CN103567673A - 用于焊接管道的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于焊接管道的方法和系统，公开了用于焊接两个或更多管道(200、300)的系统(100)和方法(600)。系统(100)包括根部焊接工具(110)、填料焊接工具(120)和支承部件(130)。根部焊接工具(110)从管道(200、300)的与内部周向表面侧(230、330)相对的外部周向表面侧(220、320)根部焊接间隙(400)，以形成沿端部(210、310)构造的根部焊层(410)。执行根部焊接使得根部焊接材料的飞溅被防止。利用填料焊接工具(120)来填充间隙(400)。提供支承部件(130)以用于施加朝外的推力，以确保填料和根部焊接材料纵向且径向朝外的收缩，从而防止填料和根部焊接材料沿内部周向表面侧(230、330)的压出。

Description

用于焊接管道的方法和系统
技术领域
本公开涉及焊接技术，并且更特别而言，涉及用于焊接两个或更多管道的方法和系统。
背景技术
诸如管子或管的管道件周向地焊接在一起，以构造用于在各种用途中使用的所需管道长度，用途包括但不限于在换热器中或者作为大体在各种行业中用于化学品、矿物油和天然气的运输的运输管线等。将管道件彼此焊接在一起需要很多细心、时间和技术，使得其相当昂贵。在焊接管道件时，焊接材料有很大几率沉积在焊接区中和周围。由于可由行进通过被焊接管道的微粒引起的腐蚀，焊接材料沿管道内表面的沉积可降低被焊接管道的寿命。已经且仍在做出许多尝试以避免这类问题。
一般而言，这类管道件的焊接为两步骤工艺。在第一步骤中，在管道件之间，在其间的一般称为根部间隙的相对较小间隙中形成一般称为根部焊层(root layer)的基础焊缝。在邻近管道件的内表面的壁厚的一部分处形成基础焊缝或根部焊层。在形成根部焊层时，焊接材料有很大几率行进跨过内表面且变得沉积。然而，可防止过量焊接材料沿焊接区沉积的各种现代技术(例如提供垫环等)现今是可行的。这种垫环作为支承件沿根部间隙在内表面上提供，且随后进行基础焊接。这种垫环防止根部焊层的根部焊缝行进跨过管道件的内表面，继而防止焊接材料沉积在其上。由于垫环部分熔融，所以其不得不之后通过机加工移除。
进而执行第二焊接步骤。在该步骤中，在根部焊层的形成后，通过执行填料焊接(filler weld)来填充根部间隙。在形成根部焊层之后的“根部间隙”在后文中技术上称为“间隙”。该间隙通过重复地沉积填料焊接电极而填充。在执行填料焊接时，在第一步骤中获得的根部焊层由于填料焊接的传热效应而很有可能变得压出(press out)。一般而言，在执行填料焊接时，在根部焊缝上可形成压缩应力，且因此有可能根部焊层可塑形变形，这可引起诸如根部焊缝或填料焊接材料的焊接材料的压出。焊接材料的这种压出由于所述的腐蚀而可降低被焊接管道的寿命。因此，为了降低这类几率，一般进行所沉积焊接材料的机加工，其中过量根部材料通过手动的机加工或者通过利用任何自动化装置而移除。此类机加工是耗时且麻烦的工艺，其需要大量雇员，继而增大了焊接管道的总体成本。
因此，存在对节省时间、经济且便利的用于防止根部焊缝在管道内表面的焊接区中和周围沉积的途径的需求，该途径排除了用以移除沉积根部焊缝的所需机加工。
发明内容
鉴于现有技术中固有的前述缺点，本公开提供了用于焊接管道的方法和系统。此类方法和系统构造成包括现有技术的所有优点，且克服现有技术中固有的缺点并提供一些额外的优点。
本公开的一个目的是提供节省时间、经济且便利的用于在焊接管道时防止焊接材料在管道内表面的焊接区中和周围的沉积的途径。
本公开的另一目的是排除对用以移除所沉积焊接材料的机加工的需求。
为了实现以上目的，在本公开的一方面，提供了用于焊接两个或更多管道部件的方法。该方法包括：
使两个或更多管道部件的两个或更多端部以邻接关系对齐以限定间隙，管道部件具有相对的外部和内部周向表面侧；
以防止根部焊接材料沿内部周向表面侧飞溅的方式从外部周向表面侧沿间隙执行根部焊接，以构造根部焊层；
沿内部周向表面侧施加朝外的推力；以及
从其外部周向表面侧沿间隙执行填料焊接，以填充间隙；
在施加朝外推力后就执行填料焊接确保了填料和根部焊接材料纵向和径向朝外跨两个或更多管道部件的收缩，从而在执行填料焊接时防止填料和根部焊接材料沿内部周向表面侧的压出。
在以上方面的一个实施例中，该方法还包括制备两个或更多管道部件的两个或更多端部的边缘，以用于执行根部焊接。
在以上方面的一个实施例中，施加朝外的推力还包括：沿内部周向表面侧提供支承部件；以及促动支承部件以沿两个或更多管道的内部周向表面在直径方面膨胀，以用于施加朝外的推力。
在以上方面的一个实施例中，该方法包括在填料和根部焊接材料的固化后就释放朝上的推力。
在一个实施例中，通过利用液压、气动、机械或热促动装置中的一种来促动和释放支承部件。
在本公开的另一方面，提供了用于焊接两个或更多管道部件的系统。该系统包括：
根部焊接工具，其用以从两个或更多管道部件的与内部周向表面侧相对的外部周向表面侧根部焊接间隙，以在间隙中形成根部焊层，根部焊层沿以邻接关系对齐的两个或更多管道部件的两个或更多端部构造，根部焊接以防止根部焊接材料沿内部周向表面侧飞溅的方式执行；
填料焊接工具，其用以从外部周向表面侧填料焊接间隙，以填充间隙；以及
支承部件，其沿内部周向表面侧提供以用于沿其施加朝外的推力，以确保填料和根部焊接材料纵向和径向朝外跨两个或更多管道部件的收缩，由此在执行填料焊接时防止填料和根部焊接材料沿内部周向表面的压出。
在以上方面的一个实施例中，该系统还包括边缘制备工具，以用于制备两个或更多管道部件的两个或更多端部的边缘，以执行根部焊接。
在以上方面的一个实施例中，支承部件包括：促动装置，其能够被促动以沿两个或更多管道的内部周向表面在直径方面膨胀，以用于施加朝外的推力；以及释放装置，其结合促动装置构造，释放装置能够在填料和根部焊接材料的固化后就释放朝上的推力。
在一个实施例中，支承部件的促动和释放装置为液压、气动、机械或热操作的装置中的一种。
本公开的以上方面能够提供节省时间、经济且便利的途径，以用于在焊接时及之后防止焊接材料在两个或更多管道的内表面的焊接区中和周围的沉积。具体而言，提供本公开的支承部件以防止焊接材料的沉积，这继而排除了对机加工的需求。支承部件沿内部周向表面侧提供以用于沿其施加朝外的推力，以确保填料和根部焊接材料纵向和径向朝外跨两个或更多管道部件的收缩。在执行填料焊接时且直到焊接材料固化，这防止填料和根部焊接材料沿内部周向表面的压出。此外，由支承部件提供的朝外推力还设法确保跨两个或更多管道部件沿纵向和径向朝外方向的应力产生。这在焊缝形成时和之后确保焊缝的耐久性且防止焊缝中任何类型的裂纹。
本文中所用的术语“焊接区”是在那里执行诸如根部焊接或填料焊接的焊接的区域。焊接区在间隙中和周围。
在本文中使用的术语“内部周向表面侧”和“外部周向表面侧”分别指管道的内侧或管道的内表面和管道的外侧或管道的外表面。
这些连同本公开的其它方面以及表征本公开的各种新颖特征在附于本文且形成本公开的一部分的权利要求书中特别指出。为了更好地理解本公开、其操作优点以及通过其使用所获得的具体目的，应当参考在其中示出本公开的示例性实施例的附图和描述内容。
附图说明
结合附图参考以下详细描述和权利要求，将更好地理解本公开的优点和特征，在附图中相同元件由相同符号标识，且其中：
图1示出了根据本公开的示例性实施例用于焊接两个或更多管道的系统的框图；
图2A至2D示出了描绘根据本公开的示例性实施例的两个或更多管道的焊接的框图；以及
图3示出了根据本公开的示例性实施例用于焊接两个或更多管道的方法的流程图。
贯穿若干附图的描述，相同参考标记指代相同部分。
附图标记：
100   系统
110   根部焊接工具
120   填料焊接工具
130   支承部件
132   促动装置
134   释放装置
140   电气控制面板
150   边缘制备工具
200   第一管道
210   第一管道的端部
220   第一管道的外表面
230   第一管道的内表面
300   第二管道
310   第二管道的端部
320   第二管道的外表面
330   第二管道的内表面
400   根部间隙，间隙
410   根部焊层
420   填料焊层
600   方法
610至660   方法步骤
“A”   描绘朝外推力方向的箭头
“B”   描绘填料和根部焊接材料收缩方向的箭头。
具体实施方式
为了透彻理解本公开，结合上述附图参考包括所附权利要求的以下详细描述。虽然结合示例性实施例描述了本公开，但本公开并不预期受限于本文中陈述的具体形式。应当理解，当情境可暗示或致使权宜之计时，构想各种省略和等价物的替换，但这些预期覆盖不脱离本公开的权利要求的精神或范围的应用或实施方案。还应当理解，本文中所用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应当视为限制性的。另外，本文中所用的词语“一个实施例”、“另一实施例”、“各种实施例”等是出于描述的目的，并且不应视为对特定实施例的限制。
本文中的词语“第一”、“第二”、“内”、“外”等不指示任何顺序、高度或重要性，而是用于将一个元件与另一元件区分开。而且，本文中的词语“一”、“一个”、“多个”不指示对数量的限制，而是指示存在至少一个所述物件。
现在参考图1和图2A至2D，示出了描绘根据本公开的各个示例性实施例用于焊接两个或更多管道的系统100。系统100包括用于形成用于焊接两个或更多管道的环境的根部焊接工具110、填料焊接工具120和支承部件130。出于描述本公开的当前实施例的目的，在图1中示出了两个管道部件，诸如第一管道部件200和第二管道部件300(在下文中也称为“管道200和300”)，而不限制其范围以包括任意所需数量的管道。
第一和第二管道200和300以邻接关系以预定距离彼此对齐，用于对接型焊接。具体而言，管道200的端部210和管道300的端部310以彼此面对的方式对齐。管道200和300分别包括彼此相对的外部周向表面220和320(称为“外表面侧220、320”)以及内部周向表面230和330(称为“内表面侧230、330”)。管道200和300可联接到如本领域中已知的夹紧、驱动和保持装置。此类装置或者从其外表面侧220、320或者从其内表面侧230、330接合管道200和300，以朝彼此驱动管道，使得相应的端部210和310彼此面对。在一个实施例中，在对齐管道200和300之前，制备端部210和310的边缘，例如沿相对方向斜切或斜削以彼此互补。端部210和310的这种制备构造在两个相邻管道200和300的端部210和310之间的间隙400。如图2A中所示，可通过利用边缘制备工具150(诸如斜切工具)根据管道200和300的需求执行边缘制备，以构造包括但不限于V形、J形等的形状的间隙400。管道200、300的这种边缘制备在管道200、300的内部周向表面230、330附近沿间隙400限定根部间隙。在与管道200和300形成接触之后，此类装置就联合朝彼此移动而锁定至其上就位，以防止一个管道与另一管道分离或者远离另一管道移回。抓握管道200和300的夹具可设计成从外表面侧220、320或从内表面侧230、330(其中最方便的方式)抓握管道。
此外，在系统100中，根部焊接工具110构造成根部焊接间隙400以在根部间隙400中形成根部焊层410。“间隙400”在形成“根部焊层410”之前在技术上限定根部间隙，如其在管道焊接的技术领域中通常称呼的(根部焊层410在其中形成)，并且还可在下文中称为“根部间隙400”，以区分焊接工艺。根部焊接工具110可通过利用电气控制面板140被电气地促动和控制以执行其期望目的。然而，规定在系统100中具有电气控制面板140并不排除手动地实现整个焊接工艺的范围。根部焊接工具110包括能够保持和处理电极(例如裸电极或未涂覆电极)的焊接装置，以用于在根部间隙400中形成根部焊层410。带有电极的根部焊接工具110从管道200、300的外表面侧220、320提供，以用于将熔融电极焊接材料沉积在根部间隙400内，以构造根部焊层410。用于构造根部焊层410的根部焊接以防止根部焊接材料沿管道200、300的内表面侧230、330飞溅的方式执行。在没有根部焊接材料沿管道200、300的内表面侧230、330飞溅的情况下，可通过使用各种现代技术和工艺来执行根部焊层，例如自动焊接、气体保护钨极电弧焊、电子束焊接以及激光束焊接等。
此外，在系统100中，填料焊接工具120构造成从管道200、300的外表面侧220、320在根部焊层410上方填料焊接间隙400，以填充间隙400。在不脱离整个焊接工艺可手动实现的规定的情况下，填料焊接工具120还可通过利用电气控制面板140被电气地促动和控制以执行其期望目的。填料焊接工具120包括能够保持和处理填料电极(例如涂覆电极)的焊接装置，以用于在间隙400中形成填料焊层420。带有填料电极的根部焊接工具110从管道200、300的外表面侧220、320提供，以用于将熔融填料电极焊接材料沉积在间隙400内。该工艺连续重复直到间隙400被完全填充，从而构造填料焊层420，且继而焊接管道200、300。用于构造填料焊层420的填料焊接以防止焊接材料沿管道200、300的内表面侧230、330压出的方式执行。一般而言，在执行填料焊接时，填料焊层420在根部焊缝上形成压缩应力，且因此，有可能根部焊层410可塑性变形，这可导致诸如根部焊接或填料焊接材料的焊接材料的压出。关于这点，本公开提供了最优选的实施例以防止焊接材料的此类压出。
在本公开的最优选实施例中，提供支承部件130。支承部件130插入导管200、300内，以用于支承其内表面侧230、330。支承部件130能够沿内表面侧230、330施加朝外的推力(如由箭头组“A”所示)，以确保填料和根部焊接材料纵向和径向朝外(如由箭头组“B”所示)跨两个或更多导管200、300的收缩。例如，朝上的推力可在约100巴至约500巴之间变化。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，支承部件130能够根据需要提供任何所需的朝上推力。支承部件130能够在填料焊接工艺期间提供支承且直到全部焊接材料固化，这继而防止焊接材料沿内表面侧230、330的压出。在一种形式中，在执行填料焊接工艺之前，即在完成根部焊接之后，支承部件200可插入管道200、300内且施加朝上的推力。在其它形式中，支承部件200还可在执行填料焊接工艺时插入管道200、300内且同时施加朝上的推力。此外，由支承部件130提供的朝外推力还设法确保跨管道200、300沿纵向且径向朝外的方向(如由箭头组“B”所示)的应力产生。这在焊接中及焊缝形成后确保焊缝的耐久性且防止焊缝中任何类型的裂纹。支承部件130可通过利用电气控制面板140被电气地促动和控制以执行其期望目的。然而，规定在系统100中具有电气控制面板140并不排除手动地使支承部件130起作用的范围。
在本公开的一个实施例中，支承部件130可包括促动装置132和释放装置134，其结合彼此且与支承部件130一起构造用于实现朝外推力的施加及其释放。在将支承部件130插入管道200、300后，促动装置132就能够被促动以沿管道200、300的内表面230、330在直径方面使支承部件130膨胀。这种膨胀施加朝外的推力，以确保填料和根部焊接材料跨管道200、300从内表面侧230、330纵向且径向朝外的收缩。这种朝外推力防止焊接材料沿内表面侧230、330的压出。一旦填料焊接完成且焊接材料固化，释放装置134便能够释放朝上的推力。促动和释放装置132、134可借助电气控制面板140被电启动或者可手动起动。
在本公开的各种实施例中，支承部件130可为用于实现朝外推力的施加及其释放的液压、气动、机械或热操作支承部件中的一种。在本公开的各种实施例中，促动和释放装置132、134可为用于实现朝外推力的施加及其释放的液压、气动、机械或热操作装置中的一种。
在液压和气动构型中，液压力和气动力分别借助于与支承部件130结合的促动和释放装置132、134来施加和释放，以提供朝上的推力。此外，在机械构型中，朝上的推力可通过机械启动与支承部件130结合的促动和释放装置132、134而施加。而且，在热构型中，朝上的推力可通过热起动与支承部件130结合的促动和释放装置132、134而施加。
通过从“内侧支承表面”提供支承部件130而对管道200、300的焊接可在焊接区中产生应力，因此，为了以节省成本的方式释放这种应力，焊接后热处理可随后执行。
现在参考图3，示出了根据本公开的示例性实施例用于焊接两个或更多管道(诸如管道200、300)的方法600的流程图。方法600将在本文中结合如在图1和图2A至2D中示出的系统100描述。方法600始于610。进一步在620，管道200和300以邻接关系以预定距离对齐以限定根部间隙，诸如根部间隙400，如上文所述。在本公开的一个实施例中，在对齐管道200和300之前，可通过沿相对方向斜切成彼此互补而制备管道的端部210、310，如在上文中说明且出于简洁起见在此排除的。
在630，通过利用根部焊接工具(诸如根部焊接工具110)而执行从外部周向表面侧(诸如外表面侧220、320)沿根部间隙400的根部焊接以构造根部焊层，诸如根部焊层410，如在上文中说明且出于简洁起见在此排除的。根部焊接以防止根部焊接材料沿内部周向表面侧(诸如内表面侧230、330)飞溅的方式执行。
在640，施加沿内表面侧230、330的朝外推力。
而且在650，通过利用焊接工具(诸如填料焊接工具120)而执行从管道200、300的外表面侧220、320在根部焊层410上方对间隙400的填料焊接，以填充间隙400，如在上文中说明且出于简洁起见在此排除的。
在一种形式中，在执行填料焊接工艺之前，即在完成根部焊接之后，支承部件200可插入管道200、300内且施加朝上的推力。在其它形式中，支撑部件200还可在执行填料焊接工艺时插入管道200、300内且同时施加朝上的推力，而不脱离本公开的范围。
施加沿内表面侧230、330的朝外推力以确保焊接材料(诸如根部焊接或填料焊接材料)纵向且径向朝外跨管道200、300的收缩。继而，这在执行填料焊接时且直到焊接材料固化防止了填料和根部焊接材料沿内部周向表面侧230、330的压出。在本公开的一个实施例中，通过利用沿内表面侧230、330的支承部件(诸如支承部件130)且促动支承部件130沿内表面侧230、330在直径上膨胀，从而提供朝上的推力。出于简洁起见，其详细描述在此处排除。
在本公开的一个实施例中，支承部件130可包括诸如促动装置132的促动装置和诸如释放装置134的释放装置，其结合彼此且与支承部件130一起构造用于实现朝外推力的施加及其释放。同样的内容已在上文中说明且出于简洁起见在此排除。方法600止于660。
本公开的系统100和方法600提供了以下优点。系统和方法能够提供节省时间、经济且便利的途径以用于在焊接时防止焊接材料在两个或更多管道的内表面的焊接区中和周围的沉积或压出。具体而言，提供本公开的支承部件以防止焊接材料的沉积或压出，这继而排除了机加工的需要。支承部件沿内部周向表面侧提供，以用于沿其施加朝外的推力，以确保填料和根部焊接材料纵向和径向朝外跨两个或更多管道部件的收缩。这防止在执行填料焊接时焊接材料沿内部周向表面的沉积或压出。此外，由支承部件提供的朝外推力还设法确保沿纵向和径向朝外方向跨两个或更多管道部件的应力产生。这在焊接中及焊缝形成后确保焊缝的耐久性且防止在焊缝中任何类型的裂纹。
本公开的具体实施例的前述描述已经被呈现用于示出和描述的目的。它们并不预期为穷举性的或将本公开限于所公开的精确形式，并且鉴于上述教导许多修改和变型显然是可能的。为了最佳地解释本公开的原理及其实际应用而选择和描述实施例，由此使本领域技术人员最佳地利用本公开和带有适合于所构想特定用途的各种修改的各种实施例。应当理解，当情境可暗示或致使权宜之计时，构想各种省略和等价物的替换，但这预期覆盖不脱离本公开的权利要求的精神或范围的应用或实施方案。

Claims (11)

1. 一种用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的方法(600)，所述方法(600)包括：
使成邻接关系的所述两个或更多管道部件(200、300)的两个或更多端部(210、310)对齐以限定间隙(400)，所述管道部件(200、300)具有相对的外部周向表面侧(220、320)和内部周向表面侧(230、330)；
以防止根部焊接材料沿所述内部周向表面侧(230、330)飞溅的方式从所述外部周向表面侧(220、320)沿所述间隙(400)执行根部焊接，以构造根部焊层(410)；
沿所述内部周向表面侧(230、330)施加朝外的推力；以及
沿所述间隙(400)从其外部周向表面侧(230、330)执行填料焊接，以填充所述间隙(400)，
在施加所述朝外的推力后就执行所述填料焊接确保了所述填料和根部焊接材料纵向且径向朝外跨所述两个或更多管道部件(200、300)的收缩，从而在执行所述填料焊接时防止所述填料和根部焊接材料沿所述内部周向表面(230、330)侧的压出。
2. 根据权利要求1所述的用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的方法(600)，其特征在于，还包括制备所述两个或更多管道部件(200、300)的两个或更多端部(210、310)的边缘，以用于执行所述根部焊接。
3. 根据权利要求1所述的用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的方法(600)，其特征在于，施加所述朝外的推力还包括：
沿所述内部周向表面侧(230、330)提供支承部件(130)；以及
促动所述支承部件(130)以沿所述两个或更多管道(200、300)的内部周向表面(230、330)在直径方面膨胀，以用于施加所述朝外的推力。
4. 根据权利要求3所述的用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的方法(600)，其特征在于，通过液压、气动、机械或热促动装置(132)中的一种来促动所述支承部件(130)。
5. 根据权利要求1所述的用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的方法(600)，其特征在于，还包括在所述填料和根部焊接材料的固化后就释放所述朝上的推力。
6. 根据权利要求5所述的用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的方法(600)，其特征在于，通过液压、气动、机械或热释放装置(134)中的一种来释放所述朝上的推力。
7. 一种用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的系统(100)，所述系统(100)包括：
根部焊接工具(100)，其用以根部焊接间隙(400)以从所述两个或更多管道部件(200、300)的与内部周向表面侧(230、330)相对的外部周向表面侧(220、320)在所述间隙(400)中形成根部焊层(410)，所述根部焊层(410)沿以邻接关系对齐的所述两个或更多管道部件(200、300)的两个或更多端部(210、310)构造，所述根部焊接以防止根部焊接材料沿所述内部周向表面侧(230、330)飞溅的方式执行；
填料焊接工具(120)，其用以从所述外部周向表面侧(230、330)填料焊接所述间隙(400)，以填充所述间隙(400)；以及
支承部件(130)，其沿所述内部周向表面侧(230、330)提供以用于沿其施加朝外的推力，以确保所述填料和根部焊接材料纵向和径向朝外跨所述两个或更多管道部件(200、300)的收缩，从而在执行所述填料焊接时防止所述填料和根部焊接材料沿所述内部周向表面(230、330)的压出。
8. 根据权利要求7所述的用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的系统(100)，其特征在于，还包括边缘制备工具(150)，以用于制备所述两个或更多端部(210、310)的边缘以执行所述根部焊接。
9. 根据权利要求7所述的用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的系统(100)，其特征在于，所述支承部件(130)包括：
促动装置(132)，其能够被促动以沿所述两个或更多管道(200、300)的内部周向表面(230、330)在直径方面膨胀，以用于施加所述朝外的推力；以及
释放装置(134)，其结合所述促动装置(132)构造，所述释放装置(134)能够在所述填料和根部焊接材料的固化后就释放所述朝上的推力。
10. 根据权利要求9所述的用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的系统(100)，其特征在于，所述促动装置(132)为液压、气动、机械或热操作装置中的一种。
11. 根据权利要求9所述的用于焊接两个或更多管道部件(200、300)的系统(100)，其特征在于，所述释放装置(134)为液压、气动、机械或热操作装置中的一种。
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