ES2386051B1 - Metodo de recubrimiento in situ de receptor solar de torre - Google Patents
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Abstract
Método de recubrimiento in situ de receptor solar de torre, para la protección de la superficie del receptor contra la corrosión y para el incremento de la absortividad de la misma que se ejecuta en varias etapas: preparación superficial, aplicación del recubrimiento, curado, opcionalmente vitrificado y enfriamiento controlado. La preparación superficial se hace por zonas dependiendo de las dimensiones del receptor, metodología que permite ejecutar la aplicación del recubrimiento intercalada para minimizar el riesgo de corrosión. La etapa de curado se realiza suministrando vapor al interior de los tubos del receptor y los requerimientos de temperatura superiores a los límites operativos de la caldera, se ajustan con el campo solar como sistema de apoyo. El vitrificado se hace con vapor saturado que pasa a través de los tubos del receptor y concentrando radiación solar sobre la superficie del receptor proveniente del campo solar.
Description
Sector técnico de la invención
Esta invención pertenece al sector técnico que engloba los procedimientos para aplicar
5 liquidas u otras materias fluidas a superficies, con tratamiento previo de las mismas. Más concretamente, se refiere a un método de aplicación de recubrimientos absorbedores a receptores solares de torre. El método incluye la preparación superficial, aplicación de recubrimiento, curado y vitrificado in situ del receptor.
lOEn los sistemas de receptores solares de torre, un campo de helióstatos o espejos móvile~ que se orientan según la posición del sol, reflejan la radiación solar para concentrarla sobre un receptor que se sitúa en la parte superior de una torre. El receptor, es el encargado de transferir el calor recibido a un fluido de trabajo, que puede ser agua, sales fundidas, e~. con el objeto de generar vapor que se expande en una turbina acoplada a un generador"
15 para la producción de electricidad. Estos receptores cuentan con un recubrimiento especial que potencia la absorción de la radiación solar concentrada por los helióstatos. La torre sirve de soporte al receptor, que debe situarse a cierta altura sobre el nivel de I~s helióstatos con el fin de mejorar el efecto coseno, efecto provocado por el ángulo que for~a el rayo incidente sobre la normal al helióstato y que reduce la superficie de reflexión efecti'Ja
20 del espejo. Existe en el mercado una amplia oferta de recubrimientos potenciales para uso en receptores solares de torre, sin embargo muy pocos han sido desarrollades específicamente para tal aplicación y por tanto probados en dichos componentes solares. Por ello, la documentación que puede encontrarse acerca de experiencias en metodología
25 de aplicación de pinturas, en combinación con el uso de tecnologías solares, es aún escasa; se presentan a continuación, las principales referencias. La patente DE2734604 A1 (Proceso para el recubrimiento de paneles solares), desvela la composición de un recubrimiento con aplicación en tecnología solar, que incrementa la absorción de calor por parte del componente solar. También la patente FR2399289 A 1,
30 muestra una laca con pigmentos negros que pueden depositarse en captadores solares y cuyas películas pueden alcanzar espesores entre 5 y 30 micras. La patente US005562953A, muestra que mediante la adición de una amina insaturada a recubrimientos convencionales, puede mejorarse la tasa de curado de pinturas que están expuestas a radiación UV o a luz solar. El curado propuesto se hace con radiación solar sin
35 concentrar o con radiación UV.
En la patente WO 2009/146161 A1, se presenta un método para recubrimiento de un colector solar, en la que el curado se hace con uso de radiación solar concentrada. La pintura con la que más experiencia se tiene en receptores solares de torre, es la Pyromark® 2500, sin embargo, dicho producto ha presentado problemas de durabilidad al exponerse a las condiciones de operación del receptor. Otros productos potenciales para uso en tecnologías solares, son aquellos recomendados para calderas, intercambiadores, industria aeronáutica, turbinas, y otros sectores similares, donde las superficies de los materiales de los equipos están expuestas constantemente a altas temperaturas. La única forma de garantizar la durabilidad del recubrimiento, independientemente del tipo de producto, es mediante el uso de técnicas de preparación superficial, aplicación y curada, especialmente desarrolladas para uso en tecnologías solar. Por ello se ha desarrollado un procedimiento que permite obtener un recubrimiento con calidad superior y comportamiento mejorado a las condiciones de proceso. Este procedimiento permite garantizar 1a durabilidad de la película depositada y así la protección contra la corrosión y el aumento ele la absortividad de la superficie. Normalmente, las pinturas de alta temperatura requieren de curado también a a~;:t temperatura, por ello, posterior a la aplicación de las capas, es necesario incrementar la temperatura de la superficie, este proceso se viene realizando en hornos adecuados para ello. En el caso de los receptores solares, sus dimensiones y la complejidad de su instalación, dificulta la renovación de la película absorbedora y del curado de la misma, por la necesidad de desmontar y desplazar el receptor de lo alto de la torre a hornos <:le tamaños que puedan ajustarse al tamaño del receptor. De esta forma se propone en esta invención una metodología de aplicación de recubrimientos para receptores solares de torre, haciendo uso de tecnología solar para e~ curado que permita la realización de todo el procedimiento in situ, es decir, en la propia planta solar estando el receptor instalado en la parte alta de la torre, evitando la necesidad de desmontar el componente solar para su recubrimiento en taller y posterior traslado hasta la planta, evitando así el deterioro del recubrimiento en dichos procesos, hasta que se encuentra instalado. Descripción de la invención Los receptores solares de torre reciben la radiación solar concentrada por un campo de helióstatos. Estos receptores, a través de los cuales circula un fluido de trabajo calentado, requieren de la aplicación de un recubrimiento absorbedor sobre su superficie. Este recubrimiento, aparte de incrementar la absortividad de la superficie, también protege el receptor contra la acción del medio ambiente y la corrosión.
Los recubrimientos absortivos usados actualmente en los receptores, son pinturas de base siliconada, que les confiere buena resistencia a alta temperatura, con pigmentos negros que les proporcionan la propiedad absortiva. Debido a que la protección de una superficie con un recubrimiento, además de depender de las características mismas del producto, también depende de la preparación superficial y del éxito del proceso de deposición (espesor de la película depositada, continuidad de la misma, método de aplicación), es necesario especificar la metodología que se usará en todas las etapas del proceso de aplicación. La solución al problema de baja durabilidad que presentan los productos usados para
·
recubrir los receptores solares de torre se encuentra en la metodología empleada para ~ü aplicación. El procedimiento propuesto en esta invención, permite superar los principale!>" · problemas presentados: aparición de grietas en el recubrimiento que penetran hasta la
·
superficie de los tubos, dejándola expuesta y susceptible a la iniciación de procesos ~e
..
corrosión y, el desprendimiento de pintura en ciertas zonas, lo que disminuye la eficien~a" de la planta de manera considerable al disminuir la absorción de calor del receptor. • El procedimiento propuesto en esta invención para recubrir receptores solares de torri;;. está conformado por las siguientes etapas, todas ellas llevadas a cabo in situ sobre =eL receptor solar:
i) Preparación superficial: chorreado de la superficie a recubrir con un material abrasivo como la arena fina, para la obtención de un perfil de anclaje favorable para el recubrimiento
ii) Aplicación pintura: deposición de las capas necesarias mediante aspersión sin aire
iii) Curado: incremento de la temperatura de la superficie recubierta para la eliminaciól') de los compuestos volátiles y por consiguiente formación de la película sólida de~ recubrimiento.
iv) Vitrificado (opcional): Opcionalmente, después de la etapa de curado y previa a la del enfriamiento controlado del receptor, puede llevarse a cabo una etapa de vitrificado que consiste en el incremento de la temperatura de la superficie recubierta hasta temperaturas superiores a las de curado y cercanas a la temperatura de operación del receptor.
v) Enfriamiento controlado del receptor hasta alcanzar la temperatura ambiente. Las etapas correspondientes a la preparación del material y la aplicación de la pintura, se realizan por zonas de manera alterna o intercalada, es decir, se hace el chorreado de una zona del receptor y a continuación se aplica la pintura a esa misma zona, dividiendo el receptor en distinto número de zonas según el tamaño que tenga. El objeto de esta alternancia, en lugar de hacer el tratamiento superficial a toda la superficie y posteriormente la aplicación de pintura a toda la superficie como ocurre en los procedimientos del estado de la técnica, es el evitar la oxidación del receptor entre una etapa y otra, debido a las grandes dimensiones del receptor. El curado, se lleva a cabo suministrando vapor por el interior del tubo receptor. Este vapor puede provenir de una caldera auxiliar, de otra etapa de calentamiento solar anterior, etcétera. Para obtener un curado correcto de la pintura y evitar problemas de agrietamiento a posteriori, es indispensable garantizar un aporte constante y continuo de calor al receptor hasta alcanzar la temperatura recomendada por el fabricante de la pintura para esta operación. Para ello, la etapa de curado también integra el campo solar dentro del procesa, como sistema auxiliar de apoyo, que se utilizaría en el caso en que fallase el aporte d~. vapor por el interior de los tubos del receptor. Realizar el curado haciendo circular vapor por el interior de los tubos del receptor ofrece una ventaja fundamental frente a los sistemas que realizan el curado desde el exterior, ya que de esta manera se produce el curado de la pintura desde las capas más internas (las que se encuentran en contacto con el receptor) hasta las más externas. De esta forma, la evaporación y expulsión de los componentes volátiles de las capas internas tiene lugar antes del curado de las capas externas, saliendo a la atmósfera dichos componente~ volátiles sin problemas. Si el curado se realiza desde el exterior, las primeras capas que se endurecen son las externas, lo que conlleva a que los componentes volátiles de las cap~s internas, cuando comienzan a evaporar por el aporte calor, ya no pueden ser expulsados a la atmósfera y se quedan dentro del recubrimiento en forma de burbujas ocluidas, aumentando la porosidad de dicho recubrimiento. Esas burbujas ocluidas, causantes ~e imperfecciones e inhomogeneidades en el recubrimiento, dan lugar a defectos tales como perforaciones, cráteres o grietas las cuales originan la posterior oxidación o disminución de la absorción en el receptor, tal y como se dijo anteriormente. En cuanto al vitrificado del recubrimiento (etapa opcional, dependiendo del tipo de pintura aplicada), se hace mediante el incremento de temperatura de la superficie recubierta, ya curada. En esta etapa se expone el recubrimiento a condiciones similares a las de operación del receptor, incrementando su temperatura hasta temperaturas mayores de 400°C. Este aumento de temperatura se consigue mediante la circulación del vapor por el interior de los tubos más la aplicación sobre el receptor de radiación solar concentrada proveniente del campo de helióstatos. La etapa de enfriamiento controlado del receptor hasta alcanzar la temperatura ambiente, es fundamental en el proceso de recubrimiento para evitar la formación inmediata de grietas, que se producen en el caso de someter a la pintura recién aplicada a cambios bruscos de temperatura. Para lograr ese enfriamiento progresivo se lleva a cabo, en primer lugar, un desenfoque de los helióstatos, de manera que dejen de concentrar el calor en la superficie del receptor y a continuación se conectan una serie de bombas de recirculación del receptor que hacen circular un fluido a temperatura controlada por el interior de los tubos del receptor, hasta alcanzar los 100°C, parándolas a continuación y dejando que se termine de enfriar al aire. Con todo ello, se consiguen solventar los problemas encontrados en el estado de la técnica, mediante un procedimiento más eficiente y que se realiza in situ, es decir, con el receptor instalado en lo alto de la torre.
Breve descripción de los dibujos
Con el fin de facilitar la comprensión de la invención, se acompañan varias figuras donde ~ó¡,
carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
En la figura 1, un esquema general de planta solar de tecnología de torre central
En la figura 2, un esquema general de un panel de receptor solar de torre En dichas figuras, las diferentes referencias que en ellas aparecen tienen las siguientes significaciones:
- (1)
- Corriente de alimentación de la caldera auxiliar
- (2)
- Caldera Auxiliar
- (3)
- Corriente auxiliar de vapor que alimenta el calderín
- (4)
- Torre
- (5)
- Calderín
- (6)
- Vapor sobrecalentado proveniente del calderín, para alimentación de turbina
- (7)
- Corriente de vapor saturado que alimenta el receptor
- (8)
- Bomba auxiliar
- (9)
- Receptor
- (10)
- Radiación incidente en el receptor reflejada por heliostato
- (11)
- Radiación incidente en el helióstato
- (12)
- Helióstato
- (13)
- Corriente de alimentación del calderín
- (14)
- Corriente de alimentación de vapor saturado al receptor
- (15)
- Corriente de salida de vapor sobrecalentado del receptor
- (16)
- Colectores de entrada
- (17)
- Colectores de salida
- (18)
- Panel de receptor solar de torre
- (19)
- Zona 1 de pintado del receptor
- (20)
- Zona 2 de pintado del receptor
- (21)
- Zona 3 de pintado del receptor
- (22)
- Zona 4 de pintado del receptor
Descripción de una realización preferida
Una realización preferente, más no limitante para este procedimiento de recubrimiento de receptor solar de torre propuesto se describe a continuación: El procedimiento comprende las siguientes etapas: a) División del receptor en zonas Dada las dimensiones del receptor, tanto la preparación superficial como la aplicación de }a
.
pintura debe hacerse dividiendo la superficie del receptor en varias zonas, que para el casp:
.
de la realización preferente, se estipula en cuatro zonas (19, 20, 21, 22). Con esta divisiórr es posible aplicar la pintura una vez se haga el chorreado de cada zona, intercalando ambos procedimientos, para minimizar el tiempo entre el chorreado y el pintado de todo -el receptor. b) Preparación superficial de la primera zona La superficie del receptor (9) ubicado en lo alto de una torre (4) es tratada para incrementar el anclaje de la pintura a dicha superficie. Comenzando por la zona 1, se elimina -el recubrimiento anterior, en caso de haberlo, y las impurezas que puedan afectar la calid¡ad del recubrimiento a depositar (óxidos y otros productos de la corrosión). Esta preparaci~n superficial garantiza que la superficie quede libre de grasa, polvo, aceites, suciedad, recubrimientos anteriores, óxido, productos de corrosión y cualquier tipo de materia extrar;a depositada. El proceso usado para la preparación superficial es el chorreado, mediante el uso de un abrasivo (arena) a presión que elimine cualquier material incrustado en la zona tratada Posteriormente, se debe eliminar cualquier residuo del material usado en el chorreado aplicando aire a presión sobre la superficie tratada. Dada la ubicación del receptor en lo alto de una torre, es necesario tanto para el chorreado como para la aplicación de la pintura, contar con un andamio, que permita a las personas que ejecutan el trabajo, aproximarse al receptor de tal forma que puedan ubicarse frente a la superficie que se desea tratar. El andamio también ayuda a que el trabajador mantenga una distancia constante al receptor favoreciéndose de esta forma la homogeneidad de los procesos en toda la superficie del receptor. El proceso de chorreado con uso de arena de sílice fina, permite obtener un perfil de anclaje óptimo para el recubrimiento. Dicho perfil se comprobará una vez finalizado el proceso de preparación superficial.
Cuando una superficie es chorreada, se vuelve susceptible a la iniciación de procesos de corrosión, por lo que el tiempo transcurrido entre el chorreado y la aplicación de la pintura no superará las ah, Una vez terminada la preparación superficial, se hace una inspección visual, para verificar que no hay incrustaciones de pintura antigua (si es el caso) o restos de productos de
'o
corrosión detectables a simple vista, c) Aplicación del recubrimiento en la primera zona Una vez finalizado el chorreado de la zona 1 (19) se aplica el numero de capas de pintura recomendadas por el fabricante, usando un equipo de aspersión sin aire y respetando el tiempo de secado requerido entre capa y capa, también definido por el fabricante. Por último se verifica que las capas depositadas sean uniformes y que estén libres de' burbujas y de grietas. Para la aplicación de la pintura, se usa aspersión sin aire. Mediante este método, la pintura es impulsada a través de un orificio a muy alta presión. Presenta las ventajas que se puede evitar el uso de disolvente para disminuir la viscosidad del producto, o dado el caso, usarlo en bajas cantidades; por otro lado, da lugar a películas más gruesas que otros métod~: mayor cobertura y mejor aplicación en lugares de difícil acceso. Una vez aplicada la pintura y pasado el tiempo de secado al aire recomendado por re~ fabricante, se verifica el espesor de la película obtenida, que se debe encontrar dentro efel rango especificado por el fabricante del recubrimiento. Para ello, usando un medidor de espesor de capa seca, se toman medidas en diferentes puntos de la zona y se obtiene cm. valor medio. d) Repetición de los procesos b) y c) para las otras zonas del receptor Se procede de la misma manera con las zonas 2 (20), 3 (21) Y 4 (22). e) Curado del recubrimiento mediante la circulación de vapor por el interior del receptor El curado del receptor se hace incrementando la temperatura de la superficie de los tubos del receptor hasta la temperatura de curado (según especificación de la pintura) y manteniendo dicha condición durante el tiempo recomendado por el fabricante de la pintura. En el caso del receptor solar de torre, el sistema de curado consta de: i) Sistema de incremento de temperatura del receptor por paso de fluido de trabajo y ii) Sistema de apoyo, para garantizar un suministro constante de energía térmica a la superficie del receptor. i) Sistema de incremento de temperatura del receptor por paso de fluido de trabajo: la temperatura de la superficie exterior de los tubos del receptor se incrementa hasta la temperatura de curado, haciendo pasar vapor saturado proveniente de la caldera auxiliar (2)
o cualquier otra fuente por el interior de dichos tubos hasta alcanzar la temperatura correcta. Dicha temperatura será alcanzada en 2h y se mantendrá durante el tiempo estipulado por el fabricante. ii) Sistema de apoyo para el curado: para asegurar que una vez iniciado el procedimiento de curado, la aportación de calor sea constante, sin que el receptor experimente descensos de temperatura, se mantendrá el campo de helióstatos (12) operativo y en posición de stand
'.
by, de manera que pueda usarse según las necesidades de temperatura en la superficie del receptor. Es el caso en el que la temperatura de curado requerida sea superior a la que por límites operativos de la caldera, puede alcanzarse en el receptor (alrededor de 320 OC), o en el caso de que se vea interrumpido el aporte de vapor, entonces los helióstatos debeo enfocarse controladamente hasta alcanzar dicha temperatura de curado. Después del· curado, puede llevarse a cabo una etapa de vitrificado. f) Vitrificado del recubrimiento (etapa opcional) Los receptores solares de torre de vapor sobrecalentado, operan a temperaturas máximas de vapor alrededor de 540 oC. Dada la forma como se realiza la concentración de ta radiación solar sobre la superficie del receptor, no es posible mantener una temperatura constante durante la operación. En este caso, algunos fabricantes de recubrimient"s recomiendan realizar la operación de vitrificado para incrementar la protección de la pintu'~. contra los choques térmicos. La operación de vitrificado de la pintura aplicada al receptor solar de torre, se hace pasando vapor saturado proveniente del calderín (5) a través del interior de los tubos y enfocando controladamente los helióstatos (12) del campo solar al receptor a una razón de aportación de calor de 5MWt cada 10 minutos, hasta alcanzar la temperatura de vitrificación, logrando así un incremento de temperatura de 50 oC/h. Al alcanzar el punto máximo de aportación de: radiación y con ello la temperatura de vitrificado, se mantiene tal condición por el tiempo. recomendado por el fabricante de pintura. La integración del campo solar en el procedimiento, permite incrementar la temperatura de la superficie del receptor, más allá de los límites de la caldera, además, con esta etapa de vitrificado se somete el recubrimiento de manera controlada a condiciones similares a las de operación, con lo que se garantiza que la película formada soportará las condiciones de operación del receptor. g) Enfriamiento controlado del receptor Una vez finalizado el vitrificado, el desenfoque de los helióstatos se hará también a una razón de desenfoque tal que se reduzca la aportación de calor en 5MWt cada 10 minutos. Una vez se ha desenfocado el campo en su totalidad, y para evitar un descenso brusco de la temperatura, se arrancan las bombas de recirculación (8) del receptor, hasta alcanzar una temperatura en la superficie del mismo por debajo de los 100 oC. Una vez las bombas se han apagado, se permite al receptor, enfriarse hasta temperatura ambiente. Este procedimiento es aplicable y adaptable a cualquier pintura comercial que requiera de alta temperatura para su curado y vitrificado, y que pretenda usarse como recubrimiento
5 absorbedor para un receptor solar de torre. También puede usarse a cualquier escala, tanto para receptores de torre a escala piloto, como de escala comercial. Una de las ventajas del procedimiento propuesto, es que permite desarrollar todo el proceso de recubrimiento in situ, evitando la laboriosa operación de desmontaje para aplicar la pintura en otras instalaciones y hacer el curado con un procedimientQ
10 convencional (los paneles del receptor se llevan a hornos de gran tamaño en los que el incremento de temperatura se hace de forma controlada). Además, al realizar el curado desde el interior del receptor, mediante calor aportado por el vapor que circula interiormente al receptor, se consigue que las capas de pintura más cercanas a la superficie del recept~t' se curen antes que las capas de pintura más externas, evitando así la formación de'
15 burbujas ocluidas de disolvente e imperfecciones en las capas de pintura más internas. Por otro lado, el hacer el vitrificado mediante la concentración de radiación solelr proveniente de los helióstatos, permite que el recubrimiento desarrolle propiedad~s superficiales favorables a las condiciones de operación, incrementándose de esta mane~a la durabilidad del mismo.
20 Por último, la metodología empleada permite minimizar el riesgo de obtener un curado parcial, con propiedades no deseadas en la película formada, puesto que garantiza un suministro constante del calor en el receptor durante la etapa de curado.
Claims (9)
- Reivindicaciones
- 1.
- Método de recubrimiento in situ de receptor solar de torre, que comprende las siguientes etapas: a) Preparación superficial del receptor b) Aplicación del recubrimiento c) Curado del recubrimiento mediante la circulación de vapor por el interior del receptor d) Enfriamiento controlado del receptor
-
- 2.
- Método de recubrimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque previamente a la preparación superficial se realiza una delimitación de la superficie del receptor en varias zonas.
-
- 3.
- Método de recubrimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque las etapas a) ~ b) se realizan por zonas en las que se ha delimitado la superficie del receptar, intercalándose dichas etapas para minimizar el tiempo entre ambas.
-
- 4.
- Método de recubrimiento según la reivindicación 3, en el que la aplicación de la pintu~a sobre cada zona del receptor previamente tratada superficialmente se realiza antes de ocho horas desde la realización del tratamiento superficial.
-
- 5.
- Método de recubrimiento según la reivindicación 1, en el que la preparación superficiel se hace mediante chorreado de la superficie con un material abrasivo a presión.
-
- 6.
- Método de recubrimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la aplicacion. del recubrimiento se lleva a cabo mediante aspersión sin aire.
-
- 7.
- Método de recubrimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque después de la etapa de curado y previamente a la etapa de enfriamiento controlado del receptor, se lleva a cabo una etapa de vitrificado de la película de recubrimiento mediante suministro de vapor por el interior del receptor y mediante la concentración de radiación solar proveniente del campo de helióstatos en la superficie de dicho receptor.
-
- 8.
- Método de recubrimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque en la concentración de la radiación sobre el receptor en la etapa de vitrificado se realiza enfocando controlada mente los helióstatos del campo solar al receptor a una razón de
aportación de calor de 5MWt cada 10 minutos, hasta alcanzar la temperatura de vitrificación recomendada por el fabricante del recubrimiento para esta operación. - 9. Método de recubrimiento según reivindicación 1 en el que el proceso de curado,5 además de realizarse mediante suministro de vapor por el interior del receptor, utiliza el campo solar como sistema de apoyo para mantener un aporte constante de calor al receptor hasta alcanzar la temperatura recomendada por el fabricante del recubrimiento para esta operación.10 10. Método de recubrimiento según reivindicación 1, en el que el enfriamiento controlado de1 receptor se hace mediante el desenfoque controlado de helióstatos del campo solar y en ei que, una vez retirada toda aportación de calor, se inicia una circulación de fluído frío a través del receptor15 11. Método de recubrimiento según reivindicación 10 en el que el desenfoque de los helióstatos es tal que se reduce la aportación de calor en 5MWt cada 10 minutos y fa recirculación del fluído frío a través del receptor se realiza mediante bombas de recirculación hasta que la temperatura de superficie esté por debajo de los 100 0<:momento en el cual se desconectan las bombas y se permite que el receptor se enfrte20 hasta temperatura ambiente.
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-
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