CN1146696C - 一种密封装置及其密封方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于密封在一圆柱形表面上的密封装置，所述圆柱形表面例如是两个同心管的相对面，或一个管和一个插塞或盖的相对面，所述装置由一系列细长的形状记忆材料致动件(40)致动，致动件围绕圆柱形表面(在外侧或内侧)设置。致动件使一个楔形件(30)轴向进入一个间隙中，使一个密封环(22)径向与圆柱形表面(10，12)密封接触。

Description

一种密封装置及其密封方法
技术领域
本发明涉及一种用于密封在一圆柱形表面上的密封装置。在一种特别优选的形式中，所述装置密封靠在两个圆柱形表面上，这两个表面在其之间限定一个环形腔中。所述腔可以是一个位于两个直径不同的管之间的腔，一个管设置在另一个管中。一种需要这样一种密封的典型场合位于一个地下井筒中，例如一个石油或天然气井。
在此说明书中使用的术语“圆柱形”并不限于精确的圆形。本发明可以适用于非圆形表面、甚至椭圆形、橄榄形或不规则表面。
但本发明不限于用于井筒中。
背景技术
在一个环形腔中设置一个完整的、隔绝流体或气体的密封时经常会遇到困难，其中不能直接接近所述环形腔。本发明的目的是提供一种密封件，它可以沿一个环形间隙行进并然后在这样一个间隙中设置或固定在一个特定位置上，并可以密封在两个可以不均匀和/或偏心的管之间。
发明的内容
根据本发明，提供了一种用于对一环形表面形成密封的密封装置，所述装置包括：至少一个柔性密封环，具有一个其中与所述表面脱离接触的松开位置和一个其中与所述表面密封接触的工作位置；一个操纵件，可相对于密封环在一基本平行于圆柱形表面的方向中移动以使环产生一种进入其工作位置的基本径向的运动；以及多个围绕环形表面设置的细长的、基本平行的形状记忆材料的致动件，以便致动件形状的变化使操纵件产生将密封环移入其工作位置的运动。
本发明还提供了一种使用一个要径向变形以与一个表面密封接触而靠在此表面上形成一个密封的方法，其中一个操纵件可相对于密封环在一基本平行于圆柱形表面的方向中移动以使环产生一个进入其工作位置的基本径向的运动，并且多个细长的、基本平行的形状记忆材料致动件围绕环形表面设置，这样致动件形状的变化使操纵件产生将密封环移入其工作位置的运动。
密封环的实际形状对本发明不重要。但本发明提供了一种将一密封环放入密封位置中的机构。
使用形状记忆材料可以当密封装置到达其所需位置时仅仅通过提供某些方法用于改变其温度而触发密封件的致动。可以例如用电或化学方法产生热以致动密封件，从而避免需要在一个远处位置施加机械力。热可以在装置内部产生或由一个暂时或长期位于装置附近的单件设备在外部产生。
最优的用于致动件的致动方法是收缩而不是膨胀，因为一个形状记忆材料的收缩运动比一个膨胀运动大很多。
装置最好包括一个主体部件，其一部分形成密封环。致动件和操纵件则与主体相连。主体最好是一个没有泄漏路径通过的连续部件。
操纵件和致动件可以由一整块形状记忆材料形成，或者它们可以由单独的材料形成，致动件将操纵件与主体相连。
在本发明的一优选形式中，主体具有一个裙部，密封环形成在裙部的自由端上，而且主体包括一辅助部，用于密封由圆柱形表面围绕的横截面。
裙部使密封环可以与主体相连，而且仍有足够的运动自由度(通过弯曲裙部)，以使密封环在其松开和工作位置之间移动。
圆柱形表面可以是一个内圆柱面(管内侧)而辅助部是一个适于穿过由圆柱形表面围绕的横截面延伸的连续插塞。或者圆柱形表面可以是一个外圆柱面而辅助部是一个适于穿过由圆柱形表面围绕的横截面延伸的连续盖、一种用于设置一个阀的密封件、工具或孔中的其他装置或另一个管孔的接头或工具。
但此装置可以用于密封两个对中或几乎对中的管之间的一个环形间隙。在此情况下，主体的辅助部可以是一个第二裙部，所述第二裙部具有一适于密封在两个管的内管上的第二密封环。
形状记忆材料致动件包括多个形状记忆材料杆，都带有平行于圆柱形表面延伸的平行轴并且都围绕圆柱形表面均匀间隔开。或者致动件可以是由形状记忆材料制成的一个圆柱形挡环或多个段部。杆容装在裙部和主体之间的一个圆柱形环形腔中，并可以具有旋入主体螺纹孔中的螺纹端。
最好操纵件是一个环形环，带有一个用于与密封环接触的锥形表面，以便当锥形表面相对于环轴向移动时使环产生径向移动。环形环可以具有一个或两个锥形表面，这取决于是否有一个或两个密封环。
环形环可以连续围绕圆柱形表面，并且环的横截面围绕环的周面变化，在每个形状记忆材料杆连接点之间所述变化本身发生重复。或者环形环分成围绕圆柱形表面的单独的段部。
其中容装形状记忆材料致动件的圆柱形环形腔最好具有一个通气开口，以便当密封环进入所述腔中减小腔的容积时可以使停留在其中的流体或气体溢出。此通气开口最好设置在操纵件中，并可以具有一个单向阀，以防止外部大气或外部物质进入腔中。
最好圆柱形表面是金属，而密封环具有一个金属密封表面，这样由所述装置形成一个金属对金属的密封。
锥形表面具有坡度不同的区，这样在操纵件和密封环之间产生相对运动的过程中密封环上的径向凸轮作用发生变化。最好至少局部的锥形表面的坡度做成使得由锥形表面和密封环之间的摩擦力产生一个自锁作用。这样确保了如果致动件应该在工作过程中折断或松开产生在操纵件和密封环之间的配合的力，则操纵件可以停留到位。
所述装置包括用于激化形状记忆材料致动件形状变化的装置。例如所述装置包括感应加热装置。
附图的简要说明
下面参照附图以示例性方式进一步描述本发明，其中：
图1是通过两个对中的圆柱形管的剖视图，其中一个未激化的密封装置位于管之间的环形间隙中；
图2是图1中所示密封装置的一个局部剖视立体图；
图3是对应于图1的一个视图，但示出密封装置在激化状态下处于一个偏心环形腔中；
图4a是图1和图2中所示的密封装置的局部放大图，示出处于未激化状态下的此装置；
图4b是对应于图4a的一个视图，但示出处于激化状态下的此装置；
图5是通过本发明第二实施例的密封装置的一个剖视图；
图6是通过本发明第三实施例的密封装置的一个剖视图；
图7是通过本发明一第一杯型环形密封装置的一个剖视图；
图8是通过本发明一第二杯型环形密封装置的一个剖视图；
图9是通过一第四实施例的密封装置的一个剖视图；
图10是通过一第五实施例的密封装置的一个剖视图；
图11是通过一第六实施例的密封装置的一个剖视图；
图12是通过一第七实施例的密封装置的一个剖视图；
图13和14示出图1和2中所示的一个密封件的定位，其中有一个活动冷却装置辅助。
具体实施方式
图1示出一个直径较小的第一管10，通常居中位于一直径较大的第二管12内部。这样在两个管之间形成一个环形间隙14，而且一个密封装置16插在此环形间隙中，用于封闭气体和流体流入此间隙。
管10和12通常是油井套管或预加工的子段。油井套管通常延伸很长，大部分长度位于地层下。在一个套管密封件的情况下，密封装置可以沿井的长度位于任何位置。但本发明不限于此，而且还可以用于其他其中一个密封件要在两个管(可以是或可以不是圆柱形管)之间形成的场合。但本发明特别适用于其中希望的密封位置难以接近的场合。
从图2中可见，密封装置16是圆形/圆柱形，并连续围绕整个环形间隙14延伸，装置16有一个主体18，在图1和图2的实施例中主体18是由整件材料、最好是金属制成的。主体18有一个内密封面或边20和一个外密封面或边22。这些密封面位于一个内裙部24和一个外裙部26的下边，在这两个裙部之间有一个环形腔28。
具有一个楔形横截面32的膨胀环30安装在裙部26和24的下端部之间，这样当环30被拉入腔28中时，密封面或密封边20和22被分开并分别密封靠在第一管10的外表面和第二管12的内表面上。由于主体18是一个单件材料，一旦在20和22处与管壁形成密封，就没有其他的泄漏路径可以经过密封装置16。
为了将密封装置16支撑在间隙14中，主体的上部通过一个与主体18中的槽38配合的滚珠轴承滚道36安装在一个支架34上。
为了将楔形环30夹在密封边20，22之间并形成密封，在主体18中安装一系列由形状记忆材料制成的长螺栓或杆40。这些杆具有头部33(可以是六边形)以及螺纹端35并位于孔31中，而孔31从腔28向上延伸。螺纹端35旋入孔31顶部的主体18中相应的凹座中，并且头部33配合在环30之下。
形状记忆材料是公知的，当承受超过一个预定阈值的温度变化时，材料的形状回到以前的构造。
需使用的精确的形状记忆机理对发明并非致关重要。但非常希望形状的变化可以收缩。一种典型的杆形形状记忆材料当超过其临界温度时可以收缩8％。由于杆的体积通常保持不变，当收缩时杆会有相应的径向膨胀，而且孔31的宽度足于容纳这种膨胀。
术语“形状记忆材料”包括所有的在经受特定的处理后具有转化为以前的或不同形状的特性的材料。形状记忆材料是公知的。当通过一个临界温度时转化为一种以前的形状。这些材料通常是金属合金，但术语“形状记忆材料”不限于金属，而且包括有相同特性的塑料材料。
可以使用很多方法用于产生需要致动形状记忆材料的温度变化。这些方式包括感应加热(而加热元件可以沿内管10的孔降下)、在主体18或杆40中加入电热元件、通过一个放热化学反应施加热量、从一个容器或从地面循环流体、通过摩擦产生热量、或在密封装置附近放置一个能量转换装置。
本发明的一个重要特征在于，可以在环形间隙14中形成一个密封，尽管间隙可以在所有方位上不一样宽。例如，如果管10和12不是很对中，环形间隙在围绕周边的一点上比围绕周边的另一点上宽。但本发明提供的密封件仍可以形成一个围绕这样一个环形间隙的所有部分的高度完整的密封。这在图3中示出，其中可以看出楔形环30在环形腔的右侧上比在左侧上进一步抬起，以分开边20、21。为此，环30略微偏离其原始平面，但它可以对此容易地承受。
某些形状记忆材料的一个特性是由形状的变化施加的力在当形状开始变化时升高到一特定值，然后保持基本相等的值，而不论形状记忆材料周围所允许的形状的变化程度如何。这样在图3中，既使在某些部分中杆40比在其他部分上收缩要大，施加在楔形环30上的向上的力在所有周边上部相等。
图4a和4b示出密封件本身的结构以及在未激化状态和激化状态之间产生的差别的放大图。密封边20、22具有一个外部磨圆的形状。当这些边压靠在相邻的管壁的平表面上时，得到一个可以确保在相对宽的区域上的可靠密封的应力图形。密封表面的设计为本领域的现有技术。但设置在此所述的密封件同公知的密封件相比可以增大可以得到的密封件设置力，这样可以得到较大的压力和/或增大的可靠度。
当然本发明不限于使用一种磨圆的密封件。可以激化很多常规的密封件轮廓，在20、22处可以有一种或多种接触区。
还可以看出环30的横向锥形表面具有3个表面区，即在密封件致动时裙部24、26的内下边将靠在其上的第一区42、当杆40开始收缩时被拉入腔28中以提供边20、22的相对快速地向外移动的第二区44，以及提供在边20、22上的必要的径向力以产生一个良好的密封并自锁在边20、22之后的表面48、50之间的第三区46。这种自锁意味着，如果例如杆40应折断或松开而密封处于工作状态，楔形环30可以保持锁在边20、22之间，这样密封作用不受影响。
尽管密封装置16在图2中所示带有一个连续的楔形环30，但此环不需要是连续的。对每个杆40可以具有一个在其下端间断的楔形件，而且如果它们围绕环的周边足以邻近间隔开，则可以保持、围绕边20、22都很均匀的力。在此情况下，裙部24、26的下端部形状还可以围绕周边变化，以在楔形件之间的区域中提供周向刚性。
在本发明的范围内，杆40可以由其他横截面形状的细长致动件代替。
显然，在图1和图2所示的实施例中，裙部24和26之间的内腔28被密封。可以希望用一种保护性环境填充此腔，以在其工作寿命期间保持杆40，和/或用一种可以产生需要致动杆的热量的复合物填充此腔。如果此腔被密封，可以例如通过环30设有一个通气通道，而且此通道可以设有一个阀，最好是单向阀，可以允许当楔形环30插入此腔中时容装在腔28中的任何不可压缩的物质被排出，以减小腔的容积。
密封装置可以用于密封一个环形腔以外的其他场合中。图5示出用相同的原理用做一插塞密封件。在此管100要由一个由200表示的内插塞闭合并密封。插塞包括一个实心体104，它由一个在螺纹108上旋入管100顶部中的支架106支承。插塞体104由一个滚珠道110支承在支架106上。
插塞体可以是如图中所示的一个简单的插塞，或者可以形成一个底座，其上支承有另一个部件如一个阀、一个工具或一个接头。部件本身可以形成插塞，即密封件可以是一个部件(例如一个泵给系统)的一部分，此部件设计成当到位时可以围绕其外径密封。
一个环形腔112围绕插塞体104的边，而形状记忆材料杆140(与图2中所示的杆40相似)承装在此腔中并在其下端支撑一个环130，环130的外周边有一个楔形轮廓132。
一个裙部124围绕腔112的外边，其下端上有一个密封边120。
致动形状记忆材料杆140将环130拉入腔112中，迫使密封边120向外压靠在管100的内径上，以形成一个与结合前面的附图所述的基本相同的密封。由于插塞体104是一个整体材料，则没有泄漏路径经过插塞。
图6示出一个管200，其孔202由一个盖204封闭，盖204具有一个挡环206，它安装在管200上并围绕管200。挡环216的端部有一个保护环201，用于在部件组装过程中保护密封装置216。密封装置216由安装在挡环206中的一个环形腔218中的形状记忆材料杆240形成。杆在其下端上有一个环形环230。此时此环有一个内楔形表面232，此表面232与一个边220共同工作，并且当杆240致动时，楔形件230被拉入腔218中，使边220向内偏转与管件200的外表面接触。
盖204与插塞体104相似可以是一个如图所示简单的盖，或者可以形成一个底座，其上支承另一个部件，如一个阀或一个接头。
图7示出一个带有独立密封装置的环形杯形密封件，而图8示出一个相似的环形杯形密封件，带有整体的密封装置。在这两个图中，相同的附图标记表示相同的部件。
为了在外管312和内管310之间形成一个密封，一个杯形密封体313降入管组件中并在其外周面上密封到两个管的内周面上。密封体313在井套管中在内、外管之间的接头位置提供了一个内盖，这样沿套管通过的其它部件就不会损坏接头。
使用一个以常规方式与部件315顶端相连的驱动工具将杯形密封体313驱动入套管中。一个螺纹挡环317支撑在密封体313上的一个环形槽319中并与管310上的一个内螺纹配合。这样确保密封件正确的轴向定位。
密封体在挡环317之上支承一第一记忆材料密封装置316a，而在挡环之下支承一第二记忆材料密封装置316b。密封装置316a密封密封体顶部和外管312之间。密封装置316b密封密封体313下部和内管310之间。
在图7中，密封装置316是图1至4所示的类型。在图8中，密封装置是图5中所示的类型。
杯形密封体313也装有保护环301，以当杯形密封体降入套管中时保护密封装置316。
图9示出本发明密封装置的另一种形式，以与图1至4所示实施例相类似的方式工作。在此形式中，一主体418具有在导向密封面420、422处相对短的轴向尺寸。形状记忆材料致动件440(必须足够长以便可以进行所需的收缩)位于主体418之下，而楔形环430在致动件的头部441和密封边420、422的凸轮面之间有较长的轴向长度。如上所述，致动杆440远离头部441的端部旋入主体418的一个螺纹孔中。
致动件440的收缩迫使密封边420、422可以分别径向向外和径向向内，以与管410、412密封接触。
楔形件430的全部或部分可以是形状记忆材料，可以与致动件440相同或不同。如果两者都是形状记忆材料，楔形件430可以是当致动时的一种膨胀的材料而致动件可以是一种收缩的材料。对此方式，密封装置可以总体较短。如果轴向空间有限时这特别有用。
图10示出一种类似的方式，其中使用相同的附图标记。但在此情况下主体418位于致动件的下端但由一个条或带402与支承401相连。
在图9和10的实施例中，可以有进一步的功能。如果楔形件430也由形状记忆材料制成，可以取得一种两阶段的作用。楔形件430和致动件440可以由在不同温度激化的形状记忆材料制成，而且通过激化第一个然后再激化另一个，可以取得特定的优点。例如密封件可以通过使一个部件430触发并膨胀而设置并通过使另一个部件440触发和膨胀而脱离配合。
图11和12示出两个变化的密封装置，其中操作件是一个环530，其本身形成一个密封面522。另一个密封面520形成在一个裙部524上。环530和裙部524的底部具有配合楔形或凸轮形面，其设置成当致动杆540相对于裙部524膨胀(图11)或收缩(图12)时，环530被迫在一个方向径向靠在一个面512上而密封面522被迫在相对的方向径向压靠在面510上，以形成一个密封。
图13和14示出图1所示类型的一个密封装置的放置以及其致动。密封装置的部件用与图1中相同的附图标记表示。
通常在钻制过程中密封装置必须设置在地面以下的位置，在此周围温度相对较高。这些温度的存在可以用于致动形状记忆材料并设置密封，但为了工作，密封件必须保持冷却直到它及其要密封的部件处于其正确的相对位置中。
图13示出了一个驱动工具601，用于支承一个冷却流体容器603(可以用液氮作为冷却流体)并将一个密封装置16支撑在一个支架634上。驱动工具具有一个带有一导向台607的环形罩605。
容器603与一个通过驱动工具和支架延伸的流体通道609连通。可以安装一个阀以控制通过此通道的流量，或者通道的大小可以做成仅使所需的流量通过。冷却流体通过此通道流入环形腔611中，围绕密封装置16并围绕密封装置16的外侧离开向上回到井套管612。当如箭头615所示流过并围绕密封装置时，流体冷却此装置并保持形状记忆材料保持在其致动温度之下。冷却流体还移动井下的任何较热的流体，并防止其进入腔611，如箭头613所示。
图14示出已到达其最终位置的部件。驱动工具正降在一个内套管610上而密封装置16在内套管610和外套管612之间滑动。然后冷却流体的流动被关闭，使密封装置的温度可以在此位置升高到周围温度，这样形状记忆材料被致动并收缩，以设置密封。然后驱动工具可以被取走，这样在套管610和612之间产生一个密封。
对于加热方法，有许多其他的方法可以冷却，例如化学冷却，使用一个较大的散热装置或一个可以经过密封区的冷却流体的球形循环。
本发明一个特征在于，密封件可以安装在沿一个管长度的任何点上，因为它不依靠与管壁的相互关系。但是，也可能需要上述的密封件被拆除。对此，则需要使环形间隙14的一部分形成如图14中314所示的锥形部。锥形部的存在可以通过在密封装置上施加一个大的向上的力而取下密封件。
在此所述的密封比现有密封的优点在于可以容易地放置在任何需要形成密封的位置上，并不需要施加机械力就可远距离致动。密封件是一个在密封件被放入到位之前其中所有部件都连在一起的整体装置的事实使密封件可以在一次单独的作用中就可以被放置。
密封件可以有效用于其中要被密封的环形腔围绕周面宽度变化和/或其中所述面的一个或另一个的表面粗糙或不平的场合中。
密封件可以用于许多各种不同的密封场合中，包括太空应用、化学工程和核工业等。根据不同的应用场合，密封部件可以采用各种不同的材料，包括金属、塑料和陶瓷。
很显然密封件的材料应选择成可以与将同密封件接触的材料相容，这样密封件在其工作寿命中不会变坏。
密封件的优点在于使用一系列都作用在密封环上以设置它的单独的形状记忆金属件，但它们独立收缩(或膨胀)并可以根据每个部件所处的位置的状态改变其形状。

Claims (24)

1.一种用于对一环形表面形成密封的密封装置，所述装置包括：至少一个柔性密封环，具有一个其中与所述表面脱离接触的松开位置和一个其中与所述表面密封接触的工作位置；一个操纵件，可相对于密封环在一基本平行于圆柱形表面的方向中移动以使环产生一种进入其工作位置的基本径向的运动；以及多个围绕环形表面设置的细长的、基本平行的形状记忆材料致动件，以便致动件形状的变化使操纵件产生将密封环移入其工作位置的运动。
2.如权利要求1所述的密封装置，其特征在于，致动件设置成致动件的一种收缩使操纵件产生将密封环移入其工作位置的运动。
3.如权利要求1所述的密封装置，其特征在于，包括一个主体部件，其一部分形成密封环，并且致动件连接在主体上而操纵件连接在致动件上。
4.如权利要求1或2所述的密封装置，其特征在于，致动件为杆状形状，其轴线基本平行于所述表面延伸。
5.如权利要求4所述的密封装置，其特征在于，每个杆具有一个有螺纹的端部和一个有头部的端部，螺纹端旋入主体的螺纹凹座中而头部与操纵件联结。
6.如权利要求3所述的密封装置，其特征在于，主体具有一个裙部，密封环形成在裙部的自由端上，而且主体包括一辅助部，用于密封由圆柱形表面围绕的横截面。
7.如权利要求6所述的密封装置，其特征在于，圆柱形表面是一个内圆柱面而辅助部是一个适于穿过由圆柱形表面围绕的横截面延伸的连续插塞。
8.如权利要求6所述的密封装置，其特征在于，圆柱形表面是一个外圆柱面而辅助部是一个适于穿过由圆柱形表面围绕的横截面延伸的连续盖。
9.如权利要求6所述的密封装置，其特征在于，圆柱形表面是一个内圆柱面，其中一直径较小的第二圆柱形表面位于第一圆柱形表面中，以形成两个表面之间的一个环形空间，而且主体的辅助部是一第二裙部，所述第二裙部具有一适于密封在所述直径较小的圆柱形表面上的第二密封环。
10.如权利要求6-9任一项所述的密封装置，其特征在于，形状记忆材料致动件包括多个形状记忆材料杆，都带有平行于圆柱形表面延伸的平行轴并且都围绕圆柱形表面均匀间隔开。
11.如权利要求10所述的密封装置，其特征在于，杆装在裙部和主体之间的一个圆柱形环形腔中。
12.如权利要求10所述的密封装置，其特征在于，操纵件是一个环形环，带有一个用于与密封环接触的锥形表面，以便当锥形表面相对于所述环轴向移动时使环产生径向移动。
13.如权利要求12所述的密封装置，其特征在于，环形环具有两个相对的锥形表面，每个用于与每个密封环接触。
14.如权利要求12所述的密封装置，其特征在于，环形环连续围绕圆柱形表面。
15.如权利要求14所述的密封装置，其特征在于，环的横截面围绕环的周面而变化，在每个形状记忆材料杆连接点之间所述变化本身发生重复。
16.如权利要求12所述的密封装置，其特征在于，环形环分成围绕圆柱形表面的单独的段部。
17.如权利要求10所述的密封装置，其特征在于，圆柱形环形腔具有一个通过一个限制所述腔的边界的壁的通气开口。
18.如权利要求1或2所述的密封装置，其特征在于，圆柱形表面是金属，而密封环具有一个金属密封表面，这样由所述装置形成一个金属对金属的密封。
19.如权利要求2或3所述的密封装置，其特征在于，主体是一个没有泄漏通道经过的连续部件。
20.如权利要求12所述的装置，其特征在于，锥形表面具有坡度不同的区，这样在操纵件和密封环之间产生相对运动的过程中密封环上的径向凸轮作用发生变化。
21.如权利要求20所述的密封装置，其特征在于，锥形表面的坡度做成使得由锥形表面和密封环之间的摩擦力产生一个自锁作用。
22.如以上任一项权利要求所述的密封装置，其特征在于，所述装置包括用于激化形状记忆材料致动件形状变化的装置。
23.如权利要求22所述的密封装置，其特征在于，激化装置包括感应加热装置。
24.一种使用一个要径向变形以与一个表面密封接触而靠在此表面上形成一个密封的方法，其中一个操纵件可相对于密封环在一基本平行于圆柱形表面的方向中移动以使环产生一个进入其工作位置的基本径向的运动，而且多个细长的、基本平行的形状记忆材料致动件围绕环形表面设置，这样致动件形状的变化使操纵件产生将密封环移入其工作位置的运动。
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