ES2290674T3 - Cojinete deslizante sujeto a expansion termica. - Google Patents

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ES2290674T3 ES04713344T ES04713344T ES2290674T3 ES 2290674 T3 ES2290674 T3 ES 2290674T3 ES 04713344 T ES04713344 T ES 04713344T ES 04713344 T ES04713344 T ES 04713344T ES 2290674 T3 ES2290674 T3 ES 2290674T3
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Abstract

Un cojinete para soportar giratoriamente un eje cilíndrico dentro de una superficie de soporte cilíndrica interna de un bastidor, en el que el eje tiene un diámetro externo de A y está sometido a expansión térmica y la superficie de soporte cilíndrica interna del bastidor tiene un diámetro interno de B, comprendiendo dicho cojinete: un miembro tubular (130) que tiene extremos opuestos (132, 134) separados por una distancia D y que lleva un pasadizo axial a su través, teniendo la superficie exterior (136) del miembro un nervio externo (144, 146) adyacente a cada uno de dichos extremos, teniendo cada nervio (144, 146) un diámetro externo de B, pudiéndose posicionar deslizablemente el miembro tubular en la superficie de soporte cilíndrica interna del bastidor, estando definido el citado pasadizo axial por una superficie del cojinete central con un diámetro interno de A y recibiendo giratoriamente el eje, teniendo la superficie de cojinete una longitud axial menor de D y menor que el espaciamiento entre dichos nervios, siendo deformable el cojinete dentro de unos límites elásticos que permiten que el diámetro interno de dicha superficie del cojinete se expanda para aceptar la expansión térmica del eje, caracterizado porque el miembro tiene una hendidura longitudinal (156) que se extiende entre dichos extremos opuestos (132, 134) y desde dicha superficie exterior (136) hasta dicho pasadizo axial, e incluye además al menos una ranura suplementaria (164) poco profunda en cada nervio externo citado.

Description

Cojinete deslizante sujeto a expansión térmica.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un cojinete para un eje giratorio sometido a expansión térmica. El cojinete definido en el presente documento es particularmente útil en un aparato para perforar y aterrajar un vaso de presión, tal como una tubería con líquidos o gases a alta temperatura en su interior.
Antecedentes de la invención
El uso de máquinas aterrajadoras para aterrajar aberturas en tuberías es bien conocido. La patente norteamericana previamente expedida número 3.614.252, titulada "Aparato aterrajador"; la patente norteamericana número 4.579.484, titulada "Máquina aterrajadora subacuática"; la patente norteamericana número 4.880.028, titulada "Máquinas de completamiento"; la patente norteamericana número 5.439.331, titulada "Aparato aterrajador de alta presión"; y la patente norteamericana número 6.012.878, titulada "Máquinas aterrajadoras submarinas de presión", son ejemplos de patentes expedidas anteriormente relacionadas con máquinas aterrajadoras. Estas patentes se incorporan al presente documento por referencia, dado que proporcionan unos antecedentes esmerados con respecto a la materia objeto de la presente invención.
La máquina aterrajadora típica está formada por un cuerpo que es alargado y tubular. El cuerpo tiene una barra taladradora giratoria en su interior. El extremo inferior del cuerpo está provisto de medios, tales como una pestaña, con los cuales se fija a un accesorio unido a una tubería. Se fija una caja de engranajes al extremo superior del cuerpo de máquina aterrajadora y se proporcionan medios para hacer girar la barra taladradora. El extremo inferior de la barra taladradora está equipado para recibir una cuchilla. La energía giratoria, tal como la proporcionada por un motor hidráulico, es suministrada a la caja de engranajes y esta fuerza giratoria se aplica, a su vez, para hacer girar la barra taladradora.
Además de la barra taladradora, la máquina aterrajadora tiene un tornillo de avance para mover axialmente la barra taladradora cuando se hace girar la barra taladradora con relación al tornillo de avance. Típicamente, un manguito de accionamiento hace girar la barra taladradora para proporcionar tal rotación relativa y para hacer girar la cuchilla unidad a la barra taladradora a fin de dar lugar a que la cuchilla corte un agujero en una tubería. La barra taladradora puede tener una velocidad de avance fija o variable dependiendo del diseño de la máquina aterrajadora.
La máquina aterrajadora a la cual la presente invención es particularmente adaptable tiene básicamente las estructuras previamente conocidas según se resumieron anteriormente. Sin embargo, la invención soluciona aquí un serio problema que ha dificultado aplicaciones completamente satisfactorias de máquinas aterrajadoras conocidas para perforar y aterrajar un vaso, tal como una tubería, que tiene en su interior fluidos a alta temperatura, ya sean líquidos o gases.
La esencia de la presente invención es la provisión de un diseño único de cojinete que se incorpora a una máquina aterrajadora para soportar giratoriamente la barra taladradora en el extremo inferior de la máquina aterrajadora de una manera que compensa cambios repentinos de temperatura tales como los encontrados cuando una broca de barra taladradora penetra en un vaso que tiene en su interior líquidos o gases a alta temperatura. Específicamente, la invención proporciona aquí una máquina aterrajadora que tiene, como parte integral de la misma, un cojinete de compensación de temperatura - es decir, el cojinete según se emplea en una máquina aterrajadora a alta temperatura de esta invención proporciona una compensación de temperatura. El cojinete único acepta la expansión térmica de una barra taladradora, con lo que el cojinete soporta continuamente de manera giratoria una barra taladradora bajo cambos de temperatura sustanciales sin agarrotarse o agarrarse sobre la superficie de la barra taladradora.
El documento CH 341362 describe un cojinete según el preámbulo de la reivindicación 1 para soportar giratoriamente un eje cilíndrico y el cual está sujeto a expansión térmica. El cojinete comprende un miembro tubular que tiene un nervio externo sobre una superficie exterior adyacente a cada extremo. El cojinete es deformable dentro de unos límites elásticos que permiten que el diámetro interior de la superficie de cojinete se expanda para aceptar la expansión térmica del eje.
Para información adicional de antecedentes relacionados con cojinetes, incluyendo cojinetes compensadores de temperatura, se puede hacer referencia a las siguientes patentes norteamericanas previamente expedidas:
1
Breve sumario de la invención
Se proporciona un cojinete para soportar giratoriamente un eje cilíndrico dentro de una superficie de soporte cilíndrica interna de bastidor. El cojinete está destinado específicamente a soportar un eje que está sometido a expansión térmica. Aunque el cojinete de la invención no está limitado a una aplicación específica, es particularmente útil en una máquina aterrajadora a alta temperatura, es decir, una máquina aterrajadora diseñada y construida de tal manera que puede usarse para perforar y aterrajar un vaso de presión (lo más usualmente una tubería) que transporta gases o líquidos a alta temperatura. El cojinete aquí descrito está destinado particularmente a esta aplicación, dado que las máquinas aterrajadoras que taladran una tubería que transporta fluidos a alta temperatura, ya sean líquidos o gases, hacen que la barra taladradora sea sometida repentinamente a cambios drásticos de temperatura. Es decir, cuando una barra taladradora que está a temperatura ambiente en el exterior de la tubería penetra repentinamente en una tubería, la temperatura en el extremo inferior de la barra taladradora aumenta espectacularmente. En el pasado, se han experimentado problemas con el uso de máquinas aterrajadoras a alta temperatura. Específicamente, el cojinete que soporta una barra taladradora de una máquina aterrajadora ha sido incapaz, en algunas ocasiones, de aceptar la expansión de la barra taladradora cuando se penetra en una tubería que transporta líquidos o gases a alta temperatura, lo que hace que el cojinete aprisione la barra aterrajadora, impidiendo la rotación de ésta.
El cojinete que supera este problema y que es útil para otras aplicaciones similares es un cojinete que soporta giratoriamente un eje cilíndrico dentro de una superficie de soporte cilíndrica interna de un bastidor, en el que el eje tiene un diámetro externo de A y está sometido a expansión térmica, y la superficie de soporte cilíndrica interna del bastidor tiene un diámetro interno de B, comprendiendo dicho cojinete: un miembro tubular que tiene extremos opuestos separados por una distancia D y que lleva un pasadizo axial a su través, teniendo la superficie exterior del miembro un nervio externo adyacente a cada uno de dichos extremos, teniendo cada nervio un diámetro externo de B, pudiéndose posicionar deslizablemente el miembro tubular en la superficie de soporte cilíndrica interna del bastidor, estando definido el citado pasadizo axial por una superficie de cojinete central con un diámetro interno de A y recibiendo giratoriamente el eje, teniendo la superficie del cojinete una longitud axial menor de D y menor que el espaciamiento entre dichos nervios, siendo deformable el cojinete dentro de unos límites elásticos que permiten que el diámetro interno de dicha superficie del cojinete se expanda para aceptar la expansión térmica del eje, caracterizado porque el miembro tiene una hendidura longitudinal que se extiende entre dichos extremos opuestos y desde dicha superficie exterior hasta dicho pasadizo axial, e incluye además al menos una ranura suplementaria poco profunda en cada nervio externo citado.
Cuando se usa el cojinete en una máquina aterrajadora a alta temperatura este eje cilíndrico se denomina comúnmente "barra taladradora". La longitud de la superficie de cojinete central es menor que el espaciamiento entre los nervios externos.
En una realización alternativa, el miembro tubular tiene un nervio externo intermedio espaciado entre los nervios opuestos que son adyacentes a los extremos del miembro, teniendo el nervio intermedio un diámetro nominal externo que es menor que el diámetro interno de la superficie de soporte cilíndrica.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista en sección transversal de la porción superior de una máquina aterrajadora típica, la cual también puede denominarse "máquina taladradora", tal como la del tipo descrito en las patentes norteamericanas números 4.579.484, 5.439.331 y 6.012.878. El cojinete de esta invención está adaptado particularmente para su uso en esta clase de máquina aterrajadora.
La figura 2 es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1, que muestra la disposición con la que se suministra potencia giratoria para hacer girar una barra taladradora en la máquina aterrajadora.
La figura 3 es una vista en sección transversal fragmentaria parcial de la porción inferior de la máquina aterrajadora ilustrada en las figuras 1 y 2. La esencia de la invención es un cojinete mejorado para soportar giratoriamente la barra taladradora de una máquina aterrajadora. Las figuras 1, 2 y 3 son representativas de la anterior e indicativas de un entorno en el que se puede emplear el cojinete de esta invención.
La figura 4 es una vista en sección transversal de un cojinete que no forma parte de esta invención.
La figura 5 es una vista extrema del cojinete de la figura 4.
La figura 6 es una vista en sección transversal de una primera realización del cojinete de esta invención.
La figura 7 es una vista extrema de la realización de la figura 6.
La figura 8 es una vista en sección transversal de un cojinete que no forma parte de la invención.
La figura 9 es una vista extrema de la realización de la figura 8.
La figura 10 es una vista en sección transversal de una realización alternativa del cojinete.
Designación de elementos ilustrados en los dibujos
10
bastidor superior
12
caja de engranajes
14
cubierta de la caja de engranajes
16
eje de engranaje helicoidal
18
rueda dentada
20
barra taladradora
22
tornillo de avance
24
bastidor inferior
26
pestaña
28
aberturas cilíndricas
30
cojinete
130
cojinete
132
primera cara extrema
134
segunda cara extrema
136
superficie cilíndrica exterior
138
primer canal circunferencial
139
primera porción de alma tubular
140
segundo canal circunferencial
141
segunda porción de alma tubular
142
nervio central
142A
nervio central ancho
144
primer nervio cilíndrico
146
segundo nervio cilíndrico
148
superficie cilíndrica del nervio central
150
superficie circunferencial central
152
primera superficie circunferencial interna
154
segunda superficie circunferencial interna
156
hendidura
158
acanaladura circunferencial exterior
160
agujero de lubricación
164A-E
ranuras de poca profundidad
166A-C
ranuras de profundidad completa.
Descripción detallada de realizaciones preferidas de la invención
Según se apuntó previamente, el uso de una máquina aterrajadora para perforar y aterrajar un vaso tal como una tubería, y particularmente un vaso que esté bajo presión, es bien conocido en la industria y está ejemplificado por las patentes norteamericanas números 4.579.484, 5.439.331 y 6.012.878. Un diseño típico de una máquina aterrajadora destinada a perforar y aterrajar un vaso, especialmente un tubería, se ilustra en las figuras 1-3. La esencia de la presente invención es un cojinete mejorado que puede usarse en tales máquinas aterrajadoras existentes y que facilita la perforación y aterrajado de conductos que transportan fluidos a alta temperatura - es decir, gases o líquidos a alta temperatura.
Las figuras 1, 2 y 3 ilustran los aspectos básicos de una máquina aterrajadora y están tomadas de la patente norteamericana número 5.439.331, titulada: "Aparato aterrajador de alta presión". Las enseñanzas de esta patente se incorporan aquí por referencia. Las figuras 1, 2 y 3 se incluyen para ilustrar un entorno típico en el que pueden emplearse con éxito los conceptos únicos de cojinete de esta invención.
Las figuras 1 y 2 ilustran la porción superior de una máquina aterrajadora que incluye un bastidor superior 10 que tiene, en su parte superior, una caja de engranajes 12 cerrada mediante una tapa 14 de caja de engranajes. Un eje 16 de engranaje helicoidal recibe potencia giratoria de un impulsor primario, tal como un motor hidráulico o eléctrico, no mostrado. El engranaje helicoidal 16 acciona una rueda dentada 18 que acciona indirectamente una barra taladradora 20. Un tornillo de avance roscado 22 controla el avance y retracción axiales de la barra taladradora 20.
La figura 3 muestra el extremo inferior de la máquina aterrajadora típica. Fijado a la porción extrema inferior del bastidor superior 10 está un bastidor inferior 24 que tiene una pestaña 26 mediante la cual la máquina aterrajadora está fijada desprendiblemente a otros componentes de un conjunto aterrajador. La barra taladradora 20 se extiende por debajo de la pestaña 26 y está destinada a recibir una cuchilla (no mostrada) mediante la cual puede cortarse un agujero en la pared de un conducto de otro vaso. Cuando un conducto u otro vaso es penetrado por una cuchilla, la porción extrema inferior de la barra taladradora 20 es sometida repentinamente a la temperatura del fluido, ya sea líquido o gas, que está siendo transportado por el conducto u otro vaso. Por tanto, la barra taladradora 20 está sujeta a un gama amplia de temperaturas.
Soportado dentro de una abertura cilíndrica 28 dentro del bastidor inferior 24 está un cojinete 30 que soporta giratoriamente la barra taladradora 20. El cojinete 30, mostrado esquemáticamente en la figura 3, es representativo del entorno en el que puede emplearse el cojinete de esta invención.
En el pasado, cuando se empleaba una máquina aterrajadora para perforar y aterrajar en un entorno a alta temperatura existía un problema debido a que la aplicación de alta temperatura provocada frecuentemente que la barra taladradora (elemento 20 de las figuras 1-3) aumentase su diámetro a causa de la expansión térmica hasta el punto de que quedaba aprisionada por el cojinete 30 mediante el cual estaba giratoriamente soportada. Esta invención proporciona un cojinete único que supera este problema. Específicamente, la presente invención proporciona un cojinete integral cargado por resorte que soporta la barra taladradora giratoria 20 y que acepta la expansión de la barra taladradora cuando ésta es sometida a altas temperaturas.
En las figuras 4 y 5 se ilustra un cojinete de soporte, estando el cojinete identificado en general con el número 130. Aunque el dispositivo de soporte 130 se denomina cojinete, es en realidad un casquillo - es decir, no incluye ninguna parte móvil y no emplea bolas o rodillos como los empleados frecuentemente en un "cojinete" típico. El elemento 130 se denominará cojinete, pero podría denominarse igualmente bien casquillo.
El cojinete 130 es cilíndrico, teniendo unas caras extremas primera y segunda opuestas 132 y 134. El cojinete 130 tiene una superficie cilíndrica exterior 136. En la disposición ilustrada, la superficie cilíndrica exterior está interrumpida por un primer canal circunferencial 138 y por un segundo canal circunferencial 140. Los canales circunferenciales 138 y 140 están separados por un nervio central circunferencial 142. En los fondos de los canales circunferenciales 138 y 140 están formadas unas porciones de alma tubulares 139 y 141.
La superficie cilíndrica exterior 136 está definida por un primer nervio cilíndrico 144 en la primera cara extrema 132 y un segundo nervio cilíndrico 146 en la segunda cara extrema 134. El nervio central 142 tiene una superficie cilíndrica 148 que es de un diámetro ligeramente menor que el diámetro de los nervios cilíndricos primero y segundo 144 y 146.
El cojinete 130 tiene a su través una abertura interior definida por una primera superficie circunferencial interior central 150 y unas superficies circunferenciales internas laterales opuestas 152 y 154. El diámetro interno de las superficies circunferenciales laterales 152 y 154 es ligeramente mayor que el diámetro interno de la superficie circunferencial central 150.
Según se ve en la vista extrema de la figura 5, el cojinete tubular 130 tiene una hendidura longitudinal 156 que se extiende por toda la longitud entre los extremos 132 y 134. La hendidura 156 permite al cojinete agrandarse o contraerse circunferencialmente cuando es sometido a temperaturas cambiantes.
La figura 10 ilustra un cojinete 130C de diseño algo alternativo, ya que el nervio central 142A es más ancho que el nervio central 142 según se ilustra en la figura 4. Una acanaladura circunferencial exterior plana y ancha 158 está formada en la superficie cilíndrica 148 de nervio central ancho. Además, en el cojinete de la figura 10 están dispuestos dos agujeros de lubricación radiales opuestos 160.
Se darán con fines únicamente de ejemplo unas dimensiones respectivas del cojinete 130 según se ilustra en las figuras 4 y 5. Las superficies cilíndricas exteriores 136 de los nervios 144 y 146 pueden tener un diámetro de 3,124 (todas las dimensiones serán en pulgadas), mientras que el diámetro de la superficie cilíndrica 148 del nervio central 142 puede tener un diámetro de 3,104. De este modo, existe una diferencia de 0,02 pulgadas en el diámetro del nervio central 142 en comparación con los nervios 144 y 146. Este diámetro disminuido del nervio central permite que la porción interior del cojinete se flexione o se expanda dentro de unos límites elásticos para compensar la fuerza de una barra taladradora en expansión contra la superficie circunferencial central 150.
El diámetro de las superficies circunferenciales internas 152 y 154 puede ser de 2,502, mientras que el diámetro de la superficie circunferencial central interna 150 es de 2,482 - es decir, 0,02 pulgadas mayor. Esto significa que en funcionamiento normal únicamente la superficie circunferencial central 150 se acopla con la superficie exterior de una barra taladradora. (La barra taladradora no se muestra en las figuras 4-10). Cuando una barra taladradora es sometida a fluidos a alta temperatura y su diámetro se expande, esta fuerza se aplica contra la superficie circunferencial central 150. El cojinete se flexiona hacia fuera (dentro de límites elásticos) para compensar el diámetro externo aumentado de la barra taladradora por el hecho de que la superficie cilíndrica 148 del nervio central 142 tiene un diámetro menor que el de la abertura cilíndrica 28 (véase figura 3) del bastidor inferior 24 de la máquina aterrajadora. La longitud de la superficie circunferencial central 150 es preferiblemente de alrededor de un tercio del espaciamiento existente entre los nervios circunferenciales 144 y 146.
De este modo, se puede ver que el cojinete 130 está diseñado únicamente para flexionarse con el fin de acomodar una barra taladradora que se expande térmicamente.
Las figuras 6 y 7 muestran la realización de la invención que incluye las previsiones de unas ranuras 164A-164E de poca profundidad y longitud completa que se extienden únicamente a través de los nervios cilíndricos 144, 142 y 146 del cojinete 130A. Si se aplica esta técnica a la realización del cojinete mostrado en la figura 10, las ranuras 164A-164E de poca profundidad se extenderían a través de toda la anchura del nervio central ancho 142A. Estas ranuras de poca profundidad permiten una flexión mejorada del cojinete dentro de sus límites elásticos para facilitar la compensación de temperatura.
Las figuras 8 y 9 muestran un segundo cojinete de soporte. En esta configuración existen tres ranuras 166A-166C formadas en el cojinete 130B. Las ranuras 166A-166C no se extienden en toda la longitud del cojinete y no se extienden a través de los nervios cilíndricos primero y segundo 144 y 146. Sin embargo, las ranuras 166A-166C sí se extienden en toda la profundidad del cojinete. Estas ranuras 166A-166C de profundidad completa aumentan la flexión del cojinete dentro de sus límites elásticos.
El cojinete único según se ilustra y se describe en el presente documento tiene estas ventajas: 1) la hendidura longitudinal 156 permite que los cojinetes se contraigan y se expandan circunferencialmente en toda su longitud completa en respuesta a cambios de temperatura tales como en respuesta a cambios en el diámetro externo de una barra taladradora; 2) el diámetro externo reducido del nervio central 142 (que es opcional) permite que la porción central del cojinete se flexione en respuesta a temperaturas de barra taladradora aumentadas; 3) los canales circunferenciales 138 y 140 en la superficie externa del cojinete reducen la rigidez del cojinete; 4) los canales circunferenciales 138 y 140 permiten un efecto de resorte radial central (dentro de límites elásticos) para permitir que el cojinete compense cambios de temperatura de una barra taladradora que éste soporta giratoriamente; 5) el nervio central 142 tiene una longitud relativamente pequeña en comparación con la longitud total del cojinete para permitir una expansión radial de la porción central del cojinete con el fin de acomodar el aumento del diámetro externo de una barra taladradora en respuesta a cambios de temperatura; y 6) la anchura y el grosor del nervio central 142, junto con el grosor y la longitud de las almas 139 y 141, definen la tasa de resorte del cojinete.
Aunque la invención se ha descrito con un cierto grado de particularidad, es manifiesto que se puede realizar muchos cambios en los detalles de construcción de la invención. Se entiende que la invención no se limita a la realización específica expuesta en el presente documento, sino que está limitada únicamente por el alcance de la reivindicación o reivindicaciones anexas.

Claims (5)

1. Un cojinete para soportar giratoriamente un eje cilíndrico dentro de una superficie de soporte cilíndrica interna de un bastidor, en el que el eje tiene un diámetro externo de A y está sometido a expansión térmica y la superficie de soporte cilíndrica interna del bastidor tiene un diámetro interno de B, comprendiendo dicho cojinete: un miembro tubular (130) que tiene extremos opuestos (132, 134) separados por una distancia D y que lleva un pasadizo axial a su través, teniendo la superficie exterior (136) del miembro un nervio externo (144, 146) adyacente a cada uno de dichos extremos, teniendo cada nervio (144, 146) un diámetro externo de B, pudiéndose posicionar deslizablemente el miembro tubular en la superficie de soporte cilíndrica interna del bastidor, estando definido el citado pasadizo axial por una superficie del cojinete central con un diámetro interno de A y recibiendo giratoriamente el eje, teniendo la superficie de cojinete una longitud axial menor de D y menor que el espaciamiento entre dichos nervios, siendo deformable el cojinete dentro de unos límites elásticos que permiten que el diámetro interno de dicha superficie del cojinete se expanda para aceptar la expansión térmica del eje, caracterizado porque el miembro tiene una hendidura longitudinal (156) que se extiende entre dichos extremos opuestos (132, 134) y desde dicha superficie exterior (136) hasta dicho pasadizo axial, e incluye además al menos una ranura suplementaria (164) poco profunda en cada nervio externo citado.
2. Un cojinete según la reivindicación 1, en el que la profundidad de cada ranura suplementaria (164) es sustancialmente igual a la altura de dichos nervios externos (144, 146).
3. Un cojinete según la reivindicación 1, que incluye una pluralidad de ranuras suplementarias (164A-164E) poco profundas en cada caso de dicho nervio externo (144, 146), estando espaciadas las ranuras suplementarias en planos radiales de un eje tubular del miembro.
4. Un cojinete según la reivindicación 1, en el que dicho miembro tiene un nervio central externo (142) posicionado entre dichos nervios (144, 146) adyacentes a dichos extremos (132, 134) del miembro, teniendo el nervio central una superficie circunferencial exterior con un diámetro externo menor que B, y en el que dicho nervio central tiene una acanaladura circunferencial (158) en su superficie circunferencial exterior citada.
5. Un cojinete según la reivindicación 1, que incluye al menos un agujero de lubricación radial que se extiende desde el exterior del miembro tubular hasta dicha superficie del cojinete.
ES04713344T 2003-02-21 2004-02-20 Cojinete deslizante sujeto a expansion termica. Expired - Lifetime ES2290674T3 (es)

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