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文檔簡介
1、1,第4章 氣體爆轟理論,2,本章主要內(nèi)容,4.1氣體爆轟現(xiàn)象4.2爆炸濃度極限及其確定方法4.3氣體爆轟參數(shù)的計算4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu)4.5影響氣體爆轟傳播的因素4.6云霧爆轟現(xiàn)象,3,4.1 氣體爆轟現(xiàn)象,4,4.1氣體爆轟現(xiàn)象,凡是在常溫常壓下以氣態(tài)存在,經(jīng)撞擊、摩擦、熱源或火花等點火源的作用能發(fā)生燃燒爆炸的氣態(tài)物質(zhì),統(tǒng)稱為可燃性氣體。可燃性氣體可分為無機氣體和有機氣體。,5,4.1氣體爆轟現(xiàn)象,通常,可
2、燃性氣體按使用形態(tài)可分為5類:可燃氣體:氫氣、煤氣、四個碳以下的有機氣體(如甲烷、乙烯、丙烷等)均屬此類。它們在常溫常壓下以氣態(tài)存在,和空氣形成的混合物容易發(fā)生燃燒或爆炸??扇家夯瘹猓喝缫夯蜌?、液氨、液化丙烷等。這類氣體在加壓降溫的條件下即可變?yōu)橐后w,壓縮儲存在貯灌中。液化石油氣的主要成分是丙烷、丙稀、丁烷和丁烯等。常溫常壓下為氣體,0.8~1.5MPa壓力即可液化為液體。,6,4.1氣體爆轟現(xiàn)象,可燃液體的蒸氣:如甲醇、乙醚、
3、酒精、笨、汽油等的蒸氣,這些蒸氣在燃燒液體表面上有較高的濃度,當(dāng)它和空氣混合物的濃度達到一定程度時,容易發(fā)生燃燒或爆炸。助燃氣體:如氧、氯、氟、氧化亞氮、氧化氮、二氧化氮等。它們在化學(xué)反應(yīng)中能作為氧化劑,把它們和能作為還原劑的可燃性氣體混合,會形成爆炸性混合物。,7,4.1氣體爆轟現(xiàn)象,分解爆炸性氣體:如乙烯、乙炔、環(huán)氧乙烷、炳二烯等。它們不需要與助燃氣體混合,本身就會發(fā)生爆炸。可燃氣體是與外界的空氣或氧發(fā)生燃燒或爆炸而釋放能量的。
4、這一點與炸藥不同。軍事上利用這些可燃氣體本身不攜帶氧,靠周圍環(huán)境中的氧釋放能量這一優(yōu)點,研究開發(fā)具有大面積殺傷破壞效應(yīng)的燃料空氣炸彈。,8,4.2 爆炸濃度極限及其確定方法,9,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,10,4.2 爆炸濃度極限及其確定方法,通常情況下,氣體混合物中可燃成分的濃度處于一定范圍內(nèi)時,才會發(fā)生爆炸現(xiàn)象,這個濃度范圍稱為爆炸濃度范圍。能夠發(fā)生爆炸的最低濃度叫爆炸濃度下限,而能夠發(fā)生爆炸的最高濃度叫做爆炸濃度上限。如表
5、4-1所示。,11,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,表4-1混合氣體的爆炸濃度范圍,注意:表中的爆炸濃度極限(explosive limit)和爆轟濃度極限的區(qū)別。工程上,爆炸濃度極限通常包括爆燃部分。,12,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,當(dāng)可燃物含量很稀或很濃時,化學(xué)反應(yīng)進行很慢,單位時間內(nèi)放出的總化學(xué)反應(yīng)能量較小,就不能支持前沿沖擊波去激發(fā)下層混合氣體的化學(xué)反應(yīng)。即使沒有任何能量耗散,也不能使爆轟波穩(wěn)定傳播。,13,4.2.1
6、氣體爆炸濃度極限,在混合氣體的爆炸濃度范圍內(nèi),存在一個最佳濃度。這時,爆速最大、壓力和反應(yīng)放出熱也最大。從安全角度看,最佳濃度時的威力最大、破壞效應(yīng)也最嚴重,如圖4-1所示。,圖4-1 濃度和爆速的關(guān)系(C2H2+O2),14,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,爆炸濃度極限不是一個固定的物理常數(shù),它與點火能、初始溫度、壓力等因素有關(guān)。(1)點火能 一般來說,點火能量越大,傳給周圍可燃混合物的能量越多,引起臨層爆炸的能力越強
7、,火焰越易自行傳播,從而爆炸濃度范圍變寬。即[a,b]中的a變小,b變大。但當(dāng)點火能達到一定程度時,爆炸濃度范圍變化就不明顯了。,15,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,表4-2為甲烷和空氣混合物在不同能量的點火條件下爆炸濃度極限的實驗結(jié)果。當(dāng)點火能達到一定程度時,對爆炸濃度極限的影響就不明顯了。 表4-2 點火能對甲烷空氣混合氣體爆炸濃度極限的影響,16,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,(2)初始溫度 初始溫度升高,會使
8、化學(xué)反應(yīng)的速度加快。在相同的點火能下,可燃氣體混合物的初始溫度越高,燃燒反應(yīng)越快,于是單位時間放熱越多,火焰越易傳播,因而爆炸極限范圍變寬,如圖4-2所示。,17,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,圖4-2 溫度對爆炸極限的影響(甲烷),18,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,(3)壓力 混合氣體壓力提高,爆炸濃度范圍擴大。處于高壓下的氣體,其分子比較密集,單位體積中所含混合氣分子較多,分子間傳熱和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)比較
9、容易,反應(yīng)速度加快,而散熱損失顯著減少,因此爆炸濃度范圍擴大。壓力對爆炸濃度上限的影響較大。表4-3壓力對甲烷空氣混合氣體爆炸極限的影響。,19,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,表4-3 壓力對甲烷空氣混合氣體爆炸極限的影響。,20,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,在減壓的情況下,隨著壓力的降低,爆炸范圍不斷縮小。當(dāng)壓力降到某一數(shù)值時,則會出現(xiàn)上限濃度和下限濃度重合。如果壓力再繼續(xù)下降,則混合氣便不會爆炸了,這一壓力稱為爆炸極限的臨界
10、壓力。,21,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,(4)惰性氣體 在可燃混合氣中添加惰性氣體,可使混合氣體爆炸范圍縮小。當(dāng)惰性氣體大于一定濃度時,混合氣體便不能發(fā)生燃燒、爆炸。如表4-4所示,22,4.2.1 氣體爆炸濃度極限,表4-4 CO2對汽油蒸氣爆炸濃度極限的影響,23,4.2.2 爆炸濃度極限的計算,24,4.2.2爆炸濃度極限的計算,(1)按完全燃燒1摩爾可燃性氣體所需的氧摩爾數(shù)no估算式中
11、——可燃混合氣體的爆炸下限 ——可燃混合氣體的爆炸上限,25,4.2.2爆炸濃度極限的計算,【例】 C3H8+5O2——3CO2+4H2O (實測值為2.1%) (實測值為9.5%),26,4.2.2爆炸濃度極限的計算,(2)按化學(xué)計量濃度估算 可燃混合物中的可燃物與氧或空
12、氣中的氧燃燒時到達完全氧化反應(yīng)的濃度稱為化學(xué)計量濃度。 設(shè)可燃氣體的分子式為: CaHbOc+n0O2——aCO2+b/2H2O則 n0=a+b/4-c/2,27,4.2.2爆炸濃度極限的計算,如果把空氣中氧氣的濃度取為20.9%,則可燃氣體在完全燃燒的情況下,空氣中的化學(xué)計量濃度的計算式如下:在氧氣中, 則為: 于是,爆炸濃度極限可估算如下:該式可用來估
13、算烷烴以及其它有機可燃氣體的爆炸濃度極限,但不適用于乙炔以及氫、硫、氯等無機氣體。,28,4.2.2爆炸濃度極限的計算,【例】 C3H8+5O2——3CO2+4H2O 解: n0=5 在空氣中: (實測值為2.1
14、%) (實測值為9.5%),29,4.2.2爆炸濃度極限的計算,在氧氣中:,30,4.2.2爆炸濃度極限的計算,(3)北川法計算爆炸濃度上限此法是由日本北川徹三提出來的。他認為,在各有機同系物中,可燃氣分子中的碳原子數(shù)a與可燃氣達到爆炸上限所必需的氧摩爾數(shù)no之間存在著直線關(guān)系。如果是烷烴,其關(guān)系為: 據(jù)此,爆炸濃度上限的計算公式為:,31,4.2.2爆炸濃度極限的計算,
15、(4)多組分可燃氣體混合物的爆炸濃度極限如果多組分可燃氣體反應(yīng)特性接近或為同系物時,它們與空氣構(gòu)成的爆炸性混合物的爆炸濃度極限可根據(jù)理·查特里(Le·Chatelier)法則計算,即式中 分別為第i種組分在可燃物中的濃度。 分別為第i種組分的爆炸濃度極限(下限或上限)。,32,4.2.2爆炸濃度極限的計算,上式需滿足以下條件: 1、2、各組分間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且爆炸
16、時不發(fā)生催化作 用;3、各組分的爆炸濃度極限已知。,33,4.2.2爆炸濃度極限的計算,【例】某天然氣含甲烷80%,乙烷15%,丙烷4%,丁烷1%,求天然氣的爆炸濃度極限。 設(shè)A、B、C、D分別表示甲烷、乙烷、丙烷、丁烷 已知,34,4.2.2爆炸濃度極限的計算,由上式可得: 爆炸濃度下限: 爆炸濃度上限:,以上公式均沒考慮溫度、壓力等因素的影響,35,4.3 氣體爆轟參數(shù)的計算,36,4.3
17、氣體爆轟參數(shù)的計算,本節(jié)主要介紹氣體爆轟參數(shù)的近似計算。假定:(1) ,即認為 與氣體溫度和組分無關(guān);(2)原始混合物的壓力 與CJ壓力 相比可以忽略。 則爆轟波的Hugoniot方程變?yōu)椋?……(1),37,4.3 氣體爆轟參數(shù)的計算,由等熵方程 可得:
18、 ……(2)由CJ條件知: ……(3)移項整理可得: 忽略 得: ……(4),38,4.3 氣體爆轟參數(shù)的計算,將(4)式代入波速方程 可得 ……(5)將(4)、
19、(5)式代入(1)式可得: ……(6)由 和 可得: ……(7),39,4.3 氣體爆轟參數(shù)的計算,把(4)式代入(7)式可得: ……(8)由CJ條件
20、 可得 ……(9),40,4.3 氣體爆轟參數(shù)的計算,將(4)和(5)式代入狀態(tài)方程 可得: (10)因此,(4)~(10)式即為爆轟參數(shù)的近似公式。,41,4.3 氣體爆轟參數(shù)的計算,需要注意的是:(1)作為
21、一種近似估算, 可按近似的爆炸反應(yīng)式確定;(2) 的單位是單位質(zhì)量(1kg)爆炸物的定容比熱 ;(3) 為1kg爆炸物爆炸后形成氣體產(chǎn)物的摩爾數(shù)。,42,4.3 氣體爆轟參數(shù)的計算,【例】已知混合氣爆炸反應(yīng)式為: CH4+2O2+8N2——CO2+2H2O+8N2+801.72KJ 試求該混合爆炸物的爆速D。(k=1.28)解: 則,43,4.3 氣體
22、爆轟參數(shù)的計算,【作業(yè)】:根據(jù)上述例子,計算常溫常壓下CH4+2O2混合氣體發(fā)生爆炸時的爆速和CJ壓力。 (k=1.28),44,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),45,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),目前為止,爆轟波結(jié)構(gòu)總是基于ZND模型中提出的一維的、光滑的穩(wěn)定爆轟波。但實際上,爆轟波陣面是三維的、不光滑的、不穩(wěn)定的。爆轟波在接近爆轟極限的氣體內(nèi),或者在化學(xué)反應(yīng)活化能比較高、較難起爆的氣體中傳播時,實驗發(fā)現(xiàn)了一種稱為“螺旋爆轟”
23、現(xiàn)象。,46,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),1926年,Campbell和Woodhead在研究氣體混合物2CO+O2的爆轟時發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。他們用高速照相機記錄了螺旋爆轟的傳播過程,得到了如圖所示的圖像。,47,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),由圖可見,爆轟波陣面的傳播速度是不均勻的,出現(xiàn)周期性的振動現(xiàn)象;爆轟波后產(chǎn)物區(qū),有規(guī)則的水平光亮條紋線,而且此光亮條紋線與波陣面的波紋狀跡線有關(guān)。波陣面跡線上的每一個突峰處,對應(yīng)于反應(yīng)產(chǎn)物區(qū)中
24、的一條光亮條紋。如果螺旋爆轟波在涂有粉末的管子中傳播時,在管壁上會留下螺旋運動的跡線。,48,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),螺旋爆轟分為單頭的和多頭的。單頭一般出現(xiàn)在接近爆炸極限或很難起爆的混合氣體中; 多頭一般出現(xiàn)在混合氣體中含有加速反應(yīng)的物質(zhì),或者在位于爆轟極限范圍內(nèi),但遠離爆轟極限的情況下。,49,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),實驗證明,螺旋爆轟是個普遍存在的現(xiàn)象,它主要是由于爆轟波反應(yīng)區(qū)內(nèi)流動的非一維性造成的,即
25、存在橫向波,使得反應(yīng)區(qū)成為多波系的非定常結(jié)構(gòu)。 螺旋爆轟是這種非定常多維結(jié)構(gòu)爆轟波的外在表現(xiàn),用高速紋影照相、閃光干涉儀及煙炱實驗技術(shù),已經(jīng)觀察到這種爆轟波的非定常結(jié)構(gòu)在時間和空間上有一定規(guī)律的胞格結(jié)構(gòu)(cell-structure)。,50,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),圖4-4是在30%(2H2+O2)+70%Ar中的爆轟波通過后,在側(cè)壁上由煙炱實驗得到的胞格痕跡。這種胞格結(jié)構(gòu)是由反應(yīng)區(qū)內(nèi)大量橫波之間的相互作用形成的。
26、 圖4-4胞格爆轟的煙炱圖,51,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),52,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),53,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),54,4.4 螺旋爆轟現(xiàn)象及胞格結(jié)構(gòu),爆轟的胞格結(jié)構(gòu)既存在于氣體爆轟中又存在于凝聚炸藥爆轟中。總之,實際爆轟波都是非一維的不定常結(jié)構(gòu)。ZND模型是對它們的簡化,稱為光滑的理想爆轟波。,55,4.5 影響氣體爆轟傳播的因素,56,4.5 影響氣體爆轟傳播
27、的因素,影響氣體爆轟傳播的因素很多。氣體爆轟的傳播速度約在1000~3500m/s。 1、氣體爆轟波的傳播速度與盛氣體管子的放置方法(垂直或水平、或傾斜)、起爆源的種類、引爆端是閉口還是開口等無關(guān)。與管子的形狀有關(guān)。,57,4.5 影響氣體爆轟傳播的因素,2、混合氣體的初始溫度對爆轟波速度影響很小,隨溫度升高,爆速稍微下降,這是因為溫度高使氣體密度減小所造成的。如爆鳴氣(2H2+O2)初始溫度為100C時,測出的爆速值為2821m/
28、s,而1000C時為2790m/s。 3、混合氣體的爆速隨初始壓力的提高而提高。,58,4.5 影響氣體爆轟傳播的因素,根據(jù)Cook對初始壓力p0在5~10×104Pa范圍內(nèi)對H2-O2-N2,H2-O2-Ar,C2H2-O2等氣體混合物測定的爆速數(shù)據(jù),整理得到了如下的關(guān)系式: 式中Dp和Dp0分別表示壓力為p和p0時的爆速,β為常數(shù)。一些氣體混合物的β值和Dp0值列于表4-5。,59,4.5 影響氣體爆轟傳播的因素,
29、表4-5一些氣體混合物的β值和Dp0值,60,4.5 影響氣體爆轟傳播的因素,4、混合氣體的爆速隨初始密度的增大而增大。 氣體混合物初始密度增大將引起爆速的提高。 對遵守定余容Abel方程的氣體,推導(dǎo)得到如下的爆速計算式 比容變化公式為:,61,4.5 影響氣體爆轟傳播的因素,圖4-5為爆鳴氣在α=0.75cm3/g時爆速D與ρ0之間的理論關(guān)系。,圖4-5爆鳴氣的爆速D與ρ0之間的關(guān)系(坐標(biāo)原點有誤),62
30、,4.5 影響氣體爆轟傳播的因素,5、加入惰性氣體,對于較輕的惰性氣體如He,爆速增加;對于較重的惰性氣體如Ar,爆速減小。這是因為輕氣體使得爆炸反應(yīng)產(chǎn)物的平均分子量減小,重氣體使得分子量增大。但惰性氣體的加入都使得爆溫下降,這是因為惰性氣體吸熱造成的。如表4-6所示。,63,4.5 影響氣體爆轟傳播的因素,表4-6 添加不等量H2以及He、Ar對爆鳴氣爆速和爆溫的影響,64,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,65,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,所謂
31、云霧爆轟系指液體燃料霧滴散布于氣體氧化劑或空氣當(dāng)中形成的液一氣兩相混合物的爆轟。近30年來的實驗研究表明,這種兩相體系,在適當(dāng)?shù)幕旌媳壤龡l件下可以利用藥柱爆炸或強沖擊波激起其爆轟的傳播。,66,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,云霧爆轟是一種不均勻爆轟。不均勻相爆轟的研究大致分為四種類型,即:(1)不揮發(fā)油滴懸浮于氧氣或空氣中所發(fā)生的不均勻爆轟;(2)充有氧氣的管子內(nèi)壁上涂以液態(tài)油膜所發(fā)生的不均勻爆轟;(3)充有氧氣的管子內(nèi)壁上涂以固態(tài)碳
32、氫化合物或固態(tài)碳粉末所發(fā)生的不均勻爆轟;(4)金屬粉末或其他固體可燃物粉塵懸浮于氧氣中所產(chǎn)生的不均勻爆轟。,67,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,這類課題的研究之所以受到重視,一個原因是與采煤、采油等礦業(yè)生產(chǎn),以及石油、化工、糧食、紡織等工業(yè)生產(chǎn)的安全性緊密相關(guān),另一方面的原因則是與近30年來發(fā)展起來的所謂燃料空氣炸彈(FAE)這一武器技術(shù)的研究相關(guān)。,68,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,2007年11月24日,上海浦東一個加油站發(fā)生爆炸, 4人死
33、亡。,69,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,70,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,經(jīng)過專家分析,認為這起爆炸事故是在停業(yè)檢修過程中,現(xiàn)場施工人員違章作業(yè),在未對與管道相通的2號儲氣罐進行有效安全隔離情況下,用壓縮空氣對管道實施氣密性試驗,導(dǎo)致該儲氣罐內(nèi)未經(jīng)清洗置換的液化石油氣與壓縮空氣混合,引起化學(xué)性爆炸。,71,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,20世紀60年代末和70年代初,美國在侵越戰(zhàn)爭中首先使用了燃料空氣炸彈,為其開辟直升飛機著陸場、破壞地面防護設(shè)施、雷
34、達和各種機動車輛,以及利用它爆炸所形成的強烈沖擊波掃除地雷、殺傷有生力量等。近些年來,大力開展利用燃料一空氣炸彈對付各種儲罐、飛機、機庫、導(dǎo)彈發(fā)射場以及各種海上艦船等的新武器的研究工作已取得顯著進展。,72,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,正因為如此,兩相不均勻爆轟,特別是油滴一氧氣或空氣所構(gòu)成的所謂云霧爆轟的研究,已成為國內(nèi)外重要的研究課題。 美軍在越南戰(zhàn)爭中使用的CBU型燃料空氣炸彈是一種圓筒形容器,內(nèi)裝有約37kg的環(huán)氧乙烷(C2H4O
35、)燃料。,73,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,在距地面一定高度上炸開彈體,頓時形成有大量直徑約為零點幾厘米乃至零點幾毫米的小油滴散布于周圍的空氣當(dāng)中,并在幾十毫秒時間內(nèi)形成直徑為十幾米、高數(shù)米的云霧氣團(此時,使所形成云霧團內(nèi)環(huán)氧乙烷的濃度確保在爆炸濃度上下限,即在6~24%范圍之內(nèi)),而后借助于從彈內(nèi)拋擲到一定高度位置上的起爆裝置引爆。,74,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,云爆彈結(jié)構(gòu),二次引爆,75,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,云霧爆轟波的傳播速度約
36、為1.5~3km/s,所形成的爆轟壓力可達1.0~3.0MPa。云霧爆轟所形成的氣體產(chǎn)物向周圍的膨脹流動以及所形成的爆炸沖擊波超壓是導(dǎo)致人畜死傷和各種設(shè)施破壞的主要原因。此外,云霧爆轟過程中大量消耗空氣中的氧而引起窒息效應(yīng)也是造成有生力量死傷的重要原因。,76,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,云霧爆轟是一種兩相混合物的不均勻爆轟。顯然,與均勻的氣相爆轟相比,云霧爆轟現(xiàn)象及其機理要復(fù)雜的多。因此,為認識這一事物的化學(xué)物理本質(zhì),掌握并利用它內(nèi)在
37、的規(guī)律,多年來開展了一系列的實驗與理論研究工作。,77,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,溫壓彈是在燃料空氣炸彈的基礎(chǔ)上研制出來的,是燃料空氣炸彈的高級發(fā)展型。溫壓炸藥兼具高爆炸藥和燃料空氣炸藥的特點,準(zhǔn)確地說是一種富含燃料的高爆炸藥。 溫壓炸藥中添加了鋁、硼、硅、鎂等物質(zhì)的粉末,這些粉末在加熱狀態(tài)下起燃并釋放大量能量,大大增強了溫壓炸藥的熱效應(yīng)和壓力效應(yīng)。,78,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,溫壓彈爆炸壓力場/溫度場是復(fù)雜流場,對于實用彈藥,燃料被
38、拋撒后,與空氣混合時間可達到100-200ms,燃料與空氣不可能混合均勻,各區(qū)域內(nèi)燃料濃度分布有隨機性,因此爆轟壓力和溫度場分布有不對稱性。 溫壓炸藥與凝聚炸藥爆炸相比,溫壓炸藥能量密度小、爆速小、爆壓低,但作用范圍大。,79,4.6 云霧爆轟現(xiàn)象,研究結(jié)果表明:大致在小于2/3云霧半徑的范圍內(nèi),溫壓炸藥的爆炸場超壓小于同質(zhì)量TNT的爆炸場超壓,但在大于2/3云霧區(qū)半徑范圍內(nèi),溫壓炸藥的爆炸場超壓均顯著大于TNT的爆炸場超壓。,,8
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