CN1274413A - 油井管用螺纹连接器、螺纹切削方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种油井管用螺纹连接器和螺纹切削方法及其装置,该油井管用螺纹连接器具有负荷侧面角为负值的负荷面,在将该负荷面在外螺纹的高度方向上分为上下两部分的位置上变化上述负荷侧面角,使上方的负载侧面角小于下方的负载侧面角,螺纹切削方法及其装置中,使用设有与螺纹形状相对应的刀头的螺纹梳刀,在切削螺纹的侧面角之一部分为负值的油井管用螺纹连接器的螺纹时,将从进刀开始到螺纹切削完毕为止使用的、依次设有多种刀头形状的数个螺纹梳刀安装在一个旋转体上,上述旋转体旋转1周,便切削出1个牙的螺纹。

Description

油井管用螺纹连接器、螺纹切削方法及其装置
技术领域
本发明涉及油井管用螺纹连接器,特别是涉及即使在外压、拉力、压缩力及弯曲应力等作用下,耐流体泄漏性优良的油井管用螺纹连接器和油井管用螺纹连接器的螺纹切削方法及装置,并特别是涉及使用刀具旋转方式的螺纹切削装置,在短时间内切削、完成油井管用连接器的所谓内螺纹切削的技术。
背景技术
目前,在深度达数千米的天然气气田或原油油田等的钻探和生产中,把所使用的油井管连接起来的技术,广泛使用螺纹连接器。由于油井管(以下简称为管子)在高压、高负荷及恶劣环境下使用,故要求其螺纹连接器具有能耐因连接管子的自重而造成的轴向拉力、能耐外压、能反复使用数十次等性能。
一般,油井管用螺纹连接器有整体方式和管连接器方式,其中整体方式是在管子的一端设有具有外螺纹的管脚部,在另一端设有具有内螺纹的盒部,通过它们将管子相互连接起来;管连接器方式如图1所示,使用在两端设有两个盒部1的管连接器2(内螺纹),将设有管脚部3(外螺纹)的管子4连接起来。
另外,设在这些螺纹连接器上的螺纹的形状,一般为API(American Petroleum Institute)标准所规定的梯形螺纹。如图2(a)、(b)和(c)所示,通过外螺纹5与内螺纹6结合时的啮合,由外螺纹5和内螺纹6各自的负荷面7b、7a形成螺纹的负荷面7,由外螺纹5和内螺纹6各自的插入面8b、8a形成螺纹的插入面8,由外螺纹的顶面9b和内螺纹的底面10a形成螺纹的顶面9,由外螺纹5的底面10b和内螺纹6的顶面9a形成螺纹的底面10。在这种情况下,将螺纹的负荷面7和插入面8与垂直于管轴的线构成的角称为侧面角[将负荷面侧称为负载侧面角α,将螺纹插入面侧称为短截线侧面角β],以正或负的值表示。将该螺纹负荷面7的负载侧面角α的逆时针方向的角度设为负值,将螺纹插入面8的短截线侧面角β的逆时针方向的角度设为正值。
API所规定的梯形螺纹是由负载侧面角α为3°、短截线侧面角β为10°构成的,螺纹结合时螺纹面的接触状态如上述图2(c)所示,负荷面7为接触状态,插入面8为非接触(存在间隙)状态,顶面9和底面10的至少一方为接触状态。
然而,最近在油井管4的施I中管子连接作业的频度提高,油井管在轴向上承受压缩力的作用。在这种情况下,往往会产生下述不良现象,即其后因管子自重而使螺纹受拉力或弯曲力作用时,上述API梯形螺纹的螺纹牙浮起,内部流体(天然气、原油)向外泄漏。
于是,如特开平6-281059号公报和特开平6-281061号公报所公开的那样,提出了下述方案,即将上述螺纹的负荷面7的负载侧面角α设为负值,防止螺纹浮上来。
这种包括侧面角为负值的部分在内的螺纹称为内螺纹或钩形螺纹。
但是,将该负载侧面角α设定为负值时,在进行油井管4的施工(连接)作业时,外螺纹5与内螺纹6的负荷面7强制性接触,应力集中,使螺纹的角部受到损伤,成为气体和液体泄漏的原因。因此,目前人们热切希望出现能抗压缩和抗弯曲的螺纹连接器。
另外,为了在实际上多使用内螺纹,还存在许多尚需解决的问题。问题之一是切削螺纹的技术。现在,为切削内螺纹,与车床一样,仅将1个螺纹切削用刀具(通称螺纹梳刀)固定,边使被切削螺纹对象物的管体(称为工件)旋转,边使该螺纹梳刀前进或后退。而且,这时所使用的螺纹梳刀11如图3所示,设有1个或至多2个刀头12,另外,必须在管体13的轴向上反复前进或后退6-12个行程(也称为6-12道次),螺纹切削才完毕。即,如图3所示,由于螺纹14具有负侧面角15,故每一道次必须调整径向进刀量(a)和相应调整相当于负角度大小的轴向移动量(b),切削时间与一般切削螺纹的情况相比也较长。另外,所制造的连接器存在下述问题:使用时在螺纹的侧面角面16上易产生螺纹牙错位,因螺距的错位造成的,特别是受到压缩或拉力作用时,螺纹牙移动,结果易产生流体泄漏。
发明的公开
鉴于上述情况,本发明的目的在于提供一种不仅有很强的抗拉性、而且还有很强的抗压缩性和抗弯曲性、耐流体泄漏性优良的油井管用螺纹连接器。
油井管在施工时或使用时螺纹角部不会损伤,即使受到压缩或弯曲,也可防止气体或流体的泄漏。
本发明还有一个目的在于提供一种可在短时间内切削出比以往质量优良的内螺纹的油井管用螺纹连接器的螺纹切削方法及装置。
本发明的油井管用螺纹连接器是由外螺纹和内螺纹形成,具有负荷面,该负荷面由负载侧面角为负值的外螺纹和内螺纹形成,在将该负荷面在外螺纹的高度方向上分为上下两部分的位置上使上述负载侧面角变化,并使上方的负载侧面角小于下方的负载侧面角。
另外,本发明的油井管用螺纹连接器在由外螺纹和内螺纹形成的油井管用螺纹连接器上具有负荷面,该负荷面由负载侧面角为负值的外螺纹和内螺纹形成的,使上述外螺纹和内螺纹的负载侧面角相互不同。
另外,本发明是在油井管用螺纹连接器的螺纹形成方法中,在1个旋转体上安装数个依次设有多种刀头形状的螺纹梳刀,从开始进刀到螺纹切削完毕使用该螺纹梳刀,使上述旋转体旋转,进行螺纹切削。
本发明的油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,是在该螺纹切削装置上,上述旋转体,
·具有以旋转体中心轴为中心进行旋转的功能,
·具有在旋转体中心轴的轴向上移动的功能,
·安装了数个依次设有多种刀头形状的螺纹梳刀。
附图的简要说明
图1是表示管连接器式的油井管用螺纹连接器的纵向剖视图。
图2是对螺纹连接器的梯形螺纹部进行说明用的图,(a)表示内螺纹,(b)表示外螺纹,(c)表示两者的啮合状态。
图3是表示用以往的螺纹梳刀切削螺纹的状况之图。
图4是将本发明油井管用螺纹连接器的螺纹部放大后的图。
图5是表示本发明油井管用螺纹连接器的螺纹部之图,(a)是内螺纹侧,(b)是外螺纹侧(θ>θ′)。
图6是表示本发明螺纹切削装置上使用的螺纹梳刀的一例之图。
图7是在本发明螺纹切削装置所用的旋转体上安装了螺纹梳刀后的正视图。
图中:
1.盒部
2.管连接器
3.管脚部
4.油井管(管子)
5.外螺纹
6.内螺纹
7.螺纹的负荷面
7a.内螺纹的负荷面
7b.外螺纹的负荷面
8.螺纹的插入面
8a.内螺纹的插入面
8b.外螺纹的插入面
9.螺纹的顶面
9a.内螺纹的顶面
9b.外螺纹的顶面
10.螺纹的底面
10a.内螺纹的底面
10b.外螺纹的底面
11.螺纹梳刀
12.刀头
13.管体
14.螺纹
15.侧面角
16.侧面角面
17.旋转体
18.同心圆
19.切屑
实施发明的最佳形态
发明者为了达到上述目的,对油井管施工时的螺纹牙损伤对策进行了深入研究,如上所述,通过对螺纹形状下功夫研究,解决了问题。
另外,发明者为了达到上述目的,潜心致力于开发用1道次切削内螺纹的机构,本发明具体体现了这项成果。
即,本发明是一种油井管螺纹连接器,这种螺纹连接器是由外螺纹和内螺纹形成的,在该油井管用螺纹连接器上具有由负载侧面角为负值的外螺纹和内螺纹形成的负荷面,在将该负荷面在外螺纹的高度方向上分为上下两部分的位置上改变上述负载侧面角,使上方的负载侧面角小于下方的负载侧面角,特别是具有由负载侧面角为-3°~-25°范围的外螺纹和内螺纹形成的负荷面,并且使上方的负载侧面角比下方的负载侧面角小0.5°~2.0°。
另外,本发明是一种油井管用螺纹连接器,这种螺纹连接器是由外螺纹和内螺纹形成的,在该油井管用螺纹连接器上具有负载侧面角为负值的外螺纹和内螺纹形成的负荷面,使上述外螺纹和内螺纹的负载侧面角相互不同,特别是在由外螺纹和内螺纹形成的油井管用螺纹连接器上具有由负载侧面角为-3°~-25°的外螺纹和内螺纹形成的负荷面,使上述外螺纹和内螺纹的负载侧面角在0.1°~0.75°的范围内互不相同。
本发明是一种油井管用螺纹连接器的螺纹切削方法,其特征在于,它使用设有与螺纹形状相对应的刀头的螺纹梳刀,在对螺纹侧面角的一部分为负值的油井管用螺纹连接器之螺纹进行切削时,将从进刀开始到螺纹切削完毕为止使用的、依次设有多种刀头形状的数个螺纹梳刀安装在1个旋转体上,上述旋转体旋转1周切削1个牙的螺纹。尤其是油井管用螺纹切削方法包括下述工序:使上述旋转体中心轴与上述管体中心轴一致,将旋转体设置成旋转体面与管体中心轴相垂直,将依次设有多种刀头形状的数个螺纹梳刀、朝着管体方向安装在旋转体上,使螺纹梳刀刀头与管体端部接触,边使旋转体或管体向其轴向移动,边使旋转体向同一方向旋转,用形成螺纹所必需的多种刀头依次进行切削,直至切削完毕为止。
另外,本发明的油井管用螺纹连接器的螺纹切削方法的特征在于,上述螺纹梳刀数设为3~6个,分别设有1~5种刀头。
又,本发明是一种油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,该装置具有螺纹梳刀,该螺纹梳刀设有与螺纹形状相对应的刀头,螺纹的侧面角的一部分为负值,该油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置的特征在于,它设有数个螺纹梳刀和旋转体,其中数个螺纹梳刀是从进刀开始到螺纹切削完毕为止所使用的,分别准备有多种形状的刀头,各梳刀相应配备1~5种形状的刀头;旋转体边将螺纹梳刀推压在螺纹切削对象即管体的面上,边自由地前进或后退,同时为了将上述刀头按使用顺序配置在该回转体上,而将螺纹梳刀在旋转体的旋转方向的同心圆上等间距地配置,并且将从进刀时使用的螺纹梳刀、到其后使用的螺纹梳刀依次安装在该旋转体上。
另外,本发明的油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,还具有这种特征,即上述同心圆的直径可自由地增大或缩小。
以下,参照附图,对本发明的实施形态进行说明。
1)螺纹连接器
图4是本发明螺纹连接器的螺纹部分的放大图。外螺纹5与内螺纹6的负荷面7相互接触,插入面8产生有间隙。另外,外螺纹5的顶面9b与内螺纹6的底面10a之间有间隙,外螺纹的底面10b与内螺纹的顶面9a成为接触状态。
本发明是在上述螺纹部上,将上述负荷面7在螺纹牙的中间位置、即将外螺纹5的高度方向分为二部分的位置,使上方和下方的负载侧面角α1、α2不同。具体地说,将负荷面7的负载侧面角设在-3°~-25°的范围内,并且使上方的负载侧面角(α1)比下方的负载侧面角(α2)小0.5°~2.0°。这样,螺纹角部不受到损伤,可以实现实际上没有实施过的2段负载侧面角为负值。另外,内螺纹的负载侧面角不分为2段,为-5°。
在本发明中,将外螺纹和内螺纹的负载侧面角都设为-3°~-25°,这是因为该角度若小于-3°,在弯曲和外压作用下会产生螺纹外突的不良现象,该角度若大于-25°,负载侧面牙顶部会受到损伤。比较理想的负载侧面角为-3°~-15°,最好为-3°~-6°。另外,将外螺纹的上方的负载侧面角(α1)设得比下方的负载侧面角(α2)小0.5°~2.0°,这是因为如果小于0.5°,螺纹加工用刀具就不能加工制造公差小于0.5°的螺纹,如果大于2.0°,下方的负载侧面角接触过紧,是不合适的。
在本发明中,通过将外螺纹与内螺纹的插入面8b、8a之间的间隙设为0.05~0.25mm,可有效地起到防止折损的效果。该间隙若小于0.05,则因螺纹的公差而产生螺纹接触、损伤。另外,该间隙大于0.25,则压缩时没有效果。
发明者还试验了不将外螺纹的负载侧面角α按外螺纹的高度分为二部分,而设成1段的情况。
即,试制了如图5(a)和图5(b)所示的管脚(外螺纹5)和管连接器(内螺纹6),通过试验研究了是否可以作为实际油井管使用。
结果,确认了如果外螺纹5与内螺纹6的负载侧面角相差0.1°~0.75°,则可以获得与上述2段负载侧面角的情况相同的防止折损效果。
在这种情况下,将负载侧面角之差限定在0.1°~0.75°范围内,是因为若小于0.1°,差值过小,不能获得防止折损效果,若大于0.75°,在螺纹牙上会产生“啃削[称为金属磨损]”现象。另外,外螺纹与内螺纹的负载侧面角哪一个设定得大些都可以。
实施例1
在油井管4和管连接器2的前端设有具有图1和图2所示形状之螺纹部的连接器,将两者连接起来,调查流体泄漏情况。这时所使用的油井管4及管连接器2的尺寸如表1所示。另外,对在同样的油井管4和管连接器2上设置以往的螺纹连接器的情况也进行了调查。无论哪一种调查,流体都采用高压水和气体代替原油和天然气,泄漏程度的评价,均按照各API标准的A1级(最高级)方法进行。对各连接器的负荷面和插入面的负载侧面角α及短截线侧面角β进行了各种值的组合。
调查结果都示于表2。由表2可知,本发明的螺纹连接器,在负载侧面角为2段(图4)和1段(图5)的任一种情况下,施工时均不产生螺纹损坏现象,并且也不产生气体和液体泄漏现象。而以往的螺纹连接器的情况与此不同,仍然产生螺纹损坏及流体泄漏现象。另外,表2的损坏率或流体泄漏率是在各实施例中分别连接了50根油井管4,以这些油井管的发生率表示的。表1
 油井管的外螺纹    管连接器
长度     910mm     172.5mm
外径     88.9mm     98.5mm
壁厚     6.45mm     -
钢种    13Cr(80Ksi)   13Cr(80KSi)
表2
   外螺纹的负载侧面角  外螺纹的负载侧面角r  外螺纹及内螺纹的短截线侧面角β  氦泄漏率(%)  螺纹牙折损率(%)
   α1     α2
本发明例1 -4.5° -5.0° -5.0°     25°     0     0
本发明例2 -4.5° -5.0° -5.0°     15°     0     0
本发明例3 -4.5° -4.5° -5.0°     25°     0     0
以往例1 -3° -3° -3°     10°     4     8
另外,上述实施例中,将螺纹连接器制成管连接器形式,当然本发明也可适用于整体形式的螺纹连接器。
2)螺纹切削方法、装置
关于形成内螺纹的螺纹切削方法、装置,以下参照附图,对本发明的实施形态进行说明。
首先,本发明采用的螺纹梳刀11的1例示于图6。由图6可以清楚地看到1个螺纹梳刀11设有3个刀头12。并且,本发明是通过同时使用数个螺纹梳刀11来解决以往螺纹切削的问题的。因此,发明者是这样构思的:即在直至切削完毕为止的时间内螺纹梳刀11的刀头形状一点一点地变化。也就是说,考虑从最初到最后、直至切割完毕为止,用必要形状的刀头12依次进行切削,将12种形状的刀头12分布在4个螺纹梳刀11上。具体地说,假设图6所示的螺纹梳刀11为第1个螺纹梳刀,则符号1-1的刀头12在第1号使用,符号1-2的刀头12在第5号使用,符号1-3的刀头12在第9号使用。第2个以后的螺纹梳刀同样地设置刀头的话,可容易地理解在第几号使用。因此,管体13与第4个螺纹梳刀11的最终刀头接触时,便在该管体13上形成了1个牙(螺距)的螺纹。
其次,本发明者为了从切削开始到切削完毕依次正确地使用上述各螺纹梳刀11的刀头12,将上述4个螺纹梳刀11一起安装在1个旋转体17上。该旋转体17的轴一般与水平设置、固定的螺纹切削对象物即管体13的轴一致,将其面设置成与管体13的轴相垂直。并且,如图7所示,4个螺纹梳刀11这样进行安装,即在旋转体面上的同心圆18上。在其旋转方向上相互保持等间距(具体地说为90°)。这种情况下,将通过旋转体17的旋转及前进、并具有最初与管体内表面接触的刀头12的螺纹梳刀11作为第1个螺纹梳刀,其后使用的螺纹梳刀11按旋转转方向依次进行安装,这是很重要的,以便于保持上述的刀头关系。另外,为了在管体13上切削螺纹,该旋转体17设有向管体13前进或后退的移动机构,该机构采用众所周知的机构即可,故省略其说明及图示。图7所示为在管体13外周面上切削螺纹的时的例子,但也有在管体13的内表面上切削该螺纹的情况(管连接器2)。在这种情况下,将上述螺纹梳刀11的刀头12朝着旋转体17的外周方向安装即可,以便于该螺纹梳刀11的刀头12压住管体13的内表面,且可以进行切削。另外,本发明具有增大或缩小上述同心圆18的直径的功能,以便在管体13的外径或内径进行各种变化的情况下,也能用同一装置进行处理。
因此,采用这样构成的螺纹切削装置,仅使旋转体17旋转1周,便可用4个螺纹梳刀11形成1个牙(螺距)的螺纹,只要向管体13的轴向移动1个行程,1个螺纹连接器所必须数量的螺纹便全部完成。
另外,上述实施形态中对螺纹梳刀11的个数假设为4个的情况进行了说明,但本发明装置并不局限于这个数量,在3~6个范围内比较理想。因为若小于3个,寿命有问题,若超过6个,会产生螺纹牙错位问题。在这种问题下,当然上述刀头的种类可进一步减少、或者增加。另外,在本发明中,1个螺纹梳刀具有形状不同的3个刀头比较理想,但各具有1~5个刀头也可以。
实施例2
切削螺纹对象的管体13,采有由13G钢制造的多种外径的螺纹连接器用钢管,对其进行上述内螺纹切削。螺纹的负侧面角15的范围为-0.5°~-25°。这种情况下,采用本发明的螺纹切削方法及装置,与此同时,还用上述以往的装置切削螺纹。另外,在这种情况下的旋转体旋转1周前进5.08mm。
其结果,采用本发明方法及装置的螺纹连接器,仅将管体13在该装置上加工1个道次,便顺利地切削出螺纹,故不会产生螺距错位现象,可以切削出质量优良的螺纹。另外,切削所需时间与用以往装置的情况相比,切削任何内径的连接器都可缩短至1/3~1/4的时间。因此,根据该结果,作为螺纹连接器的最大课题即流体的泄漏性及具有内螺纹的连接器的生产率也可望比以往显著提高。
工业上应用的可能性
根据本发明的螺纹连接器,可以提供一种不仅具有抗拉性,而且还具有很强的抗压缩性和抗弯曲性、良好的耐流体泄漏性的油井管用螺纹连接器,这种螺纹连接器不产生以往那样的损坏和液体泄漏现象。
另外,本发明的螺纹切削方法和装置与以往相比,可在短时间内切削出不产生螺距错位、质量优良的内螺纹。

Claims (17)

1.一种油井管用螺纹连接器,该螺纹连接器是由外螺纹和内螺纹形成的,具有负荷面,该负荷面由负载侧面角为负值的外螺纹和内螺纹形成,在将该负荷面在外螺纹的高度方向上分为上下两部分的位置上变化上述负载侧面角,使上方的负载侧面角小于下方的负载侧面角。
2.根据权利要求1所述的油井管用螺纹连接器,具有由负载侧面角为-3°~-25°范围的外螺纹和内螺纹形成的负荷面,并且使上方的负载侧面角比下方的负载侧面角小0.5°~2.0°。
3.根据权利要求2所述的油井管用螺纹连接器,在由外螺纹和内螺纹形成的插入面之间是不接触的。
4.根据权利要求3所述的油井管用螺纹连接器,在由外螺纹和内螺纹形成的插入面之间设有0.05~0.25mm的间隙。
5.一种油井管用螺纹连接器,该螺纹连接器是由外螺纹和内螺纹形成的,具有负载面,该负荷面由负载侧面角为负值的外螺纹和内螺纹形成的,使上述外螺纹和内螺纹的负载侧面角相互不同。
6.根据权利要求5所述的油井管用螺纹连接器,具有由负载侧面角为-3°~-25°的外螺纹与内螺纹形成的负载面,使上述外螺纹与内螺纹的负载侧面角相互不同,其范围为0.1°~0.75°。
7.一种油井管用螺纹的切削方法,在油井管用螺纹连接器的螺纹形成中包括下述工序:在1个旋转体上安装数个依次设有多种形状刀头的螺纹梳刀,从开始进刀到螺纹切削完毕为止使用该螺纹梳刀,使上述旋转体旋转,进行螺纹切削。
8.根据权利要求7所述的油井管用螺纹切削方法,包括下述工序:使上述旋转体中心轴与上述管体中心轴一致,将回转体设置成回转体面与管体中心轴相垂直,将依次设有多种形状刀头的数个螺纹梳刀朝着管体方向安装在旋转体上,使螺纹梳刀刀头与管体端部相接触,边使旋转体或管体向其轴向移动,边使旋转体向同一方向旋转,用形成螺纹所必需的多种刀头依次进行切削,直至切削完毕为止。
9.根据权利要求7或8所述的油井管用螺纹切削方法,它使用螺纹梳刀,该螺纹梳刀数设为3~6个,分别设有1~5种刀头。
10.根据权利要求7~9中任一项所述的油井管用螺纹切削方法,该切削方法切削成的螺纹是负荷面的负载侧面角的至少一部分为负值的螺纹,该负荷面是由外螺纹和内螺纹形成的。
11.一种油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,在该螺纹切削装置上,上述旋转体,
1)具有以旋转体中心轴为中心进行旋转的功能,
2)具有在旋转体中心轴的轴向上移动的功能,
3)安装有数个依次设有多种刀头形状的螺纹梳刀。
12.根据权利要求11所述的油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,上述旋转体具有自由增大和缩小其同心圆直径的功能。
13.根据权利要求11所述的油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,将螺纹梳刀前端的多种刀头按切削螺纹的旋转使用顺序而配置在螺纹梳刀上,将螺纹梳刀按螺纹切削的旋转使用顺序安装在旋转体上,按同心圆状等间隔配置螺纹梳刀。
14.根据权利要求11~13中任一项所述的油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,设有3~6个上述螺纹梳刀,该螺纹梳刀各设有1~5种刀头。
15.根据权利要求13所述的油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,将螺纹梳刀刀头朝向上述旋转体内周面一侧,进行管体外周面的螺纹切削。
16.根据权利要求13所述的油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,该装置是将螺纹梳刀刀头朝向上述旋转体外周面一侧,进行管体内周面的螺纹切削的。
17.根据权利要求11~14中任一项所述的油井管用螺纹连接器的螺纹切削装置,使用依次设有多种形状刀头的数个螺纹梳刀切削成的螺纹,其负荷面的负载侧面角的至少一部分为负值,该负荷面是由外螺纹与内螺纹形成的。
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