【低壓鍋爐清洗過程中緩蝕問題的研究7100字（論文）】

第二章-1-低壓鍋爐清洗過程中緩蝕問題的研究目錄TOC\o"1-3"\h\u12994第一章前言 -1-28310第二章低壓鍋爐腐蝕結(jié)垢成因及危害 -2-259191.1腐蝕成因 -2-48101.2結(jié)垢成因 -2-260551.3腐蝕和結(jié)垢的危害 -3-26984第三章低壓鍋爐緩蝕緩蝕劑研究現(xiàn)狀 -4-313383.1無機(jī)鹽類緩蝕劑 -4-324193.2有機(jī)胺類緩蝕劑 -4-275023.3咪唑啉類緩蝕劑 -5-69383.4聚合物類緩蝕劑 -5-170513.5天然植物類緩蝕劑 -6-7803第四章低壓鍋爐清洗緩蝕對比實(shí)驗(yàn) -7-291584.1設(shè)備及試劑 -7-266114.2操作條件 -7-11634.3試樣分析 -8-886第五章結(jié)論 -9-21968致謝 -10-18911參考文獻(xiàn) -11-摘要腐蝕結(jié)垢問題嚴(yán)重影響鍋爐的壽命和安全運(yùn)行，因此在鍋爐中加入環(huán)保的緩蝕劑是解決這一問題的重要手段。分析了腐蝕結(jié)垢的原因和風(fēng)險，并通過緩蝕對比試驗(yàn)，明晰添加緩蝕劑有助于低壓鍋爐的清洗，通過添加緩蝕劑，有效降低鍋爐清洗時腐蝕現(xiàn)象，最后，本文還綜述了國內(nèi)外五類鍋爐緩蝕劑（無機(jī)鹽類、有機(jī)胺類、咪唑啉類、聚合物類、天然植物提取物）的研究現(xiàn)狀，對于低壓鍋爐選擇相應(yīng)緩蝕劑具有一定參考借鑒作用。關(guān)鍵詞：水處理劑緩蝕劑阻垢劑第一章前言低壓鍋爐是一般用于飲用水和工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)工具，廣泛應(yīng)用于小型化工公司、橡塑公司、熱水供應(yīng)站、公共浴室等，但這些鍋爐的進(jìn)水一般是河流水或地下水，由于其硬度高、成分復(fù)雜，導(dǎo)熱系數(shù)低的水垢往往會沉積在鍋爐表面，降低傳熱性能，同時由于溫度高，鍋爐需要定期清洗，以免管壁溫度太高導(dǎo)致爆炸。鍋爐內(nèi)有水垢，因此熱量傳遞不暢，浪費(fèi)了燃料。對于這些工廠，工廠中用于加熱和供應(yīng)蒸汽的一些大型鍋爐每小時排放數(shù)噸蒸汽。這相當(dāng)于燃燒大量的水。水垢會使鍋爐的導(dǎo)熱性惡化，并消耗大量燃料以達(dá)到相同的溫度和壓力，造成能源和資源的浪費(fèi)，產(chǎn)生大量污染物，使得處理這些污染物的成本增加。另外，鍋爐內(nèi)部還有水垢，就像在鍋爐壁上的鋼板和水之間筑起一道隔熱的石墻。這時，如果水垢出現(xiàn)裂紋，水立即泄漏到高溫鋼板上并迅速蒸發(fā)，使鍋爐內(nèi)的壓力迅速升高，由于容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起水垢腐蝕，引起爆炸。水垢和腐蝕會降低鍋爐的熱導(dǎo)率，增加廢氣溫度，增加燃料消耗，降低鍋爐效率，并導(dǎo)致金屬過熱并引起爆炸。因此，清洗鍋爐非常重要。國家提倡環(huán)保節(jié)能，可以建設(shè)節(jié)約型社會，加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展，盡量降低這些低壓鍋爐的成本。然而，在低壓鍋爐運(yùn)行過程中存在結(jié)垢和腐蝕的問題。設(shè)備停機(jī)時腐蝕問題更為嚴(yán)重，當(dāng)設(shè)備再次使用時，系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)物降低了設(shè)備的運(yùn)行效率，水汽質(zhì)量不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。嚴(yán)重影響設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和使用壽命。在鍋爐中使用緩蝕劑是為了解決設(shè)施結(jié)垢和腐蝕問題，目前應(yīng)用了各種具有腐蝕和抑垢作用的緩蝕劑。本文總結(jié)了以低壓鍋爐清洗過程中緩蝕為目的的低壓鍋爐緩蝕阻垢緩蝕劑的研究，并對比分析了五種緩蝕劑的優(yōu)缺點(diǎn)。就低壓鍋爐而言，它提出了未來研究的熱點(diǎn)方向。第二章低壓鍋爐腐蝕結(jié)垢成因及危害1.1腐蝕成因低壓鍋爐的腐蝕和結(jié)垢主要與爐膛介質(zhì)的成分有關(guān)，而家用低壓鍋爐的工作介質(zhì)多為工業(yè)用水，鋼材易被水中的溶解氧和二氧化碳腐蝕。[1]溶解氧腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕，氧得到電子形成陰極，鐵失去電子形成陽極，形成腐蝕電池，鐵被消耗腐蝕。[2]二氧化碳溶解在水中生成碳酸，增加水中氫離子的濃度，引起氫的去極化腐蝕，溫度升高加劇腐蝕。裝置水汽系統(tǒng)中有機(jī)物的分解，不僅影響裝置的水汽質(zhì)量，還會造成熱力系統(tǒng)的腐蝕，嚴(yán)重影響裝置的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。金旭良等對腐蝕試樣進(jìn)行了SEM和XRD表征，發(fā)現(xiàn)試樣表面的腐蝕主要是由于有機(jī)物的分解，產(chǎn)物主要為甲酰胺、乙酸和1-正丁醇，大部分甲酸脫水分解成一氧化碳和水。水蒸氣中有機(jī)物分解對金屬表面的腐蝕程度與pH值有關(guān)，提高pH值可以減輕腐蝕。[3]如果設(shè)備中有水垢，水垢下也會發(fā)生腐蝕，這就是業(yè)界常說的沉積物下腐蝕現(xiàn)象。當(dāng)管內(nèi)表面的局部區(qū)域形成沉積物時，沉積物的低導(dǎo)熱性導(dǎo)致沉積物過熱并且水蒸發(fā)，從而增加了沉積物下的局部堿度濃度。[4]當(dāng)pH值達(dá)到12.9時，保護(hù)性氧化層（Fe3O4）被破壞，外露的鋼表面加速腐蝕，引起腐蝕腐蝕和脆性。1.2結(jié)垢成因當(dāng)水在低壓鍋爐中不斷蒸煮時，水不斷蒸發(fā)濃縮，溶解在水中的鹽濃度不斷升高，達(dá)到飽和時，形成沉淀。有兩種形式的沉積物，一種是原生水垢，與受熱表面的壁緊密結(jié)合，形成致密的沉積物，另一種是松散的沉積物，漂浮在水中形成污泥。鍋爐水含有陽離子如Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mg2+和陰離子如OH-。[5]隨著溫度的升高，碳酸鈣在水中的溶解度降低，并在受熱面上形成水垢。當(dāng)鍋爐內(nèi)的水因溶解氧增加而被氧氣腐蝕時，高溫下溶解在水中的氧化鐵產(chǎn)物逐漸形成氧化鐵垢。硅酸鹽垢通常形成在爐管中，它具有最堅硬的結(jié)構(gòu)、最低的熱導(dǎo)率和最高的有害熱負(fù)荷。[6]通過對金屬試樣進(jìn)行稱重分析，可以獲得腐蝕和結(jié)垢過程中的質(zhì)量變化曲線，從而可以分析金屬的腐蝕和結(jié)垢過程。相關(guān)研究表明，金屬試件在腐蝕和結(jié)垢過程中，試件的質(zhì)量先減少后增加，經(jīng)過一定時間后，重量增加率逐漸趨于穩(wěn)定。[7]裴煒等人通過結(jié)合XRD和SEM對試樣進(jìn)行分析，得出結(jié)論認(rèn)為腐蝕和結(jié)垢過程的第一步是氧化層的形成。步驟2是快速結(jié)垢的步驟，試樣表面大部分形成氧化膜，降低了腐蝕速度，隨著時間的推移，表面氧化膜變得疏松、不均勻吸附，表面形成沉淀?？s放速度加快。在試樣的大部分表面形成一層致密的氧化膜，以保護(hù)金屬以減緩腐蝕速度并穩(wěn)定速度。[8]1.3腐蝕和結(jié)垢的危害低壓鍋爐腐蝕時，鍋爐壁金屬有效厚度減小，金屬性能下降，設(shè)備抗壓能力下降，影響設(shè)備壽命。鍋爐污染會降低傳熱效率。鍋爐水從熱煙氣中吸收熱量并被加熱直至蒸發(fā)。水垢的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，減緩了水垢管壁向鍋爐水的熱傳遞，從而使排煙溫度升高。[9]這種物質(zhì)的增加會造成環(huán)境惡化。水垢還會引起金屬膨脹或爆炸，影響低壓鍋爐的安全運(yùn)行，危及人身安全。污染層使管壁傳熱性能惡化，煙氣吸收的熱量不能通過金屬管壁迅速傳遞給爐水，管壁溫度升高，處于過熱狀態(tài)。長時間保持該溫度條件會降低材料的許用應(yīng)力，加速老化速度，降低強(qiáng)度，縮短使用壽命，甚至造成管道破裂事故。結(jié)垢也會影響正常的水蒸氣循環(huán)。結(jié)垢減少了水蒸氣的流動面積，增加了流動阻力，增加了流體輸送設(shè)備的能耗。[10] 第三章第三章低壓鍋爐緩蝕緩蝕劑研究現(xiàn)狀最初，為了通過與低壓鍋爐水中的雜質(zhì)反應(yīng)來達(dá)到減緩或防止結(jié)垢的目的，采用了在鍋爐中加入植物秸稈或果實(shí)的方法。最早、最原始的低壓鍋爐水處理方法。緩蝕阻垢劑以其應(yīng)用廣泛、效果好、容量低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。[13]緩蝕劑的主要性能是防止結(jié)垢、凝固沉淀物、延緩設(shè)備腐蝕等。阻垢緩蝕是鍋爐緩蝕劑的主要功能。水處理藥劑正從單一功能藥物向復(fù)合功能藥物發(fā)展，向安全、高效、無毒方向發(fā)展。多項(xiàng)研究表明，同時使用兩種或多種藥物比單一藥物更有效。[14]因此，目前的研究大多集中在不同有機(jī)溶劑的相容性或有機(jī)與無機(jī)材料的相容性上，這樣可以大大提高有機(jī)溶劑的溶解度，使?fàn)t內(nèi)成膜更加均勻，還可以防止起泡。但是，還需要對其他緩蝕劑的比例和用量進(jìn)行更多的研究。[15]許多新的研究表明，一些溶劑非常有效，但處理后的廢水質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，對環(huán)境和人體健康有害。3.1無機(jī)鹽類緩蝕劑常用的無機(jī)緩蝕劑有磷酸鹽、鉬酸鹽和鎢酸鹽。向爐內(nèi)加入磷酸三鈉可達(dá)到防腐蝕、結(jié)垢的效果。萬德利等發(fā)現(xiàn)有機(jī)磷、三磷酸鈉和碳酸鈉組合使用，阻垢性能好，用量少，價格低。[16]然而，這些類型的緩蝕劑會釋放磷化合物，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和環(huán)境污染。鉬酸鹽通過抑制陽極部分的腐蝕反應(yīng)而發(fā)揮緩蝕作用。[17]當(dāng)僅使用鉬酸鹽作為緩蝕阻垢劑時，存在用量大、成本高、緩蝕性能低等缺點(diǎn)。為克服鉬酸鹽的缺點(diǎn)，李紅兵等人將鉬酸鹽和磷酸鹽以不同的比例混合，表明特定比例的組合可以大大提高緩蝕效率，在3:3:7時，Q235鋼的緩蝕效率達(dá)到90%。[18]鎢酸鹽參與表面成膜，促進(jìn)金屬氧化鈍化，達(dá)到緩蝕的目的。單獨(dú)使用時容量大，緩蝕率不高，但與其他緩蝕劑并用時，有協(xié)同作用，增加緩蝕效果，減少鎢酸鹽用量。崔方英將鎢酸鈉和硫酸鋅混合，研究了Q235鋼在海水中的緩蝕效果，結(jié)果表明兩者協(xié)同作用，緩蝕率可達(dá)86.79%。[19]3.2有機(jī)胺類緩蝕劑有機(jī)胺成膜法廣泛用于緩蝕阻垢，是一種非常有效的鍋爐保護(hù)方法。成膜胺分子屬于由親水基團(tuán)（極性基團(tuán)）和疏水基團(tuán)（非極性基團(tuán)）組成的一大類表面活性劑，親水基團(tuán)中心的氮原子具有較大的電荷。[20]由于帶負(fù)電，可吸附于金屬表面，疏水基團(tuán)遠(yuǎn)離金屬表面分布，故可在金屬表面形成疏水保護(hù)膜，防止水中溶解氧和二氧化碳。由于單一的有機(jī)胺溶液在低溫下不具有理想的成膜效果，為了相容性而使用表面活性劑等溶液，因此在低溫條件下均勻分散在水相中以提高成膜性。[20]十八胺作為緩蝕劑具有保護(hù)效果好、保護(hù)范圍廣、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在溶解度低、貯存期短、乳化成本高等缺點(diǎn)。[21]查方林等人以十八烷胺為緩蝕劑的主要成分，并加入其他緩蝕劑、有機(jī)溶劑和有機(jī)助溶劑，形成復(fù)合緩蝕劑，經(jīng)試驗(yàn)，緩蝕效果良好。劉建平將十八胺與一定比例的表面活性劑和有機(jī)溶劑混合制成十八胺乳液，測量結(jié)果表明該設(shè)備具有良好的防護(hù)效果。[22]李宇春等選擇的配伍為十八胺：鈍化劑：表面活性劑=10:1:1，濕熱箱試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)的時間為45d，緩蝕效果好。[23]范生平生產(chǎn)的復(fù)合緩蝕劑中十八胺、嗎啉、烏洛托品、硫脲、乙酰胺、吡啶、二異丙胺的濃度分別為50、50、25、20、25、4.5mg/L，試驗(yàn)，最佳成膜450溫度對應(yīng)硫酸銅點(diǎn)樣起始紅時間2h以上，成膜緩蝕性能好。[24]3.3咪唑啉類緩蝕劑當(dāng)金屬表面與酸性介質(zhì)接觸時，咪唑啉緩蝕劑通過在金屬表面形成單分子保護(hù)膜，同時與溶液中的氧化性物質(zhì)配位，從而改變氧化還原電位，從而起到緩蝕作用。咪唑啉緩蝕劑易分散于水中，毒性低，易分解，但咪唑啉性質(zhì)不穩(wěn)定，在高溫和大量水存在下易水解。溫度和濃度對最終的防護(hù)效果影響很大。姚蘭等人以咪唑啉有機(jī)化合物ODW作為緩蝕劑，實(shí)驗(yàn)確定的最佳溫度和濃度分別約為280和40mg/L。傅強(qiáng)等人研究的咪唑啉有機(jī)化合物W8也具有良好的緩蝕性能。[25]除了上述實(shí)驗(yàn)確定的最佳溫度和濃度范圍外，它還可以與其他無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)混合產(chǎn)生協(xié)同作用，增強(qiáng)咪唑啉緩蝕劑的防護(hù)效果。汪洋等研究表明，咪唑啉季銨鹽與丁炔二醇的復(fù)配可以提高緩蝕性，同時降低溫度對緩蝕性的影響，提高溫度適應(yīng)性。[26]3.4聚合物類緩蝕劑該聚合物具有優(yōu)良的緩蝕阻垢性能，種類繁多，安全環(huán)保。文獻(xiàn)報道有機(jī)胺化合物和非離子烷基烯丙基膦酸共聚物具有良好的腐蝕和阻垢性能。[27]張立宏研究了含有羧酸基、酯基等官能團(tuán)的水溶性多組分共聚物。該緩蝕劑可減少碳酸鹽和磷酸鹽的析出，具有一定的緩蝕阻垢性能，且含磷量極低，符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。聚天冬氨酸也是一種綠色緩蝕阻垢緩蝕劑，具有良好的緩蝕阻垢效果，安全無污染。[28]但多元共聚物阻垢緩蝕劑由于相容性高，在實(shí)際應(yīng)用中存在局限性，同時羧酸聚合物易形成鈣凝膠，因此在高鈣水中的應(yīng)用存在一定的局限性。通過合理的配伍、改性等方法，可以提高羧基阻垢劑的阻垢能力。3.5天然植物類緩蝕劑近年來，植物提取物緩蝕劑引起了人們的廣泛關(guān)注。該類緩蝕劑具有易生物降解、環(huán)境破壞小、成本低、適用范圍廣、防護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)。胡等人研究了牧羊人提取物對Q235鋼的緩蝕作用，表明緩蝕率可達(dá)97%。Mohammadi等人使用人參的根莖提取物作為緩蝕劑，其中含有多種具有不同分子結(jié)構(gòu)的活性成分，可以吸附在金屬表面。模擬冷卻水的緩蝕阻垢效率分別為93%和99.5%，表明該提取物可作為冷卻水系統(tǒng)中優(yōu)良的緩蝕阻垢劑，可替代昂貴的有毒化學(xué)保護(hù)劑。[29]Singh等人研究了銀杏葉提取物對J55鋼的緩蝕性能，發(fā)現(xiàn)緩蝕率高達(dá)97%。Raja等人研究了黑胡椒提取物對低碳鋼的緩蝕性能，通過Tafel極化曲線分析，緩蝕率可達(dá)90%。印楝葉提取物、甜菜根提取物、薰衣草棉提取物也具有優(yōu)異的緩蝕效果。[30]天然植物性緩蝕劑具有安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但目前這些緩蝕劑存在用水量大、收率低、性質(zhì)相對不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。超聲波提取等新的提取方法已被研究出來，是目前研究的熱點(diǎn)方向。 第四章第四章低壓鍋爐清洗緩蝕對比實(shí)驗(yàn)國內(nèi)外對化學(xué)清洗質(zhì)量都規(guī)定了明確的標(biāo)準(zhǔn),其內(nèi)容包括除垢和緩蝕效果。在鍋爐化學(xué)清洗過程中,既要達(dá)到清洗積垢的目的,又要保證被清洗設(shè)備的安全。[11]美國化學(xué)清洗委員會按鍋爐使用壽命100000h、每半年清洗1次、每次清洗6h計算,規(guī)定平均腐蝕速率小于9g/(m2·h),總腐蝕量小于120g/m2。[12]中國低壓鍋爐化學(xué)清洗規(guī)則規(guī)定平均腐蝕速率小于10g/(m2·h),總腐蝕量小于120g/m2。本文采用腐蝕試片的方法,對鍋爐清洗時的緩蝕問題進(jìn)行分析。4.1設(shè)備及試劑腐蝕試片(0.0028m2)6片,為消除加工應(yīng)力,在高溫爐中進(jìn)行500℃熱處理2h,冷卻后取出,酸洗(加有緩蝕劑)去除氧化膜后備用。500mL燒杯3個,320#水砂紙2張,恒溫水浴1臺,100-200mL量筒2個,游標(biāo)卡尺1把,分析天平1臺,0-100℃溫度計1根,干燥器1個。鹽酸(分析純)500mL,丙酮(分析純)500mL,無水乙醇(分析純)500mL,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%酚酞指示劑100mL。4.2操作條件先將腐蝕試片用320#水砂紙在平面玻璃上前后方向研磨,然后用丙酮浸泡去除油垢,擦干后放入無水乙醇中浸泡2h,擦干后放入干燥器中干燥1h,試片稱重備用。取鹽酸用蒸餾水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的溶液（采用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定,其濃度誤差不應(yīng)超過±0.1%）,取400mL注入500mL燒杯中,加入一定量緩蝕劑攪拌均勻,放入恒溫水浴槽中,恒溫至（55±1）℃時,將3個已知質(zhì)量的腐蝕試片分別懸掛于燒杯中(試片應(yīng)全部被鹽酸浸泡并與液面保持20-25mm,試片在酸液中放置的距離應(yīng)相當(dāng)），在此溫度下恒溫保持3h后取出,立即用清水沖洗、擦干,放入無水乙醇中浸泡1-3min,取出,擦干放入干燥器中1h后稱重。置于同樣濃度鹽酸中,在不加緩蝕劑的相同條件下,以另一組腐蝕試片作同樣處理。4.3試樣分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。表4.1緩蝕試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目123鹽酸浸泡前試片質(zhì)量/g19.780920.019219.5603鹽酸浸泡后試片質(zhì)量/g(未加緩蝕劑）18.963819.218318.6950鹽酸浸泡后試片質(zhì)量/g（加入緩蝕劑）19.768019.998819.5320腐蝕速率：（1）緩蝕效率：（2）W——鹽酸浸泡前試片質(zhì)量，g；W1——鹽酸浸泡后試片質(zhì)量，g；V0——未加緩蝕劑的腐蝕速率，g/(m2·h);V———加入緩蝕劑的腐蝕速率，g/(m2·h);V1——緩蝕效率，g/(m2·h);T———試片在酸中浸泡時間,h;S———試片面積，0.0028m2。經(jīng)計算,加入緩蝕劑的試片腐蝕速率均小于10g/(m2·h),緩蝕效率均大于90%;而未加入緩蝕劑的試片腐蝕速率大于10g/(m2·h),超出國家標(biāo)準(zhǔn)。 第五章第五章結(jié)論不同的緩蝕劑具有不同的性能和局限性，人們一般采用與其他有機(jī)、無機(jī)材料混合的方法來提高緩蝕劑的性能，以達(dá)到理想的緩蝕抑垢效果。通過數(shù)據(jù)分析，清洗鍋爐加入緩蝕劑后清洗指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)；而只用清洗劑清洗鍋爐腐蝕速率很大，腐蝕嚴(yán)重。因此,清洗鍋爐時必須加入緩蝕劑,但在清洗過程中要掌握好清洗劑和緩蝕劑的濃度、溫度、流速和清洗時間,使鍋爐的受損程度減至最低。目前，與無機(jī)緩蝕劑相比，成膜胺類等綜合性能更好的有機(jī)復(fù)合緩蝕劑越來越受歡迎。長鏈脂肪胺溶解度低，單獨(dú)使用無效，必須與其他有機(jī)成分混合使用，以提高分散乳化效果、腐蝕阻垢效果。胺的選擇成為關(guān)鍵，國內(nèi)外研究人員都在積極推動新產(chǎn)品的開發(fā)。植物提取物緩蝕阻垢劑原料來源廣泛，對環(huán)境友好，具有優(yōu)良的緩蝕阻垢效果。目前的植物提取物緩蝕劑還存在性質(zhì)不穩(wěn)定、收率低等問題，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。今后需要加強(qiáng)對提取工藝的研究，分析確定提取液的成分，通過對提取液進(jìn)行化學(xué)改性或與其他緩蝕劑混合，提高緩蝕阻垢性能，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要?？傊?，工業(yè)緩蝕劑的研究雖然取得了一定的成果，但在制造技術(shù)、成分相容性、化學(xué)改性等方面仍需進(jìn)一步研究。 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