覃楚東,賀石中,龐晉山,張馳,陶輝
(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司設(shè)備潤(rùn)滑與檢測(cè)研究所,廣東 廣州 510000)
吊機(jī)是海上平臺(tái)與外界聯(lián)系的“橋梁”,也是海洋工程和海洋油氣開(kāi)發(fā)工程的重要裝備之一[1]。吊機(jī)的主要作用是從供給船上起吊作業(yè)人員和貨物,或是對(duì)平臺(tái)內(nèi)的貨物進(jìn)行搬運(yùn)。海上平臺(tái)吊機(jī)的種類(lèi)繁多,主要包括定長(zhǎng)箱體式吊臂液壓缸變幅起重機(jī)、可伸縮箱體式吊臂液壓缸變幅起重機(jī)、基座式折疊吊臂起重機(jī)、主柱固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機(jī)、回轉(zhuǎn)支承固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機(jī)等五類(lèi)?;剞D(zhuǎn)支承固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機(jī),由于其額定載荷比較大,抗風(fēng)能力強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)更大的工作半徑,被廣泛運(yùn)用于海上平臺(tái)。由于平臺(tái)吊機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行工況復(fù)雜、承載狀況不穩(wěn)定、作業(yè)環(huán)境多變等特點(diǎn),對(duì)安全性和可靠性要求較高[2]。因此加強(qiáng)對(duì)海上平臺(tái)吊機(jī)的研究,保障吊機(jī)的安全運(yùn)行,對(duì)平臺(tái)的日常生產(chǎn)和生活具有重要意義。
李記忠等[3]研究了吊機(jī)底座的受力形式并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了校核,分析了吊機(jī)底座高度、吊機(jī)工作半徑和吊重三個(gè)參數(shù)變化對(duì)底座強(qiáng)度、剛度及疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律。吳铦敏等[4-6]用有限元方法分析了吊機(jī)在不同載荷下的受力薄弱點(diǎn),并計(jì)算和預(yù)測(cè)了吊機(jī)的剩余疲勞壽命。賀啟昌等[7]分析了平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)溜鉤情況,找出了故障原因并加以排除,減低了吊裝作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)。王寧等[8-9]通過(guò)對(duì)吊機(jī)加裝監(jiān)控系統(tǒng)和改造液壓系統(tǒng),提高了吊機(jī)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和安全性。以上研究都是從吊機(jī)的受力分析或故障排除方面出發(fā),卻鮮有運(yùn)用油液監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)研究吊機(jī)的實(shí)際潤(rùn)滑磨損狀況及可靠性。
油液監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)機(jī)器的潤(rùn)滑油樣定期取樣檢測(cè),分析油品理化指標(biāo)和磨損指標(biāo)的變化情況,達(dá)到對(duì)機(jī)器故障有效診斷的目的[10]。本文通過(guò)分析某石油公司海上平臺(tái)吊機(jī)近六年來(lái)的油液監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),獲得吊機(jī)在潤(rùn)滑和磨損方面的主要故障特征。通過(guò)分析不同類(lèi)型故障產(chǎn)生的原因,給出相應(yīng)的建議措施,從而指導(dǎo)平臺(tái)吊機(jī)的日常監(jiān)測(cè)和維護(hù),提高吊機(jī)的運(yùn)行可靠性。
回轉(zhuǎn)支承固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件包括吊臂、三腳架、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、底座等。吊機(jī)的系統(tǒng)組成包括動(dòng)力系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。動(dòng)力系統(tǒng)為整個(gè)吊機(jī)的動(dòng)力來(lái)源,分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種,其中柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的吊機(jī)在海上平臺(tái)的運(yùn)用更加廣泛。起升系統(tǒng)包括主絞車(chē)系統(tǒng)和副絞車(chē)系統(tǒng),分別控制大鉤和小鉤的起升。
由于吊機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng),潤(rùn)滑點(diǎn)相對(duì)較多。而潤(rùn)滑管理和油液監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展,需要掌握每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的實(shí)際潤(rùn)滑和用油情況,從而指導(dǎo)設(shè)備的換油和運(yùn)行維保。根據(jù)本研究所對(duì)某石油公司在中國(guó)南海某平臺(tái)的調(diào)研結(jié)果,吊機(jī)的主要潤(rùn)滑點(diǎn)和用油情況如表1所示。
表1 吊機(jī)的主要潤(rùn)滑點(diǎn)和用油情況
由于不同部件的實(shí)際工況和重要性,實(shí)際進(jìn)行定期油液監(jiān)測(cè)的油品類(lèi)型主要有液壓油、柴油機(jī)油、齒輪油,分別對(duì)應(yīng)吊機(jī)的液壓系統(tǒng)、柴油機(jī)、齒輪箱。具體的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表2所示。
表2 吊機(jī)的油液監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
本文中所有的分析數(shù)據(jù),都是基于吊機(jī)設(shè)備實(shí)際的油液監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于送檢的潤(rùn)滑脂和鋼絲繩油數(shù)量非常少,且沒(méi)有進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),本文中不對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。
在某石油公司海上平臺(tái)近6年來(lái)的油液監(jiān)測(cè)中,共送檢吊機(jī)潤(rùn)滑油樣品422個(gè),其中液壓油樣76個(gè),柴油機(jī)油樣69個(gè),齒輪油樣277個(gè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,有114個(gè)樣品的監(jiān)測(cè)報(bào)告中結(jié)論為警告,需要檢查磨損、防水、防塵情況或做出換油處理。有134個(gè)樣品的監(jiān)測(cè)報(bào)告中結(jié)論為注意,需要引起重視或采取過(guò)濾脫水等措施。各項(xiàng)指標(biāo)均正常的樣品有174個(gè),吊機(jī)在用潤(rùn)滑油總體合格率為41.2%。吊機(jī)不同類(lèi)型的油液監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖1所示。
從圖1中可以看出,盡管海上環(huán)境惡劣,但油液的整體監(jiān)測(cè)結(jié)果較好。柴油機(jī)油的故障出現(xiàn)次數(shù)最少,齒輪油出現(xiàn)的故障次數(shù)最多。這與它們的實(shí)際工況有關(guān),柴油機(jī)發(fā)生磨損的情況較少,大多數(shù)故障由燃油泄漏造成。而齒輪箱由于其負(fù)載大等特點(diǎn),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常磨損的情況。
圖1 吊機(jī)油液監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)
黏度是油品牌號(hào)的劃分依據(jù),其源于液體的內(nèi)摩擦,表征摩擦副之間的油膜強(qiáng)度。對(duì)吊機(jī)的潤(rùn)滑油進(jìn)行黏度監(jiān)測(cè),可以實(shí)時(shí)獲取機(jī)組的潤(rùn)滑狀態(tài),并指導(dǎo)機(jī)組的換油和分析磨損情況。油品在使用過(guò)程中,黏度會(huì)因污染、氧化、劣化等原因升高或降低,也會(huì)因?yàn)槿粘>S保過(guò)程中加錯(cuò)油或補(bǔ)錯(cuò)油導(dǎo)致黏度的上升與下降。
在監(jiān)測(cè)期間,吊機(jī)的所有在用潤(rùn)滑油里面,黏度異常的樣品有33個(gè),約占總樣品數(shù)的7.8%。其中,黏度嚴(yán)重異常的樣品有21個(gè),約占總樣品數(shù)的5.0%。通過(guò)單獨(dú)分析不同類(lèi)型的油品,發(fā)現(xiàn)液壓油中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)黏度嚴(yán)重異常的樣品。柴油機(jī)油中有4個(gè)樣品的黏度嚴(yán)重異常,其中2個(gè)樣品是由水分污染引起,另外2個(gè)樣品是由燃油污染引起,因此建議檢查對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)在使用過(guò)程中的密封情況,避免被水和燃油污染。齒輪油中有17個(gè)樣品的黏度嚴(yán)重異常,均是由用錯(cuò)油或補(bǔ)錯(cuò)油引起的,因此建議現(xiàn)場(chǎng)制定詳細(xì)的設(shè)備潤(rùn)滑手冊(cè),詳細(xì)列舉每個(gè)設(shè)備和每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn),以及所需添加潤(rùn)滑油的具體牌號(hào)、加油量、加油工具等,避免油品錯(cuò)用和混用現(xiàn)象的出現(xiàn)。
酸值/堿值是判斷設(shè)備潤(rùn)滑狀況及油品劣化的重要指標(biāo)。酸值來(lái)源于潤(rùn)滑油中的酸性組分,主要包括潤(rùn)滑油的有機(jī)酸和酸性添加劑。潤(rùn)滑油的酸值升高,通常是由于油品氧化而生成酸性物質(zhì)。這些酸性物質(zhì)會(huì)對(duì)金屬部件,特別是軸承等銅質(zhì)部件造成腐蝕。堿值來(lái)源于潤(rùn)滑油中的堿性組分,主要包括有機(jī)堿、無(wú)機(jī)堿、胺基化合物和堿性添加劑等[10]。
在監(jiān)測(cè)期間,吊機(jī)的所有在用潤(rùn)滑油里面,未發(fā)現(xiàn)酸值和堿值異常的油樣。這表明該石油公司海上平臺(tái)具有較好的設(shè)備潤(rùn)滑管理體系,且定期對(duì)吊機(jī)設(shè)備進(jìn)行油液監(jiān)測(cè),能夠在潤(rùn)滑油氧化和劣化之前進(jìn)行相應(yīng)處理或換油,避免了酸值/堿值對(duì)設(shè)備產(chǎn)生異常影響。
閃點(diǎn)是潤(rùn)滑油的蒸汽和空氣所形成的混合氣與火焰接觸發(fā)生瞬間閃火的最低溫度[10]。閃點(diǎn)值關(guān)系到柴油機(jī)在使用過(guò)程中的安全,柴油機(jī)油的閃點(diǎn)應(yīng)控制在180 ℃以上。
在監(jiān)測(cè)期間,吊機(jī)的柴油機(jī)油里面,閃點(diǎn)異常的樣品有6個(gè),約占柴油機(jī)油樣品數(shù)的8.7%,未發(fā)現(xiàn)閃點(diǎn)嚴(yán)重偏低的油樣。柴油機(jī)油的閃點(diǎn)偏低,大多都是由燃油泄漏引起的。燃油泄漏不僅會(huì)造成閃點(diǎn)偏低,產(chǎn)生安全隱患,也會(huì)使柴油機(jī)油的黏度下降,產(chǎn)生異常磨損。因此建議對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),以關(guān)注閃點(diǎn)值的變化趨勢(shì)。
水分表示油品中含水量的多少。潤(rùn)滑油中水分過(guò)多,不僅會(huì)破壞油膜,加劇摩擦副表面的磨損,也會(huì)對(duì)設(shè)備材料造成腐蝕。因此,需要將潤(rùn)滑油中的水分控制在較低水平。
在監(jiān)測(cè)期間,吊機(jī)的所有在用潤(rùn)滑油里面,水分異常的樣品有41個(gè),約占總樣品數(shù)的9.7%。其中水分指標(biāo)嚴(yán)重異常的樣品有11個(gè),約占總樣品數(shù)的2.6%。通過(guò)單獨(dú)分析不同類(lèi)型的油品,發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)油中有2個(gè)樣品的水分嚴(yán)重異常,液壓油中有4個(gè)樣品的水分嚴(yán)重異常,齒輪油中有5個(gè)樣品的水分嚴(yán)重異常,均是由于外界的水分污染。由于吊機(jī)常年暴露在外面,且南海降水較多,容易受到水分的污染,建議日常的維保中注意檢查吊機(jī)各潤(rùn)滑部件的防水密封情況。另外,吊機(jī)的液壓系統(tǒng)用油量相對(duì)較大,一般在700~2500 L之間,因?yàn)樗制叨鴵Q油會(huì)產(chǎn)生較大的成本。在油品其他指標(biāo)正常而水分偏高的情況下,建議對(duì)液壓油進(jìn)行脫水處理即可。
污染物是指潤(rùn)滑油中因設(shè)備運(yùn)行而產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)(如油泥、磨損顆粒)和外界侵入的顆粒物質(zhì)(如粉塵、纖維等)。這些污染物容易堵塞油路和濾油器,影響設(shè)備運(yùn)行的可靠性,也會(huì)破壞潤(rùn)滑油膜,造成摩擦副的異常磨損。污染物可以通過(guò)污染度等級(jí)、光譜分析、鐵譜分析等檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn),而鐵譜分析中表征的污染物最為直觀。
在監(jiān)測(cè)期間,吊機(jī)的所有在用潤(rùn)滑油里面,污染物異常的樣品有149個(gè),鐵譜分析中發(fā)現(xiàn)少量油泥或粉塵污染物,約占總樣品數(shù)的35.3%。污染物嚴(yán)重異常的樣品有31個(gè),鐵譜分析中發(fā)現(xiàn)大量油泥或粉塵污染物,約占總樣品數(shù)的7.3%。分析發(fā)現(xiàn)污染物嚴(yán)重異常的樣品均為齒輪油,這是由于海上平臺(tái)吊機(jī)的齒輪箱負(fù)載較大、工況惡劣,使用過(guò)程中容易發(fā)生氧化而產(chǎn)生油泥,也會(huì)由于異常磨損而產(chǎn)生金屬顆粒。對(duì)污染嚴(yán)重異常的齒輪油,應(yīng)進(jìn)行過(guò)濾或做換油處理,并加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè),避免嚴(yán)重異常磨損的發(fā)生。
設(shè)備的磨損狀況,主要通過(guò)光譜分析和鐵譜分析來(lái)表征。光譜分析可以獲知潤(rùn)滑油中不同類(lèi)型金屬元素的含量,從而判斷設(shè)備的磨損情況。鐵譜分析可以獲知潤(rùn)滑油中磨損顆粒的類(lèi)型、尺寸、形貌等特征,從而判斷設(shè)備的摩擦部位和磨損程度。對(duì)在用潤(rùn)滑油進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),可以實(shí)時(shí)獲知設(shè)備的磨損狀況,避免嚴(yán)重磨損的發(fā)生。
元素Fe、Cu是分析設(shè)備磨損最重要的兩種元素,其直接對(duì)應(yīng)于設(shè)備油液中的鋼質(zhì)磨粒和銅合金磨粒。圖2、圖3為吊機(jī)監(jiān)測(cè)期間所有潤(rùn)滑油的磨損金屬元素Fe、Cu的頻數(shù)分布直方圖。從圖中可以看出,檢測(cè)出的Cu元素含量的最大值為6000 mg/kg,要大于Fe元素含量的最大值3239 mg/kg。但是Fe元素的磨損情況更加嚴(yán)重,大量磨損數(shù)據(jù)集中在0~1000 mg/kg的區(qū)域,這與鐵譜分析的結(jié)果一致。而每種類(lèi)型油品所對(duì)應(yīng)設(shè)備的磨損情況,會(huì)在下文中單獨(dú)做出詳細(xì)分析。
圖2 吊機(jī)在用潤(rùn)滑油Fe元素含量檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
圖3 吊機(jī)在用潤(rùn)滑油Cu元素含量檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
對(duì)于液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō),光譜分析評(píng)價(jià)磨損的主要元素有Fe和Cu,F(xiàn)e元素主要來(lái)自液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等部件,Cu元素主要來(lái)自閥門(mén)、墊片等部件。
監(jiān)測(cè)的76個(gè)吊機(jī)液壓油樣品中,F(xiàn)e元素含量基本正常,都在控制指標(biāo)范圍之內(nèi)。Cu元素含量有8個(gè)樣品超過(guò)了液壓油的控制指標(biāo),其檢測(cè)結(jié)果分布如圖4所示。
圖4 液壓油Cu元素含量檢測(cè)結(jié)果
從圖中可以看出Cu元素含量數(shù)值均在較低范圍內(nèi),表明吊機(jī)液壓系統(tǒng)維護(hù)較好,沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重異常磨損的情況。且Cu元素含量異常樣品的鐵譜分析中均未發(fā)現(xiàn)銅合金異常磨損顆粒,表明Cu元素來(lái)源于液壓系統(tǒng)相關(guān)部件的腐蝕。對(duì)于磨損異常的液壓系統(tǒng),建議加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè),關(guān)注Cu元素含量的變化趨勢(shì),避免嚴(yán)重磨損或腐蝕的發(fā)生。
對(duì)于柴油機(jī)來(lái)說(shuō),光譜分析主要評(píng)價(jià)的元素有Fe、Cu、Pb、Sn。Fe元素來(lái)源于各種鋼質(zhì)摩擦副的磨損,如活塞環(huán)、缸套、曲軸、油泵齒面等,Cu、Pb、Sn元素通常來(lái)源于軸瓦等的磨損[11]。
監(jiān)測(cè)的69個(gè)柴油機(jī)油樣品中,F(xiàn)e元素含量有3個(gè)樣品超過(guò)了柴油機(jī)油的控制指標(biāo),其檢測(cè)結(jié)果分布如圖5所示。Cu元素含量有7個(gè)樣品超過(guò)了柴油機(jī)油的控制指標(biāo),其檢測(cè)結(jié)果分布如圖6所示。Sn元素含量有2個(gè)樣品超過(guò)了柴油機(jī)油的控制指標(biāo),其檢測(cè)結(jié)果分布如圖7所示。Pb元素含量正常,都在控制指標(biāo)范圍之內(nèi)。
圖5 柴油機(jī)油Fe元素含量檢測(cè)結(jié)果
圖6 柴油機(jī)油Cu元素含量檢測(cè)結(jié)果
圖7 柴油機(jī)油Sn元素含量檢測(cè)結(jié)果
從圖中可以看出,除了個(gè)別樣品的磨損金屬元素含量較高外,絕大多數(shù)樣品的磨損元素含量均在較低范圍內(nèi),表明吊機(jī)柴油機(jī)維護(hù)較好。在磨損元素異常的樣品中,只有一個(gè)樣品在鐵譜分析中發(fā)現(xiàn)了個(gè)別鋼質(zhì)顆粒,其他樣品的鐵譜分析中均未發(fā)現(xiàn)異常磨損顆粒,表明油液中的金屬元素大多來(lái)源于柴油機(jī)相關(guān)部件的腐蝕。因此,對(duì)于磨損異常的柴油機(jī),建議加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè),關(guān)注磨損元素含量的變化趨勢(shì),避免嚴(yán)重磨損和腐蝕的發(fā)生。
對(duì)于齒輪油來(lái)說(shuō),光譜分析主要評(píng)價(jià)的元素有Fe和Cu。Fe元素來(lái)源于各種鋼質(zhì)部件,如軸頸、泵類(lèi)、齒面等,Cu元素通常來(lái)源于軸承保持架、或滑動(dòng)軸承的軸瓦。
監(jiān)測(cè)的277個(gè)齒輪油樣品中,F(xiàn)e元素含量有93個(gè)樣品超過(guò)了齒輪油的控制指標(biāo),且其中有38個(gè)樣品的Fe元素含量嚴(yán)重偏高,其檢測(cè)結(jié)果分布如圖8所示。Cu元素含量有60個(gè)樣品超過(guò)了齒輪油的控制指標(biāo),且其中有43個(gè)樣品的Cu元素含量嚴(yán)重偏高,其檢測(cè)結(jié)果分布如圖9所示。
圖8 齒輪油Fe元素含量檢測(cè)結(jié)果
圖9 齒輪油Cu元素含量檢測(cè)結(jié)果
從磨損元素分布圖中可以看出,齒輪油的磨損情況比較嚴(yán)重,少數(shù)樣品的磨損金屬元素Fe、Cu含量超過(guò)控制指標(biāo)的十倍以上,表明吊機(jī)齒輪箱的維護(hù)較差,存在嚴(yán)重異常磨損的情況。
監(jiān)測(cè)的277個(gè)齒輪油樣品中,鐵譜分析發(fā)現(xiàn)50個(gè)樣品中有大量的磨損顆粒,主要包括鋼質(zhì)顆粒和銅合金磨粒,且這些嚴(yán)重磨損樣品的鐵譜分析結(jié)果數(shù)據(jù)與光譜元素分析的數(shù)據(jù)吻合。齒輪油嚴(yán)重磨損的鐵譜如圖10所示,為該石油公司某平臺(tái)左舷吊車(chē)小鉤齒輪箱的油液樣品鐵譜磨粒圖。
圖10 齒輪油鐵譜磨粒
從鐵譜磨粒圖中可以看出,油中有大量的鋼質(zhì)顆粒和少量銅合金顆粒,磨粒最大尺寸超過(guò)100 μm,表明該齒輪箱存在嚴(yán)重異常磨損。對(duì)于磨損異常的齒輪箱,建議加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè),關(guān)注磨損元素含量的變化趨勢(shì),避免嚴(yán)重磨損的發(fā)生。對(duì)于嚴(yán)重磨損的齒輪箱,建議檢查齒輪箱的磨損情況,并立即沖洗系統(tǒng),更換新油,避免停機(jī)故障的發(fā)生。
(1) 油品錯(cuò)用或混用,會(huì)改變油品黏度,降低油品性能,在吊機(jī)加換油時(shí)應(yīng)當(dāng)避免此類(lèi)情況發(fā)生。
(2) 閃點(diǎn)偏低會(huì)造成柴油機(jī)使用時(shí)的安全隱患,應(yīng)根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)檢查或換油處理。
(3) 油中如果出現(xiàn)水分和污染物,會(huì)影響潤(rùn)滑油膜的強(qiáng)度,加劇設(shè)備磨損。當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí),應(yīng)當(dāng)做出脫水、過(guò)濾處理,嚴(yán)重時(shí)應(yīng)該換油。
(4)齒輪箱是吊機(jī)中最容易發(fā)生異常磨損的部件,維保時(shí)應(yīng)當(dāng)定期檢查磨損和防塵密封情況,并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果適當(dāng)縮短齒輪箱的換油周期。
(5)對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑部件的在用油進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)每個(gè)異常的指標(biāo)數(shù)據(jù),從而做出相應(yīng)處理,避免異常磨損和故障的發(fā)生。
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