CN109612414A - 一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置及其方法。本发明采用板条状的波导结构作为降温隔热的热缓冲结构,同时基于波导结构中的非频散的水平剪切导波信号传递,实现对待测高温管道的压电超声远距离在线实时监测,能够监测温度达到1000℃的管道;并且波导结构和待测高温管道是通过压力干耦合接触,具有良好的传声效果,解决了高温下液体耦合剂失效的问题;同时本发明采用d24模式的压电陶瓷晶片更轻质和廉价,功耗低,效率高,表面粘接固定相比厚度耦合方式也更方便和牢靠;本发明能够在高温管道试运行时就永久地安装在上面,长期持续获得高温管道安全状态,不仅能够增加检测频率,也减少了探头每次再耦合而产生的误差。

Description

一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置及其方法
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域,具体涉及一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置及其方法。
背景技术
管道壁厚测量是管道腐蚀监测的一种重要手段,可以及时发现管道的安全隐患,合理指导检修和更换,尤其对于极端条件下的高温管道,像石油化工、煤化工、核电等能源工业中,其腐蚀速率和安全隐患更大,对其壁厚进行在线监测具有极大的科学意义和市场价值。传统的工业测厚方法有漏磁法、涡流法、射线法、超声法,其中以超声法应用最多,它的测量原理是根据超声信号在待测试件上下表面回波信号的时间差乘以被测结构中超声波的传播速度来确定厚度值。相比其他方法,超声法具有结构简单,测量精度高,量程范围宽的特点。
然而,一般的压电超声探头通常只能在其居里温度一半以下(<150℃)长期正常工作,对于高温环境下的管道,常规的压电换能器都面临退极化失效的问题,尽管目前也有很多关于耐高温超声换能器的研究,但技术上还是不够成熟,仍处在实验室探索阶段,价格成本非常高昂,且工作接触时间不能太长(一般几秒量级),无法长期持续测量。并且高温下,常规的液体超声耦合剂也会挥发,导致传统超声测量面临很多困难。至于电磁超声,虽然可以实现高温下非接触测量,但其功耗大,能量转换效率低,体积重量大,也不适合长期在线监测。很多时候高温管道的监测只能等到计划停工的时候,而很多企业停工成本高,严重影响经济效益,时间周期也长,非常不方便。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题,本发明提出了一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置。
本发明的一个目的在于提出一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置。
本发明的基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置包括:波导结构、发射压电换能器、接收压电换能器、波导连接件、声吸收结构、示波器和脉冲超声信号源;其中,波导结构包括连接为一体的声吸收端、过渡段和降温隔热波导,降温隔热波导为板条状,长度为l0,宽度为w0,降温隔热波导的顶端通过过渡段连接声吸收端,过渡段为一段弧形折弯波导,声吸收端、过渡段和降温隔热波导的横截面一致,顺次连接为一个整体;在降温隔热波导的顶端分别粘贴发射压电换能器和接收压电换能器,二者之间有距离,接收压电换能器位于发射压电换能器之下;在吸收端设置声吸收结构;降温隔热波导的末端通过波导连接件与待测高温管道的接触界面干耦合压力接触,降温隔热波导的宽度方向平行于待测高温管道的轴向,降温隔热波导的长度方向垂直于接触界面;降温隔热波导的长度l0由待测高温管道的温度决定,使得待测高温管道的高温经由降温隔热波导缓冲,温度降低至不破坏发射压电换能器和接收压电换能器的性能;发射压电换能器包括两个面内剪切d24模式的第一压电陶瓷晶片,第一压电陶瓷晶片的形状为l1×w1×d1的第一长方体,第一长方体的厚度为d1,长度为l1,宽度为w1,l1>w1>d1,极化方向沿着长度方向,两个l1×d1面为电极面,分别在电极面制备电极,两个第一压电陶瓷晶片的极化方向一致,通过电极面粘接在一起并列排布,形成的水平形状为l1×2w1,发射压电换能器的l1×2w1面粘接在降温隔热波导的顶端表面上,第一压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,粘接在一起的电极面作为公共电极面连接至脉冲超声信号源的一个电极,两端的电极面分别连接至脉冲超声信号源的另一个电极;接收压电换能器为一个面内剪切d24模式的第二压电陶瓷晶片,第二压电陶瓷晶片的形状为l2×w2×d2的第二长方体,第二长方体的厚度为d2,长度为l2,宽度为w2,l2>w2>d2,极化方向沿着长度方向,两个l2×d2面为电极面,在两个电极面分别制备电极,接收压电换能器的l2×w2面粘接在降温隔热波导的顶端的表面上,第二压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,两个电极面分别连接至示波器的两个电极;接收压电换能器和发射压电换能器的中心位于降温隔热波导的中心线上,并且接收压电换能器的长度l2小于发射压电换能器的长度l1,降温隔热波导的宽度w0大于接收发射压电换能器的长度l1;脉冲超声信号源发出脉冲激励信号至发射压电换能器,发射压电换能器由并列排布两个第一压电陶瓷晶片构成,在降温隔热波导的顶端激励出非频散的水平剪切导波,单指向性沿着降温隔热波导传播,通过波导结构与待测高温管道的接触界面透射进入待测高温管道,在待测高温管道的另一侧内表面再反射回来,又经接触界面透射回到波导结构中,沿着降温隔热波导传播由接收换能器接收,接收压电换能器的长度小于发射压电换能器的长度,只接收位于中心区域的能量均匀的信号,传输至示波器,根据待测高温管道中相邻两次反射回波的时间差就能推导出待测高温管道的厚度;同时,波导结构的声吸收结构吸收掉多余的相反方向的波信号。
发射压电换能器与接收压电换能器之间的距离为40~60mm。
波导结构采用导热系数低的金属材质,如不锈钢。
过渡段的弧形为半圆形,整个波导结构呈倒勾型。
声吸收结构采用吸声材料,在声吸收端的表面涂上吸声材料,如沥青。
根据波导结构的温度沿长度方向的分布曲线,确定降温隔热波导的长度l0,使得经由降温隔热波导缓冲,温度降低至30℃以下。
波导连接件包括底座、夹板和固定螺栓;其中,降温隔热波导末端的宽度两侧边缘固定在夹板中,两个夹板通过螺栓紧固;夹板固定在底座上;底座通过固定螺栓与被测高温管道的接触界面干耦合压力连接。
本发明的另一个目的在于提供一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测方法。
本发明的基于超声波导的高温管道壁厚在线监测方法,包括以下步骤:
1)提供两个面内剪切d24模式的第一压电陶瓷晶片,第一压电陶瓷晶片的形状为l1×w1×d1的第一长方体,第一长方体的厚度为d1,长度为l1,宽度为w1,l1>w1>d1,将两个第一压电陶瓷晶片极化,极化方向沿着长度方向,将l1×d1面作为电极面,分别在电极面制备电极,两个第一压电陶瓷晶片的极化方向一致,通过电极面粘接在一起并列排布,形成的水平形状为l1×2w1,构成发射压电换能器;
2)将发射压电换能器的l1×2w1面粘接在降温隔热波导的顶端的表面上,第一压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,粘接在一起的电极面作为公共电极面连接至脉冲超声信号源的一个电极,两端的电极面分别连接至脉冲超声信号源的另一个电极;
3)提供一个面内剪切d24模式的第二压电陶瓷晶片,第二压电陶瓷晶片的形状为l2×w2×d2的第二长方体,第二长方体的厚度为d2,长度为l2,宽度为w2,l2>w2>d2,并且l2<l1,将第二压电陶瓷晶片极化,极化方向沿着长度方向,两个l2×d2面为电极面,在两个电极面分别制备电极,接收压电换能器的l2×w2面粘接在降温隔热波导的顶端的表面上并且位于发射压电换能器之下,第二压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,两个电极面分别连接至示波器的两个电极;
4)在吸收端设置声吸收结构;
5)将降温隔热波导的末端通过波导连接件与待测高温管道的接触界面进行干耦合压力连接,降温隔热波导的宽度方向平行于待测高温管道的轴向,降温隔热波导的长度方向垂直于接触界面;
6)脉冲超声信号源发出脉冲激励信号至发射压电换能器,发射压电换能器由并列排布两个第一压电陶瓷晶片构成,在降温隔热波导的顶端激励出非频散的水平剪切导波,单指向性沿着波导结构传播;
7)水平剪切导波通过波导结构与待测高温管道的接触界面透射进入待测高温管道,在待测高温管道的另一侧内表面再反射回来,又经接触界面透射回到波导结构中,沿着降温隔热波导传播由接收换能器接收,接收压电换能器的长度小于发射压电换能器的长度,只接收位于中心区域的能量均匀的信号,传输至示波器;
8)根据相邻两次反射信号的时间差推导出被测高温管道的壁厚;同时,波导结构的声吸收结构吸收掉多余的相反方向的波信号。
其中,在步骤8)中,根据相邻两次反射信号的时间差Δt推导出被测高温管道的壁厚d:
其中,v是被测高温管道在当前温度下的剪切波速,能够根据初始时未腐蚀的超声管道标定得到。
本发明的优点:
本发明采用板条状的波导结构作为降温隔热的热缓冲结构,同时基于波导结构中的非频散的水平剪切导波信号传递,实现对待测高温管道的压电超声远距离在线实时监测,理论上能够监测温度达到1000℃的管道,只要波导结构足够长;并且波导结构和待测高温管道是通过压力干耦合接触,具有良好的传声效果,解决了高温下液体耦合剂失效的问题;安装时不需在管道上开孔,只需要螺柱焊机很便捷地在管道上焊上两个螺柱就行;同时相比一般的超声探头和电磁超声激励水平剪切波,本发明的发射压电换能器和接收压电换能器采用d24模式的压电陶瓷晶片更轻质和廉价,功耗低,效率高,表面粘接固定相比厚度耦合方式也更方便和牢靠;本发明的在线监测装置能够在高温管道试运行时就永久地安装在上面,长期持续获得高温管道安全状态,不仅能够增加检测频率,也减少了探头每次再耦合而产生的误差。
附图说明
图1为本发明的基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置的一个实施例的示意图;
图2为本发明的基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置的一个实施例的发射压电换能器和接收压电换能器的示意图;
图3为本发明的基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置的一个实施例的波导结构的降温隔热波导的温度沿长度方向的分布曲线图;
图4为根据本发明的基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置的一个实施例测量时接收到的多重反射超声信号图。
具体实施方式
下面结合附图,通过具体实施例,进一步阐述本发明。
如图1所示,本实施例的基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置包括:波导结构1、发射压电换能器2、接收压电换能器3、波导连接件5、声吸收结构4、示波器和脉冲超声信号源;其中,波导结构1包括连接为一体的声吸收端、过渡段和降温隔热波导,降温隔热波导为板条状,降温隔热波导的顶端通过过渡段连接声吸收端,过渡段为一段弧形折弯波导,声吸收端、过渡段和降温隔热波导的横截面一致,顺次连接为一个整体;在降温隔热波导的顶端分别粘贴发射压电换能器2和接收压电换能器3;在吸收端设置声吸收结构4;降温隔热波导的末端通过波导连接件5与待测高温管道6的接触界面干耦合压力接触。
如图2所示,发射压电换能器2包括两个面内剪切d24模式的第一压电陶瓷晶片,第一压电陶瓷晶片的形状为l1×w1×d1的第一长方体,第一长方体的厚度为d1,长度为l1,宽度为w1,l1>w1>d1,极化方向沿着长度方向,两个l1×d1面为电极面,分别在电极面制备电极,两个第一压电陶瓷晶片的极化方向一致,通过电极面粘接在一起并列排布,形成的水平形状为l1×2w1,发射压电换能器的l1×2w1面粘接在降温隔热波导的顶端的表面上,第一压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,粘接在一起的电极面作为公共电极面22连接至脉冲超声信号源的负电极,两端的电极面21分别连接至脉冲超声信号源的正电极;接收压电换能器3为一个面内剪切d24模式的第二压电陶瓷晶片,第二压电陶瓷晶片的形状为l2×w2×d2的第二长方体,第二长方体的厚度为d2,长度为l2,宽度为w2,l2>w2>d2,极化方向沿着长度方向,两个l2×d2面为电极面,在两个电极面31和32分别制备电极,接收压电换能器的l2×w2面粘接在降温隔热波导的顶端的表面上,第二压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,两个电极面31和32分别连接至示波器的两个电极;接收压电换能器位于激励压电换能器的下端,接收压电换能器和发射压电换能器中心位于降温隔热波导的中心线上,并且接收压电换能器的长度l2小于发射压电换能器的长度l1,降温隔热波导的宽度w0大于接收发射压电换能器的长度l1。图2中的箭头方向8为极化方向。
在本实施例中,对外径219mm,壁厚12mm的低碳钢材质钢管进行测试;波导结构的降温隔热波导的长度l0为400mm,宽度w0为18mm,厚度d0为1mm;发射压电换能器的第一长方体的长度l1为12mm,宽度w1为2mm,厚度d1为0.5mm;接收压电换能器的第二长方体的长度l2为8mm,宽度w2为2mm,厚度为d2为0.5mm。在声吸收端的表面涂上沥青。
如图3所示,波导结构的降温隔热波导只需要200mm~300mm的长度就能将一端600℃的高温缓冲到室温。
本实施例的基于超声波导的高温管道壁厚在线监测方法,包括以下步骤:
1)将两个面内剪切d24模式的第一压电陶瓷晶片极化,极化方向沿着长度方向,分别在电极面制备电极,两个第一压电陶瓷晶片的极化方向一致,图2中的箭头方向8为极化方向,通过电极面粘接在一起并列排布,构成发射压电换能器;
2)将发射压电换能器粘接在降温隔热波导的顶端的表面上,第一压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,粘接在一起的电极面作为公共电极面连接至脉冲超声信号源的负电极,两端的电极面分别连接至脉冲超声信号源的正电极;
3)将一个面内剪切d24模式的第二压电陶瓷晶片极化,极化方向沿着长度方向,在两个电极面分别制备电极,接收压电换能器粘接在降温隔热波导的顶端的表面上并且位于发射压电换能器下50mm处,第二压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,两个电极面分别连接至示波器的两个电极;
4)在吸收端的表面都涂上沥青;
5)将降温隔热波导的末端通过波导连接件与待测高温管道的接触界面进行干耦合压力连接,降温隔热波导的宽度方向平行于待测高温管道的轴向;
6)脉冲超声信号源对发射压电换能器施加一个汉宁窗调制的五周期正弦信号脉冲,中心频率为1.25MHz,在波导结构中激励出非频散的水平剪切导波,单指向性地沿降温隔热波导的长度方向传播,通过降温隔热波导传输至待测高温管道;
7)水平剪切导波经过接触界面透射进入待测高温管道,在待测高温管道的内壁反射折回,又经接触界面透射回到波导结构中,沿着波导传播回来被接收换能器接收,反射回接收的信号如图4所示,接收压电换能器的长度小于发射压电换能器的长度,只接收位于中心区域的能量均匀的信号;
8)根据相邻两次反射信号的时间差Δt推导出被测高温管道的壁厚:
其中,v是被测高温管道当前温度下的剪切波速,能够根据初始时未腐蚀的超声管道标定得到。
从图4可以看到,除了降温隔热波导自身端部反射的信号比较强,透射进入待测高温管道再多次反射回来的信号幅值就比较弱,但波形还算稳定,清晰可辨不影响测量,通过管道中相邻两次反射信号间的时间差和板厚实际尺寸就能确定待测高温管道中剪切波波速,测得波速为3099.8m/s,非常接近低碳钢中理论剪切波速3100m/s。同理如果事先知道待测高温管道中剪切波速,就能根据管道中相邻两次反射信号间的时间差来测得管道壁厚值。
最后需要注意的是,公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明,但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内,各种替换和修改都是可能的。因此,本发明不应局限于实施例所公开的内容,本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置,其特征在于,所述高温管道壁厚在线监测装置包括:波导结构、发射压电换能器、接收压电换能器、波导连接件、声吸收结构、示波器和脉冲超声信号源;其中,所述波导结构包括连接为一体的声吸收端、过渡段和降温隔热波导,降温隔热波导为板条状,长度为l0,宽度为w0,降温隔热波导的顶端通过过渡段连接声吸收端,过渡段为一段弧形折弯波导,声吸收端、过渡段和降温隔热波导的横截面一致,顺次连接为一个整体;在降温隔热波导的顶端分别粘贴发射压电换能器和接收压电换能器,二者之间有距离,接收压电换能器位于发射压电换能器之下;在吸收端设置声吸收结构;所述降温隔热波导的末端通过波导连接件与待测高温管道的接触界面干耦合压力接触,降温隔热波导的宽度方向平行于待测高温管道的轴向,降温隔热波导的长度方向垂直于接触界面;所述降温隔热波导的长度l0由待测高温管道的温度决定,使得待测高温管道的高温经由降温隔热波导缓冲,温度降低至不破坏发射压电换能器和接收压电换能器的性能;发射压电换能器包括两个面内剪切d24模式的第一压电陶瓷晶片,第一压电陶瓷晶片的形状为l1×w1×d1的第一长方体,第一长方体的厚度为d1,长度为l1,宽度为w1,l1>w1>d1,极化方向沿着长度方向,两个l1×d1面为电极面,分别在电极面制备电极,两个第一压电陶瓷晶片的极化方向一致,通过电极面粘接在一起并列排布,形成的水平形状为l1×2w1,发射压电换能器的l1×2w1面粘接在降温隔热波导的顶端表面上,第一压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,粘接在一起的电极面作为公共电极面连接至脉冲超声信号源的一个电极,两端的电极面分别连接至脉冲超声信号源的另一个电极;接收压电换能器为一个面内剪切d24模式的第二压电陶瓷晶片,第二压电陶瓷晶片的形状为l2×w2×d2的第二长方体,第二长方体的厚度为d2,长度为l2,宽度为w2,l2>w2>d2,极化方向沿着长度方向,两个l2×d2面为电极面,在两个电极面分别制备电极,接收压电换能器的l2×w2面粘接在降温隔热波导的顶端的表面上,第二压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,两个电极面分别连接至示波器的两个电极;所述接收压电换能器和发射压电换能器的中心位于降温隔热波导的中心线上,并且接收压电换能器的长度l2小于发射压电换能器的长度l1,降温隔热波导的宽度w0大于接收发射压电换能器的长度l1;脉冲超声信号源发出脉冲激励信号至发射压电换能器,发射压电换能器由并列排布两个第一压电陶瓷晶片构成,在降温隔热波导的顶端激励出非频散的水平剪切导波,单指向性沿着降温隔热波导传播,通过波导结构与待测高温管道的接触界面透射进入待测高温管道,在待测高温管道的另一侧内表面再反射回来,又经接触界面透射回到波导结构中,沿着降温隔热波导传播由接收换能器接收,接收压电换能器的长度小于发射压电换能器的长度,只接收位于中心区域的能量均匀的信号,传输至示波器,根据待测高温管道中相邻两次反射回波的时间差就能推导出待测高温管道的厚度;同时,波导结构的声吸收结构吸收掉多余的相反方向的波信号。
2.如权利要求1所述的高温管道壁厚在线监测装置,其特征在于,所述发射压电换能器与接收压电换能器之间的距离为40~60mm。
3.如权利要求1所述的高温管道壁厚在线监测装置,其特征在于,所述波导结构采用导热系数低的金属材质。
4.如权利要求1所述的高温管道壁厚在线监测装置,其特征在于,所述过渡段的弧形为半圆形,整个波导结构呈倒勾型。
5.如权利要求1所述的高温管道壁厚在线监测装置,其特征在于,所述声吸收结构采用吸声材料,在声吸收端的表面涂上吸声材料。
6.如权利要求1所述的高温管道壁厚在线监测装置,其特征在于,根据波导结构的温度沿长度方向的分布曲线,确定降温隔热波导的长度l0,使得经由降温隔热波导缓冲,温度降低至30℃以下。
7.如权利要求1所述的高温管道壁厚在线监测装置,其特征在于,所述波导连接件包括底座、夹板和固定螺栓;其中,所述降温隔热波导末端的宽度两侧边缘固定在夹板中,两个夹板通过螺栓紧固;所述夹板固定在底座上;所述底座通过固定螺栓与被测高温管道的接触界面干耦合压力连接。
8.一种如权利要求1所述的基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置的在线监测方法,其特征在于,所述在线监测方法包括以下步骤:
1)提供两个面内剪切d24模式的第一压电陶瓷晶片,第一压电陶瓷晶片的形状为l1×w1×d1的第一长方体,第一长方体的厚度为d1,长度为l1,宽度为w1,l1>w1>d1,将两个第一压电陶瓷晶片极化,极化方向沿着长度方向,将l1×d1面作为电极面,分别在电极面制备电极,两个第一压电陶瓷晶片的极化方向一致,通过电极面粘接在一起并列排布,形成的水平形状为l1×2w1,构成发射压电换能器;
2)将发射压电换能器的l1×2w1面粘接在降温隔热波导的顶端的表面上,第一压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,粘接在一起的电极面作为公共电极面连接至脉冲超声信号源的一个电极,两端的电极面分别连接至脉冲超声信号源的另一个电极;
3)提供一个面内剪切d24模式的第二压电陶瓷晶片,第二压电陶瓷晶片的形状为l2×w2×d2的第二长方体,第二长方体的厚度为d2,长度为l2,宽度为w2,l2>w2>d2,并且l2<l1,将第二压电陶瓷晶片极化,极化方向沿着长度方向,两个l2×d2面为电极面,在两个电极面分别制备电极,接收压电换能器的l2×w2面粘接在降温隔热波导的顶端的表面上并且位于发射压电换能器之下,第二压电陶瓷晶片的极化方向平行于降温隔热波导的宽度方向,两个电极面分别连接至示波器的两个电极;
4)在吸收端设置声吸收结构;
5)将降温隔热波导的末端通过波导连接件与待测高温管道的接触界面进行干耦合压力连接,降温隔热波导的宽度方向平行于待测高温管道的轴向,降温隔热波导的长度方向垂直于接触界面;
6)脉冲超声信号源发出脉冲激励信号至发射压电换能器,发射压电换能器由并列排布两个第一压电陶瓷晶片构成,在降温隔热波导的顶端激励出非频散的水平剪切导波,单指向性沿着波导结构传播;
7)水平剪切导波通过波导结构与待测高温管道的接触界面透射进入待测高温管道,在待测高温管道的另一侧内表面再反射回来,又经接触界面透射回到波导结构中,沿着降温隔热波导传播由接收换能器接收,接收压电换能器的长度小于发射压电换能器的长度,只接收位于中心区域的能量均匀的信号,传输至示波器;
8)根据相邻两次反射信号的时间差推导出被测高温管道的壁厚;同时,波导结构的声吸收结构吸收掉多余的相反方向的波信号。
9.如权利要求8所述的在线监测方法,其特征在于,在步骤8)中,根据相邻两次反射信号的时间差Δt推导出被测高温管道的壁厚d:
其中,v是被测高温管道在当前温度下的剪切波速。
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