锅炉压力容器压力管道基本知识培训讲义03压力容器设计知识压力容器设计计算.docx
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锅炉压力容器压力管道基本知识培训讲义03压力容器设计知识压力容器设计计算
锅炉压力容器压力管道基本知识培训讲义系列03
(2014年4月)
讲座系列内容总目录
01:
锅炉压力容器压力管道气瓶法规知识
02:
压力容器设计知识--压力容器材料
03:
压力容器设计知识--压力容器设计计算
04:
压力容器设计知识--压力容器结构
05:
压力容器设计知识---压力容器焊接
06:
压力容器制造基础知识
07:
锅炉压力容器压力管道检验基础知识
08:
锅炉压力容器安装基础知识
09:
锅炉基础知识介绍
10:
压力管道基础知识
11:
压力容器管理制度及规范
12:
压力容器压力管道使用基础知识
13:
压力容器压力管道修理改造
14:
锅炉压力容器压力管道安全装置基础知识
15:
压力容器事故及处理基础知识
第三讲压力容器设计计算
第一节设计基础;
第二节设计要素;
第三节主要受压元件设计(以内压介绍);
第四节设计计算举例
压力容器设计是综合性很强的专业,要求设计者通晓国家法令、设计标准、规范以及设计方法,同时,还必须对压力容器选用的材料性能等有较为详细的了解,对压力容器的使用范围、环境等有清楚的认识,甚至还必须具备丰富得制造、使用和维护等方面的经验。
随着压力容器的广泛使用,压力容器的设计方法也在向前发展。
目前,人们对压力容器失效的认识还不完全清楚,理论还不完善,随着人们在实践中加深了对压力容器失效的认识,并在理论上有了新的突破,人们将会采取更为有效、经济合理的设计方法。
而且新技术的发展,新材料的应用,也会为设计提供发展的基础。
另外,计算机得发展和应用,各种软件的开发和应用,将使得设计更为方便、准确;同时,计算机软件的成熟将会使模拟实际工况环境进行实验更为快速、准确,而实验结果又会为设计提供可靠的指导。
因此,压力容器的设计将会与计算机(软件)的发展紧密结合,向更准确、更安全、更经济合理的方向发展。
第一节设计基础
1.1压力容器的失效形式
压力容器在载荷作用下丧失了正常的工作能力称之为失效。
压力容器所考虑的失效模式主要为断裂、泄漏、过度变形和失稳。
由于压力容器的失效带来的一般都是成万或上百万的经济损失,甚至造成严重的人员伤亡的灾难性后果。
因此如何预测和解决压力容器的失效问题已收到人们得广泛的关注。
下面就介绍几种常见的失效形式。
(一)强度失效
容器中某最大应力点超过屈服点后就会出现不可恢复的变形,此时由弹性状态进入塑性状态,随着载荷的增大,容器的塑性区不断扩大,当载荷大到某一极限时,塑性区就会扩展到一定的范围,容器便失去了承载能力。
(二)刚度失效
容器或容器上的零部件不是因为强度不足,而是由于过大的弹性变形使部件等失去了正常的工作能力。
这种失效形式通常出现在密封结构、换热设备等地方。
(三)稳定性失效
容器在外压或其他外部载荷的作用下,由稳定的平衡状态变至另一个不稳定的状态,形状发生突然改变而丧失正常的工作能力。
(四)腐蚀失效
腐蚀失效是压力容器失效的重要类型之一,金属腐蚀的形式是多种多样的,按金属与周围介质作用的性质分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类,但都是由于其一上作环境所引起,包括应力腐蚀、氢脆、蒸汽腐蚀、碱脆、硫腐蚀、钒腐蚀、辐照脆化和液态金属脆化等类型。
应力腐蚀失效是指在拉应力作用下,一定材料与一定的介质环境发生应力腐蚀,而最终导致压力容器失效,是一种延迟破坏,造成的后果也比较严重。
由于近代工业技术的发展,材料的工作环境条件越来越苛刻,零部件和材料的应力腐蚀问题也日益突出,解决应力腐蚀问题成为了当今的重要课题。
应力腐蚀的必要条件是存在拉应力,而且所用材料与介质环境能发生应力腐蚀口因此,为了解决应力腐蚀问题,设计上通常采用仔细选择应力腐蚀敏感性低的材料、加缓蚀剂或保护层、阳极保护和避免或减小应力集中、改善危险截面的受力状况及避免工件表面层残余应力存在等措施;另外,生产工艺上通常采用适当的热处理工艺来降低材料对应力腐蚀的敏感性和减小工件的残余应力或避免应力集中。
金属的氢脆是指由于金属中存在氢而导致材料的塑性大为降低,从而使压力容器失效。
氢脆的表现形式一般分为不可逆氢脆和可逆氢脆两类,前者是指氢造成的永久性损伤(如低强钢在石油化工设备中或酸洗处理后因吸氢而出现氢鼓包等);后者是指排除氢后力学性能可以恢复的氢脆现象(如钢及一些合金钢中的氢致延迟破坏等)。
氢脆产生的主要原因是氢在材料中来不及扩散或逸出而形成局部偏聚(偏析),材料中氢浓度越高越容易发生局部偏聚,材料表现为低应力下的延迟破坏。
因此,为了解决氢脆问题,设计上通常采用选择氢脆敏感性小的材料、减小或消除拉应力、杜绝或减少氢的环境(如加缓蚀剂、保护层等)和改变应力状态等措施;另外,工艺_上也可通过表面处理(如滚压、喷丸等)使表面产生残余压应力。
蒸汽腐蚀实际上是由于高温下水蒸气的分解而造成金属的氧化和氢脆,为了防止蒸汽腐蚀,设计上通常选用高抗蒸汽腐蚀的材料。
碱脆是指由于碱的浓度达到一定程度而导致的应力腐蚀。
硫腐蚀是指由于硫的存在而在不同条件下产生不同形式的腐蚀现象,如高温硫腐蚀、含镍合金钢的硫腐蚀和低温硫腐蚀等。
为防止硫腐蚀,通常采用钢材表面渗铝、含镍合金钢中加铭元素等措施。
钒腐蚀是指由于油等燃烧后产生的钒氧化物与高温金属接触时能破坏金属表面的氧化膜,加速腐蚀过程的发展。
目前,常采用的防止措施是加人添加剂。
1.2压力容器设计的基本要求
设计实际上就是将物质资源转变成产品等的一种媒介形式,是一种创造性活动,压力容器的设计也不例外。
设计人员在得到设计任务时,需要收集相关数据资料等,以便保证满足不可变因素(如材料性能、政府法令、标准规范等)、可变的因素与现代技术、科技发明、人力、资金等的有机结合,形成一个最佳方案。
由于压力容器在国民经济发展中扮演的角色越来越重要,与国家、人民财产、生命紧密相关,所以,要求压力容器设计不但要满足生产实际的需要,而且安全可靠,技术经济合理。
(一)满足生产需要
压力容器首先应满足生产上的需要,其主要结构尺寸由工艺决定,设备设计只能根据工艺设计人员提供的工艺条件数据和场地条件进行设计。
(二)使压力容器安全可靠
一般来讲,压力容器的失效,不仅仅会使容器和设备本身遭到破坏,而往往会破坏周围的其他设备及建筑,甚至造成人身伤亡事故,而由于内部介质向外扩散带来的化学爆炸、着火燃烧或恶性中毒等连锁反应更会造成不可估量的灾难性破坏。
因此,根据压力容器可能的失效形式,设计上应满足强度、刚度、稳定性、密封性和耐蚀性等基本要求。
①强度压力容器必须有足够的强度以承受载荷和应力,包括支座的反作用力、管道及其他部件的作用力、温度和压力变化的影响、运输和吊装时承受的作用力等。
②刚度压力容器构件必须有在外力作用下保持原来形状的能力。
③稳定性压力容器的壳体必须有在承受横向均匀外压载荷或轴向压缩载荷时不产生失稳或屈曲的能力。
④密封性压力容器必须有良好的密封性能。
特别是用于易燃、易爆、有毒介质的压力容器,如果密封不良,易燃、易爆、有毒介质泄漏出来,不仅生产会受影响,而且操作人员的人身安全也会受到威胁,环境将会受到污染。
当泄漏的易燃、易爆介质达到一定的浓度时还会引起爆炸,造成恶性后果。
而如果泄漏的是核原料,对人生命财产和环境造成的后果是难以想象的。
⑤耐蚀性压力容器必须有保证安全运行和使用寿命的耐蚀性。
由于工业的发展,压力容器的使用条件日益苛刻,使用环境日益恶劣,因此,必须根据不同的操作条件、介质环境选用不同的耐腐蚀材料并采取适宜的防腐蚀工艺措施。
(三)做到技术经济合理
压力容器设计既要保证安全可靠,又要尽量做到技术经济合理,使产品总成本最低。
要做到这一点,设计过程中选材要合理,在保证满足生产要求的情况下,结构尽可能简单,材料消耗尽可能少,同时,还应考虑制造、检验、安装和维修等因素。
对某些技术先进的设备,尽管投资高一些,但在单位加工能力、消耗指标、产品质量等方面有较大优点,也应考虑采用。
压力容器设计的基本要求是既要保证安全可靠,又要尽量做到经济合理。
这就要求对设备的操作条件和载荷进行正确的估计,对压力容器的总体应力、局部应力和温差应力,以及可能产生的失效形式等进行全面的分析和评价,采取不同的设计方法。
同时,根据压力容器的操作条件和作用,选择适当的材料和合理的结构。
因此,压力容器设计者不仅仅是依照有关标准和制造条件进行简单的设计,还必须要综合考虑生产条件、安全要求和技术经济上的合理等因素选择一个最佳设计。
(四)容规3.7条对压力容器设计的节能要求
压力容器的设计应当充分考虑节能降耗原则,并且符合以下要求:
(1)充分考虑压力容器的经济性,合理选材,合理确定结构尺寸;
(2)对换热容器进行优化设计,提高换热效率,满足能效要求;
(3)对有保温或者保冷要求的压力容器,要在设计文件中提出有效的保温或者保冷措施。
1.3压力容器设计资质要求
(一)技术规范对压力容器设计资质的要求
TSGR1001-2008《压力容器压力管道设计许可规则》第4条规定:
压力容器、压力管道的设计〔以下统称为设计)必须由取得国家质量监督检疫总局〔以下简称国家质检总局》颁发的《特种设备设计许可证》的压力容器、压力管道设计单位进行,设计单位取得《设计许可证》后,可以在全国范闹内从事许可范围内的设计工作。
《设计许可证》有效期为4年,有效期满的设计单位继续从事设计工作的,应当按本规则的有关规定办理换证手续,逾期不办或者未被批准换证的,其《设计许可证》有效期满后不得继续从事设计工作。
第六条规定:
从事压力容器设计审核和批准的人员(以下统称审批人员),从事压力容器分析设计的设计人员,应当具备相应专业设计能力,并且经过专业考核合格,取得压力容器相应的审批人员、设计人员资格。
审批人员的考核计划每年年初由国家质检总局统~公布。
压力容器、压力管道相关设计人员、审批人员的资格有效期为4年。
(二)压力容器设计许可级别
(1)A类:
1、A1级 系指超高压容器、高压容器(结构形式主要包括单层、无缝、锻焊、多层包扎、绕带、热套、绕板等);
2、A2级 系指第三类低、中压容器;
3、A3级 系指球形储罐;
4、A4级 系指非金属压力容器。
(2)C类:
1、C1级 系指铁路罐车;
2、C2级 系指汽车罐车或长管拖车;
3、C3级 系指罐式集装箱。
(3)D类:
1、D1级 系指第一类压力容器;
2、D2级 系指第二类低、中压容器。
(4)SAD类 系指压力容器分析设计。
1.4压力容器设计的技术标准与技术法规
(一)技术法规
中国的压力容器国家标准和行业标准在主体上都以设计规范为主,不同于包含质量保证体系的ASME规范。
为保证安全生产,政府部门颁布了一系列压力容器安全技术法规,并由法定的压力容器安全检验机构,根据压力容器产品所使用的标准及有关技术法规来控制、监督容器的设计、制造和检验等各个环节。
中国锅炉与压力容器安全监督的职权由国家质量技术监督局(1998年前由国家劳动部)执行。
1981年原国家劳动总局颁布了《压力容器安全监察规程》。
199年原劳动部在总结执行经验的基础上,修订了1981版的规程,改名为《压力容器安全技术监察规程》(以下简称《容规》),并于1991年1月正式执行。
1999年国家质量技术监督局又对《容规》进行了修订颁布了1999版。
2007年5月,国家质检总局再次下达制(修)订《固定式压力容器安全技术监察规程》的立项计划,并于2009年8月31日批准颁布实施。
《固容规》对压力容器的材料、设计、制造、使用、检验、修理、改造等七个环节中的主要问题提出了基本规定。
(二)技术标准
中国压力容器行业从20世纪60年代初开始着手制定较为完整的压力容器设计规范。
1967年完成了《钢制石油化工压力容器设计规定》(试行),后经修订于1977年开始颁发实施,随后又修订过两次,即1982版和1985版。
该设计规定是由原机械工业部、化学工业部和中国石油化工总公司(1983年以前由原石油部负责)组织编制的,属部级标准。
为编制压力容器的国家标准,1984年7月成立了“全国压力容器标准化技术委员会”(以下简称容标委)。
容标委以《钢制石油化工压力容器设计规定》为基础,经充实、完善和提高于1989年颁布了第一版的国家标准,即GB150-89《钢制压力容器》。
1998年颁布了全面修订后的新版GB150-1998《钢制压力容器》。
与此同时,容标委在GB150的基础上,又先后制订GB151《壳式换热器》、G812337《钢制球形储罐》、JB4732《钢制压力容器一分析设计标准》及JB4710《钢制塔式容器》等一系列国家标准和行业标准。
2009年,随着新《固容规》实施后,修订版的GB150.1~4-2011于2011年3月开始颁布实施,同时,其它相应的技术标准如GB151等也逐步再进行修订。
(三)技术法规与技术标准的关系
技术标准与技术法规之间的关系是设计人员经常碰到的问题。
以GB150为核心的一系列技术标准、基础标准和零部件标准是国家(行业)标准,是设计、制造、检验与验收压力容器的依据。
《固容规》是压力容器安全技术监督和管理的依据,属技术法规范畴,涉及压容器的设计、制造、安装、使用、检验、修理和改造。
《固容规》从国内多起事故教训和管理实践出发,制定了某些比国家标准规定更严格的条款,根据一个时期的事故经验教训,提炼出有效的控制条文指导压力容器技术工作.在这种情况下,压力容器的设计、制造、检验与验收,除符合国家标准外,还应遵循国家颁布的有关压力容器的法令、法规及规定。
容器技术标准和安全技术法规同时实施,两者相铺相成,构成了中国压力容器产品完整的国家质量标准和安全管理法规体系。
在实际工作中,如果碰到不一致时,往往执行较“严”的那个,否则会造成不必要的麻烦。
1.5GB150-2011标准的变化及适用范围
(一)标准的结构
GB150一2011《压力容器》是一系列标准的组合,规定了压力容器建造的基本要求、对压力容器用钢材的要求、典型受压元件的设计计算方法和制造、检验与验收的要求。
标准按压力容器建造的逻辑顺序分为四个部分:
GB150.1-2011《压力容器第1部分:
通用要求》;
GB150.2一2011《压力容器第2部分:
材料》;
GB150.3一2011《压力容器第3部分:
设计》;
GB150.3一2011《压力容器第4部分:
制造、检验和验收》。
尽管标准的各部分都是名义上的独立标准,但在应用中应该组合使用,以充分体现
标准各部分的关联,实现统一建造准则的基本要求。
(1)GB150.1《压力容器第1部分:
通用要求》
本标准的第1部分由前言、引言、四章正文和六个规范性附录构成。
四章的内容分别是:
范围、规范性引用文件、术语与符号和通用要求;六个附录分别是:
附录A(规范性附录)标准的符合性声明及修订;
附录B(规范性附录)超压泄放装置;
附录C(规范性附录)以验证性爆破试验确定容器设计压力;
附录D(规范性附录)对比经验设计方法;
附录E(规范性附录)局部结构应力分析和评定;
附录F(规范性附录)风险评估报告。
本部分规定了金属制压力容器材料、设计、制造、检验和验收的通用要求。
其前言和引言不仅适用于GB150的本部分,同时一也适用于系列标准。
(2)GB150.2《压力容器第2部分:
材料》
本标准的第2部分由前言、七章正文、两个规范性附录和两个资料性附录构成。
七章正文包括:
范围、规范性引用文件、总则、钢板、钢管、钢锻件、螺柱(含螺栓)和螺母用钢棒;
附录包括:
附录A(规范性附录)材料的补充规定;
附录B(资料性附录)钢材高温性能参考值;
附录C(资料性附录)高合金钢钢号近似对照;
附录D(规范性附录)Q235系列钢板的使用规定。
本部分规定了压力容器受压元件允许使用的钢材牌号及其产品标准,钢材的附加技术要求,钢材的使用范围(温度和压力)和许用应力表。
(3)GB150.3《压力容器第3部分:
设计》
本标准的第3部分由前言、七章正文、三个规范性附录和两个资料性附录构成。
七章正文包括:
范围、规范性引用文件、内压圆筒和内压球壳、外压圆筒和外压球壳、封头、开孔与开孔补强、法兰。
附录包括:
附录A(规范性附录)非圆形截面容器;
附录B(规范性附录)钢带错绕筒体;
附录C(资料性附录)密封结构;
附录D(资料性附录)焊接接头结构
附录E(规范性附录)关于低温压力容器的基本设计要求。
(4)GB150.4《压力容器第4部分:
制造、检验和验收》
本标准的第4部分由前言、十三章正文构成。
十三章正文的内容为:
范围、规范性引用文件、名词术语、总则、材料复验、分割与标志移植、冷、热加工成形与组装、焊接、热处理、试件与试样、无损检测、耐压试验和泄漏试验、多层容器和容器出厂要求。
(二)标准主要内容的变化(部分)
GB150一2011已经被《固容规》所引用,成为支撑国家安全法规的强制性技术标准。
标准的应用,为我国开展安全监察工作、贯彻实施或制修订相关法规提供重要技术支撑。
本次修订充分考虑我国压力容器产业的发展和技术进步,注重法规标准的协调性及与国际接轨,强调满足中国市场经济技术要求的同时能够满足WTO/TBT协议关于安全的要求。
标准实施后将对规范我国压力容器产业,全面提升产品质量,增强产业国际竞争能力,贯彻节能减排国策,增加在国际压力容器标准化活动中的话语权等均有重要影响。
相对于GB150一1998《钢制压力容器》,GB150-2011《压力容器》系列标准既有适应于现代标准技术发展的理念上的变化,也有行业技术进步和科研成果所带来的变化,有主要变化如下:
(1)增加了标准引言,说明标准的性质和应用原则
GB150标准是全国锅炉压力容器标准化技术委员会负责制定和归口的压力容器通用技术标准,用以规范在中国境内建造或使用的压力容器设计、制造、检验和验收。
引言说明了本标准的制定权归属、使用范围和针对工程应用的一般问题。
引言中提到的如下内容具有特别的指导意义在于:
要求涉及压力容器建造的各类工程技术人员,如设计、制造、检验以及监检人员应该在同一认知平台上学习掌握和实施压力容器产品标准的技术要求,同时也是确保基本安全法规要求的具体体现。
引言对标准技术条款的属性予以说明:
“标准的技术条款包括了压力容器建造过程(即指设计、制造、检验和验收工作)中应遵循的强制性要求、特殊禁用规定以及推荐性条款”。
为了规范对标准的正确理解和合理应用,在引言中针对一实际工程应用中可能发生的情况进行了说明和解释:
1、标准没有必要、也不可能囊括适用范围内压力容器建造中的所有技术细节,在满足法规所规定的基本安全要求的前提下,不应禁止本标难中没有特别提及的技术内容。
2、标准不能作为具体压力容器建造的技术手册,亦不能替代培训、工程经验和工程评价。
工程评价是指由知识渊博、娴于规范应用的技术人员所做出针对具体产品的技术评价。
但工程评价应符合本标准的相关技术要求,不得违反本标准中的强制性要求和禁用规定。
3、标准不限制实际工程设计和建造中采用先进的技术方法,但工程技术人员采用先进的技术方法时应能做出可靠的判断,确保其满足本标准规定,特别是关于强制性的设计规定。
4、标准规定的技术方法和技术要求不涉及任何专利。
但注意本标准的工程应用可能会涉及特定专利,本标准的发布机构不承担识别这些专利的责任。
5、标准既不要求也不禁止设计人员使用计算机程序实现压力容器的分析或设计,但采用计算机程序进行分析或设计时,除应满足本标准要求外,还应确认:
a)所采用程序中技术假定的合理性;
b)所采用程序对设计内容的适应性;
c)所采用程序输入参数及输出结果用于工程设计的正确性。
在引言中同时规定了标准的使用者得到标准解释的渠道和相应的注意事项,同时也说明了一些权益和免责的规定:
对于标准技术条款的询问应以书面形式向委员会秘书处提交,并有义务提供可能需要的资料。
与标准条款没有直接关系或有关具体工程应用问题的询问将视为技术咨询的范畴,委员会可能拒绝回答。
对于未经委员会书面授权或认可的其他机构对标准的宣贯或解释所产生的理解歧义和由此产生的任何后果,本委员会将不承担任何责任。
(2)扩大了标准的适用范围
1、由于金属压力容器具有相同的失效模式和设计准则,考虑到本版GB150的基础标准地位和未来标准的发展方向,所以本标准通过标准引用方式,将有色金属制压力容器和特殊结构压力容器纳入标准范围;
2、扩大了标准范围内压力容器的设计温度适用范围:
a)对于GB150标准范围内的压力容器,在一269℃-900℃设计温度范围内均可选择到适用的材料,例如:
铝的低温适用范围一269℃,镍基合金的高温适用范围900℃;
b)对于钢材的低温范围由液化氧气的设计温度一196℃扩展到液氢的设计温度-253℃。
(3)修改了容器建造参与方的资格和职责要求
1、设计输入是保证设计质量的极为重要的因素。
在长期的工程实践中,用户和设计方的责任不清是造成设计质量出现偏差和产品性能不能满足安全要求的主要原因之一,也经常出现相互扯皮的现象。
考虑到应该规定避免这类问题,参照国际上的通行做法,本标准增加了用户或委托方在设计阶段提供书面设计条件的职责,同时规定了基本内容;
2、考虑到中国设计制造体制的特点及进行设计阶段风险控制的必要性,按照相应法规的要求,本标准规定了压力容器设计单位的资质要求、设计质量控制要求和进行设计阶段风险控制的要求,修改了设计文件保存时间的规定:
(4)修仃了确定材料许用应力的安全系数
1、通过考察和分析我国压力容器用150余种板材、管材和锻件的标准技术水平和实际材料供应的质量稳定状况、标准规定的强度设计准则和设计计算方法的可靠性、国内建造容器的技术和装备能力、建造的质量管理方式和水平、使用管理水平等影响压力容器安全的基本要素的基础上,证明降低我国压力容器确定材料许用应力的系数是可行的;
2、通过对先进工业国家技术标准的对比研究(主要是欧盟、美国),结合我国实际情况,通过对影响确定许用应力系数的诸多因素的定量分析及其与压力容器工作载荷相关联的分析,提出我国压力容器基于强度失效准则的确定许用应力的安全系数降低方案:
抗拉强度的安全系数由3.0调整为2.7;对碳钢和低合金钢屈服强度的安全系数由1.6调整为1.5;对奥氏体钢允许采用Rp1.0确定许用应力。
(5)重新界定低温容器定义
近年来新能源的发展使压力容器进入到更低的温度范围,原GB150的低温容器范围已经不能覆盖这些应用。
本次修订规定设计温度低于一20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器,以及设计温度低于一196℃的奥氏体不锈钢制容器属于低温压力容器,扩大了标准的适用范围。
(三)适用范围
GB150.1-2011通用要求,对GB150的适用范围进行了规定。
标准规定:
(1)适用的设计压力
a)钢制容器不大于35MPa
b)其他金属材料制容器按相应引用标准确定。
(2)本标准适用的设计温度范围
a)设计温度范围:
-269℃一900℃
b)钢制容器不得超过按GB150.2中列人材料的允许使用温度范围。
c)其他金属材料制容器按本部分相应引用标准中列人的材料允许使用温度确定。
(3)适用的结构形式
a)本标准适用钢制容器的结构形式按本部分以及GB150.2-y150.4的相应规定
b)本标准适用范围内的特定结构容器以及铝、钦、铜、镍及镍合金、错制容器,其结构形式和适用范围还应满足下述标准的相应要求
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