(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接構造体に発生した脆性亀裂の伝播を停止させるための補強構造において、前記脆性亀裂を跨ぐ補強板とこの補強板を母材に結合する結合手段とによって、前記脆性亀裂によって離反された母材同士が結合されると共に、前記補強板に予め引張予ひずみが付与されてなることを特徴とする脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造。
【請求項２】
前記補強板が、溶接線を跨いで母材に結合されてなることを特徴とする請求項１に記載の脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造。
【請求項３】
前記結合手段が、締結部材または溶接であることを特徴とする請求項１または２に記載の脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造。
【請求項４】
前記引張予ひずみが、加熱または機械的な引張力によって付与されてなることを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載の脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造。
【請求項５】
前記結合手段が、脆性亀裂によって離反された母材に対向する様に接合された一対の取付金具と、前記補強板の両端に前記取付金具との間に隙間を有して設けられた開孔板と、前記取付金具と開孔板に貫通された締結部材とからなり、この締結部材の締結により前記補強板に引張予ひずみを付与して母材同士が結合されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンテナ船、タンカーなどの船舶分野、ＬＮＧ貯蔵タンクなどの圧力容器分野において、溶接継手部を持つ溶接鋼構造体に発生した脆性亀裂の伝播を停止させるための補強構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大型コンテナ船や大型貯蔵タンクなどの溶接構造体は、突合せ溶接により接合された多数の鋼板で構成されている。この様な構造体においては、溶接欠陥から発生した脆性亀裂が急速に伝播して、構造体に重大な損傷を与えることが懸念される。通常、鋼構造では脆性破壊を発生させないことが安全上最も重要な要件であり、材料選定から検査に至るまで細心の注意が払われている。更に、溶接欠陥から発生した脆性亀裂が、母材側に逸れて伝播する場合には、鋼板の脆性亀裂伝播停止特性が十分高ければその停止が期待できる。
【０００３】
しかし、脆性亀裂停止伝播特性が母材よりも劣る溶接線に沿って脆性亀裂が伝播する場合には、母材の性能によらずに脆性亀裂が停止しないことが懸念される。そこで、例えば船殻構造体においては、鋼板の溶接線が一列に並ばないようにして、万一溶接線に沿って脆性亀裂が伝播しても、短い距離で母材に脆性亀裂を突入させるように施工している。しかしながら、このような施工を全ての懸念部位に適用できるとは限らないので、溶接線に沿った脆性亀裂を確実に停止させる構造形式（クラックアレスター）が必要である。
【０００４】
そこで先ず、溶接線に沿った脆性亀裂のアレスターに関する従来技術について、添付図１２，１３を参照しながら体系的に説明する。図１２は従来技術１に係る溶接鋼構造物及びその製造方法の一実施例を示す図、図１３は従来技術３に係る溶接構造体の溶接方法及び溶接構造体を示す図である。
【０００５】
（１）圧縮予ひずみ付与による方法（従来技術１）
図１２に示す如く、圧縮予ひずみ部２２を溶接線２３の両側のほぼ線対称位置に一対以上配設することにより、鋼板２１の溶接部の一部に圧縮残留応力を与えて脆性亀裂２４の伝播を阻止することと、同時に溶接部から離れた位置に引張応力を発生させることで、脆性亀裂２４を脆性亀裂伝播特性の高い母材に導き、前記脆性亀裂２４の進展を停止させる方法である（特許文献１参照）。
【０００６】
（２）補修溶接による方法（従来技術２）
例えば、特許文献２によれば、突合せ溶接部、または垂直部材と水平部材の溶接継手が交差する部分において、当該領域の一部をガウジング、あるいは機械加工により除去した後、破壊靭性に優れた溶接材料で補修溶接するか、ないしは補修領域の形状を特殊なものにする方法である（特許文献２〜４参照）。
【０００７】
（３）アレスター材の挿入による方法（従来技術３）
図１３に示す如く、垂直部材の溶接継手で脆性亀裂を停止させたい領域において、当該領域の垂直部材２６と溶接継手２５をくり抜いた後、当該部分に脆性亀裂が停止可能なアレスター材２７を挿入する方法である（特許文献５参照）。
【０００８】
（４）溶接金属の破壊靭性を向上する方法（従来技術４）
溶接金属の機械的強度や成分の組合せを工夫して、破壊靭性を向上することにより脆性亀裂伝播を妨げる方法である（特許文献６〜９参照）。
【０００９】
（５）鋼製橋脚の補強施工工法（従来技術５）
一方、脆性破壊のアレスターに関する発明ではないが、橋脚部材と補強部材との間に温度差を与えて連結し、温度差の低減により前記補強部材にプレストレスを与える鋼製橋脚の補強施工方法が開示されている（特許文献１０）。
【００１０】
上記従来技術に係るクラックアレスターは、溶接材料や母材の材質を改良する方法、および溶接線を遮断するように孔を明けるかまたはアレスター材を挿入する方法に大別される。
【特許文献１】特開２００５−１１１５０１号公報
【特許文献２】特開２００５−１３１７０８号公報
【特許文献３】特開２００６−７５８７４号公報
【特許文献４】特開２００５−１１１５２号公報
【特許文献５】特開２００５−３１９５１６号公報
【特許文献６】特開２００６−８８１８４号公報
【特許文献７】特開２００５−３２９４６０号公報
【特許文献８】特開２００５−３０５５１４号公報
【特許文献９】特開２００５−１１３２０４号公報
【特許文献１０】特開２００４−６８４０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明者らは、補強板を介して溶接部に機械的に圧縮応力を付与することによって、脆性亀裂の進展が母材に突入するのを防止できる知見を得て本発明に至ったものである。即ち、本発明の目的は、溶接線に沿って伝播する脆性亀裂を停止させることであり、具体的には、例えば大型コンテナ船の溶接欠陥から発生した脆性亀裂が溶接線に沿って伝播し、溶接構造体の母材を配設した領域に接近または突入した場合に、前記脆性亀裂の進展を停止させる優れた補強構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造が採用した手段は、溶接構造体に発生した脆性亀裂の伝播を停止させるための補強構造において、前記脆性亀裂を跨ぐ補強板とこの補強板を母材に結合する結合手段とによって、前記脆性亀裂によって離反された母材同士が結合されると共に、前記補強板に予め引張予ひずみが付与されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項２に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造が採用した手段は、請求項１に記載の脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造において、前記補強板が、溶接線を跨いで母材に結合されてなることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項３に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造が採用した手段は、請求項１または２に記載の脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造において、前記結合手段が、締結部材または溶接であることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の請求項４に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造が採用した手段は、前請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載の脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造において、前記引張予ひずみが、加熱または機械的な引張力によって付与されてなることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の請求項５に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造が採用した手段は、請求項１または２に記載の脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造において、前記結合手段が、脆性亀裂によって離反された母材に対向する様に接合された一対の取付金具と、前記補強板の両端に前記取付金具との間に隙間を有して設けられた開孔板と、前記取付金具と開孔板に貫通された締結部材とからなり、この締結部材の締結により前記補強板に引張予ひずみを付与して母材同士が結合されてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造によれば、溶接構造体に発生した脆性亀裂の伝播を停止させるための補強構造において、前記脆性亀裂を跨ぐ補強板とこの補強板を母材に結合する結合手段とによって、前記脆性亀裂によって離反された母材同士が結合されると共に、前記補強板に予め引張予ひずみが付与されてなるものであるから、簡単な構造によって脆性亀裂の伝播を確実に停止する優れた補強構造を提供し得る。
【００１９】
また、本発明の請求項２に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造によれば、前記補強板が溶接線を跨いで母材に結合されてなるので、簡単な構造によって、溶接線に沿う脆性亀裂の伝播を確実に停止する優れた補強構造を提供し得る。
【００２０】
更に、本発明の請求項３に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造によれば、前記結合手段が、締結部材または溶接であることを特徴とするので、前記補強材を確実に母材に結合して脆性亀裂の伝播を停止できる。
【００２１】
また更に、本発明の請求項４に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造によれば、前記引張予ひずみが、加熱または機械的な引張力によって付与されてなるので、引張ひずみの付与が施工現場においても比較的簡単に実施可能である。
【００２２】
一方、本発明の請求項５に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造によれば、前記結合手段が、脆性亀裂によって離反された母材に対向する様に接合された一対の取付金具と、前記補強板の両端に前記取付金具との間に隙間を有して設けられた開孔板と、前記取付金具と開孔板に貫通された締結部材とからなり、この締結部材の締結により前記補強板に引張予ひずみを付与して母材同士が結合されてなるので、引張ひずみの付与が施工現場においても更に簡単に実施可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
先ず、本発明の実施の形態１に係る溶脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造につき、図１〜６を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造を示す斜視図、図２は図１の断面Ｓ（溶接継手部に平行して高力ボルトを通り鋼板に垂直な断面）において矢視Ａ−Ａを示す断面図である。また、図３は本発明の実施の形態１に係り、予め引張予ひずみの付与された補強板により補強された溶脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造の作用を説明するための図、図４は本発明の実施の形態１に係り、補強板が母材の片面にのみ結合された態様例を示す断面図、図５は本発明の実施の形態１に係り、リベット接合の態様例を示す断面図、図６は本発明の実施の形態１に係り、溶接接合の態様例を示す斜視図である。
【００２５】
本発明の実施の形態１に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造は、図１，２に示す通り、鋼板（母材１）を突合せ溶接された溶接構造体の溶接継手部２に沿って発生した脆性亀裂８の表裏面を挟む様に２枚の補強板３を対向して配設され、これら２枚の補強板２が、前記脆性亀裂８を跨いで結合手段である高力ボルト４及びナット５によって、溶接構造体の母材１に結合される。そして同時に、前記補強板３は、母材１に結合する前に予め引張予ひずみ６を付与されるのが好ましい。この様に、前記脆性亀裂８が溶接継手部２に沿って発生した場合は、図１に示す如く、溶接継手部２の溶接線も跨ぐ様に、前記結合手段によって溶接構造体の母材１に結合されるのが好ましい。
【００２６】
次いで、引張予ひずみ６が付与された補強板３を用いる本発明に係る補強構造の作用について、図３を参照しながら説明する。図３において、図（ａ）は図１の正面図、図（ｂ）〜（ｅ）は図（ａ）の溶接部断面Ｂ−Ｂの板厚中心線に作用する溶接線直交方向応力の分布を示し、図（ｂ）は溶接残留応力、図（ｃ）は外力により発生する応力、図（ｄ）は補強板への引張予ひずみ付与により発生する応力、図（ｅ）は全応力を示す図である。
【００２７】
補強板３と母材１を結合した後に、補強板３には溶接継手部２の溶接線に対して略直交方向に引張応力７が発生し、その反作用として母材１及び溶接継手部２には、補強板３の近傍で溶接線に対して略直交方向に圧縮応力が作用する（図（ｃ）参照）。この圧縮応力によって、補強板３下部および近傍の溶接継手部２に残存する溶接時の熱収縮に起因する残留引張応力６が緩和され、前記溶接継手部２の応力が圧縮側に移行する（図（ｄ）参照）。更に、母材１に溶接線に対して略直交方向の引張外力７が作用して付加応力が発生した場合には、前記溶接継手部２に発生する付加応力は、補強板の剛性付与効果によって、補強板の影響の無い一般部の付加応力に比べて小さくなる。
【００２８】
即ち、補強板３への引張予ひずみ６付与の効果によって、溶接継手部２の引張残留応力が低減されるとともに、補強板３の剛性付与効果によって、外力が作用した場合にも応力の増加は一般部に比べて小さくなる（図（ｅ）参照）。この結果、溶接継手部２に沿って伝播してきた脆性亀裂８が前記溶接継手部２に突入した場合、脆性亀裂８の先端近傍の応力が圧縮側に移行して、後述の式［数１］の左辺で定義される応力拡大係数（Ｋ値）が大幅に低減するか乃至はゼロになり、前記脆性亀裂８は溶接継手部２において進展を停止する。
【００２９】
補強板３に引張予ひずみ６を与える方法としては、結合前に補強板３を予めバーナなどにより加熱して、温度を母材よりも所望の温度だけ上昇させておき、この温度差を維持したままで高力ボルト４とナット５等の締結手段により補強板３と母材１とを結合する。そして、全体が一様の温度になるまで放置しておけば、自然に補強板３に引張予ひずみ６を発生させることが出来る。尚、施工において補強板３の温度管理が困難な場合には、補強板３の変位を測定して所望の伸び量が得られた時点で結合を実施すれば、簡単に精度良く所望の予ひずみ６を与えることが可能である。また、結合前の補強板３を機械的に溶接線直交方向に引張り、その引張力を維持した状態で結合手段により結合しても良い。
【００３０】
そして、本発明に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造は、前記引張予ひずみが次式［数１］を満足するように付与されてなるのが好ましい。ここで、次式［数１］の左辺は応力拡大係数（Ｋ値）を示す。即ち、前記補強構造が、次式［数１］を満足する様に構成されることによって、母材の脆性破壊伝播停止靱性が応力拡大係数より大きくなるので、脆性亀裂の進展が阻止されるのである。
【数１】
0004909237.tif 000002
ここで、  
0004909237.tif 000003
【００３１】
前記補強板３は、図２に示した様に、母材１の脆性亀裂８や溶接線２の表裏に対向して配設することが、母材１の面外曲げを防止するためと、圧縮力を母材１の板厚方向に一様に付与するために望ましいが、この様な構成が困難な場合には、図４に示す様に母材１の片面のみに補強板３を配置して、高力ボルト４及びナット５により締結しても良い。片面配置の場合には、引張予ひずみ６を適切に制御することによって、表裏面配置と同様の脆性亀裂停止効果が得られる。また、補強板３と母材１とを結合する結合手段には、高力ボルト・ナットによる締結部材以外に、図５に示すリベット９や図６に示す溶接１０を用いても良い。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態１に係る溶接構造体によれば、脆性亀裂８を跨ぐ補強板３とこの補強板３を母材１に結合する結合手段、即ち、高力ボルト４とナット５、リベット９または溶接１０によって、前記脆性亀裂８によって離反された母材１同士が結合されると共に、前記補強板３に予め引張予ひずみ６が付与されてなるものであるから、簡単な構造によって溶脆性亀裂８の伝播を確実に停止する優れた補強構造を提供し得る。
【００３３】
＜実施例＞
次に、突合せ溶接された母材に、前記溶接線を跨って補強板を結合した本発明に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造の実施例について、以下添付図７〜９を参照しながら説明する。図７は本発明に係る本実施例の外観を示す斜視図、図８は本発明の実施例に係る解析結果であり、母材全面の応力分布を示す図、図９は本発明の実施例に係る解析結果であり、図８のｙ座標（溶接中心）における母材の溶接線直交方向の無次元化応力分布を示す図である。
【００３４】
母材１は図７に示す如く、幅（縦方向寸法）１０００ｍｍ、長さ（横方向寸法）８００ｍｍ、板厚６０ｍｍの鋼材であり、補強板３は幅２００ｍｍ、長さ８００ｍｍ、板厚３０ｍｍの鋼板である。そして、母材１と補強板３は、温度差による引張予ひずみを付与された状態で、図示しない高力ボルトとナットにより強固に摩擦接合されている。この結果、母材１に開孔されたボルト孔周辺での応力集中が緩和されるとともに、補強板３による剛性付与効果によって、全体としての強度低下は無い。
【００３５】
図８において、母材1の補強板３が接合された領域は、補強板３に付与された引張予ひずみの反力として圧縮応力が広く分布している。一方、母材１のその他の領域においては、突合せ溶接による収縮ひずみから引張応力が作用している。そして、図９から分かる様に、母材１の補強板中心（ｘ軸）から４００ｍｍ離れた位置まで、補強板３に付与された引張予ひずみの反力として圧縮側に移行している。この圧縮応力によって溶接による引張残留応力が緩和されるとともに、補強板の剛性付与効果によって外力による引張応力増加も小さくなり、脆性亀裂を停止させることが可能となる。
【００３６】
因みに、本実施例において補強板３と母材１の温度差が１００℃の場合には、母材１の中心まで脆性亀裂が進展したとき（亀裂長さ５００ｍｍ）の亀裂先端の応力拡大係数（Ｋ値）は６３００Mpa・mm1/2となる。一方、補強板３が無い場合においては、同条件での応力拡大係数は１２０００Mpa・mm1/2なので、本発明によって応力拡大係数は５３％に低減することになり、脆性亀裂の停止性能が格段に向上することが分かる。
【００３７】
次に、本発明の実施の形態２に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造を、添付図１０，１１を参照しながら説明する。図１０は本発明の実施の形態２に係り、結合手段が異なる他の態様例を示す斜視図、図１１は図１０の態様例において、補強板に引張予ひずみを付与する方法を説明するための断面図である。但し、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、補強板を母材に結合する結合手段の構成に相違があり、これ以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、上記実施の形態１と同一のものに同一符号を付して、以下その相違する点について説明する。
【００３８】
即ち、上記実施の形態１に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造の結合手段が、締結部材または溶接接合からなるのに対し、本実施の形態２に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造の結合手段は、脆性亀裂８によって離反された母材１に対向する様に接合接合１３された一対の取付金具１１と、前記補強板３の両端に前記取付金具１１との間に隙間１２を有して溶接接合１３された開孔板３ａと、前記取付金具１１及び補強板３の開孔板３ａに貫通された締結部材である高力ボルト４、ナット５とからなる。
【００３９】
そして、この高力ボルト４、ナット５の締結により前記隙間１２を閉じることによって、前記補強板３に引張予ひずみ６を付与して母材同士が結合されるのが好ましい。即ち、図１１に示す如く、高力ボルト４、ナット５が締結される前の補強板３及び開孔板３ａの端部は、二点鎖線で示す様に、前記取付金具１１との間に隙間１２を有して設けられている。そして、この高力ボルト４、ナット５の締結により前記隙間１２を閉じることによって、前記補強板３に引張予ひずみ６を付与するのである。
【００４０】
前記締結部材としては高力ボルト４、ナット５の外、リベットを用いることが出来る。尚、図１０，１１においては、前記開孔板３ａはアングル状の短板を補強板３に溶接接合１３した例を示したが、本発明はこれに限るものではなく、補強板３自体を折り曲げたり、削り出したりして前記開孔板３ａに相当する部分を形成した構造であっても良い。
【００４１】
以上の様に、本発明に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造によれば、前記脆性亀裂、更には溶接線を跨ぐ補強板とこの補強板を母材に結合する結合手段とによって、前記脆性亀裂によって離反された母材同士が結合されると共に、前記補強板に予め引張予ひずみが付与されてなるものであるから、簡単な構造によって溶脆性亀裂の伝播を確実に停止する優れた補強構造を提供し得る。
【００４２】
また、本発明に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造によれば、前記結合手段が、脆性亀裂によって離反された母材に対向する様に接合された一対の取付金具と、前記補強板の両端に前記取付金具との間に隙間を有して設けられた開孔板と、前記取付金具と開孔板に貫通された締結部材とからなり、この締結部材の締結により前記補強板に引張予ひずみを付与して母材同士が結合されてなるので、引張ひずみの付与が施工現場においても更に簡単に実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】は本発明の実施の形態１に係る脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造を示す斜視図である。
【図２】図１の断面Ｓにおいて矢視Ａ−Ａを示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係り、予め引張予ひずみの付与された補強板により補強された溶脆性亀裂伝播停止に優れた補強構造の作用を説明するための図であって、図（ａ）は図１の正面図、図（ｂ）〜（ｅ）は図（ａ）の溶接部断面Ｂ−Ｂの板厚中心線に作用する溶接線直交方向応力の分布を示し、図（ｂ）は溶接残留応力、図（ｃ）は外力により発生する応力、図（ｄ）は補強板への引張予ひずみ付与により発生する応力、図（ｅ）は全応力を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係り、補強板が母材の片面にのみ結合された態様例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係り、リベット接合の態様例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係り、溶接接合の態様例を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施例の外観を示す斜視図である。
【図８】本発明の実施例に係る解析結果であり、母材全面の応力分布を示す図である。
【図９】本発明の実施例に係る解析結果であり、図８のｙ座標（溶接中心）における母材の溶接線直交方向の無次元化応力分布を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係り、結合手段が異なる他の態様例を示す斜視図である。
【図１１】図１０の態様例において、補強板に引張予ひずみを付与する方法を説明するための断面図である。
【図１２】従来技術１に係る溶接鋼構造物及びその製造方法の一実施例を示す図である。
【図１３】従来技術３に係る溶接構造体の溶接方法及び溶接構造体を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
Ｓ：溶接継手部に平行して高力ボルトを通り鋼板に垂直な断面，
Ｗ：母材の幅，
ａ：母材の上端と補強板中心との距離，
１：母材（鋼板），  ２：溶接継手部，
３：補強板，      ３ａ：開孔板，
４：高力ボルト，    ５：ナット，        ６：引張予ひずみ，    ７：引張外力，
８：脆性亀裂，      ９：リベット，    １０：溶接，          １１：取付金具，
１２：隙間，        １３：溶接接合
【図１】
0004909237.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004909237.tif 000009
【図７】
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【図８】
0004909237.tif 000011
【図９】
0004909237.tif 000012
【図１０】
0004909237.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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