CN113622849B - 一种密闭取心钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿勘探技术领域,公开了一种密闭取心钻具,包括:外管以及嵌套于外管内的岩心管、钻头、传动机构和球阀,传动机构设置于外管内,球阀的外壳固定于岩心管的下端,球阀的旋转轴连接有从动齿轮,从动齿轮与传动机构连接,以使从动齿轮带动旋转轴产生转动从而使球阀的球孔与岩心管连通,本发明通过传动机构带动球阀转动,从而实现在钻孔状态时,球阀的球体完全将岩心管进行封堵,在到达取样位后通过传动机构带动球阀转动90°使球阀上的球孔与岩芯管连通,从而使煤心进入岩心管内,再次通过传动机构带动球阀转动实现岩芯切割和岩芯管封闭功能,用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题,同时也实现了煤芯的封堵和割断功能。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿勘探技术领域,特别涉及一种密闭取心钻具。
背景技术
瓦斯(煤层气)含量的测定对矿井通风、瓦斯灾害治理以及煤层气资源开发意义重大。
以往瓦斯含量测定方法主要是通过钻孔取出煤芯,然后装筒密封,再送入实验室进行测定,这项工艺在取样过程中没有严格地考虑密封,导致大量瓦斯逸出,最终测定结果存在较大误差。为解决此问题,国内外开展了大量的研究工作,研制出了多种煤矿专用的卸压密闭取芯装置,包括双管卸压取芯钻具、三重管卸压取芯钻具和带密闭液室的取芯钻具等。这些钻具虽然考虑了在取芯过程中对煤芯的封堵密闭,具有一定的针对性和实用性,但仍然存在一定弊端:煤芯的封堵和割断功能分离,由不同的机构完成,在取样过程中没有实现密闭功能;采用密闭液的方式来密闭所取样品,取芯成功率低,成本不菲,且在近水平孔乃至仰孔中,密闭功效有待商椎。
发明内容
本发明提供一种密闭取心钻具,采用机械式密闭取芯代替密闭液,用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题,同时也实现了煤芯的封堵和割断功能。
本发明提供了一种密闭取心钻具,包括:
外管以及嵌套于外管内的岩心管,外管的下端固定有钻头,钻头上具有贯穿其纵向的进样孔;
传动机构,设置于外管内;
球阀,球阀的外壳固定于岩心管的下端,球阀的旋转轴连接有从动齿轮,从动齿轮与传动机构连接,以使从动齿轮带动旋转轴产生转动从而使球阀的球孔与岩心管连通。
可选的,钻头内通过剪切销连接有挡头,挡头的下部沿进样孔延伸出钻头的下端面,球阀位于挡头的上方,挡头的外径小于球孔的孔径,当球孔与岩心管连通时挡头正对球孔。
可选的,钻头内还设置有导向压盖,导向压盖与外壳的下端螺纹连接,外壳内还固定有卡簧,卡簧位于球阀的球体的上方。
可选的,从动齿轮位于述外壳的外侧,从动齿轮的端面与外壳的外铣平面之间连接有密封圈。
可选的,传动机构包括:
齿轮箱,固定于岩心管的上端,齿轮箱与外管之间有间隙;
驱动电机,设置于齿轮箱内;
主动齿轮,通过驱动电机驱动其转动;
齿条,沿岩心管的纵向滑动连接于岩心管的外壁,并与主动齿轮啮合,从动齿轮与齿条啮合。
可选的,齿条为两个,两个齿条上下排布,上方的齿条与主动齿轮啮合,下方的齿条与从动齿轮啮合,两个齿条之间固定有滑动套,滑动套套设于岩心管的外周,滑动套的侧壁上具有一沿其纵向开设的滑孔,岩心管的外壁固定有沿其纵向的导向肋,导向肋的外侧穿过滑孔并与其滑动配合。
可选的,传动机构还包括:
主动伞齿轮,固定于驱动电机的输出轴上;
被动伞齿轮,通过齿轮轴与齿轮箱连接,被动伞齿轮与主动伞齿轮垂直啮合,主动齿轮连接于齿轮轴延伸出齿轮箱外的部分上。
可选的,还包括上接头,上接头呈上部直径大下部直径小的阶梯状,外管与上接头固定连接,岩心管与外管之间形成流通道,上接头上开设有分流孔,分流孔与流通道连通,钻头上具有与流通道相连通的出液孔。
可选的,球阀的外壳与钻头之间套接有扶正轴承,扶正轴承上开有水槽,水槽与流通道连通。
可选的,还包括顶针阀,岩心管的上部封闭,顶针阀的阀套与岩心管的封闭端固连,顶针阀上具有通孔,岩心管的封闭端具有连通孔,连通孔同时与通孔及岩心管相连通。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:本发明通过传动机构带动球阀转动,从而实现在钻孔状态时,球阀的球体完全将岩心管进行封堵,使岩心管内达到密封无杂状态,在到达取样位后通过传动机构带动球阀转动90°使球阀上的球孔与岩芯管连通,从而使煤心经钻头上的进样孔及球阀上的球孔进入岩心管内,再次通过传动机构带动球阀转动实现岩芯切割和岩芯管封闭功能,用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题,同时也实现了煤芯的封堵和割断功能,既提高了密闭取芯的成功率,又大大降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种密闭取心钻具的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的主动齿轮和齿条以及从动齿轮的装配图;
图3为本发明实施例提供的传动机构的结构示意图;
图4为图1中G处的局部结构放大示意图。
附图标记说明:
10-外管,11-钻头,12-挡头,13-上接头,14-流通道,15-分流孔,16-出液孔,17-剪切销,18-进样孔,20-岩心管,21-导向压盖,22-卡簧,23-顶针阀,24-通孔,25-导向肋,26-滑动套,27-连通孔,30-传动机构,300-驱动电机,301-主动齿轮,302-齿条,303-主动伞齿轮,304-被动伞齿轮,305-齿轮轴,306-齿轮箱,31-滑孔,40-从动齿轮,50-球阀,500-外壳,501-密封环组,502-球体,51-密封圈,52-扶正轴承,53-水槽,60-电气短节,600-短接外壳,601-连接套,602-电路密封盖,603-电池,604-控制板,70-单动机构,700-推力轴承,701-轴承压盖,702-径向轴承,703-锁母。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的一个具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
瓦斯(煤层气)含量的测定对矿井通风、瓦斯灾害治理以及煤层气资源开发意义重大。
以往瓦斯含量测定方法主要是通过钻孔取出煤芯,然后装筒密封,再送入实验室进行测定,这项工艺在取样过程中没有严格地考虑密封,导致大量瓦斯逸出,最终测定结果存在较大误差。为解决此问题,国内外开展了大量的研究工作,研制出了多种煤矿专用的卸压密闭取芯装置,包括双管卸压取芯钻具、三重管卸压取芯钻具和带密闭液室的取芯钻具等。这些钻具虽然考虑了在取芯过程中对煤芯的封堵密闭,具有一定的针对性和实用性,但仍然存在一定弊端:煤芯的封堵和割断功能分离,由不同的机构完成,在取样过程中没有实现密闭功能;采用密闭液的方式来密闭所取样品,取芯成功率低,成本不菲,且在近水平孔乃至仰孔中,密闭功效有待商椎。
基于以上问题,本发明提供一种密闭取心钻具,采用机械式密闭取芯代替密闭液,用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题,同时也实现了煤芯的封堵和割断功能,以下结合附图进行具体说明,其中,图1为本发明实施例提供的一种密闭取心钻具的结构示意图,图2为本发明实施例提供的主动齿轮和齿条以及从动齿轮的装配图,图3为本发明实施例提供的传动机构的结构示意图,图4为图1中G处的局部结构放大示意图。
如图1和4所示,本发明实施例提供的一种密闭取心钻具,包括:内管总成及嵌套于内管总成外部的外管总成,外管总成由上接头13、外管10和钻头11组成,上接头13呈上部直径大下部直径小的阶梯状,外管10与上接头13的上部螺纹连接,钻头11上具有贯穿其纵向的进样孔18,在本实施例中钻头11采用阶梯底喷式结构形式,内管总成由单动机构70、电气短节60、岩心管20、传动机构30组成,传动机构30设置于外管10内,球阀50的外壳500固定于岩心管20的下端,球阀50的旋转轴连接有从动齿轮40,从动齿轮40与传动机构30连接,以使从动齿轮40带动旋转轴产生转动从而使球阀50的球孔与岩心管20连通,单动机构70由推力轴承700、径向轴承702串组、轴承压盖701、锁母703等组成,推力轴承700、径向轴承702串组均安装于上接头13的长导向柱上,保障强度和同心度要求,外管10承受扭矩和钻压,轴承压盖701安装于推力轴承700及径向轴承702串组之间,锁母703固定在径向轴承702串组下端的上接头13的长导向柱上,该单动机构70外部通过连接套601与岩心管20连接,主要特点是直径大,刚度好,在水平孔取心时能承受内管的重力,保障同心度,推力轴承700承受部分钻压引起的轴向力,多组径向轴承702能保障同心度,通过在轴承压盖701上方或锁母703之间加入垫片可以微弱调整内管总成前段与钻头11之间的轴向间隙,电气短节60由控制板604、电池603、连接套601、电路密封盖602和短接外壳600组成,短接外壳600固定于连接套601的下部,轴承压盖701固定在连接套601的上部,控制板604、电池603、电路密封盖602均封闭于短接外壳600内,通过控制板604启动传动机构30,可实现对球阀正转或反转的旋转控制,电池节由多组电池603组成,该电气短节60具有防爆功能,岩心管20与外管10之间形成流通道14,上接头13上开设有分流孔15,分流孔15与流通道14连通,使冲洗液流至流通道14中,钻头11上具有与流通道14相连通的出液孔16,冲洗液经出液孔16流出,钻头11采用阶梯底喷式结构形式,避免冲刷煤心,实现快速钻进的目的,钻头11的内径小于球阀50的通过直径。
本发明通过传动机构带动球阀转动,从而实现在钻孔状态时,球阀的球体完全将岩心管进行封堵,使岩心管内达到密封无杂状态,在到达取样位后通过传动机构带动球阀转动90°使球阀上的球孔与岩芯管连通,从而使煤心经钻头上的进样孔及球阀上的球孔进入岩心管内,再次通过传动机构带动球阀转动实现岩芯切割和岩芯管封闭功能,用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题,同时也实现了煤芯的封堵和割断功能,既提高了密闭取芯的成功率,又大大降低了成本。
可选的,钻头11内通过剪切销17连接有挡头12,挡头12的下部沿进样孔18延伸出钻头11的下端面,球阀50位于挡头12的上方,挡头12的外径小于球孔的孔径,当球孔与岩心管20连通时挡头12正对球孔,在本实施例中,挡头12的外径与进样孔18的孔径配合,可封闭进样孔18,由于水平钻孔内可能存在残渣,为避免下入钻具使大量残渣进入岩心管20内部,在此设计有挡头12,挡头12上有密封圈和剪切小孔,挡头12上的销孔和钻头11上的销孔通过剪切销17(铁丝销)连接,当球阀50关闭时,此时挡头12封闭进样孔18,借助球阀50的端面和剪切销17剪切强度保障挡头12相对静止,当球阀50打开后,并且钻具受到钻压顶力时,剪切销17剪断,挡头12与钻头11相对运动,随煤心先后进入球体502和岩心管20之中,并且具有煤心导向的作用。
可选的,钻头11内还设置有导向压盖21,导向压盖21与外壳500的下端螺纹连接,外壳500内还固定有卡簧22,卡簧22位于球阀50的球体502的上方,外壳500与卡簧22固定的部分带有2~3°锥度,球阀50实现下部密闭功能,球阀50的外壳500上部通过外螺纹与岩心管20连接,外壳500下部直径大,由下向上顺序装入球体的上密封环、球体502、下密封环,其中上密封环和下密封环组成密封环组501,并通过导向压盖21的旋入固定和调整球体502和密封环组501的间隙,密封环为同材质,与球体502达到旋转密封。球体502上开孔,煤心从孔进入岩心管20内部,球体502由旋转轴连接在外壳500上,一端为圆柱形的旋转轴,球体502的另一端为内方,内方中焊接旋转轴穿过球体502及外壳500与外部的从动齿轮40连接,导向压盖21一方面容纳卡簧22,另一方面为球阀50内组件的压紧固定件,导向压盖21下部带有2~3°锥度,与卡簧22配合,进一步辅助球阀50实现卡断煤心的作用。
为了进一步保证气密性,从动齿轮40位于述外壳500的外侧,从动齿轮40的端面与外壳500的外铣平面之间连接有密封圈51。
可选的,球阀50的外壳500与钻头11之间套接有扶正轴承52,扶正轴承52上开有水槽53,水槽53与流通道14连通,由于钻具多为近水平取心,为了保障内外管总成的同心度和单动性,球阀50前段外部装有扶正轴承52,扶正轴承52外面带有花键式的水槽53,便于通过冲洗液,为了保障扶正轴承52转动灵活,扶正轴承52内部为含油滑动副(即自润滑滑动轴承内骨架)。
参考图2-3,传动机构30包括:驱动电机300、齿轮箱306、主动齿轮301、齿条302、主动伞齿轮303和被动伞齿轮304,齿轮箱306固定于岩心管20的上端,齿轮箱306同时与短接外壳600固定,齿轮箱306与外管10之间有间隙,驱动电机300设置于齿轮箱306内,主动伞齿轮303固定于驱动电机300的输出轴上,齿条302沿岩心管20的纵向滑动连接于岩心管20的外壁,并与主动齿轮301啮合,从动齿轮40与齿条302啮合,主动伞齿轮303连接于驱动电机300的输出轴上,被动伞齿轮304通过齿轮轴305与齿轮箱306连接,被动伞齿轮304与主动伞齿轮303垂直啮合,主动齿轮301连接于齿轮轴305延伸出齿轮箱306外的部分上,被动伞齿轮304通过齿轮轴305与岩心管20连接,被动伞齿轮304与主动伞齿轮303垂直啮合,主动齿轮301连接于齿轮轴305延伸出岩心管20外的部分上,齿条302沿岩心管20的纵向滑动连接于岩心管20的外壁,并与主动齿轮301啮合,从动齿轮40与齿条302啮合,齿轮箱306的外部设置有齿轮齿条机构,齿轮箱306内部密封,不与冲洗液接触,被动伞齿轮304的齿轮轴305与外部齿轮/齿条连接,该部位通过外部齿轮的端面密封圈与齿轮箱306外端面实现密封,由于直径小,转速低,容易实现密封。齿轮箱306内部为黄油填充,驱动电机300为低压直流电机或步进电机,通过控制板604启动回转,可正转和翻转实现对球阀50的旋转控制,控制板604的程序包括定时、检测回转电流、启动/停止转动等功能。
可选的,齿条302为两个,两个齿条302上下排布,上方的齿条302与主动齿轮301啮合,下方的齿条302与从动齿轮40啮合,两个齿条302之间固定有滑动套26,滑动套26套设于岩心管20的外周,滑动套26的侧壁上具有一沿其纵向开设的滑孔31,岩心管20的外壁固定有沿其纵向的导向肋25,导向肋25的外侧穿过滑孔31并与其滑动配合。
传动机构由上、下各一副齿轮齿条结构以及滑动套26组成。齿轮齿条机构实现转动变直线运动和直线运动变转动的功能,在从动齿轮40的转动带动下部球阀50的90°旋转密封,以及切割煤心,滑动套26在岩心管20外部滑动,此时岩心管20为它的滑动导向管,同时岩心管20上有一条导向肋25,使得滑动套26只能上下滑动不能相对旋转,保障齿轮齿条的运动精度。
可选的,还包括顶针阀23,岩心管20的上部封闭,顶针阀23的阀套与岩心管20的封闭端固连,顶针阀23上具有通孔24,岩心管20的封闭端具有连通孔27,连通孔27同时与通孔24及岩心管20相连通,岩心管20主要收纳煤心,其上部通过销钉和密封圈把齿轮箱306与电气短节60连接起来,岩心管20上部设计有抽真空和取瓦斯气的结构,通过顶针阀23的前、后部均带微密封圈的顶针旋进和旋出,把岩心管20与真空机或瓦斯传感器联通起来。当钻具准备下孔取样时,球阀50关闭,此时把通孔24与机械式真空机连接,抽取空气,使内部具有一定真空度,关闭顶针阀23,取掉真空机,这样最大程度克服了钻具外部空气对瓦斯气浓度压力检测的影响,取样完成提出地表后,连接瓦斯检测传感器,内部提前抽取真空,再打开顶针阀23,岩心管20内的瓦斯进入检测系统实现瓦斯参量的检测。
使用方法及工作原理:
1、入孔前,首先写入控制程序,设置球阀50密闭开启时间,组装好内管总成,使球阀50关闭即球孔与岩心管20不连通,真空机与三通(通孔24)相连,开启顶针阀23,对仓体内进行抽真空处理,达到一定真空度后,关闭顶针阀23,此时,岩心管20内为真空。
2、把内管总成与单动机构70组装好,钻头11和挡头12等部件组装好,等待钻具下孔取样。
3、通过钻机下入密闭钻具,边通水边送入钻具,由于球阀50关闭,同时特制双球头挡头12挡住钻具的进样孔18,并挡住前部煤渣,此时钻具球阀50前部均处于无渣洁净状态,冲洗液则从钻头11的出液孔16冲刷钻孔,完成清孔作业。
4、钻具下到孔底钻位,按设置的时间,驱动电机300启动,球阀50打开,对钻具加压,在给进力作用下,底部煤层迫使剪切销17受压剪断(球阀50失去了顶压力作用),正常取心钻进,挡头12和煤样先后进入岩心管20。
5、煤样取满后,钻具稍提离孔底,煤心由卡簧22卡断,等待球阀50关闭。
6、程序中的球阀50关闭时间已到,球阀50旋转,球阀50挤压煤心,通过驱动电机300的正反转反复搓动和转动,球阀50刃口剪切前部煤心,直到球阀50完全关闭(检测到球阀关闭),完成密闭取样。
7、提出钻具,把瓦斯压力和浓度传感器连接至三通(通孔24),抽取测试管路内的空气后,打开顶针阀23,瓦斯进入传感系统,完成瓦斯含量和压力的测试。
本发明提供的一种密闭取心钻具具有以下优势:
(1) 采用推力轴承承受部分钻压引起的轴向力,采用多组径向轴承和扶正轴承联动发挥作用,在近水平孔中保证内外管总成的同轴度,使岩芯得以顺利进入岩芯管。
(2)岩芯管上部预留有顶针阀,用于抽真空和瓦斯检测,实现全程封闭式瓦斯检测,最大程度的避免了外部空气干扰。
(3)利用电气短节驱动密闭球阀实现岩芯切割和岩芯管封闭功能,同时添加入口挡头,防止残渣进入岩芯管,既提高了密闭取芯的成功率,又保证了岩芯的纯洁性。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例,但是,本发明实施例并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种密闭取心钻具,包括:外管(10)以及嵌套于所述外管(10)内的岩心管(20),所述外管(10)的下端固定有钻头(11),所述钻头(11)上具有贯穿其纵向的进样孔(18),其特征在于,还包括:
传动机构(30),设置于所述外管(10)内;
球阀(50),所述球阀(50)的外壳(500)固定于所述岩心管(20)的下端,所述球阀(50)的旋转轴连接有从动齿轮(40),所述从动齿轮(40)与所述传动机构(30)连接,以使所述从动齿轮(40)带动所述旋转轴产生转动从而使所述球阀(50)的球孔与所述岩心管(20)连通;
所述钻头(11)内通过剪切销(17)连接有挡头(12),所述挡头(12)的下部沿所述进样孔(18)延伸出所述钻头(11)的下端面,所述球阀(50)位于所述挡头(12)的上方,所述挡头(12)的外径小于所述球孔的孔径,当所述球孔与所述岩心管(20)连通时所述挡头(12)正对所述球孔;
所述钻头(11)内还设置有导向压盖(21),所述导向压盖(21)与所述外壳(500)的下端螺纹连接,所述外壳(500)内还固定有卡簧(22),所述卡簧(22)位于所述球阀(50)的球体(502)的上方;
所述外壳(500)与卡簧(22)固定的部分带有2~3°锥度;
当球阀(50)关闭时,此时挡头(12)封闭进样孔(18),借助球阀(50)的端面和剪切销(17)剪切强度保障挡头(12)相对静止,当球阀(50)打开后,并且钻具受到钻压顶力时,剪切销(17)剪断,挡头(12)与钻头(11)相对运动,随煤心先后进入球体(502)和岩心管(20)之中,并且具有煤心导向的作用。
2.如权利要求1所述的密闭取心钻具,其特征在于,所述从动齿轮(40)位于所述外壳(500)的外侧,所述从动齿轮(40)的端面与所述外壳(500)的外铣平面之间连接有密封圈(51)。
3.如权利要求1所述的密闭取心钻具,其特征在于,所述传动机构(30)包括:
齿轮箱(306),固定于所述岩心管(20)的上端,所述齿轮箱(306)与所述外管(10)之间有间隙;
驱动电机(300),设置于所述齿轮箱(306)内;
主动齿轮(301),通过所述驱动电机(300)驱动其转动;
齿条(302),沿所述岩心管(20)的纵向滑动连接于所述岩心管(20)的外壁,并与所述主动齿轮(301)啮合,所述从动齿轮(40)与所述齿条(302)啮合。
4.如权利要求3所述的密闭取心钻具,其特征在于,所述齿条(302)为两个,两个所述齿条(302)上下排布,上方的所述齿条(302)与所述主动齿轮(301)啮合,下方的所述齿条(302)与所述从动齿轮(40)啮合,两个所述齿条(302)之间固定有滑动套(26),所述滑动套(26)套设于所述岩心管(20)的外周,所述滑动套(26)的侧壁上具有一沿其纵向开设的滑孔(31),所述岩心管(20)的外壁固定有沿其纵向的导向肋(25),所述导向肋(25)的外侧穿过所述滑孔(31)并与其滑动配合。
5.如权利要求3所述的密闭取心钻具,其特征在于,所述传动机构(30)还包括:
主动伞齿轮(303),固定于所述驱动电机(300)的输出轴上;
被动伞齿轮(304),通过齿轮轴(305)与所述齿轮箱(306)连接,所述被动伞齿轮(304)与所述主动伞齿轮(303)垂直啮合,所述主动齿轮(301)连接于所述齿轮轴(305)延伸出所述齿轮箱(306)外的部分上。
6.如权利要求1或3所述的密闭取心钻具,其特征在于,还包括上接头(13),所述上接头(13)呈上部直径大下部直径小的阶梯状,所述外管(10)与所述上接头(13)固定连接,所述岩心管(20)与所述外管(10)之间形成流通道(14),所述上接头(13)上开设有分流孔(15),所述分流孔(15)与所述流通道(14)连通,所述钻头(11)上具有与所述流通道(14)相连通的出液孔(16)。
7.如权利要求6所述的密闭取心钻具,其特征在于,所述球阀(50)的外壳(500)与所述钻头(11)之间套接有扶正轴承(52),所述扶正轴承(52)上开有水槽(53),所述水槽(53)与所述流通道(14)连通。
8.如权利要求7所述的密闭取心钻具,其特征在于,还包括顶针阀(23),所述岩心管(20)的上部封闭,所述顶针阀(23)的阀套与所述岩心管(20)的封闭端固连,所述顶针阀(23)上具有通孔(24),所述岩心管(20)的封闭端具有连通孔(27),所述连通孔(27)同时与所述通孔(24)及岩心管(20)相连通。
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