一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 1128151 A(43)申请公布日 2021.04.13

(21)申请号 202011462653.3(22)申请日 2020.12.14

(71)申请人 陕西中科启航科技有限公司

地址 712000 陕西省咸阳市秦都区高新一

路1号(72)发明人 梁伟林　代正创　张玥　(74)专利代理机构 武汉诚儒知识产权代理事务

所(普通合伙) 42265

代理人 刘天钰(51)Int.Cl.

F03D 17/00(2016.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图5页

(54)发明名称

一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法(57)摘要

本发明提供了一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，在轮毂腹板安装高精度测距传感器，实时监测叶根螺栓端部、螺母和叶根法兰分别与高精度测距传感器之间的距离，采集仪实时采集高精度测距传感器监测到的距离值，风机主控实时读取采集仪采集到的距离值并上传至风场中控服务器，风场中控服务器根据高精度测距传感器监测到的距离值判断叶根螺栓情况。本发明提供的一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，通过监测风力发电机组叶根螺栓端部、螺母、法兰分别与测距传感器探头之间的距离来判断判断叶根螺栓是否断裂或严重松动，能够全面监测叶根螺栓断裂或严重松动的情况，实现故障报警，具有工艺简单，成本低，精度高、可靠性高的特点。

CN 1128151 ACN 1128151 A

权　利　要　求　书

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1.一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，其特征在于包括以下过程：(1)将一组高精度测距传感器安装于轮毂腹板，高精度测距传感器的数目至少为4个，各高精度测距传感器安装位置应在与叶根法兰平行的平面上，且各高精度测距传感器以轮毂腹板的圆心为圆心周向均匀分布，高精度测距传感器安装位置所在圆圆心与叶根法兰连接螺栓安装位置所在圆圆心的连线应垂直于叶根法兰平面，高精度测距传感器的探头指向叶根螺栓的端面、螺母表面或无螺栓螺母位置的法兰表面；

(2)测量获得叶根螺栓处于正常状况下的以下基准值：设叶根法兰上安装的叶根螺栓的数目为N，在变桨过程中，叶根螺栓随叶根法兰转动，叶根法兰每转动360°/N，叶根螺栓端部与高精度测距传感器之间的距离——记为第一标准距离值L1；

用于固定叶根螺栓的螺母表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第二标准距离值L2；

叶根法兰表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第三标准距离值L3；在变桨角度360°/N的过程中，高精度测距传感器扫描螺栓对应的变桨角度——记为第一标准变桨角度β1，

其中R1表示叶根螺栓的半径，R0表示叶根

螺栓安装位置所在圆的半径，Δβ1表示由于叶根螺栓制造和安装造成的角度偏差值；高精度测距传感器扫描半个螺母过程对应的变桨角度——记为第二标准变桨角度β2，

其中S1表示螺母相对面距离，Δβ2表示螺母

制造安装以及由于螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值，E1表示螺母对角边距离；扫描叶根法兰表面过程对应的变桨角度——记为第三标准变桨角度β3，

其中D1表示叶根螺栓安装位置所在圆上相邻螺母的最近两点

之间的直线距离，Δβ3表示考虑螺母制造安装以及由于螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值；

(3)采集仪实时采集高精度测距传感器监测到的叶根螺栓端部与高精度测距传感器之间的距离——记为第一测量距离值L1′、螺母表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第二测量距离值L2′，以及叶根法兰表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第三测量距离值L3′；风机主控实时读取采集仪采集到的距离值并上传至风场中控服务器；

(4)风场中控服务器根据高精度测距传感器监测到的距离值判断叶根螺栓情况。2.根据权利要求1所述的风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，其特征在于：步骤(2)所述的角度偏差值Δβ2中，因螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值范围为

3.根据权利要求1所述的风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，其特征在于：步骤(2)所述的角度偏差值Δβ3中，因螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值范围为

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权　利　要　求　书

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4.根据权利要求1所述的风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，其特征在于：步骤(4)所述风场中控服务器根据高精度测距传感器监测到的距离值判断叶根螺栓情况，具体包括以下情形：

a、若在变桨过程中，高精度测距传感器周期性地依次检测到第一测量距离值L1′、第二测量距离值L2′和第三测量距离值L3′，并且L1′＝L1，L2′＝L2，L3′＝L3，其中检测到第一测量距离值L1′时对应的变桨角度为第一标准变桨角度β1，检测到第二量距离值L2′时对应的变桨角度为第二标准变桨角度β2，检测到第三量距离值L3′时对应的变桨角度为第三标准变桨角度β3，则说明叶根螺栓状态正常；

b、若在变桨过程中，第一标准变桨角度β1范围内检测到第一测量距离值L1′，且L1′＜L1，第一测量距离值L1′与第一标准距离值L1之间的偏差超过第一预设值ΔL1，则说明当前叶根螺栓出现了断裂或严重松动问题，但并未脱落；

c、若在变桨过程中，第二标准变桨角度β2范围内检测到第二测量距离值L2′，且L2′＜L2，第二测量距离值L2′与第二标准距离值L2之间的偏差超过第二预设值ΔL2，则说明当前叶根螺栓出现了断裂或严重松动问题，但并未脱落；

d、若在变桨过程中，第一标准变桨角度β1范围内检测到第一测量距离值L1′，L1′＞L3，第一测量距离值L1′与第三标准距离值L3之间的偏差超过第三预设值ΔL3，则说明当前叶根螺栓已断裂脱落；

e、若在变桨过程中，第二标准变桨角度β2范围内检测到第二测量距离值L2′，并且L2′≥L3，则说明当前螺母已脱落。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，其特征在于：风机主控将实时读取的距离值和判断结果数据进行存储，并根据判断结果生成监测报告予以显示和报警。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，其特征在于：高精度测距传感器通过固定支架安装于轮毂腹板。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，其特征在于：固定支架采用Z形支架，Z形支架由第一阶梯平板、第二阶梯平板以及连接第一阶梯平板和第二阶梯平板的竖直连接板组成，第一阶梯平板设有传感器安装孔，高精度测距传感器通过螺母固定安装于传感器安装孔中，第二阶梯平板设有一组腹板连接孔，轮毂腹板开设有与腹板连接孔位置对应的支架安装孔以及与高精度测距传感器位置对应的预留监测孔，Z形支架通过依次安装于腹板连接孔和支架安装孔的螺栓固定于轮毂腹板，高精度测距传感器的探头通过预留检测孔测距。

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一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法

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技术领域

[0001]本发明涉及一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，属于风力发电机组法兰连接螺栓监测技术领域。

背景技术

[0002]目前叶片根部和轮毂之间的连接一般是通过预埋叶根高强螺栓连接。法兰连接结构中的螺栓在交变载荷作用下，承受拉、压循环作用。在拉、压交变载荷作用下，螺纹发生塑性变形而导致螺栓断裂或严重松动，从而影响机组正常运行，严重时甚至会导致叶片掉落、塔筒倒塌等事故，给风电企业带来极大的经济损失。

[0003]现有的风力发电机组叶根螺栓断裂判定主要采用以下几种方式：[0004]现有技术方案一：采用接近传感器，传感器探头指向螺栓、且与法兰面平行，当螺栓断裂脱落时，接近传感器可检测到原螺栓安装处出现空位，判断出现螺栓断裂问题。但当螺栓断裂或严重松动，却未完全脱落时，接近传感器无法检查出异常情况，存在漏报隐患。[0005]现有技术方案二：采用钢丝绳、卡簧将法兰上的所有螺栓连接起来，当出现螺栓断裂问题时，在螺栓重力作用下会导致钢丝绳断裂，与钢丝绳相连的传感器发出报警信号。但该技术方案需要在每个螺栓上安装卡簧，工艺复杂，施工时间成本高，且钢丝绳抗断裂强度较难控制，可能出现螺栓断裂，但钢丝绳不断裂，无法报警的情况，监测不准确。发明内容

[0006]为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，通过监测风力发电机组叶根螺栓端部、螺母、法兰分别与测距传感器探头之间的距离来判断判断叶根螺栓是否断裂或严重松动，能够全面监测叶根螺栓断裂或严重松动的情况，实现故障报警，具有工艺简单，成本低，精度高、可靠性高的特点。[0007]本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，包括以下过程：[0008](1)将一组高精度测距传感器安装于轮毂腹板，高精度测距传感器的数目至少为4个，各高精度测距传感器安装位置应在与叶根法兰平行的平面上，且各高精度测距传感器以轮毂腹板的圆心为圆心周向均匀分布，高精度测距传感器安装位置所在圆圆心与叶根法兰连接螺栓安装位置所在圆圆心的连线应垂直于叶根法兰平面，高精度测距传感器的探头指向叶根螺栓的端面、螺母表面或无螺栓螺母位置的法兰表面；[0009](2)测量获得叶根螺栓处于正常状况下的以下基准值：[0010]设叶根法兰上安装的叶根螺栓的数目为N，在变桨过程中，叶根螺栓随叶根法兰转动，叶根法兰每转动360°/N，叶根螺栓端部与高精度测距传感器之间的距离——记为第一标准距离值L1；[0011]用于固定叶根螺栓的螺母表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第二标准距离值L2；

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CN 1128151 A[0012][0013]

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叶根法兰表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第三标准距离值L3；在变桨角度360°/N的过程中，高精度测距传感器扫描螺栓对应的变桨角度——记

其中R1表示叶根螺栓的半径，R0表示

为第一标准变桨角度β1，

叶根螺栓安装位置所在圆的半径，Δβ1表示由于叶根螺栓制造和安装造成的角度偏差值；

[0014]高精度测距传感器扫描半个螺母过程对应的变桨角度——记为第二标准变桨角度β2，

其中S1表示螺母相对面距离，Δβ2表

示螺母制造安装以及由于螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值，E1表示螺母对角边距离；[0015]扫描叶根法兰表面过程对应的变桨角度——记为第三标准变桨角度β3，

其中D1表示叶根螺栓安装位置所在圆上相邻螺母的最近两点

之间的直线距离，Δβ3表示考虑螺母制造安装以及由于螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值；[0016](3)采集仪实时采集高精度测距传感器监测到的叶根螺栓端部与高精度测距传感器之间的距离——记为第一测量距离值L1′、螺母表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第二测量距离值L2′，以及叶根法兰表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第三测量距离值L3′；风机主控实时读取采集仪采集到的距离值并上传至风场中控服务器；[0017](4)风场中控服务器根据高精度测距传感器监测到的距离值判断叶根螺栓情况。[0018]步骤(2)所述的角度偏差值Δβ2中，因螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值范围为

[0019]

步骤(2)所述的角度偏差值Δβ3中，因螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值

范围为

骤(4)所述风场中控服务器根据高精度测距传感器监测到的距离值判断叶根螺栓情况，具体包括以下情形：[0021]a、若在变桨过程中，高精度测距传感器周期性地依次检测到第一测量距离值L1′、第二测量距离值L2′和第三测量距离值L3′，并且L1′＝L1，L2′＝L2，L3′＝L3，其中检测到第一测量距离值L1′时对应的变桨角度为第一标准变桨角度β1，检测到第二量距离值L2′时对应的变桨角度为第二标准变桨角度β2，检测到第三量距离值L3′时对应的变桨角度为第三标准变桨角度β3，则说明叶根螺栓状态正常；[0022]b、若在变桨过程中，第一标准变桨角度β1范围内检测到第一测量距离值L1′，且L1′＜L1，第一测量距离值L1′与第一标准距离值L1之间的偏差超过第一预设值ΔL1，则说明当前叶根螺栓出现了断裂或严重松动问题，但并未脱落；[0023]c、若在变桨过程中，第二标准变桨角度β2范围内检测到第二测量距离值L2′，且L2′＜L2，第二测量距离值L2′与第二标准距离值L2之间的偏差超过第二预设值ΔL2，则说

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[0020]

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明当前叶根螺栓出现了断裂或严重松动问题，但并未脱落；[0024]d、若在变桨过程中，第一标准变桨角度β1范围内检测到第一测量距离值L1′，L1′＞L3，第一测量距离值L1′与第三标准距离值L3之间的偏差超过第三预设值ΔL3，则说明当前叶根螺栓已断裂脱落；[0025]e、若在变桨过程中，第二标准变桨角度β2范围内检测到第二测量距离值L2′，并且L2′≥L3，则说明当前螺母已脱落。

[0026]风机主控将实时读取的距离值和判断结果数据进行存储，并根据判断结果生成监测报告予以显示和报警。

[0027]高精度测距传感器通过固定支架安装于轮毂腹板。[0028]固定支架采用Z形支架，Z形支架由第一阶梯平板、第二阶梯平板以及连接第一阶梯平板和第二阶梯平板的竖直连接板组成，第一阶梯平板设有传感器安装孔，高精度测距传感器通过螺母固定安装于传感器安装孔中，第二阶梯平板设有一组腹板连接孔，轮毂腹板开设有与腹板连接孔位置对应的支架安装孔以及与高精度测距传感器位置对应的预留监测孔，Z形支架通过依次安装于腹板连接孔和支架安装孔的螺栓固定于轮毂腹板，高精度测距传感器的探头通过预留检测孔测距。

[0029]本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

[0030]本发明提供的一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法利用叶根螺栓通过螺母固定在法兰上的连接结构特点，在法兰上无叶根螺栓的位置，高精度测距传感器检测到的是法兰表面与高精度测距传感器探头之间的距离；叶根螺栓未松动时，在叶根螺栓安装位置，高精度测距传感器检测到的是叶根螺栓的端部、螺母表面与探头之间的正常距离；当叶根螺栓出现断裂而伸出但未脱落时或因严重松动而伸出时，高精度测距传感器探头与叶根螺栓端部、螺母表面之间的距离会明显缩短；当叶根螺栓断裂并脱落后，高精度测距传感器探头与原本叶根螺栓安装点之间的距离会明显增加。利用该原理，通过监测风力发电机组叶根螺栓、螺母、法兰分别与测距传感器探头之间的距离，来判断判断叶根螺栓的状态。[0031]本发明可准确判断出叶根螺栓的三种连接状态：(1)叶根螺栓连接正常；(2)叶根螺栓出现了断裂或严重松动问题，但并未脱落；(3)叶根螺栓已断裂脱落。本发明能够实时监测叶根螺栓断裂或严重松动的情况，实现故障报警，具有工艺简单，成本低，精度高、可靠性高的特点。由采集仪实时采集每个传感器探头与叶根法兰连接螺栓安装位置所在圆之间的距离，通过风机主控读取采集仪收集到的传感器数据，实现整台风电机组三个叶根法兰连接螺栓状态监测的数据采集，风机主控将数据上传至风场中控服务器，实现数据存储、分析、报警、显示、生成监测报告的目的。本发明可实现对整台机组轮毂三个叶根法兰连接螺栓是否断裂或严重松动的全面、全方位在线监测，对于超出设定阈值的机组能够给予实施安全控制策略，从而保证风力发电机组的安全可靠运行。附图说明

[0032]图1是高精度测距传感器及固定支架示意图；[0033]图2为高精度测距传感器及安装位置侧视图；[0034]图3为高精度测距传感器及安装位置俯视图；

[0035]图4为高精度测距传感器安装在轮毂腹板背面的示意图；

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图5为轮毂腹板监测孔示意图；

[0037]图6为无螺栓断裂或严重松动时，测量到的三种距离值示意图。[0038]图7为螺母俯视结构示意图。[0039]图8是螺母侧视结构示意图。

[0040]图9是螺栓状态正常时输出的随变桨角度变化的距离变化关系示意图。[0041]图中：1‑高精度测距传感器，2‑固定支架，3‑螺栓，4‑叶根螺栓，5‑轮毂，6‑叶根回转支承，7‑叶根主体，8‑轮毂腹板，9‑叶根法兰。

具体实施方式

[0042]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0043]本发明提供了一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，参照图1至图9，包括以下过程：[0044](1)风电机组的叶片根部包括叶根主体7、叶根回转支承6和轮毂5，轮毂内部设有轮毂腹板8，将一组高精度测距传感器1安装于轮毂腹板，高精度测距传感器的数目为n，高精度测距传感器以轮毂腹板的圆心为圆心周向均匀分布，高精度测距传感器的探头指向叶根螺栓4的端面；[0045](2)测量获得叶根螺栓处于正常状况下的以下基准值：[0046]设叶根法兰9上安装的叶根螺栓的数目为N，在变桨过程中，叶根螺栓随叶根法兰转动，叶根法兰每转动360°/N，叶根螺栓端部与高精度测距传感器之间的距离——记为第一标准距离值L1；[0047]用于固定叶根螺栓的螺母表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第二标准距离值L2；

[0048]叶根法兰表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第三标准距离值L3；[0049]在变桨角度360°/N的过程中，高精度测距传感器扫描螺栓对应的变桨角度——记为第一标准变桨角度β1，

其中R1表示叶根螺栓的半径，R0表示

叶根螺栓安装位置所在圆的半径，Δβ1表示由于叶根螺栓制造和安装造成的角度偏差值；[0050]高精度测距传感器扫描半个螺母过程对应的变桨角度——记为第二标准变桨角度β2，

其中S1表示螺母相对面距离，Δβ2表示

螺母制造安装以及由于螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值，因螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值范围为离；

[0051]

E1表示螺母对角边距

扫描叶根法兰表面过程对应的变桨角度——记为第三标准变桨角度β3，

其中D1表示叶根螺栓安装位置所在圆上相邻螺母的最近两点

之间的直线距离，Δβ3表示考虑螺母制造安装以及由于螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值，因螺母呈六角形且E1＞S1造成的角度偏差值范围为

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(3)采集仪实时采集高精度测距传感器监测到的叶根螺栓端部与高精度测距传感

器之间的距离——记为第一测量距离值L1′、螺母表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第二测量距离值L2′，以及叶根法兰表面与高精度测距传感器之间的距离——记为第三测量距离值L3′；风机主控实时读取采集仪采集到的距离值并上传至风场中控服务器；[0053](4)风场中控服务器根据高精度测距传感器监测到的距离值判断叶根螺栓情况：[0054]a、若在变桨过程中，高精度测距传感器周期性地依次检测到第一测量距离值L1′、第二测量距离值L2′和第三测量距离值L3′，并且L1′＝L1，L2′＝L2，L3′＝L3，其中检测到第一测量距离值L1′时对应的变桨角度为第一标准变桨角度β1，检测到第二量距离值L2′时对应的变桨角度为第二标准变桨角度β2，检测到第三量距离值L3′时对应的变桨角度为第三标准变桨角度β3，则说明叶根螺栓状态正常；[0055]b、若在变桨过程中，第一标准变桨角度β1范围内检测到第一测量距离值L1′，且L1′＜L1，第一测量距离值L1′与第一标准距离值L1之间的偏差超过第一预设值ΔL1，则说明当前叶根螺栓出现了断裂或严重松动问题，但并未脱落；[0056]c、若在变桨过程中，第二标准变桨角度β2范围内检测到第二测量距离值L2′，且L2′＜L2，第二测量距离值L2′与第二标准距离值L2之间的偏差超过第二预设值ΔL2，则说明当前叶根螺栓出现了断裂或严重松动问题，但并未脱落；[0057]d、若在变桨过程中，第一标准变桨角度β1范围内检测到第一测量距离值L1′，L1′＞L3，第一测量距离值L1′与第三标准距离值L3之间的偏差超过第三预设值ΔL3，则说明当前叶根螺栓已断裂脱落；[0058]e、第二标准变桨角度β2范围内检测到第二测量距离值L2′，并且若在变桨过程中，L2′≥L3，则说明当前螺母已脱落。[0059]第一预设值ΔL1、第二预设值ΔL2、第三预设值ΔL3可根据螺栓大小、安装预留长度、法兰表面精度等具体情况进行设置。[0060]叶片变桨角度一般在90°多一点，即最大转动角度90°多一点，所以至少使用4个传感器本实施例中。本实施例中，n＝4，若变桨角度转360°/n，则一组高精度测距传感器完成1/n圈叶根螺栓的监测，当变桨角度不小于90°时，只需4个传感器即可完成对一圈螺栓的监测。

[0061]风机主控将实时读取的距离值和判断结果数据进行存储，并根据判断结果生成监测报告予以显示和报警。

[0062]高精度测距传感器通过固定支架2安装于轮毂腹板。[0063]固定支架采用Z形支架，Z形支架由第一阶梯平板、第二阶梯平板以及连接第一阶

第一阶梯平板设有传感器安装孔，高精度测距梯平板和第二阶梯平板的竖直连接板组成，

传感器通过螺母固定安装于传感器安装孔中，第二阶梯平板设有一组腹板连接孔，轮毂腹板开设有与腹板连接孔位置对应的支架安装孔以及与高精度测距传感器位置对应的预留监测孔，Z形支架通过依次安装于腹板连接孔和支架安装孔的螺栓3固定于轮毂腹板，高精度测距传感器的探头通过预留检测孔测距。

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本申请提供的一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法还可进行变换应用于其

他旋转部件的螺栓检测工作，例如应用于风力发电机组主轴螺栓断裂检测，仅需一个高精度测距传感器即可完成。由于主轴的螺栓头位于机体外部，不设置螺母，可对螺母相关参数缺省设置为0，从而实现主轴螺栓断裂监测。

[0065]本发明提供的一种风力发电机组叶根螺栓断裂监测方法，通过监测风力发电机组叶根螺栓、螺母、法兰分别与测距传感器探头之间的距离来判断判断叶根螺栓是否断裂或严重松动，能够全面监测叶根螺栓断裂或严重松动的情况，实现故障报警，具有工艺简单，成本低，精度高、可靠性高的特点。

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