硫酸盐的细菌(或还原硫细菌),这些细菌会产生硫化物,并经常引起亚铁金属(和其他合金)的腐蚀。另一方面,硫化物氧化细菌(例如,酸硫胆杆菌)可以产生硫酸,并且可以参与混凝土的腐蚀。

斑马贻贝是在北美引起广泛犯规的较大动物的一个例子。

复合污染

复合结垢很常见。这种污染涉及多个污垢或同时起作用的犯规机制。多种污垢或机制可能会彼此相互作用,从而导致协同的污染,这不是单个组件的简单算术总和。

在火星上犯规

NASA MARS勘探流浪者精神机会)经历了(大概)在火星气氛中通过尘埃颗粒对太阳能电池板的非生物污染。一些沉积物随后自发清理。这说明了犯规现象的普遍性质。

量化污染

量化相当统一的结垢的最直接方法是说明平均沉积表面载荷,即每个m 2表面积的沉积物。然后,结垢速率将以kg/m 2 s表示,并通过将沉积表面载荷除以有效的工作时间来获得。归一化的结垢速率(也以kg/m 2 s为单位)还将考虑到前操作期间的过程流体(kg/kg)中的污垢浓度,并且对于比较不同系统之间的结垢速率很有用。它是通过将结垢率除以污垢浓度而获得的。可以通过将归一化的结垢速率除以过程流体的质量密度(kg/m 3 )来获得结垢速率常数(m/s)。

沉积厚度(μm)和孔隙率(%)通常也用于描述结垢量。当污染对压降的影响引起人们的影响时,管道直径的相对降低或表面粗糙度的增加可能会特别感兴趣。

在传热设备中,主要问题通常是结垢对传热的影响,可以通过由于结垢而对热流动的阻力(m 2 k/w)的增加来量化(称为“ fouling抗性”) ) ,或通过时间开发传热系数(w/m 2 K)。

如果主要关注不足或缝隙腐蚀,重要的是要注意沉积物厚度的不均匀性(例如,沉积物波动),局部污染,带沉积物的受限区域的包装,创建遮挡,“缝隙”,“沉积”,“沉积物”结节”或污泥堆。这样的沉积结构可以创造出底物材料的腐蚀不足的环境,例如,晶间攻击点缀应力腐蚀开裂或局部浪费。沉积物的孔隙率渗透性可能会影响沉积腐蚀不足的可能性。沉积物成分也可能很重要 - 即使是沉积物的较小成分,有时也会引起基础金属的严重腐蚀(例如,在燃烧锅炉的沉积物中钒,导致热腐蚀)。

没有关于可以容忍多少存款的一般规则,这取决于系统。在许多情况下,即使是几微米厚的沉积物也可能很麻烦。在几乎任何应用中,毫米范围厚度的沉积物都会引起关注。

随着时间的流逝而进展

沉积在表面上并不总是随着时间的流逝而稳定发展。可以区分以下犯规场景,具体取决于系统的性质和表面的局部热液压条件:

  • 诱导周期- 有时,当表面是新的或非常干净时,会观察到近静脉结垢速率。这通常在生物污染和降水结垢中观察到。在“诱导期”之后,结垢速率增加。
  • “负”污染- 通过监测传热来量化结垢速率时,可能会发生这种情况。相对较少的沉积物可以相对于干净的表面改善传热,并给出“负”结垢率和负filling量的外观。经常在成核沸腾的热量调整条件下观察到负污染(沉积物可以改善气泡成核)或强制交流(如果沉积物会增加表面粗糙度,并且表面不再是“液压平滑”)。在“表面粗糙度控制”的最初时期之后,结垢速率通常变得强烈积极。
  • 线性污染- 结垢速率可以随时间稳定。这是一个常见的情况。
  • 下降犯罪- 在这种情况下,污染速率会随着时间而下降,但永远不会降至零。沉积物厚度无法达到恒定值。结垢的进度通常可以通过两个数字来描述:初始结垢速率(与零沉积加载时的结垢曲线切线或零时间的犯规曲线)和长时间后的结垢速率(斜渐近线对结垢曲线) 。
  • 渐近犯规- 在这里,污染速率随时间降低,直到最终达到零。此时,沉积物厚度随时间(水平渐近线)保持恒定。在快速流动的区域中,相对较软或不良的沉积物通常是这种情况。渐近线通常被解释为沉积速率等于沉积率的沉积加载。
  • 加速犯规- 在这种情况下,犯规速率随时间增加;存款增加的速度会随着时间的推移加速(也许直到运输限制为止)。从机械上讲,当结垢增加表面粗糙度时,或者当沉积表面表现出比纯底层金属表现出更高的化学倾向时,这种情况可以发展。
  • Seesaw Fouling-在这里,结垢载荷通常会随着时间而增加(通常假设通常是线性或下降的速率),但是,当更详细地查看时,结垢的进度会定期中断,并采用锯齿曲线的形式。明显的结垢量的周期性急剧变化通常对应于系统关闭,启动或其他运行中的其他瞬态的矩。周期性变化通常被解释为定期去除某些沉积物(可能是由于压力脉冲引起的沉积物再悬浮,由于热应力而引起的剥落或由于氧化还原瞬变而导致的去角质)。已经假定蒸汽覆盖是在部分剥落的沉积物和传热表面之间发生的。但是,其他原因是可能的,例如,关闭期间的空气陷入表面沉积物内部的空气或瞬态期间温度测量值不准确(“温度流”)。

污染建模

污染过程的示意图,包括同时派遣污垢沉积和清除沉积物。

系统的结垢可以建模为由几个步骤组成:

  • 引起污垢的物种的产生或加入(“污垢采购”);
  • 与工艺流体流的污垢运输(通常是通过对流);
  • 从大部分过程流体到结垢表面的污垢运输。这种传输通常是通过分子湍流的繁殖扩散来进行的,但也可能通过惯性沿海/撞击,表面截距(对于有限尺寸的颗粒),电泳热循环弥漫性stefan ,凝结和蒸发和蒸发和蒸发和蒸发,在凝结和蒸发中,,在凝聚力和蒸发中的颗粒拦截(用于有限尺寸的颗粒)。沉积马格努斯力(作用于旋转颗粒),热电效应和其他机制。
  • 诱导期,即,在初始时期,近乎污染的率(仅针对某些结垢机制观察到);
  • 表面上的污垢结晶(或胶体颗粒的附着,化学反应或细菌生长);
  • 有时由于由于结垢沉积物引起的表面条件变化而导致的结晶/附着速率的自身心动,即减少(或可能增强);
  • 沉积溶解(或重新进入松散附着的颗粒);
  • 沉积在表面上的固结(例如,通过Ostwald成熟或温度梯度中的差异溶解度)或胶结作用,这解释了沉积物失去其孔隙率并随着时间而变得更加顽强;
  • 沉积剥落侵蚀去角质

沉积包括运输到表面和随后的附着。矿床的去除是通过沉积溶解,颗粒重新灌输或沉积物剥落,侵蚀性磨损或去角质的。污染产生,污垢沉积,押金清除和存款合并。

对于涉及与同时沉积重新进入和合并的沉积的现代模型模型,可以通过以下方案表示犯规过程:

[沉积率累积率] = [沉积率] - [未固结押金的重新进入率]

[未固结的沉积物的积累率] = [沉积速率] - [未固结沉积物的重新进入率] -

遵循上述方案,基本的结垢方程可以如下(对于流动稳态条件,当浓度随时间保持恒定时):

在哪里:

  • m是表面上沉积物(固结和未固结)的质量负荷(kg/m 2 );
  • t是时间;
  • k d是沉积速率常数(m/s);
  • ρ是流体密度(kg/m 3 );
  • C M-液体中的污垢分数(kg/kg);
  • λR是重新进入速率常数(1/s);
  • m r是表面沉积物的可移动(即未固结)的质量负载(kg/m 2 );和
  • λC是巩固速率常数(1/s)。

该方程系统可以集成(将m = 0和m r = 0当在t = 0时m = 0)到表格:

其中λ= λR + λc

该模型根据k, λrλc的相对值来重现线性,下降或渐近污染。该模型的基础物理图片是由固结内层和未固结的外层组成的两层沉积物的基础。在实践中经常观察到这样的双层沉积物。上面的模型很容易简化为同时沉积和重新进入的旧模型(当λC = 0时忽略合并)。在没有巩固的情况下,这个较旧的模型总是可以预料到渐近污染,并且结垢的进展可以描述为:

其中m *是表面沉积物的最大(渐近)质量负载(kg/m 2 )。

犯规的经济和环境重要性

各种各样的犯规之间的成本关系

污垢无处不在,会产生巨大的操作损失,与腐蚀不同。例如,一个估计使工业化国家中热交换器的结垢造成的损失约为其GDP的0.25%。另一项分析估计(2006年),由于中国公用事业的锅炉和涡轮污染造成的经济损失为46.8亿美元,该国GDP约为0.169%。

损失最初是由于传热损害,腐蚀损伤(尤其是不足的腐蚀和缝隙腐蚀),压降下降,流动阻塞,流量重新分布,组件内部的流量再分配,流量不稳定,诱导的振动(可能导致其他问题,例如,EG,疲劳) ,电力,电加热元件的过早故障以及许多其他经常意外的问题。此外,生态成本应(但通常不考虑)。生态成本是由于使用杀菌剂来避免生物污染的原因,这是由于增加的燃料输入来补偿因结垢而导致的输出减少,以及在一次直通冷却系统中使用冷却水的使用增加。

例如,“正常”在常规发射的500兆瓦(净电力)电站设备上犯有5兆瓦蒸汽涡轮机的输出损失。在1,300兆瓦的核电站中,典型的损失可能为20兆瓦,并且最高100%,如果由于污染引起的组件降解,该站关闭了)。在海水淡化厂中,结垢可以将所获得的产出比降低两个位数(所获得的输出比是一种等效的,它与该过程中使用的蒸汽相关的产生的蒸馏液质量) 。在两个数字的区域,压缩机运行冷却器中的额外电消耗也很容易。除了运营成本外,资本成本还增加了,因为热交换器必须以较大尺寸的设计设计,以补偿由于结垢而导致的传热损失。在上面列出的输出损失中,需要添加检查,清洁和维修组件所需的停机时间(每天在典型发电厂的收入损失每天关闭的数百万美元),实际上是进行此维护。最后,结垢通常是严重退化问题的根本原因,可能会限制组件或整个植物的寿命。

污染控制

控制犯规的最基本,通常是首选的方法是防止污染物种进入冷却水回路。在蒸汽电站和其他主要工业装置的技术中,通过过滤和冷却水碎屑过滤器避免了宏观结垢。一些工厂采用外国对象排除计划(消除了显著引入不需要的材料的可能性,例如,在维护过程中忘记了工具)。有时会使用声学监测来监视由分离的零件进行烦恼。在微污染的情况下,通过广泛的水处理,微滤技术(反渗透,渗透隔离)或离子 - 交换树脂来实现水纯化。通常通过控制工艺液的pH (通常用吗啡,吗啡,乙醇胺磷酸钠)来控制水管系统中腐蚀产物的产生,控制溶解在水中的氧气(例如,添加氢氮),或添加腐蚀抑制剂

对于相对较低的温度下的水系统,施用的杀菌剂可以分类如下:无机溴化物化合物,氯和溴化物切割剂臭氧氧气切割剂,无氧化的杀菌剂。最重要的无氧化杀菌剂之一是氯甲基 - 异噻唑啉酮和甲基 - 异硫醇酮的混合物。还应用的是硝基丙二酰胺和Quaternary化合物。用于水下船体船体底部油漆

化学结垢抑制剂可以减少许多系统中的结垢,主要是通过干扰结晶过程的结晶,附着或巩固步骤。水系统的示例是:螯合剂(例如EDTA ),长链脂族胺或多胺(例如,八甲胺,唱片和其他“形成膜”胺),有机磷酸例如,或聚电解质(例如,聚丙烯酸,聚甲基丙烯酸,通常其分子量低于10000)。对于射击锅炉,铝或镁添加剂可以降低灰分的熔点,并促进更容易去除的沉积物的产生。另请参见工艺化学品

自1950年代以来,磁性水处理一直是其对结垢控制有效性的争议。普遍的观点是它只是“不起作用”。然而,一些研究表明,在某些条件下可能有效地减少碳酸钙沉积物的积聚。

在组件设计水平上,通过保持相对较高的(例如2 m/s)和整个组件中的均匀流体速度,可以(但并非总是)结垢。停滞的地区需要消除。通常会过度设计组件,以适应清洁之间预期的结垢。但是,明显的过度设计可能是一个设计误差,因为由于速度降低,可能导致污染增加。如果在设计时间仔细地合并了能力,那么周期性的在线压力脉冲或回流可能是有效的。井喷能力始终被纳入蒸汽发生器或蒸发器中,以控制导致或加重结垢的非易失性杂质的积累。低污染表面(例如,非常光滑,被离子植入或像特氟龙这样的低表面能)是某些应用的一种选择。通常需要设计现代组件以易于检查内部和周期性清洁。在线结垢监控系统设计用于某些应用程序,以便在不可预测的关闭是必要或损坏之前可以应用吹或清洁。

当结垢达到影响系统性能的点或明显的结垢引起的降解(例如,通过腐蚀)时,建议去除沉积物和尺度的化学或机械清洁过程。这些过程包括用络合剂腌制,用高速水喷头(“水lanking”)清洁,用金属,海绵或其他球再循环(“爆炸”),或推动离线机械“子弹型”管清洁器。化学清洁通过处理,应用,存储和处置化学物质会引起环境问题,但通过循环清洁球或离线“子弹型”清洁的机械清洁可能是环境上更友好的选择。在某些热传输应用中,可以选择动态刮擦的表面热交换器的机械缓解措施。而且,许多特定应用程序也可以使用超声波或磨料清洁方法。

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