潛艦用管線系統冷作彎管工法之深度研究與可行性分析：結構完整性、殘留應力與軍規驗證 (In-Depth Study and Feasibility Analysis of Cold Bending Techniques for Submarine Piping Systems: Structural Integrity, Residual Stress, and Military Specification Validation)

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一、 摘要與關鍵發現

 

潛艦的作戰能力核心仰賴其隱蔽性，這對其內部管線系統的結構完整性和自生噪音控制提出了極為嚴苛的要求。本報告旨在針對潛艦製造或動力系統中應用冷作彎管工法（Cold Pipe Bending, CPB）的技術可行性、工程效益、以及潛在的結構完整性風險進行深入分析。CPB工法由於能夠消除彎頭的銲接接頭，提供連續、平滑的管線路徑，因此在優化流體動力學性能和降低製造成本方面具有顯著優勢 1。

然而，對於潛艦常用的高強度材料而言，CPB帶來的固有製程挑戰和殘留應力問題，必須被視為結構完整性的關鍵風險因子。

 

1.1 潛艦管路系統對彎管工法的特殊要求

潛艦管路系統，特別是涉及動力傳輸、高壓液體或生命支持的管線，其設計和製造必須滿足多重關鍵要求。首先，這些管線需要承受高靜水壓力並具備卓越的抗衝擊載荷能力，以確保在戰鬥或深潛環境下的結構穩定性 2。其次，潛艦技術的核心在於聲學靜音，這意味著管線必須極大程度地控制任何形式的自生噪音，包括機械振動和流體湍流噪音 3。任何可能產生應力集中點或流體不連續性的部位（如銲接接頭或嚴重的幾何缺陷，如橢圓化或起皺 4），都可能成為噪音的來源，從而危及潛艦的戰術隱蔽性。因此，製造工法必須以確保最高的平滑度、均質性和可追溯性為目標。

 

1.2 冷作彎管在海軍應用中的主要效益與風險總結

冷作彎管工法具有消除彎頭銲接點的內在優勢，能夠實現管線的百分之百連續平滑銜接 1。這對於潛艦而言，不僅在流體傳輸效率上具備低阻力、少湍流的優勢，更重要的是能大幅降低流體系統運行時的自生噪音，實現關鍵的戰術優勢。此外，採用CPB能帶來可觀的經濟效益，包括節省採購長徑彎頭的物料成本、避免現場動火程序的相關綜合成本，以及省去彎頭銲道的非破壞檢測（NDT）施工費用 1。

然而，CPB的風險在於其對材料性能的高度依賴性。對於屈服強度較高（例如Grade 3或Grade 4，≧ 380 MPa）的潛艦高強度合金 5，冷彎時極易產生顯著的回彈效應和潛在的表面或內部開裂。更重要的是，CPB固有地會在彎曲內側（Intrados）引入高幅值的殘留拉伸應力 6，這種應力是加速疲勞裂紋萌生和在腐蝕性環境中引發應力腐蝕開裂（SCC）的主要驅動因素 7。因此，對此類工法的應用必須在嚴格的品管標準下進行，並專注於殘留應力管理。

 

二、 潛艦管線系統製造工法比較分析

 

潛艦管線的製造工法通常在傳統銲接彎頭、感應熱彎管和冷作彎管之間進行選擇，每種方法對最終的結構完整性、流體性能和製造成本都有獨特的影響。

 

2.1 傳統銲接彎頭工法：優勢、限制與銲接殘留應力概述

傳統方法是使用預先製造並符合規範（如ASME B16.9）的彎頭配件，通過全滲透銲接將其連接到直管段上。此工法的優勢在於製造彈性高，能適用於各種材料等級、尺寸和彎曲角度，且銲接工法標準化程度高。

然而，銲接工法存在固有的結構弱點。首先，銲接熱循環會在銲縫及其熱影響區（HAZ）產生不均勻的熱應力。這些熱應力在冷卻後形成殘留應力，若為拉伸性質，則極大地促進疲勞裂紋的萌生 9。其次，銲接區是微結構最不均勻的區域，容易發生冷裂（氫致開裂）等延遲缺陷 10。此外，銲道的存在會在管線內部形成不連續的凸起，導致流體在流動時產生擾動和阻擋，增加壓力損失和自生噪音 1。為了控制這些風險，必須花費大量的時間和資源進行銲縫的體積非破壞檢測（如射線或超音波檢測）1。

 

2.2 感應熱彎管工法：製程特性與高風險應用案例參考

感應熱彎管（Induction Bending）是一種優於傳統銲接和部分冷彎應用的替代工法。該方法利用局部、受控的感應加熱來軟化管道材料，隨後在特定半徑下進行彎曲 11。由於加熱是局部且受控的，該工法特別適用於製造厚壁管和高強度材料的彎曲件，同時確保了耐久性和結構強度 12。此工法在離岸結構、高壓天然氣（LNG）操作和深海應用中被廣泛採用 11。

感應彎管的結構可靠性使其成為潛艦動力系統等高風險應用的潛在選項。例如，韓國在鈉冷快堆（PGSFR）的管線系統中驗證了P91感應彎管的適用性。測試結果顯示，在550°C下，材料充分滿足了ASME B&PV規範第III節第5部規定的高溫低週疲勞和蠕變破裂壽命要求 13。這項研究證明，通過對材料性能影響較小的感應加熱與彎曲工法，可以有效地減少彎管處的銲接數量，這對於潛艦動力系統中的高完整性、高溫高壓管線（如主蒸汽管路，雖然CPB不適用此處，但感應彎管可作為消除銲縫的另一種途徑）具有極高的參考價值 14。

 

2.3 冷作彎管工法：製程定義、技術範圍與應用優勢

冷作彎管（CPB）是在環境溫度下，通過施加受控的機械力使管道發生塑性變形，從而形成彎曲 7。該工法通常採用CNC控制的設備，如心軸彎曲（Mandrel Bending），以精確控制彎曲幾何形狀 7。

對於潛艦管路系統而言，CPB的應用優勢主要集中在以下兩個方面：

 

1. 聲學和流體動力學優勢

CPB工法製造的彎曲段與直管段之間是連續、平滑的，完全消除了內部銲道造成的流體阻擋或擾動 1。這種百分之百的平滑銜接從根本上優化了流體動力學性能，有利於高速流體輸送，並顯著降低了流經管線時產生的湍流和自生噪音。潛艦的戰術目標是隱蔽性，這主要取決於聲學靜音 2。因此，CPB消除了潛在的流體噪音源，將流體動力學的優勢轉化為戰術上的聲學優勢。然而，這種戰略價值的前提是必須以極其嚴格的幾何公差控制為基礎。如果彎曲過程中產生不可接受的截面橢圓化或內壁起皺 4，這些幾何缺陷本身將導致新的湍流和噪音源，從而抵消CPB的聲學效益。

 

2. 經濟與製造效益

採用CPB可以極大地簡化製造流程並降低綜合成本。製造商無需採購符合規範的長徑彎頭（1.5CLR）1。此外，由於彎頭處無需進行銲接，這就避免了現場動火程序的相關安全和時間成本，並節省了對彎頭銲道進行非破壞檢測（NDT）的施工費用 1。最後，由於整個彎管段都是由單一管件製成，因此減少了管線與彎頭材質誤用的疑慮 1。CPB也省略了彎頭銲接產生的熱應力影響，有助於材料品質控制 1。

 

三、 冷作彎管的材料力學與製程技術挑戰

 

儘管CPB具有顯著的流程優勢，但在應用於潛艦高完整性管路時，其固有的材料力學限制和製程缺陷控制構成了核心挑戰。

 

3.1 高強度材料彎曲可行性評估

冷作彎曲工法的技術難度與材料的屈服強度（Yield Strength, YS）呈正相關，並與其斷裂伸長率（Elongation, 即延展性）呈負相關 5。潛艦耐壓殼體和高壓系統傾向於使用高屈服強度合金來優化重量和空間效率 2。然而，對於這些高強度材料，CPB的可行性急劇下降。

下表詳細說明了材料屈服強度與CNC冷彎可行性的關係：

Table 1: 不同材料等級的CNC冷作彎管可行性與挑戰

材料等級 屈服強度 (MPa) 斷裂伸長率 (%) CNC冷彎可行性 主要挑戰
Grade 1 (CP) 170 ≧ 24 極佳 極少
Grade 2 (CP) ≧ 240 ≧ 20 優秀 輕微回彈
Grade 3 (CP) ≧ 380 ≧ 18 良好 較高回彈 5
Grade 4 (CP) ≧ 483 ≧ 15 較差 回彈顯著、易開裂 5

當潛艦管路材料的屈服強度達到≧ 380 MPa (Grade 3/4) 時，CNC冷彎的可行性即轉變為「良好」甚至「較差」5。這些材料的主要挑戰在於塑性變形後的回彈效應（Springback）顯著，且材料在外半徑處承受拉伸變形時易於開裂 5。為了確保彎曲角度和半徑符合設計公差，製造商必須使用精密的CNC機器和預補償算法來控制高強度材料的回彈傾向 7。

如果潛艦設計師選擇將CPB作為主要製造工法，他們可能被迫將管路材料限制在屈服強度較低的範圍（如Grade 1或Grade 2）以確保彎曲過程不產生裂紋或嚴重的幾何缺陷。這種對材料選擇的限制，實際上是對潛艦整體耐壓能力、載荷能力或系統性能所做的系統性妥協，目的是確保製造的可行性。

 

3.2 關鍵幾何缺陷的量化與控制

冷作彎曲本質上是一種塑性成形過程，必然會引起幾何形狀的變化。對於潛艦應用而言，這些缺陷必須嚴格量化和控制，以確保結構完整性。

3.2.1 壁厚變薄 (Wall Thinning) 機制與規範符合性

壁厚變薄發生在彎管的外半徑（Extrados）處，這是由於該區域受到拉伸應變和延伸所致 16。與之相對應，內半徑（Intrados）處的壁厚則會增加 18。壁厚變薄直接降低了管件的局部強度，特別是其耐壓能力和長期疲勞壽命 18。

為了評估風險，必須對壁厚變薄進行量化計算。工程師需根據起始壁厚（WT）、外徑（OSR）和中心線半徑（CLR）使用特定公式來確定剩餘壁厚（RWT）16。最終的RWT必須通過超音波測厚（UT）進行驗證，並確保其符合國際管道標準（如DNV-ST-F101）的最小壁厚要求，以避免過度應力或壓力失效 18。

 

RWT = WT –{ [(OSR – CLR)/OSR]* WT}

 

3.2.2 截面橢圓化 (Ovality) 與內壁起皺 (Wrinkling)

截面橢圓化是指在彎曲過程中，管線的橫截面受不均勻壓縮與拉伸，圓形截面變為橢圓形 4。橢圓化程度必須在軍規公差範圍內，否則將影響流體性能、與其他組件的對接精度，甚至潛在的聲學性能。

內壁起皺發生在內半徑（Intrados）的過度壓縮區，導致內壁出現波浪狀變形或褶皺 4。起皺會顯著增加流體阻力，對潛艦的流體效率和自生噪音控制產生負面影響，同時也可能成為應力集中點。在彎曲薄壁管或要求小彎曲半徑時，使用心軸彎曲（Mandrel Bending）來提供內部支撐，對於防止橢圓化和內壁起皺至關重要 12。檢測方法主要包括目視檢查和起波高度的精確測量 4。

 

四、 結構完整性與殘留應力深度分析

 

冷作彎曲工法最大的潛在風險，是塑性變形過程中產生的自平衡殘留應力（Residual Stress, RS）。對潛艦而言，RS的精確管理和評估對於確保長期結構完整性和抗疲勞能力至關重要。

 

4.1 冷作塑性變形與殘留應力 (RS) 分佈

殘留應力的根本來源是彎曲過程中產生的不均勻塑性應變 6。當管道彎曲並去除外部載荷後，彈性區域嘗試恢復到原始形狀，但被永久變形的塑性區域所約束，從而在材料內部形成自平衡的應力場。

在CPB過程中，管線外半徑（Extrados）經歷拉伸，內半徑（Intrados）經歷壓縮。RS的最終分佈如下：

  1. 外半徑（Extrados）： 保持殘留壓應力。
  2. 內半徑（Intrados）： 保持殘留拉伸應力 6。

最高的殘留拉伸應力通常位於內表面進入彎曲處的切線點（point of tangency），因為這是彎曲過程中塑性應變梯度最大的區域 6。由於殘留拉伸應力是導致疲勞裂紋萌生和應力腐蝕開裂的關鍵驅動因素，因此內半徑區域成為結構完整性的薄弱環節。

 

4.2 殘留應力對長期疲勞與穩定性的影響

殘留應力雖然不直接影響管道對靜態載荷的抵抗能力 20，但對於潛艦所需的長期疲勞壽命和動態穩定性具有決定性影響。殘留拉伸應力會直接降低材料的有效疲勞壽命 7，因為它在服役載荷之外提供了額外的靜態拉伸偏置，加速了微觀缺陷向臨界裂紋尺寸的成長 20。

在潛艦管路服役期間，必須考慮殘留應力與實際服役載荷（例如，流體流動、熱載荷或衝擊載荷）的結合作用 14。為了實現更準確的結構壽命預測，工程分析需要採用流體-結構相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）與殘留應力（RS）相結合的有限元分析（FEA）方法 14。這種複合分析能夠模擬幾何變化區域（如彎曲處）的應力分佈，並在考慮實際工況下，提供更安全的許用應力評估和結構壽命預測 14。

 

4.3 應力腐蝕開裂 (SCC) 風險管理

應力腐蝕開裂（SCC）是潛艦管路（特別是使用不鏽鋼或鎳基合金）在服役期間必須嚴格控制的失效模式。SCC的發生需要三個要素同時存在：殘留拉伸應力、易感材料以及腐蝕性環境（例如，潛艦系統中潛在的含氯介質）8。

由於CPB在內半徑處引入了持續的高殘留拉伸應力 6，這一工法極大地增加了SCC的風險。殘留拉伸應力與環境中的氯化物協同作用，可能在彎曲管段的內表面引發裂紋，並使其快速向內部擴展 8。因此，對於潛艦中可能接觸高溫或含氯流體的不鏽鋼管路，製造商必須採取嚴格的預防措施，包括選擇耐SCC性能更強的高合金材料（例如雙相不鏽鋼Grade 2205）或在彎曲後進行應力釋放處理 8。

在潛艦級的CPB應用中，需要認知到故障模式的本質轉變。銲接工法產生的殘留應力集中於銲縫的熱影響區 9，是局部且可通過常規體積檢測來定位和控制的。然而，CPB產生的殘留應力是沿著整個彎曲弧度連續分佈的 6。若未進行應力消除，CPB實際上是用一個可檢測的局部缺陷（銲縫）替換了一個沿內側弧度分佈的連續應力熱區。這使得故障模式從局部銲縫斷裂轉向沿內側弧度的潛在疲勞或SCC蔓延，要求對檢測策略進行根本性的轉變。

 

4.4 數值模擬與驗證 (Finite Element Analysis, FEA)

在潛艦管線的設計階段，數值模擬是預測和控制結構完整性不可或缺的工具。應使用Abaqus等高級FEA工具，模擬大變形下管線的塑性應變和殘留應力分佈 20。

透過FEA構建的綜合數據庫，可以建立經驗公式，用於快速準確地計算殘留應力的大小，特別是應當強調直徑-厚度比（D/t ratio）和凹陷深度（dent depth）對殘留應力的影響 20。這些數值預測對於潛艦管路的安全設計、驗收標準以及後續的維護檢查規劃至關重要。

 

五、 品質保證、檢驗標準與軍規要求

 

潛艦製造對品質保證（QA）的要求極高，CPB作為一種塑性成形工法，其品質控制必須從傳統的事後檢測轉向系統性的過程控制，並遵循嚴格的軍事標準。

 

5.1 關鍵行業規範與軍事標準依據

潛艦管路系統的設計和製造必須達到或超過美國海軍標準（US Navy Standard）規定的最低要求。例如，MIL-STD-777F標準要求在海軍水面艦艇的管路系統中，必須最大限度地使用管路彎曲、長徑彎頭等，並避免使用短半徑彎頭 21。此外，MIL-STD-1627c標準專門提供了海軍活動中管路彎曲的製造要求和驗收準則 22。

在材料和工法驗證方面，製造商必須確保材料符合ASTM標準（如ASTM A234 WPB）對化學成分和力學性能的規定 4。特別是對於冷作彎曲，ASTM A106標準要求試樣在室溫下彎曲 180° 後，外側不應出現裂紋 4，這是對材料延展性和彎曲工法的基礎要求。

 

5.2 檢驗與測試計畫 (ITP) 框架在海軍製造中的實施

在高安全要求領域（如核電廠或潛艦）4，品質保證（QA）是一個從原料到成品的系統性管理框架，遠超於事後檢測。製造商必須建立詳細的檢驗與測試計畫（ITP），清晰地定義從原料接收到最終出貨的每個關鍵步驟，並明確各方的參與程度 4。

ITP必須包括以下關鍵控制點：

  1. Hold Point (H)： 在關鍵或不可逆的工序（例如高強度合金的最終塑性彎曲、應力釋放處理），必須暫停，等待客戶代表或指定方到場檢驗並簽核後才能繼續 4。
  2. Witness Point (W)： 指定方有權利到場見證檢驗（例如CNC機器參數設定、潤滑應用），即使未能到場，工序仍可繼續 4。
  3. Review Point (R)： 指定方只需事後審查相關的檢驗報告 4。

所有檢驗步驟都必須產生對應的書面記錄，構成完整的「品質證明文件包」（Quality Assurance Package），為整個製造過程提供完整的可追溯性證明 4。

 

5.3 非破壞性檢測 (NDT) 策略：針對冷彎缺陷的專門應用

非破壞性檢測（NDT）是評估CPB品質的關鍵手段。針對CPB固有的缺陷類型，必須採用有針對性的NDT策略。

Table 2: 冷作彎管常見缺陷、成因與推薦NDT檢測方法

缺陷類型 成因 潛艦風險影響 推薦檢測方法
壁厚變薄 外半徑處拉伸變形 降低耐壓能力，局部應力集中導致疲勞失效 16 超音波測厚 (UT)、壁厚檢測報告 4
截面橢圓化 彎曲時橫截面受不均勻應力 影響流體性能與管件連接精度 4 尺寸測量、量規板驗證 4
表面裂紋 彎曲半徑過小或材料延展性不足 疲勞裂紋萌生點、應力腐蝕開裂 4 滲透檢測 (PT)、磁粉檢測 (MT) 1
內壁起皺 內半徑處過度壓縮 顯著增加流體阻力，可能產生應力集中 4 目視檢查、起波高度測量 4

表面缺陷檢測： 由於高殘留拉伸應力通常在外半徑處形成，表面裂紋是主要關注點。必須對彎曲段的內外表面進行百分之百的滲透檢測（PT）或磁粉檢測（MT）1。有案例顯示，對1.5CLR重型冷作彎管拉伸段（即外側）委託第三方公正檢驗進行PT染色探傷，結果全部合格通過 1，證明表面完整性在規範控制下是可實現的。

尺寸與體積完整性檢測： 必須採用超音波測厚（UT）對外半徑壁厚變薄區域進行定量檢測 4。尺寸檢查（如量規板）則用於驗證截面橢圓化和起皺高度是否在軍規嚴苛的公差範圍內 4。對於肉眼不可見的內部缺陷，如內部裂紋或夾渣，可能需要輔以超音波檢測（UT）或射線檢測（RT）來評估體積完整性 4。

鑑於CPB引入的缺陷（例如幾何缺陷和殘留應力）是塑性變形過程固有的，而非僅限於局部缺陷，單純的事後NDT並不足以確保潛艦所需的品質標準 4。潛艦級CPB的品質控制必須從傳統的「缺陷產品剔除」轉向「製造過程參數驗證」。這要求在ITP中，必須將CNC機器參數、心軸使用、潤滑、以及彈性補償數據作為強制性追溯文件的一部分，確保對製造過程的絕對控制，以保證最終的結構完整性。

 

六、 結論與策略建議

 

綜合對冷作彎管工法（CPB）的結構完整性、殘留應力、材料限制及軍規要求的分析，本報告得出以下結論和策略建議：

 

6.1 冷作彎管在潛艦動力與管路系統中的應用建議與限制條件

CPB工法在潛艦管路系統中具有明確的戰術和經濟優勢，特別是在改善流體性能和降低自生噪音方面。然而，其應用必須嚴格受到材料強度的限制。

建議應用領域： CPB應優先用於對流體效率和聲學靜音要求極高，且材料強度要求適中（屈服強度 ≦ 300 MPa，如Grade 1/2）的管路系統 1。這包括潛艦的次級冷卻管路、通風系統或某些低壓輔助液壓管線。

限制使用條件： 嚴禁在要求極高強度合金（屈服強度 ≧ 380 MPa，如Grade 3/4）的關鍵耐壓或高載荷系統上使用CPB 5。對於這類系統，由於CPB會帶來無法接受的開裂、嚴重回彈和應變硬化風險，應優先選擇感應彎管工法以進行受控熱彎曲，以確保結構耐久性，正如其在核電高風險應用中所展示的可靠性 13。

 

6.2 殘留應力管理與後續處理建議

CPB產生的內側殘留拉伸應力是長期疲勞和應力腐蝕開裂的主要風險源。

殘留應力設計基準： 在潛艦管路的設計階段，必須強制將CPB產生的殘留應力納入疲勞評估（S-N曲線）中。應結合FEA/FSI複合分析，對彎曲件的複合應力狀態進行精確建模，以確保在服役載荷下仍具備足夠的安全裕度 14。

應力釋放可行性： 為了主動降低殘留拉伸應力的峰值，從而提高管線的抗疲勞和抗SCC能力，應當研究和驗證在彎曲後採用機械應力釋放技術的可行性。這類技術包括受控條件下的冷校直（如用於校直彎曲的軸類組件 24）或內部擴徑，這些方法有助於重新分佈塑性應變，從而減輕內半徑處的殘留拉伸應力。

 

6.3 專案開發階段的品質控管策略

潛艦管路採用的幾何公差（壁厚變薄、橢圓化）標準必須遠高於一般工業標準，以確保聲學穩定性和結構完整性。

ITP核心投入： 必須強制性地在檢驗與測試計畫（ITP）中，將以下檢測作為針對CPB過程的關鍵控制點（Hold Points或Witness Points）：

  1. 超音波測厚（UT）： 定量測量外半徑的壁厚變薄程度，確保滿足海軍和壓力容器規範的最小要求 4。
  2. 表面缺陷檢測（PT/MT）： 檢查潛在的拉伸裂紋，特別是在外半徑區域 1。
  3. 過程參數驗證： 驗證CNC彎曲機器的所有設定參數、心軸使用情況和回彈補償值，並將其作為品質證明文件包的一部分，確保製造過程的可追溯性。

 

附錄：關鍵工法對比與潛艦影響評估

Table 3: 冷作彎管與銲接彎頭之關鍵性能比較

性能指標 冷作彎管 (Cold Bent) 銲接彎頭 (Welded Elbow) 戰略影響考量 (潛艦)
連接完整性 100%連續、平滑 1 存在銲縫，非均質性 優化流體動力學，降低流體噪音，CPB 具優勢
流體阻力 (壓力損失) 極低 (無內銲道抗阻) 1 較高 (銲道可能造成擾動) 提高推進系統與液壓系統效率
殘留應力來源 塑性變形 (分佈在彎曲區域) 6 銲接熱影響區 (HAZ) 9 影響 SCC 和疲勞壽命，CPB 應力分佈更廣
NDT需求 著重尺寸、壁厚 (UT)、表面缺陷 (PT/MT) 4 著重銲縫內部缺陷 (RT/UT) 總體 NDT 費用較低，但要求對 RS 區域進行全面表面檢查 1
材料限制性 嚴格依賴材料延展性，高強鋼較困難 5 適用性廣，但需嚴格控制銲接工法 限制潛艦高壓管路系統的設計彈性

參考文獻

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  21. MIL-STD-777F(SH) – San Diego Seal Inc. (SDSI), https://sandiegoseal.com/pdf/mil777f.pdf
  22. MIL-STD-1627c Pipe & Tubing Bending | PDF | Pipe (Fluid … – Scribd, https://www.scribd.com/document/807308497/MIL-STD-1627c-Pipe-Tubing-Bending
  23. 無損檢測：完整指南, https://ndtmachine.com/zh-tw/non-destructive-examination/
  24. ‘Cold straightening’ of bent shafts may save time and money | Gard’s Insights, https://gard.no/insights/cold-straightening-bent-shafts-may-save-time-money/
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