KR102300003B1 - 가압 용기용 안전 방출 시스템 - Google Patents

가압 용기용 안전 방출 시스템 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템은 가압 용기에 연결된 방출 배관, 상기 가압 용기와 상기 방출 배관 사이에 설치되는 안전 방출 밸브, 상기 방출 배관에 설치된 온도 측정부, 그리고 상기 온도 측정부에 연결되며 상기 안전 방출 밸브의 누설량을 측정하는 누설량 측정부를 포함한다.

Description

가압 용기용 안전 방출 시스템{SAFETY RELEASE SYSTEM FOR PRESSURE VESSEL}
본 발명은 가압 용기용 안전 방출 시스템에 관한 것이다.
가압 용기용 안전 방출 밸브는 계통을 과압으로부터 보호하는 고온 과압 보호 기능과 설계를 초과하는 사고 발생 시 급속으로 감압하는 급속 감압 기능을 수행한다.
가압 용기용 안전 방출 밸브는 고온 및 고압의 증기를 작동 유체로 다루므로 밀봉에 우수한 고무 재질을 사용할 수 없고 금속 대 금속 접촉(Metal to Metal Contact)으로 밀봉하므로 운전 중 증기 누설이 발생할 수 있다.
특히 파일럿 구동 안전 방출 밸브는 몸체 상하부 온도차가 운전 중 상존하고 있어 시트면 접촉력이 균일하지 않으므로, 잦은 누설이 발생하고 있어 예방 정비 기간이 증가하고, 설비 이용률이 감소하고 있다.
이를 방지하기 위해 가압 용기용 방출 배관 내에 안전 방출 밸브의 누설량을 측정하기 위한 유량계를 설치할 수 있으나, 이 경우 방출 증기의 유량을 제한할 수 있다.
본 실시예는 보다 정확하게 안전 방출 밸브의 누설량을 판단할 수 있는 가압 용기용 안전 방출 시스템에 관한 것이다.
일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템은 가압 용기에 연결된 방출 배관, 상기 가압 용기와 상기 방출 배관 사이에 설치되는 안전 방출 밸브, 상기 방출 배관에 설치된 온도 측정부, 그리고 상기 온도 측정부에 연결되며 상기 안전 방출 밸브의 누설량을 측정하는 누설량 측정부를 포함한다.
상기 누설량 측정부는 상기 안전 방출 밸브의 종류 및 상기 가압 용기 내부의 증기의 압력 및 온도에 따른 상기 방출 배관의 온도와 누설량의 관계 그래프를 이용하여 상기 안전 방출 밸브의 누설량을 측정할 수 있다.
상기 누설량 측정부는 상기 안전 방출 밸브의 종류, 상기 가압 용기 내부의 증기의 압력 및 온도, 그리고 상기 방출 배관의 온도에 따른 열응력 해석을 수행하여 상기 방출 배관의 구간 별 표면 온도 분포를 산출하는 구조 해석부, 그리고 상기 방출 배관의 구간 별 표면 온도 분포를 이용하여 누설 직경에 따른 누설량을 산출하여 상기 방출 배관의 온도와 누설량의 관계 그래프를 도출하는 유동 해석부를 포함할 수 있다.
상기 안전 방출 밸브는 파일럿 구동 안전 방출 밸브 또는 스프링 구동 안전 방출 밸브를 포함할 수 있다.
상기 누설량 측정부에 연결되며 상기 누설량 측정부에 의해 감지된 상황을 작업자에게 경고하는 경고부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 방대한 용량의 응축수 회수 탱크의 수위 변화를 이용하여 안전 방출 밸브의 누설량을 판단하는 방법에 비해 보다 정확하게 안전 방출 밸브의 누설량을 판단할 수 있으므로, 과도한 누설량 산출에 따른 발전소 정지 등의 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 가압 용기용 안전 방출 시스템의 열응력 해석 그래프이다.
도 3은 도 1의 가압 용기용 안전 방출 시스템을 단순화한 모델링 구조의 단면도이다.
도 4는 가압 용기의 압력이 158kg/cm2 이고, 누설부의 직경이 0.12mm 인 경우의 유동 해석 결과이다.
도 5는 도 3의 위치에 따른 온도 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템에서 가압 용기 내부의 증기의 압력이 158kg/cm2 일 경우의 온도에 따른 누설량 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템에서 가압 용기 내부의 증기의 압력이 40kg/cm2 일 경우의 온도에 따른 누설량 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 9는 도 8의 가압 용기용 안전 방출 시스템의 열응력 해석 그래프이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템에서 가압 용기 내부의 증기의 압력이 158kg/cm2 일 경우의 온도에 따른 누설량 그래프이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템에서 가압 용기 내부의 증기의 압력이 40kg/cm2 일 경우의 온도에 따른 누설량 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템은 방출 배관(100), 안전 방출 밸브(200), 온도 측정부(300), 누설량 측정부(400), 그리고 경고부(500)를 포함한다.
방출 배관(100)은 가압 용기(1)에 연결되어 가압 용기(1)를 통해 공급된 증기를 외부로 방출할 수 있다.
안전 방출 밸브(200)는 가압 용기(1)와 방출 배관(100) 사이에 설치되어 가압 용기(1)와 방출 배관(100)을 서로 연결할 수 있다. 안전 방출 밸브(200)는 밸브 몸체(210), 밸브 몸체(210)의 일단부에 위치하는 밸브 시트(220), 그리고, 밸브 몸체(210)의 내부를 이동하며 밸브 시트(220)에 밀착 또는 분리됨에 따라 안전 방출 밸브(200)의 개폐를 이루게 하는 밸브 디스크(230)를 포함할 수 있다.
이러한 안전 방출 밸브(200)의 밸브 시트(220)와 밸브 디스크(230) 사이에 미세한 누설부(11, 도 3 참조)가 생기면 가압 용기(1)를 통해 공급되는 증기가 누설될 수 있다. 밸브 시트(220)와 밸브 디스크(230) 사이의 미세한 누설부(11)의 누설 직경(D, 도 3 참조)이 커질수록 안전 방출 밸브(200)의 누설량은 커지게 된다. 이러한 안전 방출 밸브(200)는 파일럿 구동 안전 방출 밸브일 수 있다. 스프링 구동 안전 방출 밸브의 밸브 시트(220)는 수직 방향(Y)으로 연장될 수 있다
온도 측정부(300)는 방출 배관(100)에 설치될 수 있다. 온도 측정부(300)는 안전 방출 밸브(200)의 밸브 시트(220)로부터 소정 위치에 설치될 수 있으며, 본 실시예에서는 온도 측정부(300)는 안전 방출 밸브(200)의 밸브 시트(220)로부터 1,100 mm에 설치될 수 있다. 그러나, 온도 측정부(300)의 설치 위치는 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 다양한 위치에 설치될 수 있다.
누설량 측정부(400)는 온도 측정부(300)에 연결되며 안전 방출 밸브(200)의 누설량을 측정할 수 있다. 누설량 측정부(400)는 구조 해석부(410) 및 유동 해석부(420)를 포함할 수 있다.
구조 해석부(410)는 안전 방출 밸브(200)의 종류, 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력 및 증기의 온도에 따른 열응력 해석을 수행하여 방출 배관(100)의 구간 별 표면 온도 분포를 산출할 수 있다.
방출 배관(100)의 온도 및 안전 방출 밸브(200)의 누설량은 안전 방출 밸브(200)가 동일한 누설 직경(D)을 가져도 안전 방출 밸브(200)의 종류, 가압 용기(1)내부의 증기의 압력 및 증기의 온도에 따라 차이가 발생할 수 있다.
구체적으로 살펴 보면, 안전 방출 밸브(200)가 동일한 누설 직경(D)을 가지고 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력 및 증기의 온도가 동일하더라도 안전 방출 밸브(200)의 종류가 다른 경우, 안전 방출 밸브(200)의 형상의 차이로 인해 방출 배관(100)의 온도 분포에 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 안전 방출 밸브(200)의 누설량이 동일하더라도 안전 방출 밸브(200)의 종류에 따라 방출 배관(100)의 온도 분포에 차이가 발생할 수 있다.
또한, 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력이 높을수록 안전 방출 밸브(200)의 누설 직경(D)이 동일하여도 안전 방출 밸브(200)의 누설량은 증가할 수 있고, 가압 용기(1) 내부의 증기의 온도가 증가할수록 방출 배관(100)의 온도 분포가 증가할 수 있다. 따라서, 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력 및 증기의 온도에 따라 방출 배관(100)의 온도 분포에 차이가 발생할 수 있다.
도 2는 도 1의 가압 용기용 안전 방출 시스템의 열응력 해석 그래프이다.
이 때, 밸브 시트(220)를 기준으로 하여 가압 용기(1) 내부의 증기는 압력 158 kg/cm2, 대류 열전달 계수 300 W/m2K 를 적용하고, 방출 배관(100) 내부의 공기는 대기압 및 온도 40℃, 대류 열전달 계수 3 W/m2K 를 적용할 수 있다. 또한, 방출 배관(100) 표면의 공기는 온도 33℃, 대류 열전달 계수 2.5 W/m2K 를 적용할 수 있다. 도 2에서 적색일수록 고온이며, 청색일수록 저온이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 구조 해석부(410)를 이용하여 열응력 해석을 수행하여 방출 배관(100)의 구간 별 표면 온도 분포를 산출할 수 있다. 즉, 안전 방출 밸브(200)에서 방출 배관(100)으로 갈수록 온도는 낮아짐을 알 수 있다. 이러한 방출 배관(100)의 구간 별 표면 온도 분포는 안전 방출 밸브(200)에서 누설량이 없는 경우에 산출한 결과이며, 이를 이용하여 유동 해석부(420)에서 표면 온도 경계 조건으로 사용할 수 있다.
다음으로, 구조 해석부(410)에 연결된 유동 해석부(420)는 방출 배관(100)의 구간 별 표면 온도 분포를 이용하여 누설 직경(D)에 따른 누설량을 산출하여 방출 배관(100)의 온도와 누설량의 관계 그래프를 도출할 수 있다.
도 3은 도 1의 가압 용기용 안전 방출 시스템을 단순화한 모델링 구조의 단면도이다. 도 4는 가압 용기의 압력이 158kg/cm2 이고, 누설부의 직경이 0.12mm 인 경우의 유동 해석 결과이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템의 안전 방출 밸브(200)의 누설부(1) 및 방출 배관(100)을 밸브 시트(220)로부터 중심축(Axis)(11) 대칭으로 단순화한 모델링 구조(10)를 형성할 수 있다. 즉, 가압 용기용 안전 방출 시스템을 중심축(Axis) 대칭의 2차원 형상으로 간략화 할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 가압 용기용 안전 방출 시스템의 단순화 모델링 구조를 도 2의 구조 해석부(410)의 조건과 동일한 조건으로 열응력 해석을 수행할 수 있다.
이 때, 안전 방출 밸브(200)의 누설부(1)의 누설 직경(D)에 따라 도 2의 열응력 해석을 통해 얻은 방출 배관(100)의 표면 온도 분포를 복수개의 구간(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G, 10H, 10I)으로 나누어 경계 조건으로 입력할 수 있다.
도 5는 도 3의 위치에 따른 온도 그래프로서, 밸브 시트(220)로부터 중심축(12)을 따라 2,000 mm 지점까지 방출 배관(100)의 표면의 온도를 산출한 그래프(A)이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 방출 배관(100)의 온도는 밸브 시트(220)로부터 멀어질수록 낮아질 수 있다. 이때, 온도 측정부(300)가 위치하는 1,100 mm 지점에서의 방출 배관(100)의 온도를 측정할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템에서 가압 용기 내부의 증기의 압력이 158kg/cm2 일 경우의 온도에 따른 누설량 그래프이고, 도 7은 일 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템에서 가압 용기 내부의 증기의 압력이 40kg/cm2 일 경우의 온도에 따른 누설량 그래프이다. 도 6 및 도 7은 파이럿 구동 안전방출밸브의 가압용기 압력조건(158 kg/cm2, 40 kg/cm2)에 대해 누설부(11)의 직경이 0.06mm, 0.08mm, 0.10mm, 0.12mm, 0.14mm, 0.50mm, 1.00mm, 1.50mm인 8가지 경우의 온도에 따른 누설량 그래프로서, 누설량은 누설부(11)의 누설 직경(D)에 따라 결정된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 파일럿 구동 안전 방출 밸브(200)에서, 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력이 158kg/cm2 일 경우, 온도 측정부(300)를 이용하여 방출 배관(100)의 온도가 286℃ 로 측정되면, 방출 배관(100)의 누설량은 1.0060 gpm로 산출할 수 있다. 이 때, 누설부(11)의 누설 직경(D)은 1.5mm 일 수 있다.
또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 파일럿 구동 안전 방출 밸브(200)에서, 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력이 40kg/cm2 일 경우, 온도 측정부(300)를 이용하여 방출 배관(100)의 온도가 182℃ 로 측정되면, 방출 배관(100)의 누설량은 0.2236 gpm로 산출할 수 있다. 이 때, 누설부(11)의 누설 직경(D)은 1.5mm 일 수 있다.
이와 같이, 누설량 측정부(400)는 안전 방출 밸브(200)의 종류 및 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력에 따른 방출 배관(100)의 온도와 누설량의 관계 그래프를 이용하여 안전 방출 밸브(200)의 누설량을 정확하게 측정할 수 있다. 즉, 온도 측정부(300)에 의해 측정된 방출 배관(100)의 온도와 안전 방출 밸브(200)의 누설량 사이의 관계 그래프를 이용하여 안전 방출 밸브(200)의 누설량을 정확하게 측정할 수 있다.
경고부(500)는 누설량 측정부(400)에 연결되며 누설량 측정부(400)에 의해 감지된 상황을 작업자에게 경고할 수 있다.
한편, 상기 일 실시예에서는 안전 방출 밸브(200)가 파일럿 구동 안전 방출 밸브인 실시예이나, 안전 방출 밸브(200)가 스프링 구동 안전 방출 밸브인 다른 실시예도 가능하다.
이하에서, 도 8 내지 도 10을 참고하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 8은 다른 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템의 개략적인 단면도이고, 도 9는 도 8의 가압 용기용 안전 방출 시스템의 열응력 해석 그래프이다. 그리고, 도 10은 다른 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템에서 가압 용기 내부의 증기의 압력이 158kg/cm2 일 경우의 온도에 따른 누설량 그래프이고, 도 11은 다른 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템에서 가압 용기 내부의 증기의 압력이 40kg/cm2 일 경우의 온도에 따른 누설량 그래프이다.
도 8 내지 도 11에 도시된 다른 실시예는 도 1 내지 도 7에 도시된 일 실시예와 비교하여 안전 방출 밸브의 종류만을 제외하고 실질적으로 동일한 바 반복되는 설명은 생략한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가압 용기용 안전 방출 시스템은 가압 용기(1)에 연결된 방출 배관(100), 가압 용기(1)와 방출 배관(100) 사이에 설치되는 안전 방출 밸브(200), 방출 배관(100)에 설치된 온도 측정부(300), 온도 측정부(300)에 연결되며 안전 방출 밸브(200)의 누설량을 측정하는 누설량 측정부(400), 그리고 누설량 측정부(400)에 연결되는 경고부(500)를 포함한다.
안전 방출 밸브(200)는 스프링 구동 안전 방출 밸브일 수 있다. 스프링 구동 안전 방출 밸브의 밸브 시트(220)는 수평 방향(X)으로 연장될 수 있다. 누설량 측정부(400)는 구조 해석부(410) 및 유동 해석부(420)를 포함할 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 구조 해석부(410)를 이용하여 열응력 해석을 수행하여 방출 배관(100)의 구간 별 표면 온도 분포를 산출할 수 있다. 다음으로, 구조 해석부(410)에 연결된 유동 해석부(420)는 방출 배관(100)의 구간 별 표면 온도 분포를 이용하여 누설 직경(D)에 따른 누설량을 산출하여 방출 배관(100)의 온도와 누설량의 관계 그래프를 도출할 수 있다
도 10에 도시한 바와 같이, 스프링 구동 안전 방출 밸브(200)에서, 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력이 158kg/cm2 일 경우, 온도 측정부(300)를 이용하여 방출 배관(100)의 온도가 263℃ 로 측정되면, 방출 배관(100)의 누설량은 1.0314 gpm로 산출할 수 있다. 이 때, 누설부(11)의 누설 직경(D)은 1.5mm 일 수 있다.
또한, 도 12에 도시한 바와 같이, 스프링 구동 안전 방출 밸브(200)에서, 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력이 40kg/cm2 일 경우, 온도 측정부(300)를 이용하여 방출 배관(100)의 온도가 148℃ 로 측정되면, 방출 배관(100)의 누설량은 0.2280 gpm로 산출할 수 있다. 이 때, 누설부(11)의 누설 직경(D)은 1.5mm 일 수 있다.
이와 같이, 누설량 측정부(400)는 안전 방출 밸브(200)의 종류 및 가압 용기(1) 내부의 증기의 압력에 따른 방출 배관(100)의 온도와 누설량의 관계 그래프를 이용하여 안전 방출 밸브(200)의 누설량을 정확하게 측정할 수 있다.
본 개시를 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100: 방출 배관 200: 안전 방출 밸브
300: 온도 측정부 400: 누설량 측정부
500: 경고부

Claims (6)

  1. 가압 용기에 연결된 방출 배관,
    상기 가압 용기와 상기 방출 배관 사이에 설치되는 파일럿 구동 안전 방출 밸브,
    상기 방출 배관에 설치된 온도 측정부, 그리고
    상기 온도 측정부에 연결되며 상기 안전 방출 밸브의 누설량을 측정하는 누설량 측정부
    를 포함하고,
    상기 파일럿 구동 안전 방출 밸브는 밸브 몸체, 상기 밸브 몸체의 일단부에 위치하는 밸브 시트, 그리고, 상기 방출 배관의 연장 방향을 따라 상기 밸브 몸체의 내부를 이동하며 상기 밸브 시트에 밀착 또는 분리되는 밸브 디스크를 포함하고,
    상기 누설량 측정부는 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 방출 배관의 온도와 상기 파일럿 구동 안전 방출 밸브의 상기 밸브 시트와 상기 밸브 디스크 사이의 누설부의 누설량의 관계 그래프를 이용하여 상기 안전 방출 밸브의 누설량을 측정하고,
    상기 온도 측정부의 위치는 상기 밸브 시트를 기준으로 설정되고,
    상기 방출 배관의 표면 온도 분포는 상기 밸브 시트를 기준으로 설정되는 가압 용기용 안전 방출 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 누설량 측정부는
    상기 안전 방출 밸브의 종류 및 상기 가압 용기 내부의 증기의 압력 및 온도에 따른 상기 방출 배관의 온도와 누설량의 관계 그래프를 이용하여 상기 안전 방출 밸브의 누설량을 측정하는 가압 용기용 안전 방출 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 누설량 측정부는
    상기 안전 방출 밸브의 종류, 상기 가압 용기 내부의 증기의 압력 및 온도, 그리고 상기 방출 배관의 온도에 따른 열응력 해석을 수행하여 상기 방출 배관의 구간 별 표면 온도 분포를 산출하는 구조 해석부, 그리고
    상기 방출 배관의 구간 별 표면 온도 분포를 이용하여 누설 직경에 따른 누설량을 산출하여 상기 방출 배관의 온도와 누설량의 관계 그래프를 도출하는 유동 해석부를 포함하는 가압 용기용 안전 방출 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 누설량 측정부에 연결되며 상기 누설량 측정부에 의해 감지된 상황을 작업자에게 경고하는 경고부를 더 포함하는 가압 용기용 안전 방출 시스템.
  6. 가압 용기에 연결된 방출 배관,
    상기 가압 용기와 상기 방출 배관 사이에 설치되는 스프링 구동 안전 방출 밸브,
    상기 방출 배관에 설치된 온도 측정부, 그리고
    상기 온도 측정부에 연결되며 상기 안전 방출 밸브의 누설량을 측정하는 누설량 측정부
    를 포함하고,
    상기 스프링 구동 안전 방출 밸브는 밸브 몸체, 상기 밸브 몸체의 일단부에 위치하는 밸브 시트, 그리고, 상기 방출 배관의 연장 방향과 교차하는 방향을 따라 상기 밸브 몸체의 내부를 이동하며 상기 밸브 시트에 밀착 또는 분리되는 밸브 디스크를 포함하고,
    상기 누설량 측정부는 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 방출 배관의 온도와 파일럿 구동 안전 방출 밸브의 상기 밸브 시트와 상기 밸브 디스크 사이의 누설부의 누설량의 관계 그래프를 이용하여 상기 안전 방출 밸브의 누설량을 측정하고,
    상기 온도 측정부의 위치는 상기 밸브 시트를 기준으로 설정되고,
    상기 방출 배관의 표면 온도 분포는 상기 밸브 시트를 기준으로 설정되는 가압 용기용 안전 방출 시스템.
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