CN109682891B - 一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，采用超声无损检测仿真软件对小径管焊缝检测设置进行建模，针对小径管对接焊缝内潜在各类缺陷的检测结果进行仿真计算，将计算结果与对应类型缺陷实际检测结果比对，进行特征归纳总结，得到此类缺陷回波的特征图谱，此特征图谱可以用作小径管焊缝相控阵检测结果分析过程中的指导图谱。
Description
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域，具体而言涉及一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法。
背景技术
利用相控阵超声波检测技术检测各个关键部件或者焊接部位已成为当今无损检测中最常用的手段。用相控阵探头对焊缝进行检测时，无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动，而相控阵探头沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查，对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成，也采用手动方式完成，可实现快速检测，检测效率非常高。
但目前技术人员多采用相控阵超声波检测技术检测焊缝缺陷位置，检测波形结构相似，且受多种因素影响呈现的形貌和理论形貌不同，技术人员难以从检测波形中快速识别出焊缝的缺陷类型以及缺陷特征。
另外，相控阵超声波检测技术如果想要获取更为精确的检测结果，不仅要求探头能对焊缝有全方位的覆盖，而且还要求具有一定的探伤灵敏度，对设备的要求较高。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，采用超声无损检测仿真软件对小径管焊缝检测设置进行建模，针对小径管对接焊缝内潜在各类缺陷的检测结果进行仿真计算，将计算结果与对应类型缺陷实际检测结果比对，进行特征归纳总结，得到此类缺陷回波的特征图谱，此特征图谱可以用作小径管焊缝相控阵检测结果分析过程中的指导图谱。
为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，所述方法包括：
S1：制作典型缺陷试块，所述典型缺陷试块包括至少一种焊缝缺陷，采用超声相控阵设备对典型缺陷试块进行全角度扫查和全数据采集，记录检测参数和检测结果，所述检测结果中至少包括焊缝缺陷处的数据采集结果。
在一些例子中，所述焊缝缺陷包括侧壁未融合、根部未焊透、中心线裂纹、焊趾裂纹、密集气孔、热影响区裂纹中的几种或者全部。
步骤S1中，所述制作典型缺陷试块，所述典型缺陷试块包括至少一种焊缝缺陷，采用超声相控阵设备对典型缺陷试块进行全角度扫查和全数据采集，记录检测参数和检测结果的方法包括：
S101：制作若干个小径管对接焊缝工件，在每个对接焊缝中预埋至少一个焊缝缺陷。
S102：选择检测探头，记录探头参数；设置并记录探头工作参数；设置数据采集参数。
S103：对所述若干个小径管对接焊缝工件进行全角度扫查和全数据采集，记录检测结果。
例如，步骤S1包括以下分步骤：
A:制作典型缺陷试块：制作3个规格为57x11小径管对接焊缝工件，在每个对接焊缝中预埋2个典型焊缝缺陷，其中包括：侧壁未融合、根部未焊透、中心线裂纹、焊趾裂纹、密集气孔、热影响区裂纹。
B:选择检测探头：探头频率为7.5Mhz，阵元数量为16晶片，阵元排列方式为线阵，晶片弧度75mm，将探头安装在角度为39度的斜楔块上，楔块轴向弧度与工件外径匹配AOD＝57mm。
C:在仪器中调整相控阵设置，探头位置为探头前沿距焊缝中心20mm，探头入射角偏转范围为40°-75°，角度精度为0.5°，聚焦方式为声程聚焦，聚焦距离为声程33mm处。闸门宽度覆盖一次波与二次波范围。
D:数据采集范围是沿焊缝360度范围，数据采集精度为每1mm采集一次数据。成像方式为：A/S/C/D扫描。对3个工件焊缝进行360度扫查全数据采集，并确保有人工缺陷位置数据采集的有效性。
S2：利用所述检测结果分别制作所述典型缺陷试块中的焊缝和所述超声相控阵设备的仿真模型，采用与步骤S1中相同的检测参数，对所述焊缝的仿真模型进行仿真计算以获取仿真图谱。
步骤S2中，所述利用所述检测结果分别制作所述典型缺陷试块中的焊缝和所述超声相控阵设备的仿真模型，采用与步骤S1中相同的检测参数，对所述焊缝的仿真模型进行仿真计算以获取仿真图谱的方法包括：
S201：利用所述检测结果对所述典型缺陷试块中的对接焊缝进行建模。
S202：建立超声相控阵设备的仿真模型，为之设置与步骤S1中超声相控阵设备相同的工作参数。
S203：利用标准反射体和/或可参数化几何结构以对真实焊缝缺陷的几何特征进行仿真以获取仿真结果。
S204：对仿真结果从形貌、位置、尺寸、以及对应的A扫信号进行分析，结合焊缝缺陷本身固有特征进行综合分析，以获取每种焊缝缺陷的标志性特征。
在另一些例子中，所述典型缺陷试块中的对接焊缝的仿真模型包括：对接焊缝的几何结构、焊缝坡口尺寸、焊缝根部余高、上部盖面宽度以及材料声速及对7.5Mhz声波的衰减中的几种或者全部。
优选的，所述方法还包括：
将超声相控阵设备的探头的脉冲波形导入仿真模型中作为仿真过程中使用的基本波形。
S3：对所述典型缺陷试块中的焊缝缺陷，使用同样参数的检测探头和相同的检测参数进行检测以获取实际检测图谱。
S4：将步骤S2中的仿真图谱与步骤S3中的实际检测图谱做比对，通过图像特征、位置、尺寸以及A扫信号特征的对比得到对应焊缝缺陷的综合特征信息和指导图谱。
仿真波形通常接近理论图谱，波形干净，特征明确，而实际检测图谱在生成过程中受到多种干扰因素的影响，或多或少会出现一些杂波，这对检测判伤存在一定的影响。
为此，本发明提出，所述方法还包括：
分析指导图谱和实际检测结果的差异性，计算并获取差异评估分，如果差异评估分达到设定的差异阈值，结合指导图谱和实际检测图谱以生成对应焊缝缺陷的干扰图谱。
进一步的实施例中，所述结合指导图谱和实际检测结果以生成对应焊缝缺陷的干扰图谱方法包括：
判断所述典型缺陷试块在实际检测中的干扰因素、以及对应的干扰因素对实际检测图谱的影响值。
将影响值大于设定影响阈值的干扰因素设定成关键干扰因素。
提取仿真计算结果和实际检测图谱的差异特征，结合典型缺陷试块的关键干扰因素和对应的影响值，生成干扰图谱。
例如，所述干扰因素包括材料的噪声反射、晶粒反射，以及探头的频率选择等等。采用灰关联法从中挑选出对某一焊缝缺陷影响较大的部分作为关键干扰因素，并估算对应的影响值。
优选的，一种焊缝缺陷的干扰图谱可以具有多幅干扰图谱，例如当材质选择对实际检测图谱的影响较大时，可以生成一干扰图谱，其中包括若干种典型材质对应的焊缝缺陷的综合特征信息等等。用户通过将检测到的波形图谱与干扰图谱中对应材质的综合特征信息做比对，以快速识别焊缝缺陷类型和焊缝缺陷性质。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
1)采用超声无损检测仿真软件对小径管焊缝检测设置进行建模，针对小径管对接焊缝内潜在各类缺陷的检测结果进行仿真计算，将计算结果与对应类型缺陷实际检测结果比对，进行特征归纳总结，得到此类缺陷回波的特征图谱，此特征图谱可以用作小径管焊缝相控阵检测结果分析过程中的指导图谱，进一步优化探伤检测工艺。
2)帮助技术人员快速识别焊缝缺陷类型，同时也降低了对相控阵设备的精度和灵敏度要求。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法的流程图。
图2是本发明的典型缺陷试块中的焊缝和超声相控阵设备的仿真模型。
图3是本发明的坡口未熔合缺陷的仿真图谱和真实检测图谱。
图4是本发明的根部未焊透型缺陷的仿真图谱和真实检测图谱。
图5是本发明的中心线裂纹型缺陷的仿真图谱和真实检测图谱。
图6是本发明的焊趾裂纹型缺陷的仿真图谱和真实检测图谱。
图7是本发明的密集型气孔型缺陷的仿真图谱和真实检测图谱。
图8是本发明的热影响区裂纹型缺陷的仿真图谱和真实检测图谱。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
结合图1、图2，本发明提出一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，所述方法包括：
步骤1，制作典型缺陷试块：制作3个规格为57x11小径管对接焊缝工件，在每个对接焊缝中预埋2个典型焊缝缺陷，其中包括：侧壁未融合、根部未焊透、中心线裂纹、焊趾裂纹、密集气孔、热影响区裂纹。
步骤2，选择检测探头：探头频率为7.5Mhz，阵元数量为16晶片，阵元排列方式为线阵，晶片弧度75mm，将探头安装在角度为39度的斜楔块上，楔块轴向弧度与工件外径匹配AOD＝57mm。
步骤3，在仪器中调整相控阵设置，探头位置为探头前沿距焊缝中心20mm，探头入射角偏转范围为40°-75°，角度精度为0.5°，聚焦方式为声程聚焦，聚焦距离为声程33mm处。闸门宽度覆盖一次波与二次波范围。
步骤4，数据采集范围是沿焊缝360度范围，数据采集精度为每1mm采集一次数据。成像方式为：A/S/C/D扫描。对3个工件焊缝进行360度扫查全数据采集，并确保有人工缺陷位置数据采集的有效性。
步骤5，在仿真软件中对57x11规格的小直径管对接焊缝进行建模，工件建模内容应包括其：几何结构、焊缝坡口尺寸、焊缝根部余高、上部盖面宽度以及材料声速及对7.5Mhz声波的衰减等。
步骤6，在软件中建立探头模型：在仿真软件中将探头的晶片数量，尺寸，排列方式，晶片弧度，楔块尺寸等参数进行设置。将真实探头的脉冲波形进行记录并导入软件中作为仿真使用的基本波形。
步骤7，按照仪器中设置的检测工艺在仿真软件中进行对应的设置，包括：探头相对焊缝位置、探头入射角偏转范围、聚焦方式及距离以及所需仿真的声程范围(一次波与二次波)。
步骤8，缺陷形貌的仿真，利用软件中提供的一些标准反射体或者可参数化几何结构来对真实缺陷的几何特征进行仿真。
步骤9，对仿真结果从形貌、位置、尺寸、以及对应A扫信号进行分析，再结合焊接缺陷本身固有特征进行综合分析得出每种缺陷主要的标志性特征。
步骤10，找到仿真模型对应的真实工件缺陷，并使用同样的检测探头设置(对应步骤2-4)及聚焦方式进行检测并得到对应的图谱。
步骤11，综合仿真图谱与实际检测图谱进行特征比对。
步骤12，通过图像特征、位置、尺寸以及A扫信号特征的对比得到综合特征信息结论。
针对上述模型，进行了缺陷回波图谱的仿真工作。经过大量解析运算之后得到了上述缺陷的仿真图谱。图谱的特征主要由扇形扫查结果与焊缝CAD图进行重叠并配合对应角度的A扫波形进行综合分析其特征。
结合图3至图8，做了大量现场检测图谱的搜集，筛选出了能够与上述缺陷类型匹配的缺陷检测结果用于对比验证。更利于缺陷特征的总结。主要内容如下：
1.坡口未熔合型缺陷
(1)形貌特征：回波沿坡口熔合线呈线段型回波；
(2)位置特征总结：将扇扫一次或者二次波与工件CAD图进行重叠，确保探头参考点与焊缝中心位置与实际位置一致。可以得到，坡口未熔合回波与焊缝坡口熔和线基本重叠；
(3)自身高度特征总结：利用-6dB法或者衍射波距离法对回波进行自身高度测量得到自身高度。可以得到，自身高度通常与焊接工艺有关，通常焊缝未熔合自身高度为焊接过程中一次焊材堆砌厚度有关，大致为2-3mm；
(4)长度特征总结：在C扫描上利用边缘-6dB法进行长度测量。可以得到，具有一定的长度(相对气孔、夹杂类短缺陷)；
(5)A扫信号特征：在扇扫上将光标移至缺陷回波最大峰值处。可以得到，A扫波型脉冲峰值较高，脉冲直上直下，信号拖尾较少。
2.根部未焊透型缺陷
(1)形貌特征：幅值较强的直角反射波伴随上部较弱衍射信号；
(2)位置特征总结：将扇扫一次或者二次波与工件CAD图进行重叠，确保探头参考点与焊缝中心位置与实际位置一致。可以得到，回波在焊缝根部，且靠近探头一侧；可以参考根部余高信号为其定位。未焊透缺陷信号一般比根部余高信号更靠近探头，距离与间隙宽度接近；
(3)自身高度特征总结：利用直角反射波与端角衍射信号测得其高度。可以得到，自身高度与坡口形式有关，大致与钝边高度接近，为2-3mm；
(4)长度特征总结：在C扫描上利用边缘-6dB法进行长度测量。可以得到，具有一定的长度(相对气孔、夹杂类短缺陷)；
(5)A扫信号特征：在扇扫上将光标移至缺陷回波最大峰值处；可以得到，A扫波型脉冲峰值较高，信号有一定拖尾，其拖尾信号为端点衍射信号。
3.中心线裂纹特征分析
(1)形貌特征：多个回波连续回波信号沿裂纹方向排列，强弱不均；
(2)位置特征总结：将扇扫一次或者二次波与工件CAD图进行重叠，确保探头参考点与焊缝中心位置与实际位置一致。可以得到，回波在焊缝中心位置，具有一定垂直高度；可以参考根部余高信号为其定位。未焊透缺陷信号一般比根部余高信号更靠近探头，距离与间隙宽度接近；
(3)自身高度特征总结：利用直角反射波与端角衍射信号却行其高度。可以得到，通过衍射波可以对裂纹自身高度进行较准确测量；
(4)长度特征总结：在C扫描上利用边缘-6dB法进行长度测量。可以得到，具有一定的长度(相对气孔、夹杂类短缺陷)；
(5)A扫信号特征：在扇扫上将光标移至缺陷回波最大峰值处。可以得到，A扫波型脉冲峰值较高，信号有一定拖尾，其拖尾信号为端点衍射信号。
4.焊趾裂纹特征分析
(1)形貌特征：多个连续回波信号沿裂纹方向排列，强弱不均；
(2)位置特征总结：将扇扫一次或者二次波与工件CAD图进行重叠，确保探头参考点与焊缝中心位置与实际位置一致。可以得到，回波从焊趾位置沿内部延伸，具有一定垂直高度；
(3)自身高度特征总结：利用直角反射波与端角衍射信号测得其高度。可以得到，通过衍射波可以对裂纹自身高度进行较准确测量；
(4)长度特征总结：在C扫描上利用边缘-6dB法进行长度测量。可以得到，具有一定的长度(相对气孔、夹杂类短缺陷)；
(5)A扫信号特征：在扇扫上将光标移至缺陷回波最大峰值处。可以得到，A扫波型脉冲峰值较高，信号有一定拖尾，其拖尾信号为端点衍射信号。
5.密集型气孔特征分析
(1)形貌特征：空间随机密集分布多个波连较弱回波；
(2)位置特征总结：将扇扫一次或者二次波与工件CAD图进行重叠，确保探头参考点与焊缝中心位置与实际位置一致。可以得到，回波在焊缝焊肉区域，具有一定空间范围，具体位置较为随机，幅值当量低；
(3)自身高度特征总结：单个气孔高度较小，可以统计出密集气孔深度范围；
(4)长度特征总结：单个气孔长度较小，可以统计出密集气孔长度范围；
(5)A扫信号特征：在扇扫上将光标移至多个回波范围中部区域。可以得到，A扫波型脉冲较低，有较长拖尾的连续脉冲。
6.靠下表面热影响区特征分析
(1)形貌特征：靠近底面有信号较强回波，伴随多个强弱不均连续回波信号沿裂纹方向排列；
(2)位置特征总结：将扇扫一次或者二次波与工件CAD图进行重叠，确保探头参考点与焊缝中心位置与实际位置一致。可以得到，回波在焊缝热影响区内，具有一定高度，在底面较强直角回波上部及下部都有连续较弱回波；
(3)自身高度特征总结：利用直角反射波与端角衍射信号却行其高度。可以得到，通过衍射波可以对裂纹自身高度进行较准确测量；
(4)长度特征总结：在C扫描上利用边缘-6dB法进行长度测量。可以得到，具有一定的长度(相对气孔、夹杂类短缺陷)；
(5)A扫信号特征：在扇扫上将光标移至缺陷回波最大峰值处。可以得到，A扫波型脉冲峰值较高，信号前后有一定拖尾，其拖尾信号为裂纹衍射信号。
通过以上对坡口未熔合型缺陷、根部未焊透型缺陷、中心线裂纹缺陷、焊趾裂纹缺陷、密集型气孔缺陷、靠下表面热影响缺陷分析，结合CIVA软件进行建模仿真、现场实际检测结果分析，仿真与实际检测结果比较接近，说明了检测效果良好。但是还是存在一定的差异性，主要是材料的噪声反射、晶粒反射引起的各种杂波，以及探头的频率选择均有关系。仿真结果图非常干净，而实际检测结果会存在各种各样的杂波，这对检测判伤存在一定的影响。下面通过表1，对几种缺陷进行对比分析。
表1焊缝缺陷比对结果
| 缺陷类型 | 缺陷特征 | 仿真波形 | 实际波形 |
| 坡口未熔合型 | 线段型回波 | 强反射波，波形干净 | 与仿真接近 |
| 根部未焊透型 | 直角反射波 | 较强反射波 | 与仿真接近 |
| 中心线裂纹型 | 强弱不均多回波 | 较强多次回波 | 存在杂波 |
| 焊趾裂纹型 | 强弱不均多回波 | 较强多次回波 | 与仿真结果接近 |
| 密集型气孔 | 空间随机密集分布 | 多次回波明显 | 存在较多杂波 |
| 靠下表面热影响型 | 连续型，多反射 | 波形干净，缺陷波明显 | 有较强的多次回波 |
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (8)
1.一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：制作典型缺陷试块，所述典型缺陷试块包括至少一种焊缝缺陷，采用超声相控阵设备对典型缺陷试块进行全角度扫查和全数据采集，记录检测参数和检测结果，所述检测结果中至少包括焊缝缺陷处的数据采集结果；
S2：利用所述检测结果分别制作所述典型缺陷试块中的焊缝和所述超声相控阵设备的仿真模型，采用与步骤S1中相同的检测参数，对所述焊缝的仿真模型进行仿真计算以获取仿真图谱；
S3：对所述典型缺陷试块中的焊缝缺陷，使用同样参数的检测探头和相同的检测参数进行检测以获取实际检测图谱；
S4：将步骤S2中的仿真图谱与步骤S3中的实际检测图谱做比对，通过图像特征、位置、尺寸以及A扫信号特征的对比得到对应焊缝缺陷的综合特征信息和指导图谱；
步骤S2中，所述利用所述检测结果分别制作所述典型缺陷试块中的焊缝和所述超声相控阵设备的仿真模型，采用与步骤S1中相同的检测参数，对所述焊缝的仿真模型进行仿真计算以获取仿真图谱的方法包括：
S201：利用所述检测结果对所述典型缺陷试块中的对接焊缝进行建模；
S202：建立超声相控阵设备的仿真模型，为之设置与步骤S1中超声相控阵设备相同的工作参数；
S203：利用标准反射体和/或可参数化几何结构以对真实焊缝缺陷的几何特征进行仿真以获取仿真结果；
S204：对仿真结果从形貌、位置、尺寸、以及对应的A扫信号进行分析，结合焊缝缺陷本身固有特征进行综合分析，以获取每种焊缝缺陷的标志性特征。
2.根据权利要求1所述的利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，其特征在于，步骤S1中，所述制作典型缺陷试块，所述典型缺陷试块包括至少一种焊缝缺陷，采用超声相控阵设备对典型缺陷试块进行全角度扫查和全数据采集，记录检测参数和检测结果的方法包括：
S101：制作若干个小径管对接焊缝工件，在每个对接焊缝中预埋至少一个焊缝缺陷；
S102：选择检测探头，记录探头参数；设置并记录探头工作参数；设置数据采集参数；
S103：对所述若干个小径管对接焊缝工件进行全角度扫查和全数据采集，记录检测结果。
3.根据权利要求1或者2中所述的利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，其特征在于，所述焊缝缺陷包括侧壁未融合、根部未焊透、中心线裂纹、焊趾裂纹、密集气孔、热影响区裂纹中的几种或者全部。
4.根据权利要求1所述的利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，其特征在于，所述典型缺陷试块中的对接焊缝的仿真模型包括：对接焊缝的几何结构、焊缝坡口尺寸、焊缝根部余高、上部盖面宽度以及材料声速及对7.5Mhz声波的衰减中的几种或者全部。
5.根据权利要求1所述的利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将超声相控阵设备的探头的脉冲波形导入仿真模型中作为仿真过程中使用的基本波形。
6.根据权利要求1所述的利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，其特征在于，所述方法还包括：
分析指导图谱和实际检测图谱的差异性，计算并获取差异评估分，如果差异评估分达到设定的差异阈值，结合指导图谱和实际检测结果以生成对应焊缝缺陷的干扰图谱。
7.根据权利要求6所述的利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，其特征在于，所述结合指导图谱和实际检测图谱以生成对应焊缝缺陷的干扰图谱方法包括：
判断所述典型缺陷试块在实际检测中的干扰因素、以及对应的干扰因素对实际检测图谱的影响值；
将影响值大于设定影响阈值的干扰因素设定成关键干扰因素；
提取仿真计算结果和实际检测图谱的差异特征，结合典型缺陷试块的关键干扰因素和对应的影响值，生成干扰图谱。
8.根据权利要求7所述的利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法，其特征在于，所述干扰因素包括材料的噪声反射、晶粒反射，以及探头的频率选择。
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