6M32-185/314氢氮压缩机进气0.14MPa改造设计

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6M32-185/314氢氮压缩机进气0.14MPa改造设计
$ [  V/ O2 e8 ^! N1 k
; n( j/ U* B5 G应用无弹簧气阀和弹簧力很小的低阻力气阀，采用组合活塞环密封使活塞环密封无泄漏或基本不漏，是压缩机能够进行扩缸改造的主要技术基础。6M32-185/314氢氮气压缩机一入设计压力为0.126MPa(绝压，以下均同)，实际操作的一入压力一般为0.132~0.140MPa，致各级压力都有不同程度的超压，以一出超压最为严重。因此，取一入压力为0.140MPa，重新进行各级气缸直径的设计与验算并满足工艺要求和优化各级气缸直径，同时采用：㈠用无弹簧气阀和低阻力气阀改造压缩机气阀，使气缸吸气阻力和排气阻力大幅降低，管路、缓冲器、冷却器、分离器的压力损失很小，气缸实际吸、排气压力与名义压力很接近。阀片开启及时，关闭时无气体倒漏，开启后畅通无阻，关闭后严密不漏，从开启到关闭的时间比现有传统气阀的长。使容积流量增加，泄漏减少，寿命延长。㈡用组合活塞环改造各级活塞密封，实现活塞环密封不漏，容积流量（打气量）增加，运行寿命延长。㈢取一入压力为0.140MPa，在进行以上改造的基础上，取泄漏系数λL=0.99，一、二级压力系数λp=0.99，三级以上压力系数λp=1，其余系数按压缩机教材选取，进行各级气缸直径的设计计算并扩缸改造。以下是6M32-185/314压缩机改造的设计计算。
# d2 `9 L0 B0 @: W5 e! x
1、6M32-185/314压缩机主要技术参数
4 {+ }9 x+ Y8 C- W( y6 g. h; r; a活塞行程S=380㎜=0.38m
2 _% e6 E) y; n& u; I主机转速n=333r/min
# N  r( g( ~- T  ]公称最大活塞力Pm=320KN
压缩机轴功率N=3150KW
活塞杆直径d=100㎜=0.100m
用于碳铵流程或0.8 MPa变换后脱碳的主要性能参数见表一。

; R5 R3 i0 @3 u$ N0 f表1  6M32-185/314压缩机主要性能参数
级    数        Ⅰ        Ⅱ        Ⅲ        Ⅳ        Ⅴ        Ⅵ        Ⅶ
' D7 ?; M# y3 u, x% Z- H; \. e吸入压力MPa        0.126        0.33        0.6        1.2        2.7        5.7        13
排出压力MPa        0.33        0.892        1.2        2.7        5.7        13.5        31.5
吸入温度 ℃        40        40        40        40        40        40        25
排出温度 ℃        147        145        127        130        118        118        118
气缸直径 ㎜        1100        660        500        480        340        190        160
抽气系数 %        100        100        92        92        92        92        90

& ~9 y' n. L: W" o2、压缩机实际操作压力及最大活塞力

2.1 压缩机实际操作压力见表2
) t2 H6 z% `+ x) o/ b1 A) I
$ H' l6 B$ ]" ~+ T8 x$ Y表2 6M32-185/314压缩机实际操作压力
# ]% ~" d0 S! a级    数        Ⅰ        Ⅱ        Ⅲ        Ⅳ        Ⅴ        Ⅵ        Ⅶ
吸入压力MPa        0.140        0.45        0.60        1.35        3.1        6.2        13.0
排出压力MPa        0.45        0.96        1.35        3.1        6.2        13.5        30

* M& x7 ~% ?* ?% q由于一入压力提高、要应用低阻力气阀等原因，会造成一至五级超压以致超温，偏离设计值，影响压缩机容积流量的提高和正常运行。
; _+ u% \2 Y$ Q  T+ P# H2.2 按实际操作压力计算一至六级名义最大活塞力
按照气体力使活塞杆受拉为正、受压为负的规定，一至三级、六级双作用气缸，活塞在内止点时的最大气体力 ，在外止点时的最大活塞力为 ；四、五级列气缸的最大气体力：活塞在内止点时 ，活塞在外止点时 。七级列活塞在内止点时的最大活塞力 ，       在外止点时的最大气体力         。按实际操作压力计算的最大活塞力见表3，七出压力按31.5MPa。
. K) O. B- o& X. q
表3 6M32-185/314压缩机实际操作的最大活塞力(kN)
7 ?3 a, Y" ^8 ], T级  数(列)        活塞在内止点时        活塞在外止点时
Ⅰ        +291        -296
Ⅱ        +167        -177
- ]* c4 b  O% K0 c# {( V0 s  ZⅢ        +137        -151
+ r2 _. K5 T6 Z5 O1 {Ⅳ-Ⅴ        +391(四入压力平衡)        +134
Ⅳ-Ⅴ        +282(一入压力平衡)        -119
2 A) y; {2 _5 V  O9 s+ vⅥ        +101        -256
" f; O8 X3 f+ uⅦ        +135（六出轴侧平衡）        -247

! }5 L  p0 t* }8 J表3中的最大活塞力数值作为对比用，便于了解压缩机改造前后受力的好坏和受力的优越程度。从最大公称活塞力320 kN知，一级、四级最大活塞力较大，活塞力不均匀。

四、热力学计算
( n/ ~. n& ^4 p) _2 }# G/ W! J6M32-185/314压缩机设计一入压力为0.105 MPa，一出0.33 MPa。在一入压力提高至0.134 ~0.140 MPa的条件下，一出0.44 MPa，二出0.96 MPa。根据合成氨厂实际操作的工艺参数，取一入压力0.140 MPa，二出0.96 MPa来作为设计计算的参数。一、二级抽气系数100%，三至六级抽气系数为92%，七级抽气系数90%。一级入口来自脱硫， 0.14 MPa，经一、二级压缩至0.96 MPa送变换，则有 。三级来自碳化或脱碳，工艺指标要求三入压力≥0.5 MPa，取三入压力 0.66 MPa，经三至六级压缩到12.6MPa送精炼，压缩比
3 S9 T5 U' [+ j( b 。七级吸气来自精炼， 12.1 Mpa，压缩比 ，压缩到31.5MPa送合成系统生产合成氨。各段吸、排气压力见表4，并以此进行设计计算。
1 p7 M" D8 d* O  
表4  初步确定的各级改造设计压力(kN)
1 t, F" o& N& t, Q2 m$ Y& M: H级    数        Ⅰ        Ⅱ        Ⅲ        Ⅳ        Ⅴ        Ⅵ        Ⅶ
吸入压力MPa        0.14        0.367        0.66        1.36        2.842        5.939        12.1
排出压力MPa        0.367        0.96        1.36        2.842        5.939        12.6        31.5
: p' Z7 _1 L; x! {/ E7 U; [( f
    4.2  各级排气系数λ的计算机
% `0 v* w: _/ c% Z  I用无弹簧气阀和低阻力气阀的压缩机，可以近似取： ， ， ， 。泄漏系数和压力系数前面已述；各级气缸冷却良好，温度系数λT取高限值，反之取低限值；各级余隙分数α从压缩机图纸资料得到，或者从压缩机设计的有关资料中选取，其误差不会很大，尽可能与实际相符。排气压力在10 MPa以下，半水煤气和氢氮气的性质很接近于理想气体，容积系数 。排气压力大于10 Mpa，容积系数 ，式中Zs为吸气状态的压缩性系数，Zd为排气状态的压缩性系数，按活塞式压缩机有关资料查找和计算。
/ X  v; b% D6 }. D, G
  V! T. N: ~8 K! o" K4 e2 Z表5  排气系数λ计算表
3 c! E/ F; P- R, ?$ M/ }! w级    数        Ⅰ        Ⅱ        Ⅲ        Ⅳ        Ⅴ        Ⅵ        Ⅶ
温度系数 λT        0.97        0.97        0.98        0.98        0.98        0.98        0.97
泄漏系数 λL        0.99        0.99        0.99        0.99        0.99        0.99        0.99
6 R2 A! I! U- f. C, g9 l  j1 V0 @压力系数 λp        0.99        0.99        1        1        1        1        1
4 p% O; O9 s$ W4 V余隙分数α        0.07        0.12        0.16        0.17        0.18        19        0.20
吸气过程指数m        1.2        1.25        1.30        1.35        1.35        1.40        1.40
( R/ d& ]8 l6 S  K& V) p2 S+ ?( b* p吸气压缩性系数Zs        1.002        1.006        1.0017        1.0117        1.027        1.02        1.0602
4 I* W, a8 d7 F2 X5 i排气压缩性系数Zd        1.001        1.004        1.009        1.031        1.072        1.072        1.17
* e9 |0 I6 ~- k* \9 U7 a压缩比ε        2.62        2.62        2.09        2.09        2.09        2.09        2.59
容积系数 λV        0.9138        0.8839        0.8779        0.8765        0.8962        0.8839        0.8502
λ=λTλLλpλV        0.8687        0.8403        0.8517        0.8504        0.8694        0.8576        0.8164
: l6 K, u9 j6 I" s& Y2 x/ B& q+ T
4.3        计算并确定二至六级气缸直径
& }. @+ B1 H2 P' z# ~+ K+ Y一级气缸直径不变，一段吸入状态的容积流量（打气量）为：
         
: j4 M, ^+ Y3 `( Z1 i8 r' M排气压力在10 MPa以下，半水煤气和氢氮气的性质很接近于理想气体，压缩性系数可取等于1，由此引起的计算误差很小。第i级的容积流量为：
" j* T0 _5 o! _9 g( G                                              （1）
! n3 h; c2 H( Z$ o0 B, O0 B$ gVhi为第i级的气缸每分钟工作容积，由气缸工作方式、气缸直径、主机转速、活塞行程、活塞杆直径等确定；
λi为第i级的排气系数。
第i级的容积流量Vi与压缩机的容积流量V的关系为：
                                        （2）
+ a+ H$ L0 j4 J; n* d ；
/ m" x8 B% m/ V) ^" Q' n ；
；
, i1 O4 i. f* p. E4 y4 l: ? ；
$ u% ?' f% f8 L. h( l; n# M ；
；
；
凡属过压缩机气缸的气体，第i级的容积流量按（1）式和（2）式计算是相等的，就可以计算出第i级的气缸直径并能验算各级气缸直径和各级的吸、排气压力。
! C0 a* v2 {6 s1 M4 U% l7 |二级双作用气缸：        
求得D2=0.693m=693㎜，根据实际情况，取D2=700㎜，二级气缸直径由660㎜扩大到700㎜。若不调整余隙，二级气缸直径偏大，二入压力偏小。
三级双作用气缸：        
求得D3=0.495m=495㎜，圆整取D3=500㎜，若不调整余隙，三级气缸直径略有偏大，三入压力略有偏低，三级气缸直径不变。
四级盖侧单作用气缸：        
求得D4=0.483m=483㎜，圆整取D4=480㎜，四级气缸直径比计算值略有偏小，四入压力略有偏高，四级气缸直径不变。
五级轴侧单作用气缸：        
1 b% T9 `$ P; M& H求得D5=0.345m=345㎜，圆整取D5=340㎜，五级气缸直径取用值比计算值略有偏小，五入压力略有偏高，五级气缸直径不变。
6 Y, D2 H& ?0 P* }! c六级双作用气缸：        
求得D6=0.179m=179㎜，圆整取D6=190㎜，六级气缸直径不变。六级气缸直径取大，六入压力降低。
七级盖侧单作用气缸:            
2 a) t% z* I9 n9 M求得D7=0.165m=165㎜，圆整取D7=160㎜，七级气缸直径取用值比计算值略有偏小，七入压力略有偏高，七级气缸直径不变。
  A0 D7 U' r% w/ X; ~6 w& w' W3 s4.4  用扩缸改造的二级气缸直径确定容积流量
二级气缸直径扩大为700㎜决定了二入(一出)压力，也就确定了一级压缩比和一级的温度系数，也就可确定压缩机的容积流量。1 按已计算的参数去计算一出压力有 ，V=208m3/min，D2 =0.700m代入计算得二入ps2 =0.360MPa，它与原二入压力0.367MPa的平均值0.363MPa，取为二级扩缸直径为700㎜的一出压力，误差不是很大。则有一级压缩比ε=0.363/0.14=2.593，容积系数λV =0.9151，排气系数λ=0.870，容积流量V=239.395×0.870=208.27 m3/min。
# {) i/ Q) x. T# s9 G" N/ E4.5  用扩缸改造的气缸直径确定各级吸、排气压力
在容积流量为208.27 m3/min情况下，二级以上的气缸直径决定了各级的进气压力，以假定排气系数不变(按表进行计算)，用圆整取用的气缸直径D2=700㎜，D3=500㎜，D4=480㎜，D5=340㎜，D6=190㎜，D7=160㎜计算出的吸气压力，与用于计算出气缸直径的吸气压力(见表4)相加，然后再除以2得的平均值，就是每一级的吸气压力，此计算方法误差是很小的。经计算得出的扩缸改造的各级压力见表6。
表6  扩缸改造后各级压力
# a" ~9 b6 h0 |+ Z级    数        Ⅰ        Ⅱ        Ⅲ        Ⅳ        Ⅴ        Ⅵ        Ⅶ
* p3 `% ^( F1 {* M+ c$ t吸入压力MPa        0.14        0.363        0.654        1.377        2.892        5.569        12.50
排出压力MPa        0.363        0.95        1.377        2.892        5.569        13.0        31.5
6 s  ^# R, h: d/ A( O1 g. U1 b5 I
4.6  按已确定的各级压力计算最大活塞力
计算活塞力的方法同2.2所述，二段扩大缸径，活塞环密封不漏，低阻力气阀等改造后，最大活塞力的计算结果见表7。

表7 6M32-185/314压缩机扩缸改造后的最大活塞力(kN)
: c6 x6 g2 U- x: m级  数(列)        活塞在内止点时        活塞在外止点时
Ⅰ        +209        -213
Ⅱ        +118        -229
- x0 p; `4 P! u. M: i: k6 c* JⅢ        +131        -147
Ⅳ-Ⅴ        +391(四入压力平衡)        +134
Ⅳ-Ⅴ        +225(一入压力平衡)        -271
Ⅵ        +108        -254
Ⅶ        +135（六出轴侧平衡）        -247

从表7中知，6M32-185/314压缩机二级扩缸等改造后，最大活塞力值为271 kN，而且各级最大活塞力值较均匀。与2.2表3中的最大活塞力值296kN相比减小25kN，而且表3中气体吸入气缸和排出气缸都有较大的压力损失未计入，扩缸改造后的受力比改造前好得多。最大活塞力虽然较大，未超过320 kN，机器可以平稳、正常运行。活塞力越均匀越小越有利于机器的平稳运行。

4.7  改造后的氢氮压缩机主要技术参数
! w$ \) |! D: N% @活塞行程S=380㎜=0.380m
! e& q7 A) `$ z: j6 Z3 J" i! ~主机转速n=333r/min
公称最大活塞力Pm=320KN
压缩机轴功率N=3150KW
活塞杆直径d=100㎜=0.100m
用于碳铵流程或0.8 MPa变换后脱碳的主要性能参数见表一。
表8  6M32-185/314压缩机扩缸改造后的主要性能参数(用于0.8MPa变换后脱碳或碳铵流程)
! S! z/ T; o$ }0 ~级    数        Ⅰ        Ⅱ        Ⅲ        Ⅳ        Ⅴ        Ⅵ        Ⅶ
吸入压力MPa        0.14        0.363        0.654        1.377        2.892        5.569        12.5
排出压力MPa        0.363        0.95        1.377        2.892        5.569        13.0        31.5
吸入温度 ℃        40        40        40        40        40        40        25
  {, ]' E# a+ T* W& G/ Q排出温度 ℃        138        139        114        114        105        128        116
! i  m" h4 C# Z# J' @3 ]. {) w5 n气缸直径 ㎜        1100        700        500        480        340        190        160
" \0 `) O$ H* W) {抽气系数 %        100        100        92        92        92        92        90
' n) ]& `8 i/ b; W0 B. R* [3 p表8中吸气温度按6M32-185/314压缩机图纸资料，排气温度按 计算出。

) b& y6 u2 R0 G  z0 H, U+ o! K2 J1 p    4.8  压缩机功率的验算
$ W' y/ @& m& P3 _) C, v㈠用无弹簧气阀和低阻力的压缩机，指示功率按下式计算

验算过程和结果见表9。
表9  6M32-185/314压缩机扩缸改造后的指示功率验算
+ u1 {: D' l/ G1 \$ k  h% g级    数        Ⅰ        Ⅱ        Ⅲ        Ⅳ        Ⅴ        Ⅵ        Ⅶ
  g7 M5 G% b+ Y7 |5 ~3 |气缸直径 ㎜        1100        700        500        480        340        190        160
气缸工作容积  m3/s        3.989911        1.605898        0.811227        0.381442        0.174828        0.102976        0.042382
吸入压力MPa        0.14        0.363        0.654        1.377        2.892        5.569        12.5
排出压力MPa        0.363        0.95        1.377        2.892        5.569        13.0        31.5
压缩比ε        2.593        2.617        2.106        2.100        1.926        2.334        2.52
吸气过程指数m        1.2        1.25        1.3        1.35        1.35        1.4        1.4
0 O5 ?" _9 I: u5 \# \余隙分数α        0.07        0.12        0.16        0.17        0.18        19        0.20
$ X& |5 {6 w( f" |容积系数λV        0.9151        0.8609        0.8840        0.8828        0.8937        0.8641        0.8531
* y* f' r- I" ~6 [/ s8 w/ Z指示功率Ni  kW        531.5        532.4        381.5        378.9        322.5        486.2        503.4
1 c$ J- A% l6 U5 }总指示功率
) _/ `  O) K% c6 m3136.4 kW

㈡电机通过联轴器连接，直接驱动压缩机，取电机功率为:
2 Q- V9 s0 Y2 y& ]0 l; k8 _% O+ A
+ S+ V, ~( e6 J根据《容积式压缩机技术手册》，驱动电动机在海拔1000米，气温30℃的条件下，其功率可以用到额定功率的1.07倍，即原电机3200 kW可用于3200×1.07=3420 kW。在海拔1000米以下的地区使用，原电机能满足6M32-185/314压缩机二级扩缸等改造的需要。
新鲜气补充在循环机之前的合成系统，压缩机六出压力一般小于29.5MPa，压缩机的轴功率还要低些，扩缸改造压缩机后，3200 kW电机完全能满足使用的需要。
4 Y- b- I  ]$ ^5 b: @& D' J1 K" d6 `
五、6M32-185/314压缩机扩缸等改造的零件
8 C6 g4 t# v; K; R1 W( V2 n8 _) c0 I一至五级活塞环槽不变，活塞上靠内、外止点端的两道活塞环用一槽三环的活塞环结构，中间部分的活塞环可不改动，直接更换活塞环即可，活塞环材料用合金铸铁。六、七级改造成气缸无油润滑，各设置四道活塞环密封，并在活塞中间设导向套，活塞环用金属塑料，导向套用碳纤维填充聚四氟乙烯CFRP。
一至七级气阀改造为低阻力气阀，即为在无弹簧气阀的结构上增加弹簧而设计改造成，即便是弹簧力很微小，也不会影响气阀的正常工作，因弹簧力小，气阀阻力极低。阀座、气阀紧固件（气阀螺栓、螺母及其它）不作改动，气阀弹簧、阀片、升程限制器重新进行设计改造。升程限制器改为无弹簧气阀的升程限制器结构，原阀片升程不变，并增设弹簧安装孔。阀片强度计算机得出：一至五级阀片厚度改为5㎜的PEEK环状阀片；六、七级阀片厚度为8㎜的PEEK环状阀片。弹簧的材料采用17-7PH不锈钢弹簧细钢丝卷制。扩缸等改造的零件见表10。
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表10  6M32-185/314氢氮压缩机改造零件一览表
零 件 名 称        材  料        图 号 规 格        数量        备  注
) u9 O; ]3 ~6 q9 J, H; Z1 z) `一级活塞环（外）        合金铸铁        φ1100×φ   ×           4       
一级活塞环（内）        合金铸铁        φ   ×φ   ×           2       
二级活塞环（外）        合金铸铁        φ700×φ   ×           8       
+ s& h! m9 Z! L/ @4 U6 a1 s4 X- ^二级活塞环（内）        合金铸铁        φ   ×φ   ×           4       
三级活塞环（外）        合金铸铁        φ500×φ   ×           8       
) M! r3 e8 I7 l2 Z& K三级活塞环（内）        合金铸铁        φ   ×φ   ×           4       
. h! o' Y2 t2 y四级活塞环（外）        合金铸铁        φ480×φ   ×           12       
四级活塞环（内）        合金铸铁        φ   ×φ   ×           6       
                               
+ P" }; q; ?1 u; Q8 h- e. e五级活塞环（外）        FH-1A        φ340×φ   ×           12       
0 T$ s) q1 u) ^; b/ [9 @五级活塞环（内）        合金铸铁        φ   ×φ   ×           6       
六级活塞环（外）        FH-1A        φ190×φ   ×           8       
7 \- i0 B* g9 \# z六级活塞环（内）        合金铸铁        φ   ×φ   ×           4       
0 z0 R! `# ^- f( f6 N# `七级活塞环（外）        FH-1A        φ160×φ   ×           8       
2 n2 S; a% l2 r0 R七级活塞环（内）        合金铸铁        φ   ×φ   ×           4       
二级气缸        HT200        φ700        1       
3 X! ^- ?. [4 c. z+ r二级气缸座        QT600-2        φ          1       
" n6 ?- u6 g( D$ x  d" R2 d7 N二级气缸盖        QT600-2        φ            1       
( J+ ?) @( _. i2 e2 B( e+ Z  Y二级活塞体        16MR        φ700×φ   ×           1       
一入升程限制器        45                4       
一出升程限制器        45                4       
二入升程限制器        45                2       
二出升程限制器        45                2       
三入升程限制器        45                2       
三出升程限制器        45                2       
" n* E; f, W, a( E# `; g2 F2 Q: F, h四入升程限制器        45                1       
四出升程限制器        45                1       
8 H4 U+ q# k& s; c) M3 p4 h1 G五入升程限制器        45                1       
% @; {( |6 w% E4 O5 ?五出升程限制器        45                1       
7 l  ?7 h1 j3 Q$ ]六入升程限制器        45                1       
) a  s3 [2 E( J% a. }六出升程限制器        45                1       
7 u+ i, Q. m% O! I; J' G七入升程限制器        45                1       
七出升程限制器        45                1       
气阀弹簧        17-7PH                       
阀片        PEEK                       
# \2 ]. k) W1 h) C$ Q阀片        PEEK                       
阀片        PEEK                       
5 r- W: K( c. y阀片        PEEK                       
* S% j+ C3 U$ Y阀片        PEEK                       
" Y  i( n+ g' m7 \, }* I, j7 ~4 ~阀片        PEEK                       
                               
                               
/ E) Q5 F) f; y                               
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, d; ~5 O+ n) H    六、6M32-185/314压缩机扩缸等改造的经济效益分析
, P' l) A# m5 ^! U. u: W2 ?: u6 P    6M32-185/314压缩机改造的目的：1、活塞环密封不漏，气阀阻力极低，其使用寿命在一年以上。降低维修费用和维修工作量。2、改造后在一入压力≤0.14MPa（1.382大气压），一入温度≤40℃的条件下运行，一至七的级排气温度＜140℃，一级不出口压力≤0.367MPa，容积流量(打气量)达到或超出208.0m3/min，单机合成氨生产能力32000吨/年，压缩机功率为3200kW。按3300Nm3半水煤气生产1吨合成氨，改造后台时产氨量为208×273/313×1.382×60/3300=4.285吨/时，台时产碳铵量为4.285×4.25=18.21吨/时，吨合成氨的压缩机电耗为3200÷4.285=747度。未改造的6M32-185/314压缩机，一入状态容积流量185×273/313×1.26×60=12199Nm3/h，台时产氨12199/3300=3.697吨/时，台时产碳铵3.697×4.25=15.71吨/时，轴功率3150 kW，吨氨压缩机电耗3150÷3.697=852度。改造后吨氨压缩机电耗节省为852-747=105度/吨，电费0.3元/度，若用6M32-185/314压缩机装备的合成氨厂，年产合成氨能力10万吨，则改造后年节约电费为10×105×0.3=315万元人同币，技术手段保证技术数据，技术数据保证生产数据，生产产量保证经济效益，实现压缩机的高效节能运行。这正是我们向压缩机使用厂家推荐活塞环及填料密封不漏技术、高效节能气阀的意义所在。

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