JP2015209736A - 鋼管矢板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】スパイラル鋼管を用いて鋼管矢板を製造する際に、スパイラル鋼管の変形を抑えることができる鋼管矢板の製造方法を提供する。
【解決手段】帯状の鋼板が螺旋状に曲げ加工され、隣接する鋼板の幅方向の縁同士が溶接されてなるスパイラル鋼管に、継手を取り付けてなる鋼管矢板の製造方法であって、スパイラル鋼管にショットピーニングを行うショットピーニング工程と、ショットピーニング工程後に、継手をスパイラル鋼管に溶接して取り付ける継手取付工程と、を備える。
【選択図】図6

Description

本発明は、鋼管矢板の製造方法に関する。
特許文献1には、帯状の鋼板が螺旋状に曲げ加工され、隣接する鋼板の幅方向の縁同士が溶接されてなるスパイラル鋼管が記載されている。特許文献2には、継手が鋼管本体に溶接により取り付けられた鋼管矢板が記載されている。
特許第5268728号公報 特開2012−180680号公報
ところで、特許文献1記載のスパイラル鋼管を用いて特許文献2記載の鋼管矢板を製造することが考えられる。しかしながら、スパイラル鋼管を用いて鋼管矢板を製造する場合には、スパイラル鋼管が変形するおそれがある。
以下、スパイラル鋼管の変形について概説する。スパイラル鋼管は、帯状の鋼板から製造されるため、内部に残留応力が発生している。さらに、継手をスパイラル鋼管に溶接する際には、溶接熱によってスパイラル鋼管が加熱され、その後に自然冷却される際、スパイラル鋼管に熱収縮が生じる。このように、スパイラル鋼管を鋼管矢板の鋼管本体として採用した場合には、スパイラル鋼管そのものが有する残留応力と、溶接に起因する熱収縮とによって、スパイラル鋼管が変形するおそれがある。
本技術分野では、スパイラル鋼管を用いて鋼管矢板を製造する際に、スパイラル鋼管の変形を抑えることができる鋼管矢板の製造方法が望まれている。
本発明に係る鋼管矢板の製造方法は、帯状の鋼板が螺旋状に曲げ加工され、隣接する前記鋼板の幅方向の縁同士が溶接されてなるスパイラル鋼管に、継手を取り付けてなる鋼管矢板の製造方法である。この製造方法は、ショットピーニング工程及び継手取付工程を備える。ショットピーニング工程では、スパイラル鋼管にショットピーニングを行う。継手取付工程では、ショットピーニング工程後に、継手をスパイラル鋼管に溶接して取り付ける。
この鋼管矢板の製造方法によれば、スパイラル鋼管に継手を取り付ける前に、ショットピーニング処理が施される。このショットピーニング処理によって、圧縮応力がスパイラル鋼管へ付与されるため、スパイラル鋼管そのものが有する引張応力が打ち消されて低減されるとともに、継手を取り付ける際の溶接による熱収縮を打ち消す応力を予め付与させておくことができる。これにより、継手をスパイラル鋼管に溶接により取り付けて鋼管矢板を製造する際に、スパイラル鋼管の変形を抑えることができる。
ここで、上述した鋼管矢板の製造方法は、ショットピーニング工程の前、又は、ショットピーニング工程の後であって継手取付工程の前に、スパイラル鋼管の全体又は切り離された一部を、管軸方向に沿って切断し、切断箇所の寸法変化を測定する評価工程をさらに備えてもよい。この場合、ショットピーニング処理の効果を評価することができるとともに、評価結果を用いてショットピーニング処理の条件を最適化することが可能となる。
ショットピーニング工程では、アークハイト値が0.335mmA〜0.523mmAの範囲となるショットピーニングを行ってもよい。また、ショットピーニング工程では、投射材の投射速度が50m/s〜73m/sの範囲、かつ、カバレージが100%〜300%の範囲となるショットピーニングを行ってもよい。このような範囲となるショットピーニングをすることで、スパイラル鋼管の変形を一層抑制することができる。
上述した鋼管矢板の製造方法は、ショットピーニング工程の後であって、継手取付工程の前後の少なくとも一方において、スパイラル鋼管の端部に、他の鋼管矢板のスパイラル鋼管の端部と係合するための継手部を形成する継手部形成工程をさらに備えてもよい。このように、スパイラル鋼管の端部同士を連結させる継手部を形成する場合であっても、スパイラル鋼管の変形を抑制することができる。
以上説明したように、本発明によれば、スパイラル鋼管を用いて鋼管矢板を製造する際に、スパイラル鋼管の変形を抑えることができる鋼管矢板の製造方法が提供される。
鋼管矢板の一例を示す斜視図である。 図1の鋼管矢板の平面図である。 継手の取り付け例を示す概要図である。 鋼管矢板の管軸方向への連結例を示す概要図である。 鋼管矢板の水平方向への連結例を示す概要図である。 鋼管矢板の製造方法を示すフローチャートである。 スパイラル鋼管の製造工程を説明する概要図である。 ショットピーニング工程を説明する概要図である。 継手の取付工程を説明する概要図である。 評価工程を説明する概要図である。 従来のスパイラル鋼管の矯正作業を説明する概要図である。 実施例におけるショットピーニング処理を説明する概要図である。 実施例及び比較例における開き(距離)の測定結果である。 実施例及び比較例における残留応力の測定結果である。 投射材ごとの開き(距離)の測定結果である。 投射材ごとの残留応力の測定結果である。 開き(距離)のアークハイト依存性を示す測定結果である。
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
本実施形態に係る製造方法により製造された鋼管矢板は、例えば、護岸工事、埋立工事、又は、堤防工事等に用いられる。鋼管矢板は、具体的には、廃棄物を海面埋立処分する処分場の遮水性護岸構造に用いられる場合がある。
最初に鋼管矢板の構造を説明する。図1は、鋼管矢板1の斜視図である。図2は、鋼管矢板1の平面図である。図1,2に示すように、鋼管矢板1は、鋼管本体であるスパイラル鋼管2と、スパイラル鋼管2の外周面に取り付けられた管状の継手10,11とを備えて構成されている。
スパイラル鋼管2は、鋼製の管であり、後述する製造方法のとおり、帯状の鋼板を加工して形成される。スパイラル鋼管の直径は、例えば400〜1500mm程度の大きさである。帯状の鋼板は、管軸(中心軸)M1を中心として螺旋状に曲げ加工され、隣接する鋼板の幅方向の縁2a同士が溶接されている。スパイラル鋼管2は、曲げ加工、形成加工及び溶接加工等を経て形成されるため、スパイラル鋼管2の全体に引張応力が発生している。
継手10,11は、鋼管矢板1が隣接して配置された場合に、隣接する鋼管矢板1同士を連結させる係合部として機能する。ここでは、継手10のスパイラル鋼管2の取り付け位置から、スパイラル鋼管2の外周面に沿って略半周した位置に継手11が取り付けられている。なお、継手の数及び取り付け位置は、図1,2に示す数及び位置に限定されるものではなく、適宜の数を適宜の位置に取り付けることができる。例えば、図3の(A)に示す鋼管矢板1Aのように、継手10を1つのみ取り付けてもよい。あるいは、図3の(B)に示す鋼管矢板1Bのように、2つの継手10,11の取り付け位置と鋼管中心とをそれぞれ結ぶ直線の成す角θが90°〜180°となるように、取り付け位置を設定してもよい。あるいは、図3の(C)に示す鋼管矢板1Cのように、3つの継手10〜12を取り付けてもよいし、図3の(D)に示す鋼管矢板1Dのように、4つの継手10〜13を取り付けてもよい。継手10,11の取り付けは、溶接により行われる。継手10,11には、隣り合う鋼管矢板1を連結する際に、互いに係合できるように、切り欠き10a,11aが形成されている。
次に、鋼管矢板1の連結状態について説明する。工事現場等において、鋼管矢板1は複数連結されて利用される。例えば、鋼管矢板1を囲い壁に用いる場合には、囲い壁に必要な高さ及び幅に応じて、組み合わされる鋼管矢板1の数が調整される。
最初に、鉛直方向に鋼管矢板1を連結する場合を説明する。図4は、鋼管矢板1の管軸方向の端部同士が連結された状態を示す概要図である。図4では、一例として3つの鋼管矢板1が管軸方向に連結されている。図4に示すように、図1に示す鋼管矢板1の端部が、他の鋼管矢板1の端部と連結されている。連結箇所15は、例えば溶接により接合され、連結継手14が設けられている。なお、管軸方向への連結方法は溶接に限られるものではない。例えば、鋼管矢板1の端部に形成された機械式継手(継手部)同士を係合させることにより、連結してもよい。機械式継手の種類等は、特に限定されない。例えば、一方の鋼管矢板1の端部に雌ネジ部が形成され、他方の鋼管矢板1の端部に雄ネジ部が形成され、両者が螺合することにより連結されてもよい。あるいは、嵌め合わせによって両者が連結されてもよい。
次に、水平方向に鋼管矢板1を連結する場合を説明する。図5は、鋼管矢板1が水平方向に連結された状態を示す概要図である。図5の(A)では、図1,2,4に示す鋼管矢板1の水平方向への連結が示されている。すなわち、隣接する鋼管矢板1の継手10,11が係合することにより、鋼管矢板1が水平方向へ連結される。なお、継手10,11は図1〜3に示す鋼管に限定されることはなく、種々の形状の組み合わせを採用することができる。例えば、図5の(B)に示す鋼管矢板1Eのように、鋼管とT形鋼との組み合わせであってもよいし、図5の(C)に示す鋼管矢板1Fのように、山形鋼とT形鋼との組み合わせであってもよい。
以下、上記説明した鋼管矢板1の製造方法について説明する。図6は、鋼管矢板1の製造方法を示すフローチャートである。図6では、スパイラル鋼管2の製造方法(S100〜S104)、ショットピーニング工程(S106)、及び、継手取付方法(S108)を一連の流れとして1つの工場内での処理として説明するが、各工程をそれぞれ別の工場で実施してもよい。
図6に示すように、最初に形成工程が実施される(S100)。図7は、形成工程を説明する概要図である。図7に示すように、形成工程では、帯状の鋼板が巻かれたコイル3が用意され、図示しないピンチロールがコイル3から鋼板を送り出す。その後、レベラー4が鋼板の巻癖を除去し、サイドトリマー50が鋼板をトリミングし、所定の幅とする。その後、成型装置60が、中心軸を中心として鋼板を螺旋状に曲げ加工する。形成工程が終了すると、溶接工程へ移行する(S102)。
S102の工程では、隣接する鋼板の幅方向の縁2a同士が溶接される。溶接工程が終了すると、鋼管を所定の長さに切断する切断工程へ移行する(S104)。
S104の工程では、連続的に成型及び溶接された鋼管が所定の長さとなった場合に、図示しない自動走行切断機が鋼管を切断する。これにより、隣接する鋼板が溶接により連結されたスパイラル鋼管2が製造される。
次に、ショットピーニング工程が実施される(S106)。S106の処理では、S104の処理で切断されたスパイラル鋼管2に対してショットピーニング処理が施される。図8は、ショットピーニング工程を説明する概要図である。図8に示すように、スパイラル鋼管2は、台車16に載置され、ショットピーニング設備20へ搬送される。台車16上には、管軸M1を中心としてスパイラル鋼管2を回転させるためのローラが設けられている。ショットピーニング設備20は、投射材をスパイラル鋼管2に向けて投射する投射部6が配置されている。投射部6は、例えば、回転により投射材を投射するインペラ等が用いられる。台車16によってショットピーニング設備20へ搬送されたスパイラル鋼管2は、管軸M1を中心として回転させられながら、投射部6によって投射材が投射される。これにより、スパイラル鋼管2の外周面全体にショットピーニング処理が施される。ショットピーニング工程では、所定のショットピーニング条件にて、投射材が投射部6からスパイラル鋼管2の外周面に向けて投射される。ショットピーニングの処理条件は、適宜の値を設定することができる。例えば、アークハイト値は、0.335mmA〜0.523mmAとなる範囲で設定すればよい。アークハイト値は、ショットピーニング強度の指標である。また、投射材の投射速度は、50m/s〜73m/sとなる範囲で設定すればよい。また、カバレージは、100%〜300%の範囲で設定すればよい。カバレージとは、処理時間の指標である。ショットピーニング処理により、スパイラル鋼管2に圧縮応力が付与される。スパイラル鋼管2の外周面全体にショットピーニング処理が施されると、ショットピーニング工程は終了する。S106の工程が終了すると、継手取付工程へ移行する(S108)。
S108の処理では、図9に示すように、付属品である継手10,11を、溶接によってスパイラル鋼管2の外周面に接合する。S108の処理が完了すると、鋼管矢板1の製造が完了する。
以上で図6の説明を終了する。図6に示す製造方法によれば、ショットピーニング工程によってスパイラル鋼管2へ圧縮の残留応力が付与されるため、スパイラル鋼管2の製造工程で発生した引張応力が打ち消される。さらに、継手10,11をスパイラル鋼管2に溶接する際には、溶接熱によってスパイラル鋼管2が加熱され、その後に冷却されるため、スパイラル鋼管2に熱収縮が生じる。しかし、ショットピーニング工程によってスパイラル鋼管2へ圧縮の残留応力が予め付与されるため、スパイラル鋼管2に生じる熱収縮による変形が軽減又は抑制される。そして、スパイラル鋼管2の変形が抑制されることで、ばらつきのない製品を製造することができる。また、上述した鋼管矢板1の連結に支障をきたすことを回避することができる。
さらに、図6に示す製造方法を実行することで、スパイラル鋼管2の変形の抑制を、他の方法と比べて簡易に実行することができる。スパイラル鋼管2の変形を抑制するために行われる他の方法としては、以下の方法が考えられる。例えば、最初にスパイラル鋼管2の残留応力の程度を評価した後に、残留応力に応じて機械的に逆歪みを付与する方法がある。
図10は、スパイラル鋼管2の残留応力の評価工程を説明する概要図である。図10の(A)に示すように、スパイラル鋼管2を管軸方向に沿って切断する(図中Yの位置)。あるいは、スパイラル鋼管2の一部を切断して切り離したリング状の試験部材を、管軸方向に沿って切断してもよい。切断後、図10の(B)に示すように、切断箇所の隙間の長さDを測定する。なお、長さDは、「開き」の大きさともいう。長さDは、引張応力F1が大きいほど長くなり、逆に圧縮応力F2が大きいほど短くなる。このため、長さDを測定することで、どの程度の引張応力が発生しているのかを把握することができる。その後、図11の(A)に示すように、油圧ジャッキ17をスパイラル鋼管2内に配置し、評価工程で評価された引張応力に応じた力を内側から付与させて、スパイラル鋼管2を変形させる。その後、図11の(B)に示すように、継手10,11を溶接する(溶接箇所P)。溶接が終了すると、油圧ジャッキ17を外す。そして、スパイラル鋼管2へ外部より力をさらに付与する真円矯正工程を行う。これにより、スパイラル鋼管2の内部応力及び熱収縮により、真円に近い鋼管矢板が形成される。
すなわち、真円に近い鋼管矢板を得るためには、油圧ジャッキ17を用いて逆歪みを付与する「変形抑止作業」と、真円矯正する「真円矯正作業」とが必要になる。これに対して、図6に示す製造方法によれば、スパイラル鋼管2に継手10,11を取り付ける前に、ショットピーニング処理が施され、このショットピーニング処理によって、圧縮応力がスパイラル鋼管2へ付与されるため、スパイラル鋼管2そのものが有する引張応力が打ち消されて低減されるとともに、継手10,11を取り付ける際の溶接による熱収縮を打ち消す応力を予め付与させておくことができる。これにより、継手10,11をスパイラル鋼管2に溶接により取り付けて鋼管矢板1を製造する際に、スパイラル鋼管2の変形を簡易に抑えることができる。すなわち、「変形抑止作業」及び「真円矯正作業」を省略、又は、これらの作業の手間の軽減を図ることができる。
以上、実施形態について説明したが本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、図6に示すS104の切断工程後であって、S106のショットピーニング工程前に、長さDの寸法変化を測定する評価工程をさらに備えてもよい。例えば、寸法変化が所定の基準値以上であるか否かを判定し、所定の基準値以上である場合には、ショットピーニングの強度が強くなるように、処理条件を変更してもよい。あるいは、図6に示すS106のショットピーニング工程後であって、S108の継手取付工程前に、長さDの寸法変化を測定する評価工程をさらに備えてもよい。このように、ショットピーニング処理の効果を評価することで、評価結果を用いてショットピーニング処理の条件を最適化することができる。
また、図6に示すS106のショットピーニング工程後であって、S108に示す継手取付工程の前後の少なくとも一方において、スパイラル鋼管2の端部に、他の鋼管矢板1のスパイラル鋼管2の端部と係合するための継手部を形成する継手部形成工程をさらに備えてもよい。このように、スパイラル鋼管2の端部同士を連結させる継手部を形成する場合であっても、スパイラル鋼管の変形を抑制することができる。
[上記実施形態に係る加工方法の効果の確認試験1]
[試験体]
実施例として、図6の製造方法にてスパイラル鋼管2を製造し、試験体1〜6を作成した。試験に用いたスパイラル鋼管2の直径は800mmである。なお、ショットピーニング工程は、図12に示すショットピーニング設備を用いた。図12に示す設備では、スパイラル鋼管2が冶具5に取り付けられる。冶具5は、枠体で構成されており、スパイラル鋼管2を載置するためのステージ5aを有する。冶具5は、回転軸M3を中心として水平面内を回転可能に構成されている。冶具5の周囲には、投射材をスパイラル鋼管2に向けて投射する投射部6が配置されている。投射部6は、例えば、回転により投射材を投射するインペラ等が用いられる。ここでは投射部6は、複数のインペラ6a、6bにより構成されている。ショットピーニング工程では、所定のショットピーニング条件にて、投射材が投射部6からスパイラル鋼管2の外周面に向けて投射される。すなわち、外周面に投射材が衝突するように、冶具5及び投射部6が操作される。
上記ショットピーニング設備を用いて、継手取付工程の前に、スパイラル鋼管2にショットピーニング処理を施し、試験体1〜6とした。投射材は、新東工業製のスチール材(SB10)を用いた。そして、試験体1〜6それぞれで、ショットピーニングの処理条件を変更させた。変更させた処理条件は、投射速度(m/s)、カバレージ(%)及びアークハイト値(mmA)である。試験体1〜6の処理条件を以下の表1に示す。
Figure 2015209736

なお、試験体7は、比較例である。すなわち、ショットピーニング処理を施していない試験体である。
[試験1:開き測定及び応力測定]
上記試験体1〜7に対してショットピーニング処理を施した後に、残留応力をそれぞれ測定した。その後、管軸方向に沿って切断し、「開き」をそれぞれ測定した。「開き」としては、図10の(B)に示す距離Dを計測した。残留応力については、X線を用いて金属の格子面間隔を測定して算出した。結果を表2に示す。また、図13は、実施例及び比較例における開き(距離D)の測定結果である。図14は、実施例及び比較例における残留応力の測定結果である。
Figure 2015209736

表2及び図13に示すように、実施例である試験体1〜6は、距離Dが164mm〜184mmとなり、距離Dの平均値は171mmとなった。一方、比較例である試験体7は、距離Dが210mmとなった。このように、ショットピーニング処理を施すことにより、距離Dが小さくなることが確認された。すなわち、本実施形態の加工方法を採用することによって、スパイラル鋼管の変形が抑制されることが確認された。
また、表2及び図14に示すように、実施例である試験体1〜6は、残留応力値が−300MPa〜−225MPaとなり、残留応力値の平均値は−274MPaとなった。一方、比較例である試験体7は、残留応力値が138MPaとなった。このように、ショットピーニング処理を施すことにより、残留応力値が小さくなることが確認された。すなわち、本実施形態の加工方法を採用することによって、スパイラル鋼管の変形が抑制されることが確認された。
[上記実施形態に係る加工方法の効果の確認試験2]
[試験体]
実施例として、図6の製造方法にてスパイラル鋼管2を製造し、試験体8〜10を作成した。なお、ショットピーニング工程は、図12に示すショットピーニング設備を用いた。すなわち、上記ショットピーニング設備を用いて、継手取付工程の前に、スパイラル鋼管2にショットピーニング処理を施し、試験体8〜10とした。投射速度(m/s)は、73m/sとした。カバレージ(%)は300%とした。そして、試験体8〜10それぞれで、ショットピーニングの処理条件を変更させた。変更させた処理条件は、投射材である。試験体8〜試験体10の処理条件を以下の表3に示す。
Figure 2015209736

SB17は、平均粒径が1.7mm(JIS(日本工業規格) G5903及びS170相当)、SB10は、平均粒径が1.0mm(JIS G5903及びS100相当)、SB6は、平均粒径が0.6mm(JIS G5903及びS70相当)である。なお、試験体11は、比較例である。すなわち、ショットピーニング処理を施していない試験体である。
[試験2:開き測定及び応力測定]
上記試験体8〜10に対してショットピーニング処理を施した後に、残留応力をそれぞれ測定した。試験体11については、ショットピーニング処理を施すことなく、残留応力を測定した。その後、管軸方向に沿って切断し、「開き」をそれぞれ測定した。「開き」としては、図10の(B)に示す距離Dを計測した。残留応力については、X線を用いて金属の格子面間隔を測定して算出した。結果を表4に示す。また、図15は、実施例及び比較例における開き(距離D)の測定結果である。図16は、実施例及び比較例における残留応力の測定結果である。
Figure 2015209736

表4及び図15に示すように、実施例である試験体8〜10は、距離Dが107mm〜1184mmとなり、距離Dの平均値は152mmとなった。一方、比較例である試験体11は、距離Dが219mmとなった。このように、投射材の材料を変更した場合であっても、ショットピーニング処理を施すことにより、距離Dが小さくなることが確認された。すなわち、投射材の材料に関わらず、本実施形態の加工方法を採用することによって、スパイラル鋼管の変形が抑制されることが確認された。
また、表4及び図16に示すように、実施例である試験体8〜10は、残留応力値が−312MPa〜−269MPaとなり、残留応力値の平均値は−288MPaとなった。一方、比較例である試験体11は、残留応力値が−54MPaとなった。このように、投射材の材料を変更した場合であっても、ショットピーニング処理を施すことにより、残留応力値が小さくなることが確認された。すなわち、投射材の材料に関わらず、本実施形態の加工方法を採用することによって、スパイラル鋼管の変形が抑制されることが確認された。
[開き(距離D)のアークハイト値依存性]
表1及び表2に記載の内容から、開き(距離D)のアークハイト値依存性を求めた。結果を図17に示す。図17の数式は、データ点をフィッティングした結果である。図17に示すように、アークハイト値が大きくなるほど、開きの大きさ(距離D)が小さくなる傾向が確認された。すなわち、ショットピーニングの強さと開きの大きさは逆比例することが確認された。上記結果により、ショットピーニングの強さを調整することで、開きの大きさを調整することができることが確認された。
1…鋼管矢板、2…スパイラル鋼管、10,11,12,13…継手。

Claims (5)

  1. 帯状の鋼板が螺旋状に曲げ加工され、隣接する前記鋼板の幅方向の縁同士が溶接されてなるスパイラル鋼管に、継手を取り付けてなる鋼管矢板の製造方法であって、
    前記スパイラル鋼管にショットピーニングを行うショットピーニング工程と、
    前記ショットピーニング工程後に、前記継手を前記スパイラル鋼管に溶接して取り付ける継手取付工程と、
    を備える鋼管矢板の製造方法。
  2. 前記ショットピーニング工程の前、又は、前記ショットピーニング工程の後であって前記継手取付工程の前に、前記スパイラル鋼管の全体又は切り離された一部を、管軸方向に沿って切断し、切断箇所の寸法変化を測定する評価工程をさらに備える請求項1に記載の鋼管矢板の製造方法。
  3. 前記ショットピーニング工程では、アークハイト値が0.335mmA〜0.523mmAの範囲となるショットピーニングを行う請求項1又は2に記載の鋼管矢板の製造方法。
  4. 前記ショットピーニング工程では、投射材の投射速度が50m/s〜73m/sの範囲、かつ、カバレージが100%〜300%の範囲となるショットピーニングを行う請求項1〜3の何れか一項に記載の鋼管矢板の製造方法。
  5. 前記ショットピーニング工程の後であって、前記継手取付工程の前後の少なくとも一方において、前記スパイラル鋼管の端部に、他の鋼管矢板のスパイラル鋼管の端部と係合するための継手部を形成する継手部形成工程をさらに備える請求項1〜4の何れか一項に記載の鋼管矢板の製造方法。
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