DE69420111T2 - Druckgefäss mit Beschädigungsanzeigesystem - Google Patents
Druckgefäss mit BeschädigungsanzeigesystemInfo
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Description
- Allgemein betrifft die vorliegende Erfindung Druckgefäße und konkret ein Beschädigungsanzeigesystem, welches die Stoßfestigkeit verbessert und eine visuelle Erkennung potentieller Beschädigungen im Innern des Gefäßes ermöglicht.
- Bei vielen Anwendungen gelten die leichte Konstruktion und eine hohe Bruch- und Korrosionsbeständigkeit als äußerst wünschenswerte Eigenschaften für ein Druckgefäß. Seit Jahren schon wurden die Konstruktionsanforderungen durch die Entwicklung von Hochdruckbehältern aus (faserverstärkten Harz-) Verbundstoffen erfüllt, als Beispiele seien hier Behälter aus laminierten Schichten gewickelter Glasfaserfäden oder verschiedener Arten anderer synthetischer Fasern genannt, die durch ein wärmehärtbares oder thermoplastisches Harz miteinander verklebt sind innerhalb des Verbundstoffmantels befindet sich oft eine Elastomer- oder eine andere nichtmetallische, elastische Einlage bzw. Blase, mit der das Gefäß abgedichtet und die Berührung zwischen den Fluiden im Innern und dem Verbundwerkstoff verhindert wird.
- Meist wurden solche Gefäße aus Verbundstoffen für die Aufnahme einer Vielzahl verschiedener unter Druck stehender Fluide verwendet, z. B. für die Aufbewahrung von Sauerstoff, Erdgas, Stickstoff, Raketen- oder anderem Treibstoff, Propan, usw.. Die Verbundkonstruktion der Gefäße bietet zahlreiche Vorteile, wie beispielsweise das geringe Gewicht sowie die Korrosions-, Materialermüdungs- und Havariebeständigkeit. Zurückzuführen sind diese Eigenschaften auf die hohe spezifische Festigkeit der Verstärkungsfasern und -fäden, die beim Bau der Druckgefäße im typischen Fall in Richtung der Hauptkräfte ausgerichtet sind.
- Ursprünglich wurden Verbundstoff-Druckgefäße der oben beschriebenen Art für die Luft- und Raumfahrt entwickelt, und zwar vor allem wegen der kritischen Gewichtsbeschränkungen in den dort verwendeten Fahrzeugen. Durch diese Anwendungen entstand eine relativ sichere Umgebung, in der Beschädigungen an den Gefäßen minimiert werden konnten und tatsächlich Stoßbeschädigungen durch unbeabsichtigte Fremdkollisionen nur selten auftraten. Allerdings ist es durch die zunehmende Nutzung von Verbundstoff-Druckgefäßen in allgemeinen kommerziellen Anwendungen auch viel eher möglich, daß die Gefäße unkontrollierten Beschädigungen ausgesetzt werden, welche die Festigkeit eines Gefäßes erheblich beeinträchtigen können, ohne daß von außen irgendein Schaden zu sehen ist. So kann beispielsweise während des Versands oder anderer Transporte ein Gefäß herunterfallen und innen bzw. strukturell beschädigt werden, ohne daß dies bei Betrachtung der Außenseite bzw. des Gefäßmantels optisch zu erkennen ist. Ein beschädigtes Gefäß kann dann für den beabsichtigten und letztendlichen Einsatzzweck installiert werden, ohne daß irgend jemand von der vorherigen Beschädigung des Gefäßes weiß.
- Zu einigen derzeit praktizierten Lösungsansätzen gehören die Erhöhung der Wand- oder Manteldicke der Gefäße, die Verwendung von Opferwerkstoffen außen am Gefäß und der Einsatz von Gummi oder anderen Elastomeren als Beschichtungen auf den Gefäßen. Dadurch ergibt sich in der Tat eine Art zusätzlicher Schutz für die Oberfläche der Gefäße nach der eigentlichen Herstellung der Gefäße. Diese Systeme dienen eher dazu, Beschädigungen an den Gefäßen zu verhindern, als einen sichtbaren Beweis dafür zu liefern, daß bereits eine Beschädigung eingetreten ist. Darüber hinaus werden durch diese Hilfsmittel, bei denen außen an den Gefäßen Fremdwerkstoffe hinzugefügt werden, möglicherweise und tatsächlich die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht der Gefäße größer. Folglich kann durch die Erhöhung der Wanddicke eines Verbundstoffgefäßes zur Vermeidung von Beschädigungen das Ziel, ein Gefäß mit geringem Gewicht zu schaffen, ganz einfach nicht mehr erreicht werden. Das Hinzufügen von Opfermaterial, z. B. eine Glasfaserschicht auf dem gesamten Gefäß, die daraufhin ausgeschnitten, ausgehöhlt oder durchbohrt wird, ohne dabei die Vollständigkeit des Verbundstoffmantels des Tanks zu verändern, führt wiederum zu einer größeren Dicke des Gefäßes an sich. Dieselben Nachteile ergeben sich bei der Verwendung von Gummi- oder Elastomerbeschichtungen auf einem Gefäß, die zudem erheblich schwerer als die gleichen Dicken aus dem Verbundstoff sind. Im Unterschied zum erfindungsgemäßen Konzept, wie es in der Beschreibung und den Ansprüchen dargelegt ist, haben all diese Hilfsmittel weiterhin den Nachteil, möglicherweise die Beschädigung, die sie eigentlich verhindern sollen, vielmehr zu verdecken. Anders ausgedrückt, eine Außenbeschichtung bzw. Abdeckung zur Verhinderung von Beschädigungen, die eine offensichtliche Beschädigung der Oberfläche nicht visuell anzeigt, bietet einem Kontrolleur selbst dann keinen Anhaltspunkt für ein Ereignis, welches eine Beschädigung nach sich zieht, wenn die primäre Verbundstruktur unter dem Bereich der Stoßeinwirkung in ihrer Struktur beschädigt wurde.
- Aus dem USA-Patent Nr. 3.927.788 ist ein solches System zum Anzeigen einer potentiellen Beschädigung bekannt, worin ein allgemein hohles Gefäß aus einem Verbundwerkstoff offenbart ist und das Gefäß einen Außenmantel aus einem Faserverbundstoff hat.
- Im USA-Patent Nr. 5.004.120 (entspricht EP 0 398 827) ist ein allgemein hohles Gefäß gemäß dem vorcharakterisierenden Teil der beiliegenden Ansprüche offenbart. Das Gefäß ist allgemein zylindrisch und umfaßt eine Innenhülle, z. B. aus Polyethylen, und einen Außenmantel aus z. B. mit gewickelten Glasfasern verstärktem Epoxidharz. Am geschlossenen Ende weist das Gefäß ein Verbindungsstück mit einem Endkragen zwischen der Innenhülle und dem Außenmantel auf. Am offenen Ende hat das Gefäß ein Endstück mit einem rohrförmigen Teil, das einen Hals um eine Mittelbohrung herum bildet. Zudem umfaßt das Endstück einen Kragen, der dem Kragen am geschlossenen Ende ähnlich ist. Desweiteren umfaßt das Gefäß eine zweilagige Schutzabdeckung, bestehend aus einer Innen- und einer Außenschicht mit zwei Unterschichten. Jede Schicht und Unterschicht des Gefäßes ist aus einem anderen Material hergestellt, und jede Schicht und Unterschicht der Schutzabdeckung erstreckt sich zwischen den Kragen an beiden Enden des Gefäßes und stößt an selbige an.
- Die vorliegende Erfindung schafft ein allgemein hohles Gefäß aus einem Verbundwerkstoff, wobei das Gefäß einen Außenmantel aus einem Faserverbundwerkstoff aufweist, wobei eine bestimmte Dicke des Außenmantels außerhalb eines beschädigungsanzeigenden Werkstoffs vorgesehen ist, wobei die gegebene Dicke des Außenmantels und der beschädigungsanzeigende Werkstoff nach Stoßeinwirkung durch eine bestimmte Kraft von außen verformbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel aus einem homogenen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, in dem der beschädigungsanzeigende Werkstoff eingeschlossen ist, so daß er vollständig von dem Außenmantel umgeben ist.
- Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch sie eine schwere Beschädigung mühelos erkennbar wird, während das Gefäß ansonsten in keiner Weise verändert ist.
- Günstig ist es, wenn der beschädigungsanzeigende Werkstoff des Gefäßes ein druckfestes Material umfaßt, bei dem es sich um einen starren Schaumstoff handeln kann. Weiterhin ist es günstig, wenn das Gefäß länglich ist und mindestens ein halbkugelförmiges Ende hat und der beschädigungsanzeigende Werkstoff nur in einem Endbereich in den Außenmantel integriert ist. Dieser begrenzte Bereich ist immer noch recht wirksam, da ein solches längliches Gefäß beim Herunterfallen normalerweise auf einem seiner Enden aufkommt und/oder zwischen den Enden hin- und herfedert.
- Praktisch ist es ebenfalls, wenn die gegebene Dicke des Außenmantels eine geringe Dicke des Außenmantels umfaßt, und wenn ein Hauptdicke des Außenmantels im Innern des beschädigungsanzeigenden Werkstoffs integriert ist. Die geringe Dicke und der beschädigungsanzeigende Werkstoff sind nach Einwirkung einer gegebenen Kraft von außen, die möglicherweise nicht ausreicht, um die Hauptdicke des Außenmantels zu beeinträchtigen, physisch veränderbar. Im Außenmantel, der allgemein an der Innenfläche anliegt, kann eine weitgehend fluidundurchlässige Einlage vorgesehen sein.
- Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun eine ihrer Ausführungsformen als Beispiel beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- Fig. 1 eine Seitenansicht eines typischen länglichen Druckgefäßes ist, bei dem die Erfindung angewandt werden kann; und
- Fig. 2 ein fragmentarischer Achsschnitt durch ein Ende eines solchen Druckgefäßes mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist.
- In Fig. 1 ist ein typisches Druckgefäß, allgemein mit 10 gekennzeichnet, zum Aufnehmen von Fluiden oder dergleichen abgebildet. Das Gefäß ist recht langgestreckt und weist einen Hauptkörperabschnitt 12 mit allgemein zylindrischem Aufbau und ein Paar weitgehend halbkugelförmige Endabschnitte 14 auf. An einem Ende oder an beiden Enden des Gefäßes kann ein runder Vorsprung 16 vorgesehen sein, der mit dem Innern des Gefäßes in Verbindung steht. Die Außenseite des Gefäßes wird von einem Verbundstoff-Außenmantel, allgemein mit 18 gekennzeichnet, gebildet. Mit "Verbundstoff" ist ein glasfaserverstärktes Harzgrundmaterial gemeint, z. B. aus gewickelten Fasern oder laminiert.
- Fig. 1 zeigt einen Achsschnitt durch ein halbkugelförmiges Ende 14 des Druckgefäßes, wie beispielsweise entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist das Druckgefäß aus Fig. 2 einen Außenmantel 18 und einen runden Vorsprung 16 sowie eine Innenlage 20 mit weitgehend halbkugelförmigem Endabschnitt 22 mit einer Öffnung 24 auf, die zu einer Öffnung 26 im Außenmantel 18 ausgerichtet ist. Der runde Vorsprung 16 ist innerhalb der ausgerichteten Öffnungen angeordnet und umfaßt einen Halsabschnitt 28 und einen radial nach außen hervorstehenden Flanschabschnitt 30. Der runde Vorsprung 32 bildet ein Mundloch 32, durch das unter hohem Druck stehendes Fluid mit dem Innern des Druckgefäßes 10 in Verbindung gebracht werden kann. Um die Öffnung 24 herum befindet sich in der Innenlage 20 eine aus zwei Schichten bestehende Lippe mit einem äußeren Lippensegment 34 und einem inneren Lippensegment 36, zwischen denen eine ringförmige Vertiefung 38 zum Aufnehmen des Flanschabschnitts 30 des runden Vorsprungs 16 gebildet wird. Zum Verankern der Innenlage 20 und des runden Vorsprungs 16 miteinander ist eine Keilzinken-Verriegelungseinrichtung 40 zwischen dem Flanschabschnitt 30 und dem inneren und dem äußeren Lippensegment 34 und 36 vorgesehen.
- Bei dem Außenmantel 18 handelt es sich um einen Verbundstoffmantel, der aus einem weitgehend starren Werkstoff mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt wird, z. B. ein faserverstärktes Material in einer Harzgrundmasse. Bei den Fasern kann es sich um ein Glasfaser-, ARAMID-, Kohle-, Graphit- oder jedes beliebige andere allgemein bekannte Faser-Verstärkungsmaterial handeln. Die Harzgrundmasse kann Epoxid-, Polyester-, Vinylester-, thermoplastisches oder jedes andere geeignete Harz sein, das die Eigenschaften aufweist, die für die jeweilige Anwendung des Gefäßes erforderlich sind.
- Die Innenlage 20 ist eine allgemein fluidundurchlässige, flexible Lage, die an der Innenseite im Außenmantel 18 angeordnet ist. Sie kann aus Kunststoff- oder anderen Polymeren bestehen und durch Druckformung, Blasformung, Spritzguß oder ein beliebiges anderes allgemein bekanntes Verfahren hergestellt werden. Der runde Vorsprung 16 kann aus einer Aluminiumlegierung, Stahl, Nickel oder Titan zusammengesetzt sein, wenngleich natürlich auch andere Metall- und Nichtmetallwerkstoffe, z. B. Verbundwerkstoffe, geeignet sind.
- Wie zu Beginn ausgeführt, betrifft die vorliegende Erfindung ein beschädigungsanzeigendes System, wobei ein Material derart in dem Druckgefäß enthalten ist, daß eine mögliche Beschädigung der Gefäßkonstruktion minimiert und erkannt werden kann. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das Einfügen eines derartigen beschädigungsanzeigenden Materials oder Elementes in den Verbundstoffmantel 18 des Druckgefäßes 10, welches sich bei einem örtlich begrenzten Aufprall verformt.
- Die bevorzugte Ausführungsform sieht ein Material bzw. Element vor, das direkt in die Verbundstruktur des Gefäßes integriert wird.
- Wie konkret aus Fig. 2 hervorgeht, wird ein beschädigungsanzeigender Werkstoff bzw. ein solches Element 50 außerhalb einer primären Verbundstruktur 52 und innerhalb einer äußeren Struktur 54 integriert. Die primäre Verbundstruktur 52 kann als eine Hauptdicke des Mantels 18 und die äußere Verbundstruktur als kleine Dicke des Mantels 18 betrachtet werden. Die Schraffierung in den Zeichnungen unterscheidet die Hauptdicke 52 und die geringe Dicke 54 als separate bauliche bzw. Schichtkomponenten. Allerdings ist in der Praxis der Außenmantel 18 jenseits der Enden 50a des beschädigungsanzeigenden Werkstoffs meist homogen aufgebaut. Wenn z. B. der Mantel 18 aus gewickeltem Faserverbundstoff hergestellt ist, dann würde eine geringe Dicke der Windungen eine geringe Dicke 54 außerhalb des beschädigungsanzeigenden Werkstoffs 50 umfassen, wohingegen der Mantel jenseits der Enden des beschädigungsanzeigenden Werkstoffs ein homogen ausgehärtetes Gefüge sein würde, das sich einfach von der Hauptdicke 52 fortsetzt. Ähnlich ist es, wenn der Mantel aus Faserstoffschichten in einer Grundmasse aufgebaut ist. Auch hierbei würde außen von dem beschädigungsanzeigenden Werkstoff einfach eine dünnere Schicht des Verbundstoffes vorliegen als innen von ihm, wobei der Mantel jenseits der Begrenzungen des beschädigungsanzeigenden Werkstoffs homogen ausgehärtet wäre. Wenn der Mantel aus einem Faserverbundstoff geformt oder gegossen ist, treffen dieselben strukturellen Eigenschaften zu. Bei der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das beschädigungsanzeigende Material bzw. Element 50 ein starrer, geschlossenzelliger Schaumstoff, beispielsweise Polyurethan-Strukturschaum. Das beschädigungsanzeigende Material bzw. Element kann aber auch aus einer Vielzahl verschiedener anderer Werkstoffe hergestellt werden, zu denen u. a. (aber nicht ausschließlich) Thermoplaste, wärmehartbare Kunststoffe, organische oder anorganische Fasern, Gummi, Metalle, Papier, Glas, offen- oder geschlossenzellige Schaumstoffe, gewebte oder lose Faserbäusche, vorgefertigte Kernstrukturen, z. B. Wabenformen und dergleichen gehören. All diesen Werkstoffen, einschließlich des bevorzugten starren Schaumstoffs, ist gemeinsam, daß sie sich unter örtlich begrenzter Beanspruchung verformen oder eindrücken lassen. Darüber hinaus sind alle Werkstoffe ungeachtet dessen, ob sie nun wieder ihre ursprüngliche Form annehmen oder dauerhaft verformbar sind, nach Einwirkung einer bestimmten Kraft von außen physisch veränderbar.
- Nachdem das Gefäß 10 aus Fig. 2 einer gegebenen Stoßkraft in Pfeilrichtung "A" ausgesetzt wurde, wird die geringe Dicke 54 des Mantels 18 und das beschädigungsanzeigende Material 50 zusammengedrückt bzw. nach innen verformt. Dadurch bleibt eine Delle, Perforation, ein Riß oder eine Verfärbung auf der Außenfläche des Gefäßes zurück und gibt einem Beobachter einen sichtbaren Hinweis darauf, daß möglicherweise ein struktureller Schaden im Innern des Gefäßes vorliegt. Selbst wenn es sich bei dem beschädigungsanzeigenden Material 50 um ein Material handelt, das wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann, wie z. B. Gummi oder ein ähnliches Elastomer, verformt sich die äußere Dicke 54 und zeigt einen potentiellen Schaden sichtbar an. Danach kann das Gefäß entsorgt oder auf eine tatsächliche Beschädigung hin untersucht werden. Damit hat das Material 50 seine beschädigungsanzeigende Funktion erfüllt.
- Es wurde bereits angeführt, daß die innere Dicke 52 eine "Haupt"-Dicke und die äußere Dicke 54 eine "geringe" Dicke ist. Diese relativen Dicken erweisen sich als günstig, wenn gewünscht wird, daß nach einer bestimmten örtlich begrenzten Beanspruchung bzw. Stoßeinwirkung, die nicht groß genug ist, um die Hauptdicke des Verbundstoffmantels tatsächlich zu beschädigen, das Gefäßäußere eine "Delle" aufweist oder eingedrückt wird. Folglich wird dieses Verhältnis bevorzugt, wenn es darum geht, das Einwirken eines Stoßes auf das Gefäß immer dann mühelos zu erkennen, wenn das Gefäß mit einer bestimmten Substanz gefüllt ist. Das Gefäß sollte unbedingt genauer untersucht werden, um die Sicherheit bei Einwirkung von Stößen auf das Gefäß einschätzen zu können. Allerdings stellt dieses Verhältnis der Dicken zueinander keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar.
- Darüber hinaus kann das beschädigungsanzeigende Material bzw. Element 50 wie in Fig. 2 auf das Ende oder die Enden eines Gefäßes beschränkt sein oder aber einen beliebigen anderen Teil des Gefäßes oder das gesamte Gefäß bedecken. In der vorliegenden Darstellung befindet es sich nur im Gefäßende, weil das Gefäß 10 eine beträchtliche Länge hat und beim Herunterfallen stets an seinen Enden aufkommt. Es ist denkbar, daß das beschädigungsanzeigende Element eine veränderliche oder gleichmäßige Dicke und Dichte hat und seine Eigenschaften auf der gesamten Oberfläche des Gefäßes gleich sind oder variieren.
- Bei der bevorzugten Ausführungsform befinden sich Verbundstoffschichten auf dem beschädigungsanzeigenden Element 50, die wie oben beschrieben einen Außenmantel bzw. die Außendicke 54 über dem beschädigungsanzeigenden Element bilden. Dadurch wird das beschädigungsanzeigende Element vollständig in die bauliche Hülle des Gefäßes integriert, was einen Gefäßaufbau entstehen läßt, der von außen wie ein konventionell konstruiertes Verbundstoff-Druckgefäß aussieht. Der Außenmantel bietet Schutz vor geringen Stoßeinwirkungen, Einschnitten, Abrieb, chemischen Einwirkungen, örtlich begrenzter Erhitzung, Verwitterung und einem Qualitätsverlust durch ultraviolette Strahlung.
- Insgesamt schafft das erfindungsgemäße beschädigungsanzeigende System eine Vorrichtung, mit der die Beständigkeit gegenüber Beschädigungen erhöht und zugleich angezeigt wird, wenn das Gefäß einer Umgebung ausgesetzt war, in der es beschädigt wurde. Eine örtlich begrenzte Stoßeinwirkung, wie beispielsweise beim Herunterfallen oder Aufschlagen des Gefäßes, ruft eine örtlich begrenzte Verformung des Außenmantels 54 bzw. der Gefäßoberfläche hervor. Dabei verformt sich das beschädigungsanzeigende Material 50 bzw. es wird unter dem Aufschlagpunkt zusammengedrückt, um dadurch die Stoßenergie zu absorbieren, die Höchstbelastung abzuschwächen und die entstandene Beanspruchung auf eine größere Fläche zu verteilen. Somit hat das beschädigungsanzeigende Element eine Schutzfunktion, speziell bei Werkstoffen, wie starren Schäumen oder wabenformigen Strukturen. Diese sichtbaren dauerhaften Auswirkungen eines Aufpralls außen am Mantel können Dellen, Perforationen, Risse oder Verfärbungen sein. Dabei kann die Außendicke 54 so beschaffen sein, daß sie Aufschluß über verschiedene Tiefen der Stoßeinwirkung gibt. Stöße, die keine schwerwiegende Beschädigung an der Außendicke des Mantels nach sich ziehen, können keine permanenten Anzeichen in der äußeren geringen Dicke hinterlassen. Demgegenüber können schwere Schläge, die Schäden an der Hauptdicke der Konstruktion hervorrufen, durchaus permanent sichtbare Anzeichen an der Außendicke oder an der geringen Dicke zurücklassen.
Claims (6)
1. Allgemein hohles Gefäß (10) aus einem Verbundwerkstoff, wobei das Gefäß
(10) einen Außenmantel (18) aus einem Faserverbundwerkstoff aufweist, wobei eine
bestimmte Dicke (54) des Außenmantels außerhalb eines
beschädigungsanzeigenden Werkstoffs (50) vorgesehen ist, wobei die gegebene Dicke (54) des
Außenmantels (18) und der beschädigungsanzeigende Werkstoff (50) nach Stoßeinwirkung
durch eine bestimmte Kraft von außen verformbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenmantel (18) aus einem homogenen Faserverbundwerkstoff hergestellt
ist, in dem der beschädigungsanzeigende Werkstoff (50) eingeschlossen ist, so daß
er vollständig von dem Außenmantel (18) umgeben ist.
2. Gefäß nach Anspruch 1, wobei der beschädigungsanzeigende Werkstoff (50)
ein druckfestes Material umfaßt.
3. Gefäß nach Anspruch 1 oder 2, wobei der beschädigungsanzeigende
Werkstoff (5) einen starren Schaumstoff umfaßt.
4. Gefäß nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gefäß (10)
länglich ist und mindestens ein halbkugelförmiges Ende (14) aufweist, und wobei der
beschädigungsanzeigende Werkstoff (50) lediglich im Bereich des Endes (14) in den
Außenmantel (18) integriert ist.
5. Gefäß nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gefäß (10) eine
allgemein fluidundurchlässige Innenlage (20) aufweist, die allgemein an der
Innenfläche des Außenmantels vorgesehen ist.
6. Gefäß nach einem vorangehenden Ansprüche, wobei die gegebene Dicke
(54) eine kleinere Dicke des Mantels (18) umfaßt und eine größere Dicke (52) des
Mantels (18) im Innern des beschädigungsanzeigenden Werkstoffs aufweist.
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