FR2963659A1 - Liaison entre liner metallique et structure composite dans la zone d'embase d'un reservoir - Google Patents

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Abstract

L'objet de l'invention est un réservoir comportant un corps de réservoir (1), un liner (2) et un corps composite (3) bobiné sur le liner, et au moins une embase (4) pour lequel le liner (2) et le corps composite (3) sont collés l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire (5) de jonction entre le corps de réservoir et l'embase entourant l'embase.

Description

LIAISON ENTRE LINER METALLIQUE ET STRUCTURE COMPOSITE DANS LA ZONE D'EMBASE D'UN RESERVOIR
La présente invention concerne un réservoir comportant un corps de réservoir, un liner et un corps composite bobiné sur le liner, et au moins une embase et en particulier la liaison entre un liner métallique et une structure composite dans la zone d'embase d'un réservoir et s'applique en particulier à un réservoir haute performance en matériaux composites, notamment un réservoir pour fluide sous haute pression.
L'invention concerne le domaine des réservoirs composites bobinés haute performance destinés au stockage sous pression de fluides en particulier pour des applications spatiales, et encore plus particulièrement pour le stockage sous pression de fluides cryogéniques. On entend par réservoirs hautes performances, des réservoirs optimisés en termes de masse, tels ceux utilisés dans les industries des transports en général, le transport spatial en particulier. Les réservoirs composites haute performance destinés au stockage de fluides pressurisés sont généralement conçus en séparant les fonctions d'étanchéité et de tenue mécanique à la pression.
Ces réservoirs comportent une coque en principe mince en métal ou polymère appelée « liner » qui est chargée d'assurer le confinement du fluide et en particulier l'étanchéité et/ou la protection de la paroi en matériau composite du réservoir vis-à-vis du fluide. Bien que dans un dimensionnement optimisé tel que fait dans le domaine spatial, on prenne en compte la (faible) contribution du liner à la tenue mécanique, cette coque est mince car elle n'a pas normalement de fonction mécanique structurelle et on cherche à minimiser les masses. Ces réservoirs comportent en outre un bobinage de fibres de composite qui sont ensuite déposées par bobinage filamentaire sur le liner. Le rôle de ce bobinage est d'assurer la tenue mécanique sous pression du réservoir. Le document US 6 401 963 décrit un exemple de réservoir comportant un tel liner recouvert d'un bobinage de fibres composite. Une problématique de ces réservoirs est celle du comportement du liner au cours de l'utilisation du réservoir et notamment des remplissages et vidanges successives, qui sollicitent le liner alternativement en compression et en traction. En particulier, les opérations de vidange se traduisent par une compression du liner par le composite.
Or, la contrainte critique de flambage d'un liner est inversement proportionnelle au cube du diamètre du réservoir dans sa partie cylindrique. Dans le cas où le réservoir est de petite dimension, le liner peut avoir une épaisseur suffisante pour supporter cette compression sans flamber du fait du minimum technologique utilisable et de l'utilisation du liner comme outillage de bobinage. Dans ce cas il n'y a pas de précaution à prendre concernant une liaison entre le liner et le composite. Dans tous les autres cas et notamment dans le cas de réservoirs de grande dimension, de liner très mince ou de très faible raideur, le liner ne peut pas supporter cette compression et on est alors amené à lier le liner au composite en général par collage. Dans la zone cylindrique du réservoir la relation entre la contrainte critique de flambage du liner et le cube du diamètre permet une distinction claire entre les cas où une liaison entre le liner et le bobinage n'est pas nécessaire et les cas où elle l'est.
Un problème se pose dans le liner aux extrémités du réservoir dans les zones des orifices. En effet, il y a dans cette zone des déplacements relatifs important entre la coque composite qui se déforme sous l'effet de la pression interne et l'embase métallique qui est une pièce massive qui se déforme très peu.
Lors du fonctionnement du réservoir sous pression, la déformation totale du liner, lié d'un coté sur le composite et de l'autre sur l'embase, peut devenir très importante. Le niveau de déformation dans le liner se trouve en outre accentué par les dilatations thermiques différentielles entre le liner métallique et la coque en composite. Ce niveau de déformation élevé peut conduire à des problèmes de perte d'étanchéité lors des cycles de fonctionnement en pression et en température successifs. Pour réduire les problèmes, une compatibilité de la déformation des différents matériaux entre eux doit être assurée par une déformation suffisante des matériaux. Quand le liner n'est pas collé au composite, il suffit de ne pas lier le composite aux embases, tout en liant le liner à ces embases.
Le composite peut alors bouger librement, l'étanchéité et le maintien des embases étant assurés par le liner. Quand le liner est collé au composite, on constate, au niveau des embases, une très forte augmentation des déformations dans le liner associée à des contraintes très élevées dans la liaison collée entre l'embase et le composite.
Un collage classique ne convient plus, et l'on doit interposer une couche de matériau capable d'assurer la compatibilité des déformations par sa souplesse en
cisaillement. Cette couche d'un matériau appelée « pli de cisaillement » est classiquement un adhésif ou un pli élastomérique retenu pour sa souplesse. Les documents US 5 287 988 et US 3 815 773 traitent de ce problème et de cette solution.
Il existe toutefois des cas où le collage élastomérique n'est pas adapté, par exemple quand il s'agit d'un réservoir pour fluide cryogénique. En effet, il n'existe pas à ce jour de matériaux élastomériques conservant des propriétés de souplesse suffisantes aux températures atteintes par ce type de réservoirs.
Il est donc nécessaire de trouver d'autres solutions pour de tels réservoirs. La solution consistant à augmenter l'épaisseur du liner pour résoudre les problèmes de flambage n'est pas acceptable pour les réservoirs de lanceurs spatiaux cryogéniques pour des raisons de masse. La présente invention a donc pour objectif de définir une liaison entre liner et composite, et entre liner, composite et embase d'un réservoir ou capacité, dans le cas de réservoirs haute pression haute performance optimisés en termes de masse. Cette liaison a pour caractéristique de ne pas utiliser de collage élastomérique entre le composite et l'embase du réservoir. L'invention a notamment pour objectif de permettre la conception de réservoir cryogénique de grande dimension utilisant des matériaux composites. Dans ce cadre, l'invention a pour but de permettre d'utiliser un liner d'étanchéité métallique de très faible épaisseur et dont l'épaisseur minimale est définie par les exigences de durée de vie du réservoir en fatigue et tolérance aux dommages. Pour ce faire la présente invention propose de réaliser une jonction entre un corps de réservoir, comportant un liner et un corps composite bobiné sur le liner, et une embase dudit réservoir pour laquelle le liner et le corps composite sont collés l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire entourant l'embase. L'invention concerne ainsi un réservoir comportant un corps de réservoir, un liner et un corps composite bobiné sur le liner, et au moins une embase pour lequel le liner et le corps composite sont collés l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase. L'invention assure que l'étanchéité dans la zone d'embase a les mêmes robustesse et fiabilité que les solutions existantes sur des réservoirs de dimensions plus modestes et assurant un stockage de fluide non cryogénique.
Elle assure en outre une compatibilité des déformations entre les pièces sans introduire de renforts destinés à limiter les déformations de la capacité ou réservoir composite, ce qui permet d'optimiser le dimensionnement de sa structure.
Selon un mode de réalisation particulier, le réservoir est de forme générale cylindrique aux extrémités bombées, au moins l'une des extrémités comportant l'embase et la région annulaire de jonction entourant l'embase. Préférablement, le liner est relié à l'embase par soudure ou collage.
Avantageusement, l'embase comporte une collerette, le corps composite bobiné se prolongeant sur la collerette sans être solidarisé à cette collerette. Préférablement, le corps composite se termine au niveau de l'embase par un bourrelet s'appuyant sur la collerette. L'embase comporte avantageusement un col cylindrique central sur lequel est montée une bride de retenue du bourrelet. Selon un mode de réalisation particulier, un joint annulaire est disposé entre la bride et le bourrelet. Préférablement, la collerette est d'épaisseur décroissante vers sa périphérie. Selon un mode de réalisation avantageux, dans la région annulaire de jonction, une couche de matériau à faible coefficient de frottement est disposé entre le liner et le corps composite et entre la collerette et le corps composite. Préférablement, le matériau à faible coefficient de frottement est du ruban PTFE (acronyme de polytétrafluoroéthylène). Avantageusement, le liner est réalisé en aluminium pur à l'état recuit.
Préférentiellement le liner est réalisé en aluminium de type 1050-0 ou 1100-0 ou 1050H111. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication du réservoir pour lequel on réalise une étape d'assemblage d'un liner avec une embase puis on bobine un corps composite sur le liner et on procède à une étape de collage du liner et du corps composite l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase. Le procédé est avantageusement tel qu'après l'étape d'assemblage du liner et de l'embase, on applique un matériau à faible coefficient de frottement sur ladite région annulaire de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase avant bobinage du corps composite et collage du liner et du corps composite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue en perspective coupe du haut d'un réservoir selon l'invention; en figure 2: une vue en coupe d'un détail de la figure 1;
aux figures 3A à 3D: des vues schématiques en coupe d'un segment de la région annulaire de jonction du réservoir de la figure 1; en figure 4: une vue en coupe d'un segment d'une variante de la région annulaire de jonction du réservoir de la figure 1; en figure 5: une courbe de déformation au niveau de la région de jonction du réservoir de la figure 1. La figure 1 représente le haut d'un réservoir selon l'invention comportant un corps de réservoir 1, un liner 2 et un corps composite 3 bobiné sur le liner. Le réservoir est de forme générale cylindrique aux extrémités bombées, au moins l'une des extrémités comportant une embase 4. L'embase 4 au sommet du réservoir sert par exemple à recevoir des moyens de raccordement du réservoir pour le remplir ou le vider. Le corps composite est réalisé par bobinage de fibres composites comme par exemple des fibres carbone imprégnées de résine et le corps composite est bobiné sur le liner et collé (19) sur le liner. Selon l'invention, le liner 2 et le corps composite 3 sont collés l'un sur l'autre sur la partie cylindrique 19 et sur une partie de la surface courbe formant le dôme du réservoir comportant l'embase mais ne sont pas collés sur une région annulaire 5 de jonction entre le corps de réservoir et l'embase, cette région annulaire entourant l'embase. La région annulaire est plus particulièrement représentée à la figure 2 vue en coupe du sommet du réservoir, cette région annulaire 5 se prolongeant vers l'embase au dessus d'une collerette 7 de l'embase ou collerette d'embase qui désigne l'extrémité périphérique de l'embase, collerette appelée aile d'embase dans le langage du domaine de l'invention et le corps composite bobiné se prolongeant sur la collerette sans être solidarisé à la collerette. La région annulaire pour laquelle le corps composite est décollé du liner et de la collerette 7 de l'embase 4 est plus particulièrement représentée aux figures 3A à 3D selon les conditions d'utilisation du réservoir.
La figure 3A représente la partie haute du réservoir comportant la région annulaire en coupe dans une situation de repos, pression nulle et température ambiante. Dans cette situation, le liner 2, le corps composite 3 et l'embase 4 sont dans une position de repos sans contrainte. En passant dans la situation de la figure 3B pour laquelle le réservoir est mis à température cryogénique sans pression, par exemple au début de son remplissage, le liner se contracte dans la direction A et le corps composite remonte contre une bride 11 de retenue du corps composite.
Lorsque la pression dans le réservoir atteint sa valeur nominale, cas de la figure 3C, le liner est repoussé vers l'extérieur par la pression interne Pi et, comme le corps composite n'est collé ni à la partie terminale supérieure du liner 2 ni à la collerette 7, il peut reculer dans la direction C.
Au retour à la température ambiante (de l'ordre de 20 °C), le liner se contracte et le corps composite revient en position de repos enfoncé dans la gorge entre la bride 11 et la collerette 7 dans la direction D. L'absence de flambage et/ou cloquage du liner lors des phases de retour à pression nulle et à température ambiante est assurée par une optimisation de la longueur non collée et de l'épaisseur du liner dans cette zone. De retour à la figure 1, pour faciliter le glissement du corps composite et éviter qu'il se colle sur la collerette et la partie terminale supérieure du liner, dans la région annulaire de jonction, une couche 13 de matériau à faible coefficient de frottement ou anti-adhérent est disposé entre le liner et le corps composite et entre la collerette et le corps composite. Ce matériau à fort coefficient de friction est par exemple du ruban PTFE déposé tout autour de l'embase et sur la partie terminale du liner par dépose hélicoïdale une fois le liner et la collerette reliés ensemble par soudure ou collage au niveau de leur ligne de jonction 6.
Selon la figure 2 notamment, le corps composite se termine au niveau de l'embase par un bourrelet 9 s'appuyant sur la collerette 7 et retenu par la bride 11. La bride 11 de retenue du bourrelet est montée sur un col cylindrique central 10 de l'embase. Un joint annulaire 12 est disposé entre la bride et le bourrelet de sorte que la bride appuie modérément sur le bourrelet pour le maintenir dans une direction verticale parallèle à l'axe de symétrie de l'embase. Le col de l'embase et la bride peuvent être munis de filetages complémentaires afin de monter la bride par vissage et régler ainsi l'appui de la bride sur le bourrelet. La bride peut aussi être collée en 14 sur le col de l'embase.
La collerette ou aile d'embase 7 est d'épaisseur décroissante vers sa périphérie. Les propriétés matériau du liner comporteront les spécificités suivantes : - une faible limite élastique afin de limiter les contraintes induites dans la zone d'arrêt du collage, - une ductilité très importante notamment à température cryogénique dans le cas d'un réservoir cryogénique pour permettre d'assurer la tenue du matériau en statique et en fatigue sous une déformation plastique importante.
L'aluminium pur à l'état recuit (1050-0 ou 1100-0 ou 1050H111) est le candidat préférentiel pour ce liner, y compris dans le cas cryogénique. On rappelle ici que les alliages d'aluminium sont désignés à l'aide d'un système numérique de quatre chiffres qui identifient la composition chimique de l'alliage. La série 1000 signifie au moins 99% d'aluminium. Le deuxième chiffre indique une variante de l'alliage initial. Souvent il s'agit d'une fourchette plus petite dans un ou plusieurs éléments de l'alliage. Les troisième et quatrième chiffres indiquent, pour la série 1000, le pourcentage d'aluminium minimum, par exemple 1050 indiquant au moins 99,50 % d'aluminium. Les pièces en alliage d'aluminium obtenues par déformation sont classées en état métallurgique. Il y a cinq états normalisés, classifié par une lettre. La lettre « O » signifie « recuit ». La lettre « H », qui signifie « écroui », est suivie par deux ou trois chiffres. Le premier chiffre indique le type de gamme thermomécanique. Le deuxième chiffre donne le degré d'écrouissage et donc le degré de caractéristique mécanique. L'éventuel troisième chiffre désigne une variante.
Un exemple d'application de l'invention est une capacité cryogénique de diamètre 1600mm avec un liner en aluminium 1050-0 d'épaisseur I mm. La capacité est réaliser pour avoir une pression d'utilisation de 40 bars et une pression de rupture de 80 bars. Dans ce cadre, le haut de la capacité selon l'exemple est représenté en figure 4.
Un obturateur 15 ferme l'embout 4 et est fixé à cet embout paru une zone de liaison 16. La bride 11 fixée sur le col de l'embase 10 s'appuie sur le bourrelet 9 du corps bobiné via un matériau d'interposition 12 destiné à ne pas blesser le composite. Le corps bobiné recouvre la collerette de l'embase et la partie supérieure du liner sans y être collée, un éventuel matériau 13 à faible coefficient de frottement étant intercalé entre le corps bobiné et l'ensemble collerette/aile et partie supérieure du liner. Le rayon de l'embase au niveau du col de l'embase est de l'ordre de 196 mm, la collerette s'étend au delà de l'embase sur environ 100 à 120 mm et la zone non collée s'étend jusqu'à une distance à l'axe de révolution Z de la capacité telle que le rayon de la capacité vaut R500 à 510 mm à cet endroit. L'épaisseur du liner est maintenue constante dans la zone non collée afin de minimiser le pic de déformation. Les variations d'épaisseurs éventuelles sont localisées dans la zone ou le liner est collé sur la capacité. Le liner comporte selon cet exemple une épaisseur el de 1,4 mm dans la zone non collée et e2 de 1 mm sur le reste du réservoir ce qui donne une tenue compatible avec l'application recherchée. Les caractéristiques mécaniques du liner étant insuffisante pour assurer la tenue dans la zone de l'embase, cette dernière est réalisée dans un matériau à haute limite
élastique, par exemple un alliage d'aluminium 2219-T87 ce qui signifie que l'élément d'alliage principale est le Cuivre et que la phase principale présente dans l'alliage est AI2Cu - AI2CuMg, T signifiant que cet alliage a subi un traitement thermique. Les fonctions de la bride 11 sont en particulier de prévenir l'introduction d'efforts sur le liner et la liaison collée pendant les phases non pressurisées, pendant la fabrication et/ou l'intégration de la capacité, conserver l'embase solidaire du bourrelet lors de la mise en froid et autoriser les déplacements du bourrelet sous l'action de la pression interne. La figure 6 représente le résultat du calcul en termes de déformation plastique cumulée du liner le long de l'axe Z en partant de l'origine vers la zone d'embase pour les abscisses positives. La courbe 21, dénommée MEF représente la déformation le long du liner lors de la mise en froid, - la courbe 20, dénommée 40b représente la déformation lors de la mise en pression en froid, - la courbe 22, dénommée retour Ob représente la déformation lors du retour à pression nulle, toujours à froid, - la courbe 23 dénommées RT liner représente la déformation après retour à la température ambiante.
On constate que la déformation maximale, de l'ordre de 8,5% est obtenue localement à la soudure liner/embase point 25 de la figure 6 qui correspond au collage liner/collerette 6 de la figure 4, et ne dépasse pas les propriétés de plastification de l'alliage d'aluminium 1050 choisi. Le point zéro des abscisse est le plan où la partie cylindrique du réservoir se joint au fond (là où commence le fond) et on appelle ce point la « référence fond » . Les abscisses négatives correspondent à la partie cylindrique du réservoir, les positives au fond. Le point 24 de la figure 6 est la zone d'arrêt du collage. Il apparaît proche du point 25 car le graphique montre les abscisses axiales.
Dans la zone du point d'abscisse 0, dans laquelle l'épaisseur du liner change, il y a des flexions dans le composite dues à l'arrêt des enroulements circonférentiels présents en virole. Cette flexion se traduit par des déformations dans le liner. Par ailleurs en termes de contrainte dans le joint collé liner/collerette, en traction et en cisaillement les valeurs maximales atteintes sont compatibles des adhésifs usuels.
La solution de l'invention permet de s'affranchir des solutions élastomériques de l'état de l'art qui ne sont pas applicables dans le cas des réservoirs cryogéniques.
Les matériaux pour réaliser le corps composite bobiné sont par exemple de la fibre de carbone module intermédiaire type T800 de la société Toray (marque déposée) ou IM7 de la société Hexel (marque déposée), de nombreuses variantes étant possibles. Pour lier les fibres et donner sa cohésion au corps bobiné, on utilise de la résine thermodurcissable type époxy B413 M15 d'ASTRIUM ou de la résine thermoplastique type PAl2 nom chimique générique d'un polyamide. La liaison du corps composite et du liner est réalisée avec une colle époxy de la société Hysol (marque déposée) EA9321. Enfin dans la zone non collée, on utilise des bandes adhésives PTFE type 3M5490 de la société 3M. La figure 5 correspond à une variante de l'invention pour laquelle le liner est réalisé en deux parties 2, 2' collées en 17, la seconde partie formant un segment annulaire reliant la première partie du liner à la collerette 7 de l'embase 4. Le corps composite est collé sur la première partie du liner et le collage du corps composite se prolonge sur la seconde partie 2' du liner dans une zone de recouvrement des deux parties de liner. Comme dans l'exemple de la figure 1, le corps composite recouvre la seconde partie 2' du liner et la collerette 7 de l'embase sans y être collé. Ce mode de réalisation permet de réaliser une surépaisseur du liner dans la seconde partie 2' pour accroître la résistance mécanique du réservoir. Pour la fabrication du réservoir on réalise une étape d'assemblage d'un liner 2 avec une embase 4 puis on bobine un corps composite 3 sur le liner et on procède à une étape de collage du liner 2 et du corps composite 3 l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire 5 de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase. Pour la réalisation de la région annulaire non collée, après l'étape d'assemblage du liner et de l'embase, on applique un matériau à faible coefficient de frottement sur ladite région annulaire 5 de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase avant bobinage du corps composite et collage du liner et du corps composite.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1 - Réservoir comportant un corps de réservoir (1), un liner (2) et un corps composite (3) bobiné sur le liner, et au moins une embase (4) caractérisé en ce que le liner (2) et le corps composite (3) sont collés (19) l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire (5) de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase.
  2. 2 - Réservoir selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est de forme générale cylindrique aux extrémités bombées, au moins l'une des extrémités comportant une dite embase (4) et une région annulaire (5) de jonction entourant l'embase (4).
  3. 3 - Réservoir selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le liner (2) est relié à l'embase (4) par soudure ou collage (6).
  4. 4 - Réservoir selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'embase comporte une collerette (7), le corps composite bobiné se prolongeant (8) sur la collerette sans être solidarisé à cette collerette.
  5. 5 - Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps composite se termine au niveau de l'embase par un bourrelet (9) s'appuyant sur la collerette (7).
  6. 6 - Réservoir selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'embase comporte un col cylindrique central (10) sur lequel est montée une bride (11) de retenue du bourrelet.
  7. 7 - Réservoir selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un joint annulaire (12) est disposé entre la bride et le bourrelet.
  8. 8 - Réservoir selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la collerette (7) est d'épaisseur décroissante vers sa périphérie.
  9. 9 - Réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans la région annulaire de jonction, une couche (13) de matériau à faible coefficient de frottement est disposé entre le liner et le corps composite et entre la collerette et le corps composite.
  10. 10 - Réservoir selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau à faible coefficient de frottement est du ruban PTFE.
  11. 11 - Réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liner est réalisé en aluminium pur à l'état recuit.
  12. 12 - Réservoir selon la revendication 11, caractérisé en ce que le liner est réalisé en aluminium de type 1050-0 ou 1100-0 ou 1050H111.
  13. 13 - Réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liner est réalisé en deux parties (2, 2'), la seconde partie formant un segment annulaire reliant la première partie du liner à la collerette (7) de l'embase (4), le corps composite étant collé sur la première partie du liner, le collage du corps composite se prolongeant sur la seconde partie (2') du liner dans une zone de recouvrement des deux parties de liner.
  14. 14 - Procédé de fabrication du réservoir pour lequel on réalise une étape d'assemblage d'un liner (2) avec une embase (4) puis on bobine un corps composite (3) sur le liner et on procède à une étape de collage du liner (2) et du corps composite (3) l'un sur l'autre à l'exception d'une région annulaire (5) de jonction, entre le corps de réservoir et l'embase, entourant l'embase. - Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'après l'étape d'assemblage du liner et de l'embase, on applique un matériau à faible coefficient de frottement sur ladite région annulaire (5) de jonction, entre le corps de réservoir et 15 l'embase, entourant l'embase avant bobinage du corps composite et collage du liner et du corps composite.
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