DE69835028T2 - Temperaturbasiertes verfahren zum regeln der metallmenge aufgebracht auf metalloxidoberflächen zur verminderung der korrosion und der spannungsrisskorrosion - Google Patents

Temperaturbasiertes verfahren zum regeln der metallmenge aufgebracht auf metalloxidoberflächen zur verminderung der korrosion und der spannungsrisskorrosion Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verminderung des Korrosionspotenzials von Komponenten, die Wasser hoher Temperatur ausgesetzt sind. Mehr im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren auf Temperatur-Grundlage zum Regeln/Steuern der Menge von Edelmetallen, die in Siedewasserreaktoren und deren Komponenten abgeschieden/abgelagert werden, um auf den Oberflächen der Komponenten eine gewünschte Metallmenge aufzubringen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Kernreaktoren werden bei der Erzeugung elektrischer Energie in einer Zentralstation, zur Forschung und zum Antrieb eingesetzt. Ein Reaktordruckgefäß enthält das Reaktor-Kühlmittel, d.h. Wasser, das Wärme aus dem Nuklearkern abführt. Entsprechende Rohrkreisläufe tragen das erhitzte Wasser oder Dampf zu den Dampfgeneratoren oder Turbinen und führen umgewälztes Wasser oder Speisewasser zurück zum Gefäß. Betriebsdrücke und -temperaturen für das Reaktordruckgefäß sind etwa 7 MPa und 288°C für einen Siedewasserreaktor (SWR) und etwa 15 MPa und 320°C für einen Druckwasserreaktor (DWR). Sowohl die in SWRs als auch DWRs eingesetzten Materialien müssen verschiedenen Last-, Umwelt- und Strahlungsbedingungen widerstehen.
  • Zu einigen der dem heißen Wasser ausgesetzten Materialien gehören Kohlenstoffstahl, Legierungsstahl, korrosionsbeständigen Stahl, Legierungen auf Nickelbasis, Cobaltbasis und Zirkoniumbasis ein. Trotz sorgfältiger Auswahl und Behandlung dieser Materialien zum Einsatz in Wasserreaktoren tritt in den Materialien, die dem heißen Wasser ausgesetzt sind, Korrosion auf. Eine solche Korrosion trägt zu einer Vielzahl von Problemen bei, z.B. Spannungsrisskorrosion, Spaltkorrosin, Erosionskorrosion, Festkleben von Druckentlastungs-Ventilen und Aufbau des γ-Strahlung emittierenden Co-60-Isotops.
  • Spannungsrisskorrosion (SCC) ist eine bekannte Erscheinung, die in Reaktor-Komponenten, wie Bauteilen, Rohren, Befestigungselementen und Schweißstellen auftritt, die Wasser hoher Temperatur ausgesetzt sind. SCC, wie der Begriff hier benutzt wird, bezieht sich auf ein Reißen, das durch statische oder dynamische Zugspannung in Kombination mit Korrosion an der Rissspitze ausgebreitet wird. Reaktor-Komponenten sind einer Vielfalt von Spannungen ausgesetzt, die, z.B., mit Unterschieden in der thermischen Ausdehnung, dem für den Behälter des Reaktor-Kühlwassers benötigten Betriebsdruck und anderen Quellen verbunden sind, wie Restspannung vom Schweißen, Kaltverformen und anderen asymmetrischen Metallbehandlungen. Zusätzlich können Wasserchemie, Schweißen, Wärmebehandlung und Strahlung die Empfindlichkeit von Metalles in einer Komponente gegenüber SCC erhöhen.
  • Es ist gut bekannt, dass SCC in höheren Raten auftritt, wenn Sauerstoff im Reaktorwasser in Konzentrationen von etwa 5 ppb oder mehr vorhanden ist. SCC wird weiter in einem starken Strahlungsfluss erhöht, in dem oxidierende Materialien, wie Sauerstoff, Wasserstoffperoxid und kurzlebige Radikale durch radiolytische Zersetzung des Reaktorwassers erzeugt werden. Solche oxidierenden Materialien erhöhen das elektrochemische Korrosionspotenzial (ECP) von Metallen. Elektrochemische Korrosion wird durch einen Fluss von Elektronen von anodischen zu kathodischen Bereichen auf Metalloberflächen verursacht. Das ECP ist ein Maß der thermodynamischen Neigung zum Auftreten von Korrosions-Erscheinungen und es ist ein Grundparameter bei der Bestimmung von Raten von, z.B., SCC, Korrosionsermüdung, Korrosionsfilm-Verdickung und allgemeiner Korrosion.
  • In einem SWR verursacht die Radiolyse des primären Wasser-Kühlmittels im Reaktorkern die Netto-Zersetzung eines geringen Anteils des Wassers in die chemischen Produkte H2, H2O2, O2 und oxidierende und reduzierende Radikale. Für stationäre Betriebsbedingungen entstehen Gleichgewichts-Konzentrationen von O2, H2O2 und H2 sowohl im umgewälzten Wasser als auch im zur Turbine gehenden Dampf. Diese Kozentration von O2, H2O2 und H2 oxidiert und führt zu Bedingungen, die die intergranulare Spannungsrisskorrosion (IGSCC) empfindlicher Konstruktionsmaterialien fördern können. Ein zum Mildern der IGSCC empfindlichen Materials angewendetes Verfahren ist die Anwendung der Wasserstoff/Wasser-Chemie (HWC), wobei die oxidierende Natur der SWR-Umgebung zu mehr reduzierendem Zustand modifiziert wird. Diese Wirkung wird erzielt durch die Zugabe von Wasserstoffgas zum Reaktor-Speisewasser. Wenn der Wasserstoff das Reaktorgefäß erreicht, dann reagiert er mit radiolytisch gebildeten oxidierenden Materialien unter Rückbildung von Wasser und vermindert dabei die Konzentration gelöster oxidierender Materialien im Wasser in der Nähe von Metalloberflächen. Die Rate dieser Rekombinations-Reaktionen hängt von lokalen Strahlungsfeldern, Wasser-Strömungsraten und anderen Variablen ab.
  • Der injizierte Wasserstoff vermindert das Niveau bzw. die Menge oxidierender Materialien im Wasser, wie gelösten Sauerstoff, und vermindert als ein Ergebnis die ECP von Metallen in Wasser. Faktoren, wie Variationen in den Wasser-Strömungsraten und der Zeit oder Intensität des Aussetzens gegenüber Neutronen- oder γ-Strahlung führt jedoch zur Erzeugung oxidierender Materialien in unterschiedlichen Mengen in verschiedenen Reaktoren. So waren variierende Mengen von Wasserstoff notwendig, um das Niveau oxidierender Materialien genügend zu vermindern, um die ECP unterhalb eines kritischen Potenzials zu halten, das für den Schutz vor IGSCC in Wasser hoher Temperatur erforderlich ist. Der Begriff "kritisches Potenzial", wie er hier benutzt wird, bedeutet ein Korrosionspotenzial bei oder unterhalb eines Bereiches von Werten von etwa –0,230 bis –0,300 V, bezogen auf die Skala der Standard-Wasserstoffelektrode (SHE). IGSCC schreitet mit einer beschleunigten Rate in Systemen fort, in denen das ECP oberhalb des kritischen Potenzials liegt und bei beträchtlich geringeren oder einer Nullrate in Systemen, in denen das ECP unterhalb des kritischen Potenzials liegt. Wasser, das oxidierende Materialien, wie Sauerstoff, enthält, erhöht die ECP von Metallen, die Wasser ausgesetzt sind, über das kritische Potenzial, während Wasser mit wenig oder keinen oxidierenden Materialien zu einem ECP führt, das unterhalb des kritischen Potenzials liegt.
  • Korrosionspotenziale von korrosionsbeständigen Stählen in Kontakt mit Reaktorwasser, das oxidierende Materialien enthält, können durch Injektion von Wasserstoff in das Wasser, sodass die gelöste Wasserstoff-Konzentration etwa 50 bis 100 ppb oder mehr beträgt, auf unterhalb des kritischen Potenzials vermindert werden. Für angemessene Zugaberaten von Wasserstoff zu Speisewasser kännen Bedingungen, die zum Hemmen von IGSCC erforderlich sind, in gewissen Örtlichkeiten des Reaktors festgelegt werden. Verschiedene Örtlichkeiten im Reaktorsystem erfordern unterschiedliche Niveaus der Wasserstoff-Zugabe. Sehr viel höhere Wasserstoff-Injektionsniveaus sind erforderlich, um das ECP im hohen Strahungsfluss des Reaktorkernes oder bei Anwesenheit oxidierender kationischer Verunreinigungen, z.B. Kupfer(II)ion, zu vermindern.
  • Es wurde gezeigt, dass IGSCC von korrosionsbeständigem Stahl Typ 304 (Zusammensetzung in Gew.-% 18,0–20,0 Cr, 8,0–10,0 Ni, 2,00 Mn, 1,0 Si, 0,08 C, 0,08 S, 0,045 P), der in SWRs eingesetzt wird, durch Vermindern des ECP des korrosionsbeständigen Stahls auf Werte unterhalb –0,230 V (SHE) gemildert werden kann. Ein wirksames Verfahren zum Erreichen dieser Aufgabe besteht in der Benutzung von HWC. Hohe Wasserstoff-Zugaben, z.B. von etwa 200 ppb oder mehr, die erforderlich sein mögen, um das ECP auf unterhalb des kritischen Potenzials zu verringern, können jedoch in einem höheren Strahlungsniveau in dem dampfgetriebenen Turbinenabschnitt aufgrund des Einbaus kurzlebiger N-16-Materialien in den Dampf resultieren. Für die meisten SWRs führt die Menge der Wasserstoff-Zugabe, die für eine Milderung von IGSCC von im Druckgefäß befindlichen Komponenten erforderlich ist, zu einer Zunahme im Strahlungsmonitor der Hauptdampfleitung um einen Faktor von fünf. Diese Zunahme der Strahlung in der Hauptdampfleitung kann hohe, sogar unakzeptable Umweltdosisraten verursachen, die teure Investitionen zur Abschirmung und Strahlungsbelastungs-Steuerung erfordern. Kürzliche Untersuchungen haben sich auf den Einsatz von Minimalniveaus von Wasserstoff konzentriert, um den Nutzen der HWC bei minimaler Zunahme der Strahlungsdosisraten in der Hauptdampfleitung zu erzielen.
  • Ein wirksames Herangehen zum Erreichen dieses Ziels besteht darin, entweder die Oberfläche des korrosionsbeständigen Stahls mit Palladium oder irgendeinem anderen Metall der Platingruppe zu überziehen oder zu legieren. Die Anwesenheit von Palladium auf der Oberfläche des korrosionsbeständigen Stahls vermindert den Wasserstoffbedarf, um das erforderliche IGSCC-kritische Potenzial von –0,230 V (SHE) zu erreichen. Die bisher für das Überziehen mit Platin benutzten Techniken schließen Elektroplattieren, stromloses Plattieren, Plasmaabscheidung und verwandte Hochvakuum-Techniken ein. Das Palladium-Legieren wurde unter Anwendung von Standard-Legierungsherstellungs-Techniken ausgeführt. Diese beiden Arten des Herangehens sind ex situ-Techniken, da sie nicht ausgeführt werden können, während sich der Reaktor in Betrieb befindet.
  • US-PS 5,135,709 von Andresen et al. offenbart ein Verfahren zum Vermindern des ECP auf Komponenten, die aus Kohlenstoffstahl, Legierungsstahl, korrosionsbeständigem Stahl, Legierungen auf Nickelbasis oder Legierungen auf Cobaltbasis hergestellt sind, die Wasser hoher Temperatur ausgesetzt sind, indem man die Komponente derart herstellt, dass sie eine katalytische Schicht aus einem Platingruppenmetall aufweist. Der Begriff "katalytische Schicht", wie er hier benutzt wird, bedeutet einen Überzug auf einem Substrat oder ein Gelöstes in einer Legierung, die in dem Substrat gebildet ist, wobei der Überzug oder das Gelöste genügen, um die Rekombination oxidierender und reduzierender Materialien an der Oberfläche des Substrates zu katalysieren. Der Begriff "Platingruppenmetall", wie er hier benutzt wird, bedeutet Metalle aus der Gruppe bestehend aus Platin, Palladium, Osmium, Ruthenium, Iridium, Rhodium und deren Mischungen.
  • In Kernreaktoren wird das ECP durch höhere Niveaus oxidierender Materialien, z.B. bis zu 200 ppb oder mehr Sauerstoff im Wasser, gemessen in den Umwälzrohren, aufgrund radiolytischer Zersetzung von Wasser im Kern des Kernreaktors erhöht. Das in US-PS 5,139,709 offenbarte Verfahren umfasst weiter die Bereitstellung eines reduzierenden Materials in dem Wasser hoher Temperatur, das sich mit dem oxidierenden Material kombinieren kann. Gemäß diesem bekannten Verfahren müssen hohe Konzentrationen von Wasserstoff, d.h. etwa 100 ppb oder mehr, zu dem Wasser hinzugegeben werden, um einen angemessenen Schutz für Materialien bereitzustellen, die sich außerhalb der Region des Reaktorkernes befinden, und es sind noch höhere Konzentrationen erforderlich, um den Schutz von Materialien im Reaktorkern zu bewirken.
  • Die Bildung einer katalytischen Schicht aus einem Platingruppenmetall auf einer Legierung aus der vorerwähnten Gruppe katalysiert die Rekombination reduzierender Materialien, wie Wasserstoff, mit oxidierenden Materialien, wie Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid, die im Wasser eines SWR vorhanden sind. Eine solche katalytische Wirkung an der Oberfläche der Legierung kann das ECP der Legierung unter das kritische Potenzial vermindern, bei dem IGSCC minimiert ist. Als ein Resultat wird die Wirksamkeit von Wasserstoff-Zugaben zu Wasser hoher Temperatur bei der Verminderung des ECP von aus der Legierung hergestellten und dem injizierten Wasser ausgesetzten Komponenten vielfach erhöht. Weiter ist es möglich, katalytische Aktivität an Metalllegierungs-Oberflächen bereitzustellen, wenn das Metallsubstrat solcher Oberflächen eine katalytische Schicht eines Platingruppenmetalles aufweist. Relativ geringe Mengen des Platingruppenmetalles genügen, um die katalytische Schicht und katalytische Aktivität an der Oberfläche des Metallsubstrates bereitzustellen. So lehrt, z.B., US-PS 5,135,709, dass ein Gelöstes in einer Legierung von mindestens etwa 0,01 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 0,1 Gew.-%, eine katalytische Schicht ergibt, die genügt, um das ECP der Legierung unter das kritische Potenzial abzusenken. Das Gelöste aus einem Platingruppenmetall kann bis zu einer Menge vorhanden sein, die die metallurgischen Eigenschaften, einschließlich Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit der Legierung, nicht beträchtlich beeinträchtigt. Das Gelöste kann nach im Stande der Technik bekannten Verfahren bereitgestellt werden, z.B. durch Zugabe einer Schmelze der Legierung oder durch Oberflächen-Legierungen. Zusätzlich ergibt ein Überzug aus dem Platingruppenmetall oder ein Überzug aus einer Legierung, zusammengesetzt aus einem Gelösten des Platingruppenmetalls, wie oben beschrieben, eine katalytische Schicht und katalytische Aktivität an der Oberfläche des Metalles. Geeignete Überzüge können nach im Stande der Technik zum Ablagern bzw. Abscheiden im Wesentlichen zusammenhängender Überzüge auf Metallsubstraten abgelagert werden, wie Plasmaspritzen, Flammspritzen, physikalische Dampfabscheidungs-Verfahren, wie Zerstäuben, Schweißen, wie Metall-Inertgas-Schweißen, stromloses Plattieren und elektrolytisches Plattieren.
  • Somit sind geringere Mengen reduzierender Materialien, wie Wasserstoff, wirksam bei der Verringerung des ECP der Metallkomponenten unter das kritische Potenzial, weil die Wirksamkeit der Rekombination oxidierender und reduzierender Materialien durch die katalytische Schicht um ein Mehrfaches erhöht wird. Reduzierende Materialien, die sich mit den oxidierenden Materialien in dem Wasser hoher Temperatur kombinieren können, werden durch konventionelle, im Stande der Technik bekannte Mittel bereitgestellt. Im Besonderen werden reduzierende Materialien, wie Wasserstoff, Ammoniak oder Hydrazin, in das Speisewasser des Kernreaktors injiziert.
  • Es besteht ein Bedarf, eine verbesserte Steuerung der Ablagerung von Metallen auf der Oberfläche von Komponenten zu schaffen. Die vorliegende Erfindung sucht diesen Bedarf zu befriedigen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass es möglich ist, die Menge der Metallmaterialien, die auf Metalloberflächen abgelagert wird, durch sorgfältiges Regeln der Temperatur des Wassers, in das das Metall eingeführt wird, innerhalb eines speziellen Temperaturbereiches zu regeln. Nach einem anderen Aspekt wurde gemäß dieser Erfindung festgestellt, dass es durch sorgfältige Auswahl der Wassertemperatur, Metallkonzentration und Zeit möglich ist, das Ablagerungsverhältnis eines speziellen Metalles aus einer Mischung von Metallen zu regeln.
  • Als ein Resultat der Erfindung ist es möglich, eine weitere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Metalloberflächen zu erzielen, die typischerweise in Wasser hoher Temperatur angeordnet sind. Es wurde, z.B., gefunden, dass eine unerwartet erhöhte Beladung des abgelagerten Metalles auftritt, wenn die Temperatur des Wassers innerhalb des Bereiches von etwa 200°F bis 550°F, mehr im Besonderen innerhalb des Bereiches von etwa 300°F bis etwa 450°F, ausgewählt wird, verglichen mit der Beladung, die bei Temperaturen oberhalb oder unterhalb dieses Bereiches erhalten wird. Die vorliegende Erfindung gestattet die Auswahl einer speziellen Metallbeladung auf der Metalloberfläche durch Auswahl der geeigneten Temperatur des Wassers, in das die Verbindung, die das abzulagernde Metall enthält, eingeführt wird. Das abgelagerte Metall ist typischerweise ein Edelmetall und es wird bei Abwesenheit von Wasserstoff oder anderer zugegebener Reduktionsmittel eingeführt. Das Verfahren kann in Anwesenheit von Wasserstoff und anderen reduzierenden Mitteln ausgeführt werden. Das Metall wird als eine metallhaltige Verbindung hinzugegeben, die in einer Menge eingeführt wird, dass nach Zersetzung der metallhaltigen Verbindung im Wasser die Metallatome in einer genügenden Menge freigesetzt werden, dass sie, wenn sie auf der Metalloberfläche vorhanden sind, das elektrochemische Korrosionspotenzial des Metalles auf ein Niveau unterhalb des kritischen Potenzials absenken und dadurch gegen intergranulare Spannungsrisskorrosion schützen.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Regeln der Menge der in einem auf einer Metalloberfläche vorhandenen O-xidfilm abgelagerten Metallatome/Ionen bereitgestellt, wobei die Metallatome die Korrosionsbeständigkeit bzw. -festigkeit des Metalles erhöhen, wenn sie in dem Oxidfilm vorhanden sind, wobei das Verfahren die Stufen bzw. Schritte des Untertauchens der Metalloberfläche in Wasser bei einer ausgewählten Temperatur innerhalb des Bereiches von 171°C bis 182°C (340°F bis 360°F) und das Injizieren einer Lösung oder Suspension einer Verbindung umfasst, die das Metall enthält, das die Korrosionsbeständigkeit der Metalloberfläche erhöht, wenn es im Oxidfilm vorhanden ist, wobei die Verbindung sich bei der ausgewählten Temperatur unter Freisetzung von Metallatomen zersetzt, die sich in den Oxidfilm einlagern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine schematische Darstellung, die eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines konventionellen SWR zeigt;
  • 2A und 2B sind Diagramme, die die Variation des Platin- und Rhodium-Beladungsniveaus in Abhängigkeit von der Wassertemperatur zeigen;
  • 3 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis von Platin zu Rhodium zeigt, das als eine Funktion der Temperatur abgelagert ist;
  • 4 zeigt eine graphische Darstellung der Platin/Rhodium-Ablagerungsrate als eine Funktion des Reziproken der absoluten Temperatur;
  • 5 und 6 zeigen die Wirkung der Platin- und Rhodium-Konzentration auf die Platin- bzw. Rhodium-Ablagerungsrate und
  • 7A und 7B zeigen die Platin- und Rhodium-Beladung als eine Funktion der Zeit.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Der Strömungsmittelfluss in einem Siedewasserreaktor wird allgemein unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Speisewasser wird über einen Speisewasser-Einlass 12 und einen Speisewasser-Sprüher 14, der ein ringförmiges Rohr mit geeigneten Öffnungen ist, um das Speisewasser innerhalb des Reaktordruckgefäßes (RPV) umfangsmäßig zu verteilen, in das RTV eingelassen. Ein Kern-Sprüheinlass 11 führt Wasser zu einem Kern-Sprüher 15 über eine Kern-Sprühleitung 13. Das Speisewasser vom Speisewasser-Sprüher 14 strömt durch den Fallraum 16, der eine ringförmige Region zwischen RPV 10 und Kernmantel 18 ist, nach unten. Kernmantel 18 ist ein Zylinder aus korrosionsbeständigem Stahl, der den Kern 20 umgibt und zahlreiche Brennelemente 20 umfasst (nur 2 × 2 Anordnungen davon sind in 1 gezeigt). Jedes Brennelement wird oben durch die obere Führung 19 und am Boden durch die Kernplatte 21 abgestützt. Durch den Fallraum 16 strömendes Wasser fließt dann zum unteren Kernsammelraum 24.
  • Wasser tritt danach in die Brennelemente 22 ein, die in dem Kern 20 angeordnet sind, worin eine (nicht gezeigte) siedende Grenzschicht gebildet wird. Eine Mischung aus Wasser und Dampf tritt in den oberen Kernsammelraum 26 unter dem Mantelkopf 28 ein. Der obere Kernsammelraum 26 bildet einen Abstandsraum zwischen der aus dem Kern 20 austretenden Dampf/Wasser-Mischung, die in die vertikalen Standrohre 30 eintritt, die auf dem Mantelkopf 28 und in Strömungsverbindung mit dem oberen Kernsammelraum 26 angeordnet sind.
  • Die Dampf/Wasser-Mischung strömt durch Standrohre 30 und tritt in Dampfseparatoren 32 ein, die von der zentrifugalen Axialströmungsart sind. Das abgetrennte flüssige Wasser vermischt sich dann mit Speisewasser im Mischsammelraum 33 und diese Mischung kehrt dann über den Fallraum in den Kern zurück. Der Dampf strömt durch Dampftrockner 34 und tritt in den Dampfraum 36 ein. Der Dampf wird über den Dampfauslass 38 aus dem RPV abgezogen.
  • Der SWR schließt auch ein Kühlmittel-Umwälzsystem ein, das die erzwungene Konvektionsströmung durch den Kern bewirkt, die erforderlich ist, um die benötigte Leistungsdichte zu erzielen. Ein Teil des Wassers wird durch den Umwälz-Wasserauslass 43 aus dem unteren Ende des Fallraumes 16 abgesaugt und über Umwälz-Wassereinlässe 45 durch eine (nicht gezeigte) Zentrifugal-Umwälzpumpe in Strahlpumpen-Baueinheiten 42 (von denen nur eine gezeigt ist) gedrückt. Der SWR hat zwei Umwälzpumpen, von denen jede die Antriebsströmung für eine Vielzahl von Strahlpumpen-Baueinheiten ergibt. Das Druck-Antriebswasser wird dann über einen Einlass-Steigraum 47, einen Ellbogen 48 und einen Einlassmischer 46 in Strömungssequenz jeder Strahlpumpen-Düse 44 zugeführt. Ein typischer SWR hat 16 bis 24 Einlassmischer.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, dass es möglich ist, die Menge der Metalle, die auf einer oxidierten Metalloberfläche in Wasser hoher Temperatur abgelagert werden ebenso wie das Verhältnis der Metallablagerung aus einer Mischung von Metallen durch sorgfältige Auswahl der Temperatur des Wassers, der Konzentration des Metalles und der Zeit zu regeln. In der folgenden Diskussion wird für eine bessere Beschreibung Bezug genommen auf den Einsatz von Platin als einem typischen Edelmetall. Werden Mischungen in Betracht gezogen, dann werden der einfacheren Bezugnahme wegen Platin und Rhodium beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, dass die Erfindung nicht auf den Einsatz von Platin und Rhodium beschränkt ist und andere Platingruppen- und/oder Nichtplatingruppen-Metalle allein oder als Mischungen benutzt werden können.
  • Verbindungen der Platingruppenmetalle sind bevorzugt. Der Begriff "Platingruppenmetall", wie er hier benutzt wird, bedeutet Platin, Palladium, Osmium, Ruthenium, Iridium, Rhodium und deren Mischungen. Es ist auch möglich, Verbindungen von Nichtplatingruppenmetallen einzusetzen, wie, z.B., Zink, Titan, Zirkonium, Niob, Tantal, Wolfram und Vanadium. Mischungen von Platingruppen-Verbindungen können auch benutzt werden. Mischungen von Platingruppen-Verbindungen und Nichtplatingruppen-Verbindungen können in Kombination eingesetzt werden, z.B. Platin und Zink. Die Verbindungen können metallorganisch, organisch oder anorganisch sein und sie können löslich oder unlöslich in Wasser sein (d.h., sie können Lösungen oder Suspensionen in Wasser und/oder anderen Medien, wie Alkoholen und/oder Säuren, bilden). Im Allgemeinen befindet sich, wenn Mischungen von Platin- und Nichtplatingruppen-Metallen benutzt werden, das Platingruppenmetall im Überschuss gegenüber dem anderen Metall.
  • Beispiele bevorzugter Platingruppenmetall-Verbindungen, die eingesetzt werden können, sind Palladiumacetylacetonat, Palladiumnitrat, Palladiumacetat, Platinacetylacetonat, Hexahydroxyplatinsäure, Na2Pt(OH)6, Pt(NH3)4(NO3)2, Pt(NH3)2(NO3)2, K3Ir(NO2)6 und K3Rh(NO2)6. Andere Beispiele sind Platin(IV)oxid (Pt[IV]O2), Platin(IV)oxidhydrat (Pt[IV]O2·xH2O worin x 1 bis 10 ist), Rhodium(II)acetat (Rh[II]ac2), Rh[III]nitrat (Rh[III](NO3)3), Rhodium(III)oxid (Rh[III]2O3), Rhodium(III)-oxidhydrat (Rh[III]2O3·xH2O, worin x 1 bis 10 ist), Rhodium(II)phosphat (Rh[III]PO4) und Rhodium(III)sulfat (Rh[III]2(SO4)3)
  • Beispiele von Mischungen der Verbindungen, die eingesetzt werden können, sind Mischungen, enthaltend Platin und Iridium und Platin und Rhodium. Der Einsatz solcher Mischung führt zum Einbau von Edelmetallen auf den Oberflächen von oxidiertem korrosionsbeständigem Stahl. Die Anwesenheit von Iridium oder Rhodium mit dem Platin ergibt eine gute Langzeithaltbarkeit. Es wurde festgestellt, dass eine Kombination von etwa 40 bis 80 ppb Pt und 10 bis 35 ppb Rh, z.B. Konzentrationen von etwa 60 ppb Pt und 20 ppb Rh, in Wasser, gute Haftungseigenschaften über längere Zeiten ergibt.
  • Die Metallverbindung kann an Ort und Stelle in Form einer wässerigen Lösung oder Suspension injiziert werden oder sie kann in dem Wasser aufgelöst werden, bevor die zu behandelnde Metalloberfläche eingeführt ist. Wie in den Ansprüchen benutzt, bedeutet der Begriff "Lösung" Lösung oder Suspension. Lösungen und Suspensionen können unter Einsatz von Medien, die dem Fachmann bekannt sind, gebildet werden. Beispiele geeigneter Medien, in denen Lösungen und/oder Suspensionen gebildet werden, sind Wasser, Alkohole, wie Ethanol, Propanol, n-Butanol, und Säuren, wie niedere Carbonsäuren, z.B. Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure.
  • 2A und 2B zeigen die Wirkung der Variation der Temperatur auf die Metallablagerungsrate sowie die Wirkung des Abstandes vom Punkt der Einführung der Verbindung bis zur Ablagerungsregion auf der Metalloberfläche. Wie in den 2A und 2B gezeigt, wird ein überraschend erhöhtes Beladen über den Temperaturbereich von 200° bis 500°F, spezieller im Bereich von 300° bis 450°F und insbesondere bei etwa 340° bis 360°F beobachtet. Wie aus den 2A und 2B ersichtlich, erstreckt sich die im Temperaturbereich von 300° bis 450°F beobachtete Beladung von etwa 10 μg/cm2 bei etwa 300°F bis zu einem Maximum von etwa 62 μg/cm2 bei etwa 340°F und fällt dann auf etwa 10 μg/cm2 und weniger ab, während die Temperatur gegen 500°F ansteigt. Diese Spitzenwirkung ist überraschend und bietet des Vorteil, dass das Ablagern der Metalle auf der Metlloberfläche durch sorgfältige Auswahl der Wassertemperatur und des Punktes der Einführung des abzulagernden Metalles gesteuert werden kann.
  • Wenn die Metallverbindungs-Lösung oder -Suspension in das Wasser hoher Temperatur eintritt, dann zersetzt sich die Verbindung sehr rasch unter Bildung von Atomen, die in den Oxidfilm des Metalles (typischerweise korrosionsbeständiger Stahl) eingebaut werden. Gemäß dem Verfahren wird nur die Lösung oder Suspension der Verbindung anfänglich in das Wasser hoher Temperatur eingeführt. Keine weiteren Mittel, wie Wasserstoff, andere Reduktionsmittel, Säuren oder Basen, werden in das Wasser hoher Temperatur eingeführt, wenn die Verbindungs-Lösung oder -Suspension in das Wasser hoher Temperatur injiziert wird und sich dort zersetzt.
  • 3 zeigt die Wirkung der Temperatur auf das Verhältnis von Platin und Rhodium, das auf der Metalloberfläche abgelagert wird. Die Anwesenheit von Rhodium macht die Ablagerung haltbarer. Erreicht die Temperatur 300° bis 500°F, dann fällt das Verhältnis des abgelagerten Platins zum Rhodium bis zu innerhalb eines Bereiches von etwa 5:1 bis 10:1. Kennt man diese Beziehung, dann ist es möglich, das Verhältnis von Platin zu Rhodium in der abgelagerten Schicht auf der Grundlage der vorherrschenden Temperaturbedingungen des Wassers zu steuern.
  • 4 zeigt, dass die Ablagerungsrate für eine Lösung von 60 ppb Platin und 20 ppb Rhodium im Bereich von 180° bis 350°F negativ exponentiell ist. Daraus ist es möglich, die Wirkung der Temperatur auf das Verhältnis der Ablagerung der Metalle und die Zeit voherzusagen, die erforderlich ist, um eine gegebene Menge Edelmetal im Oxid abzulagern. Ein höheres ΔE für Rhodium zeigt eine geringere Rhodium-Ablagerungsrate. Diese Figur kann benutzt werden, um die Bedingungen auszuwählen, die sind zum Ablagern des erwünschten Platin/Rhodium-Verhältnisses und der -Menge erforderlich.
  • 5 und 6 zeigen, dass die Ablagerungsrate innerhalb des untersuchten Konzentrationsbereiches (0 bis 60 ppb) etwa linear ist.
  • 7A und 7B zeigen, dass die Ablagerung von Platin und Rhodium etwa linear mit der Zeit verläuft.
  • Die Massenkonzentration von Platin und Rhodium, Zeit und Temperatur sind Variable, die benutzt werden können, um ein erwünschtes Platin- zu Rhodium-Ablagerungsverhältnis und eine Gesamt-Edelmetall-Beladung zu erzeugen.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von den Verfahren der US-PSn 5,130,080 und 5,130,081 von Niedrach. Die Niedrach-Patente lehren, dass es möglich ist, stromlos Oxidfilme aufzubringen, indem man konventionelle stromlose Plattierungstechniken benutzt. Konventionelles stromloses Plattieren wird bei relativ geringen Temperaturen, typischerweise im Bereich von 50° bis 80°C, möglichst weniger, ausgeführt, und erfordert die Anwesenheit eines hinzugegebenen Reduktionsmittels, typisch Natriumhypophosphit, um Elektronen für die Reduktion der Edelmetallionen zu dem Metall zu liefern. Die Reaktion findet nur auf einer katalytischen Oberfläche statt, die zuvor sensibilisiert/aktiviert worden ist, z.B. mit Zinn(II)chlorid, und das Verfahren resultiert in einem Aufbau eines Metallüberzuges auf der Oberfläche, der schließlich die gesamte Oberfläche mit abgelagertem Metall überzieht. Das stromlose Plattierungsbad enthält typischerweise hohe Ionen-Konzentrationen in der Größenordnung von Tausenden von ppm von Chemikalien, einschließlich, z.B., Palladium(II)chlorid, Ammoniumhydroxid, Ammoniumchlorid, Dinatrium-EDTA und Hydrazin sowie ein Reduktionsmittel (z.B. Natriumhypophosphit). Der pH des stromlosen Bades liegt üblicherweise im Bereich von 9,0 bis 10,5 in Anbetracht der Anwesenheit von Base (Ammoniumhydroxid und Ammoniumchlorid).
  • In dem vorliegenden Verfahren wird die Metallverbindung oder Mischung von Metallverbindungen in das Wasser hoher Temperatur in einer solchen Menge eingeführt, dass die Konzentration des/der Metalles/Metalle im Wasser sehr gering ist, d.h. im ppb-Bereich, doch ist sie genügend dahingehend, dass bei ihrer Anwesenheit auf der Metallkomponente das ECP unter das kritische Potenzial abgesenkt wird, wie es für den Schutz vor Spannungsrisskorrosion erforderlich ist. Typischerweise wird die Metallverbindung in einer solchen Menge hinzugegeben, um eine Metallkonzentration von nicht mehr als 2000 ppb, z.B. 0,1 bis 1000 ppb, typischerweise 1 bis 500 ppb, üblicher 5 bis 100 ppb, zu erzeugen.
  • Die Verbindungs-Lösung oder -Suspension kann in das Wasser hoher Temperatur injiziert werden, während sich der Reaktor in Betrieb befindet und nukleare Wärme (Vollleistungsbetrieb) erzeugt und während des Abkühlens, während eines Stillstandes, während des Aufheizens, während der heißen Bereitschaft oder während des Niedrigleistungsbetriebeas. Das Edelmetall kann in Restwärmeentfernungs(RHR)-Rohr, Umwälzrohr, die Speisewasserleitung, die Kerndelta P-Leitung, die Strahlpumpen-Instrumentenleitung, die Steuerstabantriebs-Kühlwasserleitungen, bei den Wasserniveau-Regelpumpen oder irgendeinem anderen Ort eingeführt werden, der die Einführung des Edelmetalles in das Reaktorwasser und das gute Vermischen mit dem Wasser sicherstellt. Der Begriff "Wasser hoher Temperatur", wie er hier benutzt wird, bedeutet in der vorliegenden Erfindung Wasser mit einer Temperatur von etwa 200°F oder mehr, Dampf oder dessen Kondensat. Wasser hoher Temperatur findet sich in einer Vielzahl bekannter Apparate, wie Wasser-Entlüftern, Kernreaktoren und dampfgetriebenen Energieanlagen. Die Temperatur des Wassers, wenn Edelmetall zum Reaktorwasser hinzugegeben wird, liegt typischerweise im Bereich von 200° bis 500°F, z.B. 200° bis 450°F, üblicher etwa 340° bis 360°F. Befindet sich die Verbindung in dem Wasser hoher Temperatur, dann zersetzt sie sich sehr rasch und die Metallatome werden in die Oxidoberfläche eingebaut.
  • Bei den sehr geringen Metallniveaus, die in den Reaktor eingeführt werden, wird die Oxidoberfläche des korrosionsbeständigen Stahls nicht vollständig mit Metall bedeckt. Typischerweise weist die Oxidoberfläche das Metall in einer Menge von etwa 0,1 bis 15 Atom%, z.B. 0,5–10 Atom%, üblicher 2–5 Atom%, auf.
  • Die Tiefe des Metalles in der Oxidberfläche liegt im Allgemeinen im Bereich von 100–1000 Å, üblicher 200–500 Å. Das äußere Ausehen der oxidierten Legierung, die gemäß dem vorliegenden Verfahren behandelt ist, unterscheidet sich nicht von dem Aussehen unbehandeltem Oxids von korrosionsbeständigem Stahl. Die Edelmetall enthaltende Oberfläche hat keinen hellen metallischen Glanz, wie er im Allgemeinen mit Elektroplattierungs- oder stromlosem Überzugs-Verfahren erhalten wird.
  • Bei dem vorliegenden Verfahren wird nur eine sehr verdünnte Verbindungs-Lösung oder -Suspension in das Wasser hoher Temperatur injiziert. Es werden keine Reduktionsmittel (einschließlich Wasserstoff), Säuren und Basen hinzugegeben. Als ein Resultat liegt der typische pH des Wassers bei Umgebungstemperatur im Bereich von 6,5 bis 7,5 und bei höheren Betriebstemperaturen ist er geringer, allgemein im Bereich von etwa 5,5 bis 5,8, z.B. 5,65. Dies erfolgt aufgrund stärkerer Dissoziation des Wassers bei den höheren Temperaturen.
  • Ein in Betrieb befindlicher SWR hat sehr strenge Kühlwasser-Leitfähigkeitsniveaus, die eingehalten werden müssen. Typischerweise darf die Leitfähigkeit des Kühlwassers 0,3 μS/cm nicht übersteigen und üblicher muss sie geringer sein als 0,1 μS/cm. Solche Leitfähigkeitsniveaus werden durch hohe Konzentrationen von Ionen beeinträchtigt und im vorliegenden Verfahren wird jegliche Anstrengung unternommen, dass die Ionenkonzentrationen des Reaktors nach der Reinigung so gering wie möglich gehalten werden, vorzugsweise bei weniger als 5 ppb. Das Verfahren schließt in Anbetracht seiner korrosiven Natur insbesondere den Einsatz des Chloridions aus.
  • Das vorliegende Verfahren beinhaltet keine katalytische Aktivierung/Sensibilisieren der Oxidoberfläche des korrosionsbeständigen Stahls. Der Einsatz von Zinn(II)chlorid zum Erzielen einer solchen Aktivierung wäre unvereinbar mit dem Betrieb des SWR und den strengen Leitfähigkeitsgrenzen des Kühlwassers, auf die oben Bezug genommen wurde.
  • Während eine Bindung durch die Theorie nicht erwünscht ist, wird davon ausgegangen, dass das Metall, z.B. Platin und/oder Rhodium, über einen thermischen Zersetzungsprozess der Verbindung in den Oxidfilm des korrosionsbeständigen Stahls eingebaut wird, wo Metallionen/Atome augenscheinlich Eisen, Nickel und/oder Chromatome im Oxidfilm ersetzten, was zu einem metalldotierten Oxidfilm führt. Das Metall, wie Platin/Rhodium, kann, z.B., in den Oxidfilm eingebaut werden und kann in Form fein verteilten Metalles vorliegen. Es wird an genommen, dass der Oxidfilm gemischte Nickel-, Eisen- und Chromoxide einschließt.
  • Die ECPs der Komponenten aus korrosionsbeständigem Stahl fallen alle um etwa 0,30 V nach der Injektion des Edelmetalles und der nachfolgenden Zugabe geringer Wasserstoffniveaus. Es ist möglich, das ECP von korrosionsbeständigem Stahl Typ 304 auf gegen IGSCC schützende Werte zu verringern, ohne Wasserstoff zu injizieren, wenn eine organische Metallverbindung in das Wasser injiziert wurde. Die katalytische Oxidation organischer Materialien auf Edelmetalldotierten Oberflächen verbraucht Sauerstoff, was den Gehalt gelösten Sauerstoffes im Wasser hoher Temperatur absenkt. Gute Resultate werden auch erhalten, wenn anorganische Metallverbindung(en) benutzt wird (werden). Die Reinigung des Wassers ist einfacher, wenn anorganische Materialien, wie Nitrate, eingesetzt werden, verglichen mit organischen Verbindungen, wie Formiaten und Acetaten. Aus diesem Grunde werden typischerweise anorganische Verbindungen, insbesondere anorganische Platingruppenmetall-Verbindungen (z.B. Edelmetallnitrate und -nitrite) eingesetzt.
  • Nach der Injektion und der Einlagerung des/der Metalles/Metalle in die oxidierten Oberflächen korrosionsbeständigen Stahls wird das Wasser einem konventionellen Reinigungs-Verfahren unterworfen, um ionische Materialien, wie Nitrationen, die im Wasser vorhanden sind, zu entfernen. Dieses Reinigungs-Verfahren wird typischerweise ausgeführt, indem man einen Teil des vom Bodenkopf des Reaktors und den Umwälzrohren entfernt und durch ein Austauscherharzbett schickt und das behandelte Wasser wird dann über das Speisewassersystem in den Reaktor zurückgeführt. Wasserstoff kann einige Zeit nach der Dotierungsreaktion in das Wasser eingeführt werden, z.B. 1 bis 72 Stunden nach Injektion und Einlagerung der Metallatome in die oxidierte Oberfläche, um die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff auf den dotierten Metalloberflächen zu katalysieren. Durch die Zugabe von Wasserstoff wird das Potenzial des metalldotierten Oxidfilms auf den Komponenten aus korrosionsbeständigem Stahl zu Werten vermindert, die sehr viel negativer sind, als wenn Wasserstoff in einen SWR injiziert wird, dessen Komponenten aus korrosionsbeständigem Stahl nicht mit dem Edelmetall dotiert sind.
  • Die Edelmetallhaltige Verbindung wird in situ in das Wasser hoher Temperatur eines SWR in einer Menge injiziert, um nach Zersetzung des Verbindung eine Metallkonzentration von bis zu 2000 ppb, z.B. etwa 1–850 ppb, üblicher 5–100 ppb, zu erzeugen. Vorzugsweise wird die Palladiumverbindung an einem Punkt stromabwärts des Umwälz-Wasserauslasses 43 (siehe 1) injiziert. Die hohen Temperaturen ebenso wie die γ- und Neutronen-Strahlung im Reaktorkern zersetzen die Verbindung und setzen Edelmetallionen/atome zur Ablagerung auf der Oberfläche des Oxidfilms frei. Der Begriff "Atome", wie er hier benutzt wird, bedeutet Atome oder Ionen.
  • Es wurde in anderen Anmeldungen, z.B. WO97/40210, eingereicht am 22. April 1997, gezeigt, dass bei Palladium-Behandlung gemäß der Erfindung der ECP-Wert der Oberflächen korrosionsbeständigen Stahls recht negativ und unterhalb des erforderlichen Potenzials zum Schutz gegen IGSCC von –230 V (SAE) bleibt, selbst ohne Zugabe irgendwelchen Wasserstoffes, wenn organische Bestandteile im Wasser vorhanden sind.
  • Die Edelmetall-Injektionslösung kann, z.B., durch Auflösen der Edelmetallverbindung in Ethanol hergestellt werden. Die Ethanollösung wird dann mit Wasser verdünnt. Alternativ kann eine Suspension auf Wassergrundlage ohne Einsatz von Ethanol gebildet werden, indem man die Edelmetallverbindung mit Wasser vermischt.
  • Das Edelmetall lagert sich entweder auf dem Oxidfilm des korrosionsbeständigen Stahles ab oder wird durch ein thermisches Zersetzungsverfahren der Edelmetallverbindung in diesen eingebaut. Als ein Resultat dieser Zersetzung werden Edelmetallionen/atome zum Ersatz von Atomen, z.B. Eisenatomen, im Oxidfilm frei, was einen Edelmetalldotierten Oxidfilm auf korrosionsbeständigem Stahl erzeugt.
  • Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass Stahloberflächen mit Edelmetall unter Anwendung einer in situ-Technik (während sich der Reaktor in Betrieb befindet) dotiert werden können, die einfach in der Anwendung und folglich billig ist. Die Technik ist jedoch nicht auf die in situ-Anwendung beschränkt. Die Anwendungs-Technologie kann sogar für das Dotieren von ex situ-Komponenten angepasst werden. Die Technik kann auf in Betrieb befindliche SWRs und DWRs und ihre dazugehörigen Komponenten, wie Dampfgeneratoren, angewendet werden. In der Praxis liegt die Edelmetall-Konzentration im Reaktorwasser vorzugsweise im Bereich von 1 bis 1000 ppb, z.B. 2 bis 900 ppb, üblicher 5 bis 100 ppb.
  • Das vorstehende Verfahren wurde für den Zweck der Illustration offenbart. Variationen und Modifikationen des offenbarten Verfahrens sind dem Fachmann der Wasserstoff-Wasser-Chemie zugänglich. So können, z.B., andere Metalle als Platin/Rhodium unter Anwendung dieser Technik benutzt werden, z.B. andere Platingruppenmetalle. Ein Platingruppenmetall kann in Form einer organischen, metallorganischen oder anorganischen Verbindung injiziert werden, um das Potenzial der Reaktorkomponenten aus korrosionsbeständigem Stahl selbst bei Abwesenheit von Wasserstoff-Injektionen zu vermindern. Alternativ kann das Platingruppenmetall in Form einer anorganischen Verbindung injiziert werden, um das Potenzial der Reaktorkomponenten aus korrosionsbeständigem Stahl zu vermindern. Es ist auch möglich, Oxidfilme auf Komponenten aus kor rosionsbeständigem Stahl mit Nichtplatingruppenmetall zu dotieren, z.B. Zirkonium und Titan, indem man die Technik der Erfindung benutzt. Alle solche Variationen und Modifikationen sollen von den folgenden Ansprüchen mit umfasst werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Steuern der Menge der in einem auf einer Metalloberfläche vorhandenen Oxidfilm abgelagerten Metallatome/Ionen, wobei die Metallatome beim Vorhandensein in dem Oxidfilm die Korrosionsfestigkeit des Metalls erhöhen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Untertauchen der Metalloberfläche in Wasser einer ausgewählten Temperatur in dem Bereich von 171°C bis 182°C (340°F bis 260°F); und Injizieren einer Lösung oder Suspension einer das Metall enthaltenden Verbindung, das bei der Anwesenheit in dem Oxidfilm die Korrosionsfestigkeit der Metalloberfläche erhöht, wobei sich die Verbindung bei der ausgewählten Temperatur zersetzt, um Atome des Metalls freizugeben, die sich in den Oxidfilm einlagern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Metallatome in einer Menge abgelagert werden, die in dem Bereich von 0,01 μg/cm2 bis 62 μg/cm2 liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung dem Wasser in einer Menge zugegeben wird, die ausreicht, um eine Metallkonzentration von 0,1 bis 1000 ppb zu erzeugen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Metall in dem Oxidfilm in einer Menge von 0,1–15 Atom% vorliegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Metall ein Metall der Platingruppe ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Metall der Platingruppe Palladium ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine Mischung von Platin und Rhodium verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Palladiumazetylazetonat, Palladiumnitrat, Palladiumazetat, Platinazetylazetonat, Hexahydroxiplatinsäure, Na2Pt(OH)8, Pt(NO3)2, K3Ir(NO2)5, Platin(IV)-oxid, Platin(IV)-oxidhydrat, Rhodium(II)-azetat, Rh(III)-nitrat, Rhodium(III)-oxid, Rhodium(III)-oxidhydrat, Rhodium(II)-phosphat, Rhodium(III)-sulfat and Mischungen von diesen.
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