instalacion de bombas centrifugas pablo torres bozzo

INTRODUCCION A SISTEMAS DE BOMBEO

CONCEPTOS BASICOS DE INSTALACION DE BOMBAS CENTRIFUGAS

RELATOR: PABLO TORRES BOZZO

INGENIERO MECANICO

OBJETIVO

• EXPLICAR TERMINOS Y CONCEPTOS DE FORMA SIMPLE DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS CON EL FIN EXPANDIR LOS CONOCIMIENTOS DEL PERSONAL DE MINPROCAD LTDA.

• DAR A CONOCER FORMAS DE DISEÑO DE SUCCION Y DESCARGA DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS PARA UNA OPTIMA INSTALACIÓN

ALCANCE

• TRANSMITIR EN ESTA EXPOSICION EL SIGNIFICADO DE LOS PRINCIPALES TERMINOS Y CONCEPTOS DE SISTEMAS DE BOMBEO A TRAVÉS DE BOMBAS CENTRIFUGAS, MEDIANTE DEFINICIONES, DIBUJOS, GRAFICOS, EXPLICACIONES Y APOYO AUDIVISUAL

ANTECEDENTES

• PRINCIPIOS BASICOS PARA EL DISEÑO DE INSTALACIONES DE BOMBAS CENTRIFUGAS-STERLING/SIHI

• BIBLIOGRAFIA DE EMPRESA VOGT• BIBLIOGRAFIA DE EMPRESA KSB• BIBLIOGRAFÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE

VALPARAISO (ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA)

1ª PARTECONCEPTOS TEORICOS HIDRAULICOS

- Creo saber…- Me dijeron que…- Es algo que me parece que…- Me rindo …..no sé

En esta sección se aclararán variados términos hidráulicos para fácil entendimiento

DEFINICIONES

• BOMBA:Elemento que añade energía a un fluido para desplazarlo de un punto a otro. Dicho de otra manera, es el equipo que le suministra energía necesaria al fluido para vencer los obstáculos que le presenta el piping.

• BOMBA CENTRIFUGA:Aquella que produce un gran aumento de velocidad (energía cinética), la que se convierte en presión a la salida de la máquina.

DEFINICIONES

• CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS:

- Suministran caudal constante- Son pocos eficiente para

bombear- Para altos caudales y poca

altura o incremento de presión.- Proporcionan un incremento

de altura constante para un alto rango de presiones

- Deben ser cebadas

DEFINICIONES

• CURVAS DE LA BOMBA:Representan el comportamiento de la bomba respecto a un caudal obtenido en un banco de pruebas post diseño y fabricación. Estas curvas dependen directamente del caudal, velocidad de giro, forma de la voluta entre otros factores.Se identifican 4 curvas características de la bomba:- Curva de performance- Curva de potencia- Curva de rendimiento- Curva NPSHr

DEFINICIONES

• ALTURA: Cuanto puede elevar un fluido la bomba venciendo las energías estáticas y dinámicas. Se mide en m.c.a.(Este termino es asociado a cantidad de energía y es un diferencial entre la entrada y salida de la bomba). Erróneamente se tiende a creer que este punto esta asociado solamente a la salida o descarga de la bomba.

• POTENCIA: Está referida directamente al caudal, altura lograda por la bomba y además de la densidad del fluido bombeado. La curva está asociada a la potencia hidráulica que le transmite la bomba al fluido

DEFINICIONES

• Rendimiento: Es la relación entre la potencia hidráulica y la potencia en el eje de la bomba. Este valor está dado directamente por el fabricante. Generalmente existen valores entre el 65 y 85%. La caída de rendimiento está dado por golpes del liquido en la carcasa (cambios de dirección en la voluta), roce, calor, perdida de energía cinética, recirculación, entre otros).

DEFINICIONES• NPSHr: Net Positive Succión

Head (requested).Es la cantidad de energía total en la sección de aspiración que necesita la bomba para no cavitar. Este valor es solamente dependiente de la bomba (y su caudal) y no del sistema en que se instalará.

• NPSHa: Net Positive Succión Head (available). Este valor es la cantidad de energía que el sistema de piping contiene a la entrada de la bomba. Este valor es calculado por el ingeniero a cargo de la hidráulica del sistema. Es factor de la presión atmosférica, la presión de vapor a la Tº de operación, altura estática de succión y perdidas singulares como también de fricción . Se mide en m.c.a.

DISEÑO DE PIPING DE BOMBAS

• La mayoría de los problemas hidráulicos en los sistemas de bombeo se originan en las cañerías y accesorios de succión. Por esta razón, es importante proveer del mejor diseño de la distribución de cañerías y accesorios en la succión de una bomba.

• Uno de los problemas más graves en diseño e instalación de bombas es la cavitación, ya que no discrimina material y destruye cualquier tipo de rodete o impulsor


CAVITACION

• QUE ES??• Formación de burbujas de vapor a la entrada del rodete en la

sección de aspiración de las bombas centrifugas

• POR QUÉ SE PRODUCEN BURBUJAS??• Se produce cuando el liquido que ingresa al rodete y alcanza la

presión (tensión) de vapor a una temperatura determinada del liquido.

• POR QUÉ HACE DAÑO EL QUE UNA BOMBA CAVITE??• Al pasar de una zona de baja presión (succión) a una de alta

(descarga), por ejemplo, la salida de los alabes, está burbujas implosan debido al aumento de presión por sobre la del vapor. Esta implosión llamada “Microjet” golpea fuertemente la superficie del impulsor, formando desgaste irreparable y daños considerables al mismo.


Dentro de las variadas consecuencias o síntomas de la cavitación se pueden identificar las siguientes:

- Ruido y vibraciones: Como si se bombease arena o parecido a las piedras en una hormigonera- Caída total de la altura de la bomba: Se puede ver como el manómetro de descarga se va a “piso”. Además la bomba no es capaz de seguir enviando flujo ya que las burbujan restringen el paso del fluido.- Manómetro totalmente inestable: Se ve como la aguja empieza a oscilar de forma descontrolada. La bomba sigue enviando flujo pero en forma descontrolada.


• Se estima que las presiones que se provocan en la implosión durante la cavitación pueden llegar al orden de las 1000 atm.

• Otra estimación de los investigadores es que en un segundo pueden llegar a formarse 25 mil burbujas

• En las fotografías del lado derecho se observan los daños que provoca la cavitación en los rodetes o impulsores


CAVITACION, CORROSION Y ABRASION

Los 3 fenómenos son destructivos para las bombas pero es bastante difícil dado el daño al rodete poder identificar, a simple vista, cual de los 3 realmente es el que ha provocado el daño.- La cavitación es producida por los fenómenos ya mencionados- La corrosión es creada por la incompatibilidad de los fluidos con el material de la bomba o rodete específicamente. Esta incompatibilidad forma un par galvánico destruyendo el material- La abrasión es el efecto de las partículas sólidas en suspensión en el liquido que se desplaza a gran velocidad , lo que destruye el material- Nada impide que estos 3 factores interactúen a la vez, acelerando el daño.


• Cuando puedo estar seguro que una bomba no cavitará?

Cuando se hace el diseño y cálculos de piping de succión de las bombas empezando de “cero”, se debe tener en cuenta lo siguiente para que en la succión no exista cavitación:

NPSHDisponible > 0.5 + NPSHRequerido


No sé calcular el NPSHd….Que hago??:

En variadas ocasiones puede suceder que no se pueda, no se tenga acceso o no se sepa calcular la columna neta de succión positiva disponible para asegurarse que no exista cavitación. Existen factores que disminuyen (ojo, no eliminan la posibilidad) en forma considerable la condición de estar cerca de la presión de vapor en la entrada del rodete. Estos factores son los siguientes:

1.- Subir el nivel del liquido hacia la succión: Esta solución a simple vista es muy sencilla salvo que resulte muy costoso por ejemplo elevar el estanque de donde se está obteniendo el fluido o que el nivel del agua sea fijo como la de un río. En variadas, ocasiones un par de metros es más que suficiente.



En variadas ocasiones puede suceder que no se pueda, no se tenga acceso o no se sepa calcular la columna neta de succión positiva disponible para asegurarse que no exista cavitación, pero existen factores que disminuyen (ojo no eliminan la posibilidad) en forma considerable la condición de estar cerca de la presión de vapor en la entrada del rodete. Estos factores son los siguientes:

2.- No colocar las bombas en elevación: Muy parecido a la primera opción. Se tiende a tener la máxima columna a favor de la succión de la bomba



En variadas ocasiones puede suceder que no se pueda, no se tenga acceso o no se sepa calcular la columna neta de succión positiva disponible para asegurarse que no exista cavitación, pero existen factores que disminuyen (ojo: no eliminan la posibilidad) en forma considerable la condición de estar cerca de la presión de vapor en la entrada del rodete. Estos factores son los siguientes:

3.- Reducción de las perdidas por fricción en la succión: Este debe ser el factor más importante en la reducción de la posibilidad de cavitación. Mucho fitting, mucha velocidad en la succión, aumentan considerablemente la perdida de presión por movimiento de fluido, llegando peligrosamente a la tensión de vapor a la temperatura del fluido, favoreciendo la cavitación. Se procura, tener lo más cerca posible la bomba de la fuente, evitar muchos codos y tener un diámetro de succión 1 a 2 veces mayor o igual al del flange de la bomba.




4.- Subenfriar el liquido transportado: El hecho de enfriar más el liquido bombeado o trabajar con fluidos lo más bajo frío posible, reduce la tensión de vapor del mismo. Esto se puede lograr tomando de una fuente agua más fría que la bombeada, mezclarla y así rebajar la temperatura global de lo transportado. Esta consideración obviamente necesita ser estudiada para ver la factibilidad de hacerlo. Si el liquido fuente está ya frío, mejora indudablemente el diseño de la succión.




5.- Presurizar la fuente de liquido: Al presurizar la fuente desde donde se obtiene el liquido, elevamos la cantidad de energía disponible, por lo tanto elevamos el NPSH disponible en la succión. Muy parecido a elevar el estanque en su altura geográfica.




6.- No manipular la válvula de corte en la succión: Este parámetro más que de diseño, está enfocado a las recomendaciones que debemos hacer a los operarios o usuarios del sistema. El hecho de estrangular la succión para regular flujo es totalmente perjudicial para el NPSHd, aumentando las perdidas de carga, descendiendo la presión, pudiendo llegar sin darse cuenta a la presión de vapor del liquido. Por lo tanto, jamás debe manipularse y siempre debe estar abierta mientras la bomba esté enviando flujo


Recordar Siempre!!:

En definitiva, el NPSH representa la energía como altura absoluta del liquido en la succión de la bomba por encima de la presión de vapor del liquido a la temperatura de bombeo.Es muy importante, ya que coloca restricciones al diseño de la succión de la bomba, de manera de colocar la presión a la entrada del rodete por sobre la presión de vapor del liquido y lograr que en la succión no exista cavitación (formación de burbujas). Para estar seguros de que una bomba no cavitará, obligatoriamente se deben hacer los cálculos pertinentes cuando se diseña un sistema de piping.

2ª PARTECONSEJOS PRACTICOS HIDRAULICOS

• Me queda claro la teoría……. Como aplico entonces en forma practica esto?

• Por qué sube el agua hacia la bomba? Verdaderamente la bomba es la que aspira?

• Como hago un buen diseño de succión?• Como hago un buen diseño de descarga?

DISEÑO DE PIPING DE BOMBASDISEÑO DE SUCCION

• La pregunta más típica es: Como un liquido que está en la parte inferior de la bomba logra llegar hasta ella?- La respuesta común es que la bomba “aspira” desde el pozo. La respuesta es tan obvia que no se analiza en detalle ocultando la verdad.- La respuesta verdadera es que la bomba crea una condición tal, que permite que la presión atmosférica actúe sobre el liquido permitiendo elevarlo hasta la bomba - Para bombas centrifugas:Profundidad maxima: 8 metrosProfundidad Minima: 4.5 metros


• Control de la perdida por velocidad:-Como se mencionó en la primera parte, se necesita tener la menor cantidad de perdidas de energía en la succión para evitar la cavitación. Para ello se muestra una tabla con velocidades recomendadas para tener un optimo equilibrio entre caudal y diámetro en la succión (Se toma en consideración que la succión debe ser 1 a 2 veces mayor que el flange de la bomba):


• En las instalaciones de bombas centrífugas con succión negativa, burbujas de aire pueden ser una fuente de problemas. Las cañerías de succión deben ser exactamente horizontales, o con una pequeña pendiente desde el depósito de succión hasta la bomba como muestra en la imagen. No deben haber puntos altos donde el aire puede acumularse y hacer que la bomba pierda su cebado. En los tramos horizontales de las cañerías deben usarse siempre reducciones excéntricas en lugar de reducciones concéntricas

Figura 12

Reducción Excéntrica

Codo Radio Largo Válvula de Retención

Válvula de Compuerta

Pendiente enTubería De SucciónAguas Arriba DelDepósito

Correcto

Válvula de Pie

Canastillo


• En las instalaciones de bombas centrífugas con succión negativa, burbujas de aire pueden ser una fuente de problemas. Las cañerías de succión deben ser exactamente horizontales, o con una pequeña pendiente desde el depósito de succión hasta la bomba como muestra en la imagen. No deben haber puntos altos donde el aire puede acumularse y hacer que la bomba pierda su cebado. En los tramos horizontales de las cañerías deben usarse siempre reducciones excéntricas en lugar de reducciones concéntricas

Figura 13

Válvula de Compuerta

Válvula de Retención

Incorrecto

Bolsa de aire provocada por ReducciónConcéntrica y Pendientede Tubería de Succión No se MantieneGradualmente Aguas Arriba de Depósito

Válvula de Pie

Canastillo


• Factor importante también es que el fluido llegue de buena manera a la succión de la bomba.

• Idealmente se debe procurar que la cañería llegue recta a la succión de la bomba con una longitud de 10 veces el diámetro seleccionado

• Forma Correcta:

10 x Ø InteriorDEPÓSITO

Figura 1


• Factor importante también es que el fluido llegue de buena manera a la succión de la bomba.

• Idealmente se debe procurar que la cañería llegue recta a la succión de la bomba con una longitud de 10 veces el diámetro seleccionado

• Forma Correcta:

10 x Ø Interior

DEPÓSITO

Figura 2


• Si el codo está instalado directamente en la succión de la bomba pueden presentarse estos problemas: El líquido tiende a seguir el radio mayor del codo creando vórtices o retrocesos en el flujo a lo largo del radio menor, extrayendo líquido en partes de la entrada del impulsor

• Forma Incorrecta:

Intalación de SucciónIncorrecta

DEPÓSITO

Figura 3


• Si el codo está instalado directamente en la succión de la bomba pueden presentarse estos problemas. El líquido tiende a seguir el radio mayor del codo creando vórtices o retrocesos en el flujo a lo largo del radio menor, extrayendo líquido en partes de la entrada del impulsor

• Forma Incorrecta:

Intalación de SucciónIncorrecta

DEPÓSITO

Figura 4


• Conexión de dos bombas: Se debe usar una configuración en “Y”, con brazos si es necesario en lugar de una tee. La derivación de una tee produce turbulencias en el flujo del fluido. Si la succión de una bomba esta conectada a esta derivación de la tee, la turbulencia del fluido ingresa al impulsor.

Forma Correcta:

F ig u ra 6In ta la c ió n d e S u c c ió nC o r re c ta


• Conexión de dos bombas: Se debe usar una configuración en “Y”, con brazos si es necesario en lugar de una tee. La derivación de una tee produce turbulencias en el flujo del fluido. Si la succión de una bomba esta conectada a esta derivación de la tee la turbulencia del fluido ingresa al impulsor.

Forma Incorrecta:

F ig u r a 7

I n t a la c ió n d e S u c c ió nI n c o r r e c t a


• La ubicación del extremo de entrada de líquido de la cañería de succión, cercana a la descarga de líquido de otras cañerías, puede arrastrar burbujas de aire producidas por la caída del líquido sobre la superficie.- La caída libre arrastra burbujas de aire dentro del depósito de líquido. Si las líneas de descarga están muy cerca de la entrada de la succión, las burbujas de aire son arrastradas junto con el líquido hacia la succión. Solución: Separar lo mas posible las cañerías o instalar una pantalla separadora.

Figura 8

1.5Ømin.0.

5 Ø

min

.

Figura 9

SA

SB


• Para solucionar los problemas de caída libre de agua sobre la superficie, se recomienda lo siguiente :- Instalar pantallas separadoras- No dejar la cañería de llegada de agua hacia la succión por sobre el nivel del liquido

Figura 14

Succión Bomba

Pared

Recomendado

Recomendado

F ig u r a 1 6

Succ

ión

Bom

ba

R e c o m e n d a d oN o R e c o m e n d a d o


• Sumergencia inapropiada del extremo de la cañería de succión de una bomba puede producir vórtices, el cual es un remolino que puede conducir aire desde la superficie hacia el extremo de la cañería de succión de la bomba. La sumergencia “Mu” da tiempo al aire a que escape hacia la superficie del liquido

• En suma a la sumergencia, la localización de la cañería en el depósito y las dimensiones reales del depósito son también importantes para prevenir los vórtices y/o la turbulencia excesiva.


• Otro factor importante es el despeje de la toma de agua desde elfondo del sumidero hasta la entrada de la cañería de succión. Recomendado 0.5 veces el diámetro de la cañería

• Tener una succión “acampanada”: El ancho de la campana recomendado debe ser 2 veces el diámetro. Esto favorece las bajas velocidades y guía en forma uniforme el liquido hacia la succión.

DISEÑO DE PIPING DE BOMBASDISEÑO DE DESCARGA

• El diseño de la descarga de una bomba no es tan crítico como el diseño de la succión, pero no menos importante. Por ello, el diseño debe ser optimo para lograr una operación económica.

• Los criterios de la descarga pasan más que todo por un tema costos ya que:- Cañerías muy grandes en descarga respecto al caudal (velocidad) es un alto costo de material pero se disminuyen las perdidas porfricción- Cañerías muy pequeñas en descarga respecto al caudal (velocidad) representan grandes perdidas por fricción, mayor potencia de motor (gastos energéticos) debido a la altura que debe desarrollar la bomba para un caudal necesario.- Otro factor importante es la energía cinética que lleva el fluido que representa esfuerzos en los cambios de dirección como también desgaste de la cañería. - Por contraparte, cañerías pequeñas, disminuyen los costos del material y montaje


• En líneas de descarga se podría decir que no hay limites en cuanto a la elevación del liquido desde la bomba (centrifugas y otras) hasta el lugar de llegada y solo depende de la energía que se necesite utilizar

• Como recomendación se procura para tener un diámetro económico de cañería, velocidades entre:- Mínimo: 1.5 m/s- Máximo: 2.5 m/s- Crítico: 3.0 m/s

• Para calcular la velocidad de un fluido dentro de la cañería la formula sencilla es: Q = V x A , donde:- Q = Caudal ; V = Velocidad; A = Área de la cañería (utilizando diámetro interior) . Ojo: Precaución con las unidades


• Se procura finalmente no hacer cambios bruscos de sección en las descargas para no provocar el aumento de energía cinética de forma violenta como también aumento de perdidas por fricción.


GOLPE DE ARIETE• Para tener una idea, el fenómeno del Golpe de Ariete es otro de los

problemas más complejos y estudiados en hidráulica • La definición Técnica del fenómeno es:

- “Onda de presión que se propaga a través de la cañería y que viaja en ambas direcciones producida por un cambio brusco de la velocidad del fluido o detención del mismo de forma repentina. Su génesis es en el punto de cambio de sección o interferencia ”


GOLPE DE ARIETE• La explicación sencilla del fenómeno se basa en que se dice que el

agua es “no compresible” pero la realidad es que sí se comprime pero es imperceptible. La descripción del fenómeno es el siguiente:

• 1.- Si imaginamos un flujo de agua dentro de una cañería y repentinamente cerramos una válvula en forma instantánea, toda la energía cinética que lleva el fluido pasa a ser “cero” bruscamente y se transforma en Energía Potencial al chocar con la válvula cerrada.

• 2.- Se eleva la presión en el punto de cese en un “Delta P” respecto a la que lleva normalmente en ese punto ya que las partículas de agua que vienen detrás empujan las que se han detenido.


GOLPE DE ARIETE• 3.- Al chocar el flujo de agua, deforma la cañería expandiéndola,

mientras el agua se va comprimiendo• 4.- Luego que toda el agua en la cañería deja de moverse, es decir

se logra la compresión máxima, el flujo o la masa de agua tiende a expandirse ahora pero en dirección contraria, provocando la onda de expansión en esa dirección opuesta

• 5.- A su vez la cañería que se había expandido, tiende a tomar su forma original

• 6.- El flujo al ir en sentido contrario crea una depresión en la zona donde la válvula está cerrada, pudiendo ésta ser tan baja de vaporizar y formar burbujas en esa zona.


GOLPE DE ARIETE

• 7.- A su vez que se produce la depresión, la cañería en esa zona tiende a contraerse incluso llegando a deformar hacia adentro lacañería llegando a la rotura de la misma en casos críticos.

• 8.- La onda finalmente cesa por absorción o disipación de la energía a través de la deformación de la cañería en variados ciclos, lo que obviamente produce variados daños


GOLPE DE ARIETE

Algunas causas del “Golpe de Ariete”:

• Cierre o apertura brusca de válvula• Arranque de bomba o detención (brusca)• Funcionamiento inestable de bomba (flujos con variación del punto

de trabajo violentos)• Llenado inicial de la cañería• Redes de incendio


GOLPE DE ARIETE

Consecuencias:

• Este fenómeno es muy peligroso ya que la sobrepresión que puede ocasionar está en el orden de 60 a 100 veces incluso más la presión normal de la cañería, destruyendo todo tipo de elementos que se encuentren en sus extremos

• La intensidad del golpe de ariete es proporcional a la longitud de la cañería e inversamente proporcional al tiempo de cierre de válvula


GOLPE DE ARIETE

Como se puede controlar el Golpe de Ariete?Existen variados método para prevenirlo, entre ellos están:

- Cerrar gradualmente la válvulas de corte. Para ello utilizar válvulas con roscas- En muchas oportunidades la detención brusca no se puede evitar (corte de luz). Para ello se utilizan cámaras con aire comprimido o válvulas que puedan absorber las ondas expansivas y las disipen


GOLPE DE ARIETE

Como se puede controlar el Golpe de Ariete?

- Un diseño de impulsión con velocidades controladas o bajas disminuye las posibilidades de “Golpe de Ariete”- Un bypass de retorno a la cámara de succión al inicio de la descarga - En general se buscan amortiguadores para poder disipar las ondas de presión generadas por este fenómeno- El cálculo de las posibilidades de Golpe de Ariete puede llegar a ser muy complejo y se soluciona solamente con modelos matemáticos


UN POCO DE HISTORIA

• El golpe de ariete se ha venido estudiando desde los albores delSiglo XX con mucha meticulosidad. Podríamos señalar los siguientes nombres como los más conocidos por sus trabajos en este campo: - Joukowsky fué , en alguna medida, el pionero de los estudios.- Allievi estableció la teoría de su nombre.- Micheaud es el autor de la fórmula de cálculo de la sobrepresióncuando se conoce el tiempo de parada de la columna líquida- Bergeron publicó el excelente método de cálculo gráfico de su nombre- Parmakian es el autor de un método de cálculo utilizando ábacos para la determinación de las presiones en las tuberías

CONCLUSIONES

• Hemos podido apreciar que el diseño tanto de la succión como de descarga del piping son tremendamente importantes para un optimofuncionamiento de la bomba, su caudal y controlar energías de fricción , cinéticas, entre otras

• Fenómenos como la “Cavitación” y “Golpe de Ariete” son muy influyentes y es necesarios conocerlos. Estos, al no ser de conocimiento común tienden a ser ignorados o confundidos en variadas oportunidades y por lo tanto no estudiados.

• “Cavitación” es un fenómeno asociado al diseño del sistema y que debe ser analizado por un especialista y conocido por los diseñadores (proyectistas) para minimizar y asegurar los riesgos que conlleva

• “Golpe de Ariete” es un fenómeno asociado al uso del sistema y su manipulación, por lo que es muy importante la capacitación de éste y sus consecuencias a los operadores de un sistema de bombeo

A CONTINUACION SE PRESENTAN VIDEOS INSTRUCCIONALES REFERENTES A LO EXPUESTO EN ESTA PRESENTACION

Cavitación y NPSH

Video 1 Video 2 Video 3

FIN DE LA PRESENTACION

GRACIAS POR SU ATENCION !!

instalacion de bombas centrifugas pablo torres bozzo

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