DE2823051B1 - Waermegedaemmtes Rohr und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Waermegedaemmtes Rohr und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein wärmegedämmtes Rohr für Fernwärmeheizungen mit einem zur Medienführung vorgesehenen Innenrohr aus Stahl, das mit Abstand von einem, mittels Abstandshaltern gesicherten Kunststoffmantelrohr umgeben ist und bei dem der Hohlringraum zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr mit Isolierstoff ausgefüllt ist, wobei auf dem Innenrohr eine ringförmige Schicht eines mineralischen Dämmstoffes angeordnet ist und der restliche Ringraum mit Polyurethanschaum ausgefüllt ist.
Für Fernwärmeleitungen, die mit Wasser als wärmetragendem Medium durchflossen werden, verwendet man Stahlrohre, die entweder in einem Betonkanal verlegt werden oder umschlossen von einem Mantelrohr direkt in das Erdreich kommen. Man hat auch schon derartige Leitungen mit einer hydrophobierten Scnüttung eines wärmedämmfähigen Granulates ins Erdreich verlegt.
Um Wärmeverluste möglichst herabzusetzen, müssen solche Fernwärmeleitungen mit einer Wärmedämmung versehen werden, die jedoch gegen eindringende Feuchtigkeit zu schützen ist, weil sonst die Wärmedämmwirkung wieder stark herabgesetzt würde.
Es hat sich dabei ergeben, daß die Verwendung eines Mantelrohres sowohl technisch, als auch wirtschaftlich vorteilhaft ist, weil man dabei, z. B. bei der Verlegung, nur verhältnismäßig wenig Grabenaushub braucht, was insbesondere bei der Verlegung innerhalb von Städten, Fabrikgeländen und ähnlichem einen großen Vorteil darstellt. Hinzu kommt, daß ein solches Mantelrohr, das konzentrisch über das das Medium führende Rohr gelegt wird, dieses gegen eindringende Feuchtigkeit und damit auch gegen Korrosion schützt, gleichzeitig aber auch einer Verschlechterung der Wärmedämmung, durch Durchfeuchtung, entgegenwirkt.
Kunststoffrohre haben sich als Mantelrohre besonders bewährt, weil soche Rohre nur ein geringes Gewicht haben und damit die Verlegung, insbesondere kleinerer Rohre im innerstädtischen Bereich, ohne sehr viel raumbeanspruchende Hebezeuge möglich ist, wozu noch kommt, daß solche Kunststoffrohre im eingebauten Zustand eine hohe Lebensdauer sichern. Der Nachteil solcher Kunststoffrohre ist darin zu sehen, daß sie nur eine vergleichsweise geringe Scheiteldruckfestigkeit besitzen und daher durch die Wärmedämmung gegen das mediumführende Stahlrohr abgestützt werden müssen, wenn sie durch den überdeckenden Erddruck sowie gegebenenfalls auftretende Verkehrslasten nicht einer starken Abplattung unterworfen sein sollen. Man hat daher den Ringraum zwischen dem Mediumrohr und dem Mantelrohr mit einem Kunstharzschaum hoher Festigkeit ausgefüllt, z. B. mit Polyurethanschaum mit einer Rohdichte über 80 kg/m3. Ein solcher Schaumstoffmantel ergibt für das mediumführende Stahlrohr eine gute Wärmedämmung und gleichzeitig eine Erhöhung der Festigkeit des Kunststoffmantelrohres gegen von außen einwirkende Kräfte, wie insbesondere den Erddruck und Verkehrslasten.
Eine solche Konstruktion weist allerdings auch den Nachteil auf, daß die Festigkeit des Kunstharzschaumes bei höheren Temperaturen abnimmt und daher z. B. bei der Verwendung von Polyurethanschaum, die maximale Betriebstemperatur des Leitungsnetzes mit 130° C beschränkt ist.
Um diesen Mangel einer Temperaturbegrenzung zu beseitigen, hat man z. B. versucht, auf das mediumführende Stahlrohr zunächst eine ringförmige Schicht aus geblähtem Glas aufzubringen und dann darüber, konzentrisch und im Abstand, ein übliches Mantelrohr zu verlegen und dann den Ringspalt zwischen dem geblähten Glas und dem Mantelrohr wieder mit Polyurethanschaum auszuschäumen. Diese Bauweise hat aber den sehr beachtlichen Nachteil, daß das geblähte Glas eine hohe Sprödigkeit aufweist, die, insbesondere bei Leitungen mit häufigem Temperaturwechsel, bald eine Zerstörung zur Folge hat. Man hat auch versucht, mit Hilfe eines hochtemperaturbeständigen Klebstoffes eine einkorndicke Schicht von Blähtonkörpern auf dem Stahlrohr zu befestigen und dann, wie vorstehend beschrieben, den Ringspalt innerhalb des Mantelrohres mit Polyurethan-Hartschaum auszuschäumen. Auch hier zeigte sich, daß die einzelnen Granalien keine geschlossene Schicht bilden und daher der Nachteil eintrat, daß der nichttemperaturbeständige Polyurethan-Hartschaum in den Zwischenräumen doch bis an das Stahlrohr gelangte, so daß bei höheren Temperaturen eine Zerstörung auftrat und also nur eine geringe Erhöhung der Anwendungstemperatur möglich war.
Schließlich hat man als Wärmedämmstoffe Schalen oder Matten aus Glas- oder Mineralfasern oder einer Mischung solcher Fasern mit Kalziumsilikaten herangezogen, die wohl eine Erhöhung der Betriebstemperatur bis zu mehreren Hundert Grad Celsius erlauben, die aber wieder den großen Nachteil haben, daß ihre Druckfestigkeit nicht ausreicht, um das Gewicht des mediumführenden Stahlrohres, samt Füllung, auf das äußere Mantelrohr kontinuierlich zu übertragen. Man ist dann gezwungen, besondere Lagerkonstruktionen vorzusehen, die das Mediumrohr gegen das Mantelrohr abstützen. Durch solche Lagerkonstruktionen wird nicht nur die Wärmedämmung reduziert, sondern es wird auch das Gewicht des Mediumrohres, samt Füllung, nur an jeweils gleichen kleinen Streckenabschnitten auf das Mantelrohr übertragen werden. Dies hat zur Folge, daß das Mantelrohr nicht kontinuierlich über die ganze Strecke, sondern mit erheblich höheren Kräften — zonenweise beansprucht wird und aus diesem Grund die Verwendung eines nicht korrosionsgefährdeten Kunststoffmantelrohres nicht mehr möglich ist. Hinzu kommt schließlich, daß bei derartigen Faserdämmstoffen die stützende Wirkung zwischen Mediumrohr und Mantelrohr wegfällt, so daß das Kunststoffmantelrohr unter dem äußeren Erddruck und den Verkehrslasten der Gefahr der Einbeulung unterliegt. Man ist aus all diesen Gründen dazu übergegangen, als Mantelrohr auch ein Stahlrohr zu verwenden, das diesen mechanischen Belastungen gewachsen ist, mußte dabei aber die Gefahr der Korrosion hinnehmen, die sowohl von außen als auch von innen angreifen kann. Man mußte also gegen die Korrosion, die von außen infolge der Feuchtigkeit oder vom Wasser in dem umgebenden Erdreich kommen kann, Umhüllungen des Stahlmantelrohres aus Kunststoff, Bitumen oder ähnlichem vorsehen, wobei dieser Schutz durch Verletzungen der äußeren Oberfläche, besonders aber an den
ίο
Rohrverbindungsstellen, sehr leicht hinfällig sein kann.
Derartige Stahlmantelrohre können aber auch durch Korrosion aus dem Innenraum gefährdet sein, zumal es zum Beispiel schon nicht möglich ist, solche Doppel-Stahlrohrsysteme beim Transport und Verlegen wirkungsvoll gegen eine von außen eindringende Feuchtigkeit zu schützen, so daß diese Feuchtigkeit überwiegend in den faserigen Dämmstoffen verteilt zurückgehalten werden wird. Man muß also in einem solchen Fall, nach erfolgter Verbindung aller Rohrstücke, für eine Trocknung des Rohrhohlraumes sorgen, was man entweder durch Evakuieren der Rohre und damit Absenken des Wassersiedepunktes oder durch Spülung des Rohrhohlraumes mit Inertgasen zu erreichen versuchte. Derartige Behandlungen von Rohrsystemen sind in der Praxis schwer durchführbar und es werden große Pumpstationen und langwierige Überwachungsund Kontrollvorgänge gebraucht
Ein bekanntes Verfahren zum Herstellen von mit einer Wärmeisolierung versehenen Verbundrohren (Offenlegungsschrift 14 79 923) sieht vor, zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr einen Kunststoffschaum einzugießen, wobei vor dem Eingießen des Schaumstoffes die beiden Rohre in eine vertikale oder stark geneigte Stellung gebracht werden, worauf dann der Ringraum zwischen den beiden Rohren an dem unteren Rohrende durch einen Bodenverschluß abgedichtet wird und vor Oder während des Eingießens der Schaumstoffmasse ein Trenn- und Gleitmittel auf die Innenwand des Außenrohres und/oder die Mantelfläche des Innenrohres aufgebracht wird, wodurch ein Festbacken des sich verfestigenden Schaumstoffes an den Rohrflächen verhindert werden soll. Dieses bekannte Verfahren zum Herstellen derartiger Rohre hat den Nachteil, daß es umständliche Hantierungen und aufwendige Geräte erfordert.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, alle diese Nachteile zu vermeiden und ein wärmegedämmtes Rohr zur Verfugung zu stellen, das weder von innen noch von außen durch Korrosion angegriffen wird und das die notwendige Festigkeit besitzt, daß es durch Erddruck und Verkehrslasten nicht abgeplattet wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wurde erfindungsgemäß nun darin gefunden, daß bei einem solchen wärmegedämmten Rohr als mineralischer Dämmstoff eine Schicht aus Glas- oder Mineralfasern angeordnet ist und die Faserdämmschicht unter Druckspannung steht; die Faserdämmschicht kann dabei in Form von Matten oder vorgefertigten Schalen angeordnet sein.
Erfindungsgemäß kann das wärmegedämmte Rohr auch so ausgebildet sein, daß die Faserdämmschicht so dick ist, daß an der Grenzfläche zum Hartschaum ein vorgegebener Temperaturgrenzwert nicht überschritten wird. Es ist vorteilhaft, das Rohrende im Bereich der Faserdämmstoffe stirnseitig abzudichten.
Eine weitere erfindungsgemäße Bauform sieht vor, daß bei Rohrbogen das Mantelrohr einen größeren Durchmesser aufweist und an den Enden des Bogens mittels einer Muffe in den Durchmesser des geraden Verbundrohres übergeht, wobei der vergrößerte Ringraum im Bogen teilweise mit Faserdämmstoffen und elastischem Polyurethanschaum ausgefüllt ist
Die Erfindung hat auch ferner einen Vorschlag zur Lösung der Aufgabe der Herstellung eines wärmegedämmten Rohres gemacht, bei dem auf das mittels Abstandshaltern in einem Kunststoffmantelrohr gehalterte Innenrohr aus Stahl eine ringförmige Schicht aus mineralischem Dämmstoff aufgebracht und der verblei-
bende Ringhohlraum zum Abstützen des Kunststoffmantelrohres mit Polyurethanschaum ausgeschäumt wird, indem nämlich so vorgegangen wird, daß auf das Innenrohr eine Schicht aus Glas- oder Mineralfasern aus Matten oder vorgefertigten Schalen aufgebracht und der Polyurethanhartschaum in dem Ringraum derart geschäumt wird, daß der Schäumdruck zu einer solchen Verdichtung des Faserdämmstoffes führt, daß das medienführende Innenrohr durch seine eigene Gewichtskraft und die der Füllung kein weiteres Stauchen des Faserdämmstoffes veranlaßt.
Man kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung dabei auch so vorgehen, daß das Stahlinnenrohr und der Faserdämmstoff mit einem Gleitmittel behandelt werden und die Verdichtung des Faserdämmstoffes mit einem solchen Druck erfolgt, daß die Reibungskraft zwischen dem Stahlrohr und dem Faserdämmstoff geringer ist, als die Reibungskraft zwischen dem Mantelrohr und dem Einbettungsmaterial für das Rohr (Sand).
Wenn man nach dem Vorschlag der Erfindung vorgeht, erreicht man, daß bei den Bögen Längsdehnungen der Rohre vom Faserdämmstoff aufgenommen werden. Wenn man beim Einschäumen den Schäumvorgang so einstellt, daß der Schäumdruck von beispielsweise 2 bar zu einer Verdichtung des Faserdämmstoffes auf z. B. zwei Drittel seiner ursprünglichen Dicke führt und dieser Faserdämmstoff dadurch ringsum und über die ganze Länge unter eine Vorspannung von z. B. 20 N/cm2 gesetzt wird, erreicht man, daß das mediumführende Rohr durch seine eigene Gewichtskraft und die Gewichtskraft der Füllung zu keiner weiteren Strauchung des Faserdämmstoffes und damit auch zu keiner Lageveränderung des konzentrisch angeordneten Mediumrohres führt.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt, in schematischer Skizze,
F i g. 1 einen Schnitt durch ein wärmegedämmtes Rohr und
F i g. 2 einen Schnitt durch einen Bogen eines solchen Rohres.
Auf ein als mediumführendes Rohr dienendes Stahlrohr 1 werden in entsprechenden Abständen aus Kunststoff gefertigte Abstandshalter 3 aufgeschoben, so daß das dann darüber geschobene Mantelrohr 2 aus Kunststoff in gleichem Abstand konzentrisch zu dem Innenrohr gehalten ist. Bevor das Mantelrohr 2 aufgeschoben wird, wird das Innenrohr 1 mit Faserdämmstoffen 5 umhüllt, wobei man für diesen Zweck Matten oder vorgefertigte Schalen aus Glasfasern oder Mineralfasern oder Mischungen von beiden verwenden kann. Um den gesamten Hohlringraum 4 zwischen dem Innenrohr 1 und dem Mantelrohr 2 auszufüllen, wird über die Lage Faserdämmstoffe ein Kunststoff-Hartschaum 6 eingebracht, der in dem verbliebenen Ringraum 7 die gebrauchte Druckfüllung ergibt. Um beim Transport und bei der Verlegung das Eindringen von Feuchtigkeit in die Faserdämmstoffe 5 zu verhindern, ist es vorteilhaft, das Rohrende 8 im Bereich der Faserdämmstoffe 5 stirnseitig abzudichten.
Die Aufnahme der Dehnung des Stahlrohres 1 erfolgt in für diesen Zweck vorgesehenen Kompensationsbögen, wobei man dort so vorgeht, daß man das Mantelrohr 2 auf einen größeren Durchmesser 9 erweitert, um so den gewünschten Dehnungsweg zu verschaffen. Zu diesem Zweck (siehe F i g. 2) sind an die Enden von zwei wärmegedämmten Rohren Muffen 11 auf die Mantelrohre 2 gesetzt, die sich entsprechend erweitern, um ein Mantelrohr 9 mit einem größeren Durchmesser für den Bogen aufzunehmen, wobei die Enden 10 des Rohrbogen-Mantelrohres 9 in den erweiterten Enden der Muffe 11 entsprechend gesichert sind. Innerhalb des Ringraumes 13 zwischen dem Mantelrohr 9 und dem gebogenen Innenrohr 1 werden die Schichtdicken des Mineralfaserdämmstoffes 5, sowie die des Kunstharz-Hartschaumes 6 so vorgesehen, daß
ίο der Dehnungsweg durch Kompression des Faserdämmstoffes 5 aufgenommen wird. Man kann dazu vorteilhaft in diesen Bogenteilen, durch geeignete Einstellung des Reaktionsharzes, die Vorspannung geringer als in der geraden Rohrstrecke vorsehen, z. B. also nur 0,5 bar statt 2 bar.
Ein mögliches Beispiel für ein solches wärmegedämmtes Rohr sieht ein geschweißtes Stahlrohr nach DIN 2458 NW 175 vor, dessen äußerer Durchmesser mit einer Wanddicke von 4,5 mm mit 193,7 mm festliegt.
Ein solches Rohr hat ein Gewicht von 205 N/m und einen Wasserinhalt von 240 N/m, so daß das gesamte Gewicht des gefüllten Rohres 445 N/m beträgt. Unter Zugrundelegung der Projektion der Rohrfläche auf die Fläche ergibt sich eine Druckspannung von 0,23 N/cm2, so daß die durch den Schäumdruck auf die Faserdämmung erzielte Vorspannung annähernd lOOmal größer ist und somit lOOfache konstruktive Sicherheit gegen eine Lageveränderung des Mediumrohres gegeben ist. Damit wird erreicht, daß das Mediumrohr elastisch über die gesamte Rohrlänge eingebettet und über den vorgespannten Faserdämmstoff auf den Hartschaumstoff abgetragen wird. Als Mantelrohr kann nun z. B. das leichte und gegen jedwede chemischen Angriffe umgebender Feuchtigkeit unempfindliche Kunststoff-Mantelrohr eingesetzt werden.
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird ein inniger Verbund zwischen Kunststoff-Mantelrohr und PUR-Hartschaum einerseits, sowie PUR-Hartschaum und Faserisolierung andererseits erzielt. Demgegenüber kann das von Faserdämmstoffen umgebene Mediumrohr mit relativ geringem Kraftaufwand in der Fasereinbettung verschoben werden. Wenn die Faserdämmstoffe und das Mediumrohr noch mit einer geeigneten, die Reibung reduzierenden Gleitschicht behandelt sind, kann die Reibungskraft des Mediumrohres im Faserdämmstoff bei einem Stahlrohr von z. B. 273 mm Durchmesser auf weniger als 6000 N/lfm reduziert werden, während die Reibungskraft des z. B. 400 mm Durchmesser aufweisenden Mantelrohres im Sandbett 9000 N/lfm oder mehr ist. Wenn das Stahlrohr erwärmt wird, dehnt es sich im Faserbette aus, während das Mantelrohr durch die höheren Reibungskräfte im Sandbett liegen bleibt.
Die Ausdehnungskraft des Stahlrohres ist
Ft=K-AT-Ar-E.
Mit a. = 12· 10-6K-1 für den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl, Δ T = 180 K Temperaturdifferenz gegenüber Verlegetemperatur, Querschnittsfläche Ar = π - 273 · 6,3 = 5403 mm2 und dem £-ModuI für Stahl mit 21 · 104 N/mm2 erhält man für die Ausdehnungskraft Ft= 2,45 · 106N. Diese Ausdehnungskraft wird erst auf einer Strecke von 408 m durch Reibungskräfte aufgewogen, so daß lange Streckenabschnitte zwischen den Dehnungsausgleichern gewählt werden können.
Diese wird man indes nicht so groß wählen, um die Längenänderung in den Dehnungsausgleichern auf ein
bestimmtes Maß zu reduzieren. Wählt man die Länge der Rohrteilstrecke zwischen einem Fixpunkt und einem Dehnungsausgleicher auf z.B. 100m, so ergibt sich für vorgenanntes Beispiel mit AT = 180K aus Ah = / · a. ■ Δ Teine Längenänderung von 216 mm.
Berücksichtigt man, daß ein Teil der Ausdehnungskraft Ft durch die Reibung aufgewogen wird, und zwar der Betrag 100 · 6000 N = 600 000 N, so sind dies 24,49% der vorhandenen Ausdehnungskraft Es ist weiterhin möglich, das gesamte Rohrsystem vorzuspannen, z. B. um eine Länge Ah, die einer Temperaturdifferenz von 60 K gegenüber Verlegetemperatur entspricht. Dann ist bei einer Verlegetemperatur von +1O0C das Rohr bei einer Betriebstemperatur von +7O0C spannungs- und dehnungsfrei. Bei einer Betriebstemperatur von z. B. 1900C treten beim vorgespannten Rohr nur noch Längenänderungen auf, die einer Temperaturdifferenz AT = 120 K entsprechen. Berücksichtigen wir auch noch die oben angegebene unterdrückte Dehnung
von 24,49%, so ist die restliche Dehnung der 100 m langen Teilstrecke
Al2 = 100 · 105. 12 . 10-6 . 120 . 0,7551 = 108 mm.
Durch obiges Beispiel wird aufgezeigt, daß das Verfahren die Verlegung großer Rohrstrecken bei verhältnismäßig kleinen Dehnungswegen ermöglicht und dadurch ein besonders wirtschaftliches System erreicht wird.
Durch die durch Reibung unterdrückte Dehnung wird im Stahlrohr eine Stauchspannung erzeugt, die im obigen Beispiel
600000N
5403 mm2
= Ul N/mm2
beträgt.
Nimmt man als Stahlrohr z. B. die Qualität St 37, so beträgt die zulässige Stauchspannimg 240 N/mm2, so daß mehr als zweifache Sicherheit gegeben ist
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
909 542/421

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Wärmegedämmtes Rohr für Fernwärmeheizungen mit einem zur Medienführung vorgesehenen Innenrohr aus Stahl, das mit Abstand von einem, mittels Abstandshaltern gesicherten Kunststoffmantelrohr umgeben ist und bei dem der Hohlringraum zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr mit Isolierstoff ausgefüllt ist, wobei auf dem Innenrohr eine ringförmige Schicht eines mineralischen Dämmstoffes angeordnet ist und der restliche Ringraum mit Polyurethanschaum ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als mineralischer Dämmstoff eine Schicht aus Glas- oder Mineralfasern (5) angeordnet ist und die Faserdämmschicht unter Druckspannung steht.
2. Wärmegedämmtes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserdämmschicht in Form von Matten oder vorgefertigten Schalen angeordnet ist.
3. Wärmegedämmtes Rohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserdämmschicht so dick ist, daß an der Grenzfläche zum Hartschaum ein vorgegebener Temperaturgrenzwert nicht überschritten wird.
4. Wärmegedämmtes Rohr nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrende im Bereich der Faserdämmstoffe (5) stirnseitig abgedichtet ist.
5. Wärmegedämmtes Rohr nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Rohrbogen das Mantelrohr (9) einen größeren Durchmesser aufweist und an den Enden (10) des Bogens mittels einer Muffe (11) in den Durchmesser des geraden Verbundrohres übergeht, wobei der vergrößerte Ringraum (12) im Bogen teilweise mit Faserdämmstoffen (5) und elastischem Polyurethanschaum (6) ausgefüllt ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines wärmegedämmten Rohres nach Anspruch 1 bis 5, wobei auf das mittels Abstandshaltern in einem Kunststoffmantelrohr gehalterte Innenrohr aus Stahl eine ringförmige Schicht aus mineralischem Dämmstoff aufgebracht und der verbleibende Ringhohlraum zum Abstützen des Kunststoffmantelrohres mit Polyurethanschaum ausgeschäumt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Innenrohr eine Schicht aus Glas- oder Mineralfasern aus Matten oder vorgefertigten Schalen aufgebracht und der Polyurethanhartschaum in dem Ringraum derart geschäumt wird, daß der Schäumdruck zu einer solchen Verdichtung des Faserdämmstoffes führt, daß das medienführende Innenrohr durch seine eigene Gewichtskraft und die der Füllung kein weiteres Stauchen des Faserdämmstoffes veranlaßt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlinnenrohr und der Faserdämmstoff mit einem Gleitmittel behandelt werden und die Verdichtung des Faserdämmstoffes mit einem solchen Druck erfolgt, daß die Reibungskraft zwischen dem Stahlrohr und dem Faserdämmstoff geringer ist als die Reibungskraft zwischen dem Mantelrohr und dem Einbettungsmaterial für das Rohr (Sand).
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