化工设备设计课程总结报告.docx
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化工设备设计课程总结报告
目录
第一章:
课程归纳
Ⅰ、工程力学3
一、力的概念及性质3
二、约束与约束反力3
三、平面力偶系的合成与平衡条件。
3
四、直杆拉伸与压缩3
五、轴向拉伸或压缩时的内力与应力3
六、轴向拉伸与压缩时的强度计算4
七、轴向拉伸与压缩时材料的机械性能4
八、平面弯曲的概念4
九、直梁弯曲时的内力分析4
十、纯弯曲时梁横截面上的正应力5
十一、截面惯性矩和抗弯截面模量5
十二、梁的弯曲强度计算5
十三、提高梁的弯曲强度的主要途径5
十四、复杂应力状态下的强度计算5
十五、强度理论6
Ⅱ、化工设备常用材料7
一、碳钢及其热处理8
二、合金钢9
三、金属材料的腐蚀理论和防腐措施10
四、化工设备选材的原则10
Ⅲ、化工容器设计概述11
一、内压薄壁容器的应力理论11
二、内压圆筒的强度计算12
三、内压球壳的强度计算12
四、设计参数的确定12
五、凸形封头的强度14
六、外压容器14
七、外压圆筒的公式设计法15
八、外压圆筒的图算设计法(图算法)15
九、外压圆筒的加强圈设计16
十、外压封头设计16
十一、压力容器开孔与接管16
十二、开孔补强设计16
十三、容器零部件标准的选用17
十四、支座18
第二章、学习感想及体会19
第一章课程归纳
I、工程力学
一、力的概念及性质
(1)力的概念:
力是两物体之间的相互机械作用。
(2)力的基本性质:
1、力的成对性:
力有作用力与反作用力。
2、二力平衡条件3、力的可传性4、力的合成与分解
二、约束与约束反力
(1):
约束和约束反力
1、自由体2、非自由体3、约束反力
(2):
约束的种类
1、柔性约束2、光滑面约束3、圆柱铰链约束4、固定端约束
三、平面力偶系的合成与平衡条件。
(1):
力矩
(2):
力偶和力偶矩
性质:
1:
力偶无合力。
2:
在作用面内可以任意移动,但不改变刚体移动效果。
3:
力偶据不变时,力和力臂可任意改变,不改变力偶对刚体的作用。
4:
力偶的合力偶等于力偶系中各力偶的代数和。
5:
平衡条件
四、直杆拉伸与压缩
(1)、工程中构件的形式
(2)、构件变形的基本形式
1、弹性变形2、塑性变形
(3)、杆件在外力作用下,变形的基本形式
1、拉伸与压缩2、弯曲3、剪切4、扭转
五、轴向拉伸或压缩时的内力与应力
(1)、内力概念:
工程力学中,把构件不受外力作用时的内力看作为零,而把外力作用后,外力引起构件各点相对位置发生变化造成构件内部产生附加力的作用,这个附加力为内力。
内力可以是力,也可以是力偶。
求内力最常用的方法是截面法。
根据截面的内力方向是远离构件还是面向构件,内力可以分成拉力和压力
(2)、直杆横截面上的应力
1、应力的概念2、应力的求法
六、轴向拉伸与压缩时的强度计算
(1)、强度概念1、强度2、强度破坏
(2)、强度条件
(3)、强度计算
七、轴向拉伸与压缩时材料的机械性能
(1)、低碳钢拉伸与压缩时的机械性能
1、应力与应变图
杆件从拉伸到断裂共经历四个阶段:
弹性阶段、屈服段、强化阶段、缩颈段。
2、低碳钢的主要机械性能指标:
强度指标、弹性指标、塑性指标。
(2)、脆性材料的机械性能
最大特点就是没有屈服段。
判别是否脆性材料的方法之一。
八、平面弯曲的概念
(1)、梁的概念与类型
1、概念:
当杆件受到垂直于杆件轴线的力或力偶作用时,杆的轴线由直线变为曲线,这样的变形称为弯曲,以弯曲变形为主的杆件称为梁。
2、类型:
①简支梁:
一端固定铰链,一端活动铰链组成的梁。
②外伸梁:
一端或两端伸出支座以外的简支梁。
③悬臂梁:
一端固定,另一端处于自由状态。
(2)、平面弯曲的概念
九、直梁弯曲时的内力分析
(1)、剪力与弯矩
弯曲内力包括剪力和弯矩
①剪力Q:
在梁的横截面上,与外力平行,且使横截面有被剪断的趋势。
为正,反之为负。
②弯矩M:
作用在梁的纵向截面,并使截面产生转动而弯曲。
(2)、剪力图与弯矩图
(3)、分布载荷、剪力和弯矩间的关系
1、作用在梁上的载荷分三种:
a.集中载荷P(N) b.分布载荷q(N/m) c.集中力偶T (N/m)
载荷不同,梁各横截面上的剪力和弯矩也不同,因而所得的剪力图和弯矩图也各不相同。
2、载荷与剪力、弯矩之间的关系
(4)、载荷种类与剪力图、弯矩图之间的关系
十、纯弯曲时梁横截面上的正应力
(1)、纯弯曲时的变形现象与假设
纯弯曲:
就是梁的横截面上只有弯矩而无剪力的作用在工程实践中,当梁的L/h之比很大时,弯矩是梁破坏的主要原因而此时剪力可忽略不计。
对于梁的纯弯曲可作如下假设:
①梁变形前是平面,变形后仍保持平面,且仍垂直变形后的梁的轴线,只绕某一轴线旋转了一个角度。
②纵向纤维之间互不积压,即不考虑剪力的影响。
③纵向纤维的变形与它到中性层的距离有关,与横截面的宽度上的位置无关。
中性层:
有一层纵向纤维既不伸长,也不缩短,这一层纵向纤维为中性层。
中性层与梁横截面的交线为中性轴。
(2)、弯曲变形与应力之间的关系
1、梁纯弯曲横截面上任意一点A正应力计算公式
2、纯弯曲时正应力在横截面上的分布
拉应力与压应力是同时存在的,而且是以中性轴为对称。
十一、截面惯性矩和抗弯截面模量
1、矩形截面
2、圆形截面
3、圆环截面
十二、梁的弯曲强度计算
σmax—最大正应力,Pa
Mmax—最大弯矩,N/m
Wz—截面抗弯模量,m3
[σ]—材料的许用应力,查材料表MPa
十三、提高梁的弯曲强度的主要途径
(1)、选择合理截面,提高抗弯模量
尽量选用矩形横截面且立置(b (2)、合理安排受力,减少弯矩 十四、复杂应力状态下的强度计算 (1)、应力状态的概念 应力包括正应力和剪应力 剪应力: 平行作用平面的应力。 正应力: 垂直作用平面的应力。 1、应力状态 取构件上某一截面上的任意一点,取一个包括该点在内的微元体,微元体的各个截面上的应力就叫这点的应力状态。 2、主平面和主应力 在微元体上,总存在着三个相互垂直的平面,在这些平面上只有正应力而无剪应力的作用,这样的平面称为主平面,主平面上的正应力叫主应力。 用σ1,σ2,σ3表示,且σ1>σ2>σ3 (2)、应力状态的分类: ①单向应力状态 ②二向应力状态 ③三向应力状态 三个截面上的主应力都不为零。 如: 受高压作用下的容器 (3)、二向应力状态分析 在构件上取一微元体,此单元体上有二向应力作用,且有正应力与剪应力,这是二向应力状态最一般的情况。 利用这个单元体,用静力平衡条件可求出主应力及主应力所在的平面。 结论: 任意一斜截面通过旋转一定角度,肯定可获得主平面或获得主应力。 十五、强度理论 为使构件在复杂应力状态下正常工作,通过研究材料的各种破坏现象,建立相应的各种强度条件,把这些强度条件合在一起称为强度理论。 (1)、材料破坏的主要形式 1、脆性破坏: 材料在未发生明显的塑性变形前,就发生了断裂,这种破坏形式为脆性断裂。 2、塑性破坏: 材料在产生过大变形后,发生断裂,这种破坏为塑性断裂。 (2)、强度理论 1、第一强度理论(最大主应力理论) 认为: 在复杂应力状态下,只要三个主应力中的最大拉应力(σ1)达到轴向拉伸时材料的极限应力σb材料就发生破坏。 其强度条件: σ1≤[σ] 式中: [σ]=σb/n— 许用应力 MPa n—安全系数 2、第三强度理论(最大剪应力理论) 认为: 在复杂应力状态下,只要最大剪应力达到轴向拉伸时材料的极限剪应力,材料就发生塑性破坏。 3、第四强度理论(最大变形能理论) Ⅱ、化工设备常用材料 化工设备大多数是由金属材料制成,一小部分由非金属材料制成。 金属材料 黑色金属: 碳钢、合金钢 有色金属: 铝、铜及其合金 非金属材料 化工陶瓷、化工搪瓷 金属材料的基本性能: (1)、机械性能 指标: 弹性、塑性、强度、硬度、韧性 1、强度: 材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度常用指标: 屈服极限σs和强度极限σb 此外还有蠕变极限、持久极限、疲劳极限。 2、塑性 ①概念: 材料在外力作用下产生塑性变形而不产生破坏的能力。 (不出现裂纹或断裂) ②指标: a、延伸率(δ): 试件拉断后,总的伸长长度与原始长度比值的百分率。 b、断面收缩率(ψ) : 断面缩小的面积与原始截面积比值的百分率。 3、硬度 材料抵抗硬物压入的能力。 材料越硬,材料就越耐磨。 指标分为: ①布氏硬度(HB) ②洛氏硬度(HR) ③维氏硬度(IIV) 4、韧性 材料对裂纹及缺口敏感程度的反映。 是衡量材料抗裂纹扩展的能力。 指标: ①冲击韧性: 抵抗冲击力作用而不致破坏的能力。 ②断裂韧性: 抵抗材料存有微裂纹时而不致破坏的能力。 ③无塑性转变温度: 材料在某一温度区间随温度的降低,其韧性值突然降低,此温度为无塑性转变温度。 用于确定材料的最低使用温度。 韧性对压力容器用材料十分重要,是压力容器用钢必检项目。 (2)、化学性能 1、化学成分 钢的化学成分主要是铁和碳。 由于冶炼方法的限制,钢中不可避免的存有硫、磷、锰、硅等杂质,这些元素对钢的性能有很大的影响。 ①碳: 随含碳量的增加,材料强度与硬度增加,塑性与韧性降低,且焊接性能变差,容易出现裂纹。 ②硫: 是钢中的一种有害元素,它使钢在热加工时容易折裂,这种现象称为“热脆”。 ③磷: 使钢材变硬、变脆,特别是使钢在低温时显著变脆,这种现象称为“冷脆”。 ④锰: 能消除硫的有害影响,提高钢的强度和硬度,是一种有益元素。 ⑤硅: 可提高钢的强度和硬度,提高钢的耐蚀性能,是主要的耐蚀合金元素之一。 2、化学性能 (3)、物理性能 (4)、工艺性能 一、碳钢及其热处理 (1)、概念 碳钢: 由95%的铁和4%以下的碳组合的化合物。 又叫碳素钢或铁碳合金。 (2)、分类及牌号 a、分类 ①按含碳量分: 低碳钢: C<0.25中碳钢: 0.25% C>0.6% ②按冶炼方法分: 镇静钢(Z) 沸腾钢(F) 半镇定钢(b)③按质量分: 普通碳素钢: P<0.045%,S<0.05%优质碳素钢: P<0.035%,S<0.04% b、牌号: 优质碳素钢 c、性能与用途 ①机械性能②工艺性能③耐蚀性 (3)、热处理 概念: 利用加热、保温、冷却等过程,使钢材在固态下发生内部晶体组织的结构变化,从而达到改变钢材性能的工艺。 钢材热处理工艺: 退火、正火、淬火、调质、回火等。 1、退火与正火 ①退火②正火 2、淬火与回火 ①淬火②回火 (4)、化学热处理 (5)、钢、铸铁、生铁的区别 钢: 指含碳量<2%的铁碳合金。 铸铁: 含碳量为2.5%~4.0%的铁碳合金。 生铁: 含碳量>4.3%的铁碳合金 二、合金钢 (1)、合金元素对钢的影响 合金钢: 在碳素钢中有意加入一些特定的合金元素以改善钢材的性能。 常加入的合金元素有: Cr、Mn、Ni、Si、Mo、V、Ti、B等。 (2)、合金钢的分类、牌号、性能和用途 a、分类 ①按化学成份分类 低合金钢: 合金元素总含量不大于5% 中合金钢: 合金元素总含量不大于5~10% 高合金钢: 合金元素总含量不大于10% ②按用途分类 普通低合金钢: 在普通碳素钢中加入少量合金元素。 合金结构钢: 在优质碳素钢中加入适量合金元素。 特殊性能钢: 不锈钢及不锈耐酸钢、耐热钢、低温用钢。 b、牌号 ①特殊性能钢(耐热、低温、不锈钢)牌号 (3)、钢材的品种和规格 a、钢板: 分冷轧钢板和热轧钢板。 b、无缝钢管: 分普通无缝钢管和石油裂化用无缝钢管。 c、型钢: 圆、方、扁、角钢、工字钢、槽钢。 d、铸钢和锻钢: 主要用于泵壳、阀门、泵叶轮等制造。 (4)、各类合金钢的性能与用途 a、普通低合金钢 b、锅炉钢(g c、容器钢(R) d、不锈耐酸钢 防止晶间腐蚀的方法: ①重新淬火②降低含碳量③在钢中加入Ti,Nb等与C亲和力更大的合金元素,将碳固定。 e、耐热钢: 一般这类钢中加入Cr、Al、Si、Mo等合金元素。 常用的有: 12CrMo、Cr5Mo、Cr5Ni20、1Cr18Ni9Ti f、低温用钢 一般要求: ①含碳量0.08%~0.18% ②加入Mn,A1,Ti,Nb,V等。 常用的耐热钢: 1、抗氧化钢: 直接受火加热但受力不大的零件。 如: Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti,Cr25Ni12等。 2、热强钢: 抗蠕变也有一定的抗氧化能力,如炉管,反应器。 如: 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等。 三、金属材料的腐蚀理论和防腐措施 腐蚀是材料由于环境作用引起的破坏或变质。 (1)、金属材料腐蚀的分类 a、按化学机理分 ①化学腐蚀②电化学腐蚀 b、按金属破坏特性分 ①全面腐蚀: 发生在整个金属表面。 ②局部腐蚀: 发生在金属局部区域。 A、应力腐蚀B、孔蚀C、晶间腐蚀D、氢腐蚀 防治措施: ①降低钢中的含碳量 ②加入Cr、Mo、Ti、W、V等形成稳定碳化物。 (2)、金属腐蚀的评价方法 a、根据重量变化b、根据腐蚀深度 (3)、金属设备的防腐措施 1、衬复保护层: 金属保护层、非金属保护层 2、电化学保护 1)阴极保护2)阳极保护3)添加缓蚀剂 四、化工设备选材的原则 (1)、选材的一般要求 a、满足设备的工作条件 b、良好的制造工艺性 c、结合我国的资源及国内供应情况以求经济 (2)、钢材满足机械性能的几点具体要求 a、强度 b、因由工作条件和经济技术指标适当的选择材料。 c、塑性 d、韧性 e、冷弯性能 f、腐蚀性能 Ⅲ、化工容器设计概述 (1)、压力容器的结构与分类 1、结构 筒身、封头、人孔、支座、接管、液面计等。 2、概念 压力容器: 指内部含有压力液体的容器。 3、分类 ⑴按容器放置方式分 ①卧式容器 ②立式容器 ⑵按容器受力分 ①内压容器 ②外压容器 ⑶根据工艺过程或用途分 换热设备、反应设备、分离设备、储存设备。 ⑷根据容器的设计压力将内压容器分 ①低压容器②中压容器③高压容器④超高压容器 ⑸根据压力等级、介质性质和危害程度及设备类型分类 ①一类容器 ②二类容器 ③三类容器 (2)、压力容器的设计、制造规范 a、全国压力容器标准化技术委员会《钢制压力容器》GB150 b、国家劳动总局《压力容器安全监察规程》简称《容规》 c、石油部、化工部及一机部制定的《钢制石油化工压力容器设计规定》等 (3)、容器机械设计的基本要求 a、工艺设计: 如容器总体尺寸、传热方式、面积、接管大小、数量、方位等。 b、机械设计 ①强度、稳定性 ②刚度 ③密封性 ④节省材料等 (4)、压力容器零部件的标准化 a、提高产品的质量,降低成本,增大产品的互换性等。 b、零部件标准化的基本参数 ①公称直径(DN)——单位mm ②公称压力(PN)——单位MPa 一、内压薄壁容器的应力理论 1、回转薄壳的薄膜理论 (1)、回转壳的几何特性 a、薄壁容器: 圆筒体的外径与内径的比值 b、回转壳的几何概念 ①回转壳体②经线、纬线、中面(与内、外壁等距离的面)③第一曲率半径R1④第二曲率半径R2⑤平行圆半径R⑥第二曲率半径与旋转轴之间的夹角为φ角。 (2)、回转壳体的薄膜理论 a、无力矩理论b、薄膜应力: 用无力矩理论求得的应力为薄膜应力。 c、回转超额分配的薄膜应力求解 1、基本假设 ①直法线假设②互不挤压假设③设变形前后壁厚不变。 2、薄膜应力的计算公式 (3)、无力矩理论的应用 二、内压圆筒的强度计算 (1)、强度计算的任务 强度: 容器抵抗外力作用而不致发生过大变形或断裂的能力。 任务就是根据给定的公称直径以及设计压力,设计温度,依据一定的强度失效准则,设计出合适的壁厚,以保证设备安全运行。 (2)、强度失效准则 概念: 是容器判废的依据。 根据GB150,内压薄壁容器的设计,采用的强度失效准则为第一强度理论即最大主应力理论。 强度条件: σeq=σ1≤[σ]t (3)、内压薄壁圆筒的设计 壁厚设计公式为: 三、内压球壳的强度计算 (1)、内压圆壳的壁厚设计 四、设计参数的确定 (1)、计算内压力与设计温度 a、计算内压力 b、设计压力P 一般当容器中装有安全阀或爆破膜时,P=(1.05~1.1)Pmax 当元件承受的液柱静压力小于5%设计压力时,液柱的静压力可忽略。 c、设计温度 在相应的设计压力下壳体或元件可能达到的最高或最低温度,与材料的选择及许用应力的选择有关。 设计温度≥容器操作时的最高温度(+20℃) 设计温度≤容器操作时的最低温度 (2)、焊缝系数φ 对焊接缺陷加以补偿,φ的大小取决于焊缝型式以及无损探伤的检验要求。 注意: 1、如同一容器中有几种焊缝系数,则分别计算,取壁厚最大值作为容器的计算壁厚。 2、若用无缝钢管作为压力容器的筒体时,φ可以取1.0 (3)、厚度 a、厚度附加量C ⑴、C1为板厚负偏差,由钢板的名义厚度确定(反算法) ①当钢板厚度负偏差≤0.25mm,且≤6%δn,可取C1=0 ②C1也可根据需要限定,此时C1=0.25mm ⑵、腐蚀余量C2。 C2=KaB (4)、许用应力和安全系数 许用应力的计算公式: [σ]t=极限应力/安全系数 [σ]t与设计温度及板厚有关。 六、内压薄壁容器强度设计步骤 1、由工作压力P及工作温度t得出设计压力、设计温度及计算压力Pc 2、由操作条件(P、t,介质是否腐蚀)确定容器的材料,然后选择[σ]t,φ,C 3、计算厚度δ 名义厚度: 再向上圆整至标准厚度 七、内压薄壁容器强度校核步骤 有效厚度: 容器的强度校核: 判断 八、压力试验 1、类别: 强度试验、致密性试验 试验用介质: 液体、气体 2、实验压力: 液压试验: 卧式和立式 气压试验 3、压力试验的注意事项 ①液压试验温度应低于液体的沸点温度而高于材料的转脆温度。 ②采用洁净水进行水压试验,完毕后用压缩空气将内部吹干。 ③不适合接触液体的容器,应采用气压试验。 五、凸形封头的强度 封头就是容器的端盖。 锥形封头、凸形封头(椭圆形、半球形、碟形)、平盖板封头。 (1)、椭圆形封头 标准椭圆形封头的长短轴之比为1比2 计算厚度公式: ) ①标准椭圆形封头一般带有直边,以减小边缘应力的影响。 ②δe ≥0.15%Di (2)、半球形封头(受力最好,制造难度大) 计算厚度公式: δ=PcDi/(4[σ]tφ-Pc) (3)、蝶形封头(应力分布比标准椭圆形封头差一些) 计算厚度公式: δ=MPcR1/(2[σ]tφ-0.5Pc) 形状系数 标准蝶形封头R1=0.9Di r=0.17Di则 六、外压容器 (1)、外压容器的失稳 外压容器的稳定性(用到的直径都是中径) 1、概念: ①受力特征: 与受内压作用的圆筒的薄膜应力相同,但为压应力。 ②破坏形式: 当受到外压时,在未发生强度破坏之前,就已经发生周向压瘪或纵向弯曲了。 ③失稳: 在容器所受的压力(外压)达到某一临界值后,开始出现弯曲等形状的变化就叫失稳。 这个临界值就称为临界应力Pcr 2、外压容器失稳后的形状 容器发生失稳首先在圆周方向上发生失稳,即圆筒体压瘪。 (2)、临界压力的概念 反映外压容器抗失稳的能力。 1、影响因素 ①几何尺寸: L/Do,δe/Do,长度越大,越容易失稳,板材的有效厚度越小,越容易失稳。 ②物理参数 ③圆筒体的椭圆度和材料的不均匀性的影响。 ④材料的强度无关。 2、长、短圆筒和刚性圆筒的划分 ①长圆筒 ②短圆筒 ③刚性圆筒 七、外压圆筒的公式设计法 (1)、稳定性破坏条件 (2)、临界压力的数学表达式 1、长圆筒的临界压力2、短圆筒的临界压力3、刚性圆筒: 只需进行强度计算 (3)、临界长度 (4)、外压圆筒设计的计算法步骤: 1、由工艺计算确定D、L,查Et,假设δn 2、计算临界长度Lcr,并判断属长短圆筒 3、代入相应的长圆筒或短圆筒的Pcr公式中,得计算压力Pcr 4、判断: Pc≤Pcr/m(对于钢制圆筒m=3.0) 若满足,δn合适;若不满足,重复以上步骤,直至满足为止。 八、外压圆筒的图算设计法(图算法) 在图算法中用到的直径是外径 (1)、图算法步骤: (2)、外压容器设计参数的确定 1、设计压力P: 一般P=0.1MPa,当装有安全控制装置(如真空泄放阀)时,P=1.25ΔP与P=0.1MPa的小值。 ΔP为容器内外压力差。 2、压力试验 ①外压容器及真空容器以内压进行压力试验,试验压力与试验强度校核公式与内压容器的压力试验相同。 ②对夹套容器: 内容器——与内压容器压力试验相同。 外容器——与内压相同,但内容器必须进行稳定性校核。 若不满足稳定性要求,可是内容器有压差,保证试验时的压力差小于设计时的内外压差。 3、计算长度L(前面已讲过) 九、外压圆筒的加强圈设计 (1)、加强圈的作用与结构 1、设置加强圈的目的: 减小计算长度,提高外压容器的稳定性。 2、加强圈的类型: 扁钢、工字钢、角钢、槽钢等。 3、加强圈的连接 焊在外壁,焊缝总长≥1/2圆周长,最大间距≤8δn 焊在内壁,焊缝总长≥1/3圆周长,最大间距≤12δn (2)、加强圈的设计步骤 As——截面积 Jy——惯性距 Js——工业估算值 十、外压封头设计 (1)、球形封头及半球形封头 (2)、椭圆形和碟形封头 十一、压力容器开孔与接管 容器壳体开孔时的应力集中 (1)、基本概念 1、应力集中现象: 由于开孔接管后,壳体的结构连续性破坏,此处在操作压力作用下,会产生比不开孔接管时基本应力大数倍的应力,这种现象叫应力集中现象。 2、应力集中系数(K): 指开孔边缘的最大应力值与壳体上不开孔时的最大应力之比。 K=σ实际/σ 式中: σ——基本应力 对球壳: σ=PR/2δ 对筒体: σ=PR/δ σ实际——开孔或接管处的实际最大应力。 十二、开孔补强设计 (1)、开孔补强设计的原则 1、目的: 使孔边的应力峰值降低到某一允许值,并提高器壁的强度。 2、内容: ①选用合适的补强结构型式②选用
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