CN116296002A - 一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置及其测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置及其测控方法，属于冲扣钳扭矩和转角测控技术领域。该装置包括扭矩转角测量模块、微处理器测控模块、远程监控交互模块和云端数据评估模块，其中各模块之间依次电性连接，扭矩转角测量模块用于实时测量扭矩及转角数据，微处理器测控模块用于处理、接收、转化相应数据，远程监控交互模块用于接收和显示监测数据，云端数据评估模块用于对后端智能化数据分类、分析，本发明能够同时实时测量控制扭矩及转角参量以及远端可视化监测，最大程度保证钻杆连接质量，同时可以根据扭矩及转角多参量评估及自动控制铁钻工的作业过程，通用性强，具有极高的推广价值。

Description

一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置及其测控方法

技术领域

本发明涉及冲扣钳扭矩和转角测控技术领域，更具体地说，涉及一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置及其测控方法。

背景技术

铁钻工作为目前用于连接钻杆及拆卸钻杆自动化程度最高的大型井口辅助装备，取代人力进行旋扣、上扣及卸扣等操作，极大地提高了工作效率。铁钻工在上扣及卸扣时需要对扭矩及转角进行精确测量和控制，扭矩及转动角度过大会造成钻杆螺纹负荷，造成钻杆损伤，扭矩及转角过小则会导致上不紧扣或卸不下扣，造成井下事故，影响作业效率。

铁钻工目前通过半自动化人工辅助进行上扣及卸扣，而且钻杆连接或拆卸仅凭借扭矩阈值来评价，但是大量井场实际应用实例来看，铁钻工在施加大扭矩时，冲扣钳常发生扭矩加载但冲扣钳并未转动或者打滑，所以仅参考扭矩加载状况并不能准确测量和达到精准控制的目的。因此，迫切需要一种同时精确测量扭矩及转角的装置，以更加准确地、自动控制扭矩及转角输出，提高钻井作业安全及作业效率。鉴于此，我们提出一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置及其测控方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置及其测控方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置，包括扭矩转角测量模块、微处理器测控模块、远程监控交互模块和云端数据评估模块，其中各模块之间依次电性连接；

扭矩转角测量模块设置于铁钻工冲扣钳前端，用于实时测量冲扣钳钳牙作用于钻杆螺纹接头上的扭矩以及实时测量冲扣钳带动钻杆转动角度；

微处理器测控模块用于完成处理、接收、转化相应的扭矩及转角数据以及根据相关数据完成铁钻工扭矩及转角的控制；

远程监控交互模块用于接收和显示监测数据，以及控制冲扣缸泵压和启停来完成冲扣钳自动上扣及卸扣操作；

云端数据评估模块用于完成在井场记录的完整扭矩-转角测量数据及完成后端智能化数据分类、故障评估、铁钻工设备性能分析及作业质量等报告生成。

优选地，所述扭矩转角测量模块包括扭矩转角分布式测量单元、扭矩转角集成测量单元；

所述微处理器测控模块包括扭矩转角测控防爆箱、传感器信号处理单元、微处理器硬件单元、控制单元；

所述云端数据评估模块包括：云端数据存储单元、智能数据回放单元以及数据自动化处理单元。

优选地，所述扭矩转角分布式测量单元包括扭矩测量单元、转角测量单元；

所述扭矩测量单元包括扭矩传感器、压力传感器和力学传感器等可用于铁钻工扭矩测量的传感器模块；所述转角测量单元包括角速度传感器和加速度传感器等可用于铁钻工转角测量的传感器模块；

所述扭矩转角集成测量单元为力学传感器和角速度传感器或者力学传感器和加速度传感器集成设计。

优选地，所述扭矩测量单元的压力传感器安装在铁钻工冲扣缸泵油管道口，所述角速度传感器或加速度传感器等置于冲扣钳上钳表面或者曲柄销轴内。

优选地，所述控制单元包括控制电路、防爆电磁阀和换向比例阀，所述防爆电磁阀安装在冲扣钳液压总线上，换向比例阀安装在铁钻工冲扣缸进油口及出油口。优选地，所述扭矩转角测控防爆箱内设置有微处理器硬件模块。

一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置的测控方法，包括如下步骤：

采集冲扣缸压力、曲柄受力数据；

采集冲扣钳旋转角速度、加速度数据；

采集冲扣钳液压总线压力数据；

根据冲扣缸压力、曲柄受力、冲扣钳旋转角速度及加速度数据确定冲扣钳扭矩及转角；

微处理器测控模块根据用户界面设定扭矩及转角值进行控制；

远程监控交互模块进行扭矩、转角显示、指令发出以及远端决策；

云端数据评估模块进行大数据云端上传、下载及智能化数据报表分析。

优选地，在用户界面设定需要达到的扭矩及转角值，铁钻工开始作业时会自动启动电磁阀，进行泵压，在进行上扣过程中系统会根据实时扭矩及转角值实时绘制扭矩-转角曲线进行加载趋势可视化监测；同时根据扭矩及转角值进行自适应阶段调整，控制比例阀调整泵压大小来调整扭矩加载，保证扭矩及转角有效、平稳加载。一旦出现扭矩及转角任意参量出现过大，均立刻关断电磁阀，保证作业安全。

优选地，实时确定的扭矩、转角数据和预先在远程监控交互模块设定的扭矩及转角进行比较包括：

如果确定的所述扭矩、转角数据还未达到设定扭矩，则防爆电磁阀保持通电，冲扣钳液压缸继续泵压和液压缸继续伸长带动冲扣钳旋转至设定转角及扭矩值；

如果扭矩或转角任意变量均超过预定扭矩或转角值，测控装置会立即启用，防爆电磁阀立刻断电，停止泵压，换向比例阀立即换向，防止冲扣钳液压缸继续伸进；

如果扭矩达到而转角还未达到设定值，用户界面则会发出异常报警，提醒现场操作人员进行检查，如无误，系统则会在前一次转角记录数据基础上进行二次上扣，直至转角达到设定转角位置处，保证钻杆连接密封性；

如果转角达到设定值时，扭矩还未达到设定值，用户界面则会发出异常报警，需要现场操作人员进一步去确认钻杆连接是否到位或者是否存在铁钻工冲扣钳打滑现象，一般系统会自动采取卸扣再重新进行二次上扣操作，来保护钻杆正常连接。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明能够同时实时测量控制扭矩及转角参量以及远端可视化监测，最大程度保证钻杆连接质量，同时可以根据扭矩及转角多参量评估及自动控制铁钻工的作业过程，通用性强，具有极高的推广价值。

(2)本发明的测控装置安装简单，自动化程度高，适合对现有铁钻工进行自动化升级。

附图说明

图1为本发明的铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置整体结构示意图；

图2为双冲扣缸型冲扣钳传感器安装示意图；

图3为单冲扣缸型冲扣钳传感器安装示意图；

图4为扭矩及角度传感器集成示意图；

图5为某尺寸钻杆上扣扭矩监控曲线示意图；

图6为本发明的测控装置测控方法流程示意图。

图中标号说明：101、扭矩转角测量模块；102、微处理器测控模块；103、远程监控交互模块；104、云端数据评估模块；201、双冲扣缸型冲扣钳；202、第一冲扣液压缸；203、第二冲扣液压缸；204、夹紧液压缸；205、第一冲扣压力传感器；206、第二冲扣压力传感器；207、夹紧压力传感器；208、角速度传感器或加速度传感器；209、上挡板；301、单冲扣缸型冲扣钳；302、冲扣压力缸；303、夹紧压力缸；304、冲扣压力传感器；305、角速度传感器或加速度传感器；306、夹紧压力传感器；401、力学传感器与角度测量传感器总成；402、固定卡槽；403、尾端变送器；404、角度测量传感器；405、变送器后盖、406、航插总线；407、固定螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

请参阅图1，一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置，包括扭矩转角测量模块101、微处理器测控模块102、远程监控交互模块103和云端数据评估模块104，其中扭矩转角测量模块101、微处理器测控模块102、远程监控交互模块103和云端数据评估模块104各模块之间依次通过电性连接；

扭矩转角测量模块101设置于铁钻工冲扣钳前端，用于实时测量冲扣钳钳牙作用于钻杆螺纹接头上的扭矩以及实时测量冲扣钳带动钻杆转动角度；

微处理器测控模块102用于完成处理、接收、转化相应的扭矩及转角数据以及根据相关数据完成铁钻工扭矩及转角的多种方式控制；

远程监控交互模块103用于接收和显示监测数据、远程决策以及用于远端在司钻房进行铁钻工状态监控及远端决策，实时监测铁钻工扭矩及角度转动变化情况并以扭矩-转角曲线多参量监测铁钻工及钻杆运动情况，以及根据设定的扭矩及转角数据来自动控制冲扣缸泵压和启停来完成冲扣钳自动上扣及卸扣操作；

云端数据评估模块104用于完成在井场记录的完整扭矩-转角测量数据及完成后端智能化数据分类、故障评估、铁钻工设备性能分析及作业质量等报告生成。

本申请中，扭矩转角测量模块101包括扭矩转角分布式测量单元、扭矩转角集成测量单元；

微处理器测控模块102包括扭矩转角测控防爆箱、传感器信号处理单元、微处理器硬件单元、控制单元；

其中，扭矩转角测控防爆箱内设置有微处理器硬件模块，用于井口安置或机房安置；

传感器信号处理单元，包括处理各类应用于扭矩及转角传感器信号的处理单元，实现对传感器信号的传输，放大，滤波及转换给微处理器芯片；

微处理器硬件单元包括微处理器芯片搭配外围电路，主要实现对传感器的信号进行转化、计算及自动控制；将经微处理器计算的扭矩及转角数据实时传输给远程司钻房的用户显示界面上，用于接收和显示监测数据，参见图5，以实时扭矩-转角变化曲线监测铁钻工扭矩及角度转动变化情况，并根据扭矩及转角参量限制来进行远端决策，保证铁钻工作业安全性。

控制单元，包括控制电路、安装在铁钻工冲扣钳液压线路处的防爆电磁阀以及换向比例阀，用于实现设定扭矩的自加载以及铁钻工冲扣钳作业的启停，利用防爆电磁阀来控制冲扣缸的关断，利用换向比例阀来完成泵压及回压的相关操作。

云端数据评估模块104包括：云端数据存储单元、智能数据回放单元以及数据自动化处理单元；可通过云端下载某钻井平台或多口钻井平台的铁钻工运行数据，进行质量分析及后期铁钻工维保参考资料。

本申请中，扭矩转角分布式测量单元包括扭矩测量单元、转角测量单元；

扭矩测量单元包括扭矩传感器、压力传感器和力学传感器中任意一种或多种组合进行扭矩测量与校正；转角测量单元包括角速度传感器和加速度传感器中的任意一种或多种组合；其中扭矩转角分布式测量单元将压力传感器安装在冲扣钳尾端冲扣缸有杆腔内以及无杆腔内，用于测量冲扣钳上扣扭矩及卸扣扭矩，同时将单轴角速度传感器或单轴加速度传感器置于冲扣钳上钳表面或者曲柄销轴内，用于测量冲扣钳作业时旋转角度；并且该单元还包括利用扭矩传感器直接测量冲扣缸输出扭矩。

扭矩转角集成测量单元为力学传感器和角速度传感器或者力学传感器和加速度传感器集成设计；设计力学传感器替代销轴，将角速度传感器或加速度传感器集成到变送器单元，冲扣钳带动曲柄运动过程中，力学传感器测力时，角速度传感器或加速度传感器同时测量曲柄旋转角速度或加速度，来求解旋转角度。

在一种可能的实施例中，扭矩测量单元的压力传感器安装在铁钻工冲扣缸泵油管道口，角速度传感器或加速度传感器等置于冲扣钳上钳表面或者曲柄销轴内，其中压力传感器、角速度传感器或加速度传感器的安装位置只要能应用于测量则不做限定。

本发明扭矩转角测量模块101与微处理器测控模块102电连接，参见图2及图3，在冲扣钳进行作业时，各传感器信号传输至机房微处理器测控模块进行信号放大、滤波、转换及传输。微处理器测控模块集成到防爆箱内可置于铁钻工配电箱内亦可灵活挪动至机房使用。

一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置的测控方法，包括如下步骤：

S600，采集冲扣缸压力、曲柄受力数据；

S601，采集冲扣钳旋转角速度、加速度数据；

S602，采集冲扣钳液压总线压力数据，用作液压系统泵压监控，防止液压系统泵压异常，以及监测扭矩是否有效加载；

S603，根据冲扣缸压力、曲柄受力、冲扣钳旋转角速度及加速度数据确定冲扣钳扭矩及转角；

S604，微处理器测控模块根据用户界面设定扭矩及转角值进行控制；

S605，远程监控交互模块进行扭矩及转角监控显示及指令发出；

S606，云端数据评估模块进行大数据云端上传、下载及智能化数据报表等分析。

示例性的，请参阅图5，设定铁钻工要上扣的扭矩及转角，即需要最终达到D(θ_设定，T_设定)，具体实施时，防爆电磁阀在初始位置A点打开，换向比例阀打开，进行泵压，此时比例阀按照监测的泵压以及实时扭矩进行调整比例系数，例如电磁阀打开后，要求泵压平缓一些，由A点到B点段相对平缓，泵压比例系数为K1，其中泵压比例系数K由确定的实际泵压与规定的期望阶段扭矩所需泵压确定，上扣四个阶段可根据螺纹连接阶段确定；泵压稳定后，系统根据实时扭矩自调整比例系数K2，使铁钻工冲扣钳稳定快速上扣至C点，C点对应接近设定扭矩及转角附近的位置，为保证钻杆连接及有效扭矩的加载，从C点达到设定位置D时，希望冲扣缸慢慢泵压稳定扭矩输出，直至加载到设定扭矩及设定转角位置处，系统调整比例系数至K3,使其缓慢有效加载，当达到设定位置处，电磁阀关断，停止泵压，扭矩及转角不再增加，达到E点。冲扣钳松开，回到原始位置。

同时，实时确定的扭矩、转角数据和预先在远程监控交互模块设定的扭矩及转角进行比较，如果确定的所述扭矩、转角数据还未达到设定扭矩，则防爆电磁阀保持通电，冲扣钳液压缸继续泵压和液压缸继续伸长带动冲扣钳旋转至设定转角；

如果确定的扭矩或转角任意变量均超过预定扭矩或转角值，测控装置会立即启用，防爆电磁阀立刻断电，停止泵压，换向比例阀立即换向，防止冲扣钳液压缸继续伸进。

如果确定的扭矩达到而转角还未达到设定值，用户界面则会发出异常报警，提醒现场操作人员进行检查，如无误，系统则会在前一次转角记录数据基础上进行二次上扣，直至转角达到设定转角位置处，保证钻杆连接密封性；

如果确定的转角达到设定值时，扭矩还未达到设定值，用户界面则会发出异常报警，需要现场操作人员进一步去确认钻杆连接是否到位或者是否存在铁钻工冲扣钳打滑现象，一般系统会自动采取卸扣重新进行二次上扣操作，来保护钻杆正常连接。

系统会自动采取多参量判断，保证钻杆的正确连接和监测铁钻工作业状况，进一步增强钻杆连接科学性，增加钻杆螺纹使用寿命以及提高铁钻工上扣及卸扣成功率。

实施例2：

请参阅图2，为本发明铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置安装在双冲扣缸型铁钻工的示意图：

示例性的，扭矩传感器或压力传感器置于第一冲扣压力缸202及第二冲扣压力缸203有杆腔或无杆腔内，同时将角速度传感器或加速度传感器208置于双冲扣缸型冲扣钳201的上挡板209上，当第一冲扣压力缸202和第二冲扣压力缸203伸缩带动冲扣钳201运动时，实时采集扭矩值及转角值；其中扭矩传感器、压力传感器、角速度传感器及加速度传感器与铁钻工机械连接及固定。

实施例3：

请参阅图3，本发明铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置安装在单冲扣缸型铁钻工的示意图：

示例性的，安装方式同双冲扣缸型铁钻工类似，同样将扭矩传感器或压力传感器安装在冲扣压力缸302上，用来直接测量扭矩或测量压力来换算扭矩，同样将角速度传感器或加速度传感器305置于冲扣钳上挡板上，当冲扣缸伸缩带动冲扣钳运动时，实时采集扭矩值及转角值；其中扭矩传感器、压力传感器、角速度传感器及加速度传感器与铁钻工机械连接及固定。

实施例4：

请参阅图4，为本发明实施例提供的扭矩及转角测量传感器集成及安装示意图；本模块将冲扣钳曲柄上饵环设计利用力学传感器代替销轴，同时尾端变送器403内集成角速度传感器404或加速度传感器，利用航插总线406接出，航插总线406固定在变送器保护尾盖405上，变送器后盖405通过多个固定螺栓407进行紧密固定，整个集成主体直接仅利用轴销式卡槽402安装就可完成扭矩及转角的同时测量，该种安装方式实现安装省空间化，安装简单化。

实施例5：

请参阅图2-4，其扭矩及转角所示计算方式均可通过以下方法计算及转化。

在双冲扣缸型铁钻工冲扣钳201作业时，左右两侧第一冲扣压力缸202及第二冲扣压力缸203一拉一伸，若利用扭矩传感器测量，则作用在钻杆上的扭矩为：T＝T1+T2；

若利用压力传感器测量，则作用在钻杆上的扭矩为：T＝(P1+P2)*S*L，其中P1及P2分别为左右两侧压力传感器测量压强，S为杆腔作用面积，L为作用力臂；

若利用力学传感器测量，则作用在钻杆上的扭矩为：T＝(F1+F2)*L，其中F1及F2分别为左右两侧力学传感器测量的垂直力臂L为作用力；

以上测量量均可通过主控模块进行采集、转化及计算完成。

在单冲扣缸型铁钻工冲扣钳301作业时，冲扣压力缸302利用推或拉的动作带动冲扣钳运动，若利用扭矩传感器测量，则作用在钻杆上的扭矩为：T＝T1；

若利用压力传感器测量，则作用在钻杆上的扭矩为：T＝P*S*L，其中P为压力传感器测量冲扣缸302内压强，S为杆腔作用面积，L为作用力臂；

若利用力学传感器测量，则作用在钻杆上的扭矩为：T＝F*L，其中F力学传感器测量的垂直力臂L为作用力；

具体并不局限是双冲扣缸或单冲扣缸，根据实际铁钻工的冲扣缸数量，均可通过多个传感器进行采集来测量扭矩；

对于角度换算，若采用角速度传感器，则相对角度计算为角速度传感器测量角速度w对时间一次积分所得，即

若采用加速度传感器，则相对角度计算为加速度传感器测量加速度a对时间双重积分所得，即

以上仅是基本换算公式，具体以采取方式做相应计算，不做限定。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置，其特征在于，包括扭矩转角测量模块(101)、微处理器测控模块(102)、远程监控交互模块(103)和云端数据评估模块(104)，其中各模块之间依次电性连接；

扭矩转角测量模块(101)设置于铁钻工冲扣钳前端，用于实时测量冲扣钳钳牙作用于钻杆螺纹接头上的扭矩以及实时测量冲扣钳带动钻杆转动角度；

微处理器测控模块(102)用于完成处理、接收、转化相应的扭矩及转角数据以及根据相关数据完成铁钻工扭矩及转角的多种方式控制；

远程监控交互模块(103)用于接收、显示监测数据、远程决策以及控制冲扣缸泵压和启停来完成冲扣钳自动上扣及卸扣操作；

云端数据评估模块(104)用于完成在井场记录的完整扭矩-转角测量数据及完成后端智能化数据分类、故障评估、铁钻工设备性能分析及作业质量等报告生成。

2.根据权利要求1所述的一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置，其特征在于：所述扭矩转角测量模块(101)包括扭矩转角分布式测量单元、扭矩转角集成测量单元；

所述微处理器测控模块(102)包括扭矩转角测控防爆箱、传感器信号处理单元、微处理器硬件单元、控制单元；

所述云端数据评估模块(104)包括：云端数据存储单元、智能数据回放单元以及数据自动化处理单元。

3.根据权利要求2所述的一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置，其特征在于：所述扭矩转角分布式测量单元包括扭矩测量单元、转角测量单元；

所述扭矩转角集成测量单元为力学传感器和角速度传感器或者力学传感器和加速度传感器集成设计。

4.根据权利要求3所述的一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置，其特征在于：所述扭矩测量单元包括扭矩传感器、压力传感器和力学传感器中的任意一种或多种；

所述转角测量单元包括角速度传感器和加速度传感器中的一种或多种组合。

5.根据权利要求2所述的一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置，其特征在于：所述控制单元包括控制电路、防爆电磁阀和换向比例阀，所述防爆电磁阀安装在冲扣钳液压总线上，换向比例阀安装在铁钻工冲扣缸进油口及出油口。

6.根据权利要求2所述的一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置，其特征在于：所述扭矩转角测控防爆箱内设置有微处理器硬件模块。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置的测控方法，其特征在于：包括如下步骤：

采集冲扣缸压力、曲柄受力数据；

采集冲扣钳旋转角速度、加速度数据；

采集冲扣钳液压总线压力数据；

根据冲扣缸压力、曲柄受力、冲扣钳旋转角速度及加速度数据确定冲扣钳扭矩及转角；

微处理器测控模块根据用户界面设定扭矩及转角值进行控制；

远程监控交互模块进行扭矩、转角显示、指令发出以及远端决策；

云端数据评估模块进行大数据云端上传、下载及智能化数据报表分析。

8.根据权利要求7所述的一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置的测控方法，其特征在于：在用户界面设定需要达到的扭矩及转角值，铁钻工开始作业时自动启动电磁阀，进行泵压，根据实时扭矩及转角值进行自适应阶段调整，控制比例阀调整泵压大小来调整扭矩加载，保证扭矩及转角有效、平稳加载。

9.根据权利要求8所述的一种铁钻工冲扣钳扭矩和转角测控装置的测控方法，其特征在于：实时确定的扭矩、转角数据和预先在远程监控交互模块设定的扭矩及转角进行比较包括：

如果确定的所述扭矩、转角数据还未达到设定扭矩，则防爆电磁阀保持通电，冲扣钳液压缸继续泵压和液压缸继续伸长带动冲扣钳旋转至设定转角及扭矩值；

如果确定的扭矩或转角任意变量均超过预定扭矩或转角值，测控装置会立即启用，防爆电磁阀立刻断电，停止泵压，换向比例阀立即换向，防止冲扣钳液压缸继续伸进；

如果确定的扭矩达到而转角还未达到设定值，用户界面则会发出异常报警，提醒现场操作人员进行检查，如无误，系统则会在前一次转角记录数据基础上进行二次上扣，直至转角达到设定转角位置处，保证钻杆连接密封性；

如果确定的转角达到设定值时，扭矩还未达到设定值，用户界面则会发出异常报警，需要现场操作人员进一步去确认钻杆连接是否到位或者是否存在铁钻工冲扣钳打滑现象。

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