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文档简介

报告编号:WT-FAT-CB-2026-018塔筒焊缝疲劳等级(FAT)选取与累计损伤对比计算书——基于IEC61400-1、DNV-RP-C203、EN1993-1-9与IIW的多规范对比分析工程名称:××风电场50MW项目5.0MW风力发电机组钢制塔架计算对象:塔筒环向对接焊缝、纵向对接焊缝、法兰连接焊缝及门框加强焊缝报告编号:WT-FAT-CB-2026-018项目阶段:施工图设计阶段报告类型:结构计算书(疲劳专项)设计寿命:25年编制:_________日期:____年__月__日审核:_________日期:____年__月__日批准:_________日期:____年__月__日××工程设计咨询有限公司二〇二六年十月第21页目录TOC\z\o"1-3"\u\h1编制说明 11.1编制目的 11.2适用范围 11.3计算依据 11.4术语与符号 22工程概况与设计输入 32.1机组与塔架概况 32.2材料参数 32.3焊缝构造细节 42.4疲劳载荷与应力谱 42.5计算假定 53疲劳评估方法与S-N曲线 53.1名义应力法 53.2结构热点应力法 53.3累计损伤准则 63.4各规范S-N曲线 64焊缝疲劳等级(FAT)选取 74.1细节分类原则 74.2构造细节与FAT等级的多标准对照 74.3控制焊缝的确定 84.4板厚效应的处理 85累计损伤计算 95.1计算流程 95.2名义应力法累计损伤(EN体系) 95.3FAT等级敏感性 95.4不同标准体系的对比 95.5热点应力法校核 105.6板厚效应敏感性 105.7累计损伤汇总 116安全系数与疲劳强度核验 126.1各规范安全系数体系 126.2核验结果 136.3疲劳寿命反算与裕度 137结果分析与工程指导意义 147.1结果分析 147.2FAT选取建议 157.3设计建议 157.4制造与检测建议 157.5运维与监测建议 158结论 169免责声明 16附录AW1焊缝分项损伤计算表(ENFAT90,t=40mm,γ=1) 18附录B主要引用标准与文献清单 191编制说明1.1编制目的本计算书以××风电场5.0MW风力发电机组钢制圆锥筒塔架为对象,针对其筒体环向对接焊缝、纵向对接焊缝、法兰连接焊缝及门框加强焊缝,开展焊缝疲劳等级(FatigueClass,FAT)选取与累计损伤的对比计算。编制的目的在于:(1)明确各控制焊缝的疲劳构造细节分类及其FAT等级选取的多标准依据,杜绝漏项与错选;(2)在统一应力谱输入条件下,对比不同标准体系、不同FAT等级、不同评估方法及不同板厚条件下累计损伤的差异;(3)按各规范的安全系数体系对疲劳强度进行核验,给出疲劳寿命与安全裕度;(4)形成可指导设计、制造、检测与运维的工程结论与建议。1.2适用范围本计算书适用于本塔架筒体环向焊缝、纵向焊缝、法兰连接焊缝及门框加强焊缝在正常服役工况下的应力—寿命(S-N)法疲劳评估,可作为塔架疲劳设计的复核依据。高周疲劳以外的失效模式(如脆性断裂、疲劳裂纹扩展寿命评估)及基础、法兰螺栓连接的疲劳不属本计算书范围。1.3计算依据本计算书依据下列现行标准、规范与文献:(1)IEC61400-1:2019风力发电机组第1部分:设计要求;(2)IEC61400-6:2020风力发电机组第6部分:塔架与基础;(3)GB/T18451.1—2012风力发电机组设计要求;(4)GB/T19072—2022风力发电机组塔架;(5)EN1993-1-9:2005欧洲规范3:钢结构设计第1-9部分:疲劳;(6)DNV-RP-C203:2016海上钢结构疲劳设计推荐作法;(7)DNV-ST-0126风电机组支撑结构设计;(8)IIWRecommendationsforFatigueDesignofWeldedJointsandComponents(第3版,2024);(9)GB/T1591—2018低合金高强度结构钢;(10)EN1090-2:2018钢结构施工第2部分:钢结构技术要求;(11)NB/T47013.3—2015承压设备无损检测第3部分:超声检测;(12)ISO5817:2014焊接钢、镍、钛及其合金的熔化焊焊缝缺陷质量分级。1.4术语与符号本计算书采用的主要符号及其含义、单位见表1-1。表1-1主要符号与术语符号含义单位Δσ应力范围(σmax−σmin)MPaΔσC疲劳细节类别:2×106次对应的应力范围(特征值)MPaΔσDS-N曲线第一拐点(斜率由m1转至m2)应力范围MPaΔσL变幅疲劳截止限(低于该值不计损伤)MPaΔσE,2等效常幅应力范围(对应2×106次)MPaN疲劳寿命(循环次数)次ni、Ni第i级应力范围的循环次数、对应容许循环次数次m1、m2S-N曲线斜率(负倒数)—D累计损伤度(Palmgren-Miner)—FAT疲劳等级(IIW体系,2×106次特征强度)MPaks板厚尺寸效应系数—γMf、γFf疲劳强度分项系数、疲劳载荷分项系数—DFF设计疲劳系数(DesignFatigueFactor)—t、T板厚、疲劳设计寿命mm、年2工程概况与设计输入2.1机组与塔架概况本工程采用5.0MW级水平轴风力发电机组,轮毂高度110m,塔架为钢制圆锥筒结构,由若干筒节通过环向对接焊缝拼接而成。塔架主要几何参数见表2-1。表2-1塔架主要几何参数参数数值单位轮毂高度H110m塔底外径Db4.80m塔顶外径Dt3.20m塔底段壁厚tb40mm塔顶段壁厚tt20mm筒节数量5节设计寿命25年结构重要性等级一般(S3)—2.2材料参数塔筒主体采用Q355NE低合金高强度结构钢,其常温力学性能与设计取值见表2-2。表2-2Q355NE主要力学性能项目数值单位屈服强度fy≥355MPa抗拉强度fu470~630MPa弹性模量E206GPa质量密度ρ7850kg/m³冲击韧性(−40℃)≥34J2.3焊缝构造细节按构造型式、板厚、焊接方法及无损检测等级,本塔架主要疲劳控制焊缝见表2-3。表2-3主要焊缝构造细节编号位置焊缝型式板厚t/mm焊接方法检测等级W1塔底段环向对接焊缝全熔透V形对接40双面埋弧焊UTⅠ级W2筒节纵向对接焊缝全熔透对接32自动埋弧焊UTⅠ级W3筒体—法兰环向连接部分熔透/角接40手工/气保焊UT/MTⅠ级W4门框加强环焊缝全熔透对接28气保焊UT/MTⅠ级注:W1为塔底弯矩最大截面处的控制焊缝,其疲劳寿命通常控制塔架疲劳设计,故本计算书以W1为名义应力法主算对象,其余焊缝按同一方法类比评定。2.4疲劳载荷与应力谱采用IEC61400-1规定的疲劳载荷工况(DLC1.2等)进行气弹仿真,提取控制焊缝截面弯矩时程,经雨流计数(ASTME1049)得到年应力谱。以W1焊缝名义应力范围为例,年应力谱见表2-4。表2-4W1焊缝年应力谱(雨流计数结果)序号应力范围Δσ/MPa循环次数ni/次·年−1占比/%1535.0×1030.0042443.5×1040.0273352.0×1050.1544289.0×1050.6915213.0×1062.3066169.0×1066.9167112.2×10716.906874.0×10730.738955.5×10742.266合计—1.3014×108100.0002.5计算假定(1)采用线性累计损伤准则(Palmgren-Miner)与应力—寿命(S-N)法;(2)焊接残余应力、焊接几何不连续的影响已包含在S-N曲线与细节分类之中;(3)焊接接头的平均应力影响按规范隐含计入,不另行修正;(4)载荷长期分布取年应力谱重复出现,累计损伤与年数成正比;(5)服役环境按空气环境考虑,不考虑腐蚀介质影响;(6)焊缝质量满足EN1090-2及ISO5817相应质量等级要求。3疲劳评估方法与S-N曲线3.1名义应力法名义应力法以构件截面上的宏观名义应力为参量,配合按构造细节分类给出的S-N曲线进行评定。塔筒筒体在弯矩控制下的名义弯曲应力范围按下式计算: σnom=MW式中:M为截面弯矩,W为截面抗弯截面模量,N为轴向力,A为截面积。各级荷载的应力范围为: Δσ=σmax-σ3.2结构热点应力法当构造复杂、名义应力不易确定时,采用结构热点应力法。热点应力按距焊趾0.4t与1.0t处的应力线性外推得到(IIW推荐): σhs=1.5σ0.4t名义应力与热点应力之间的应力集中系数SCF定义为: SCF=σhsσnom本计算书取W1焊缝焊趾处SCF=1.10~1.15作为敏感性区间,对应热点应力S-N曲线FAT100。3.3累计损伤准则变幅荷载下采用Palmgren-Miner线性累计损伤准则,各级应力范围损伤线性叠加: D=i=1nni当累计损伤度D≥1时,认为发生疲劳失效。为便于比较,亦可采用等效常幅应力范围表示: ΔσE,2=13.4各规范S-N曲线三种规范体系的S-N曲线均可表示为双斜率幂函数形式: logN=loga-mlogEN1993-1-9规定,当应力范围不低于拐点ΔσD时斜率取m=3;介于ΔσL与ΔσD之间时斜率取m=5;低于ΔσL时报废不计损伤。即: N=2×106Δσ N=5×106Δσ式中拐点应力范围按疲劳细节类别ΔσC换算: ΔσD=2IIW推荐在1×107次拐点之后取m2=22,使高周区损伤贡献迅速衰减;DNV-RP-C203的基本设计S-N曲线在1×107次拐点后取m2=5,且不设截止限。三者的对比见图3-1,主要曲线参数见表3-1。图3-1三种规范S-N曲线对比(钢、空气环境、焊态)表3-1各规范S-N曲线参数(空气环境、焊态)规范体系曲线/细节Δσ(2×106)/MPam1拐点N/次m2EN1993-1-9FAT909035×1065IIWFAT909031×10722DNV-RP-C203D曲线9031×1075DNV-RP-C203E曲线8031×10754焊缝疲劳等级(FAT)选取4.1细节分类原则焊接接头的疲劳强度取决于构造细节(几何形状、连接方式、受力方向)与制造质量。FAT等级的选取应遵循"构造类比、受力对口、质量对应"的原则:①明确应力方向与焊缝的相对关系(垂直于焊缝或平行于焊缝);②核对构造型式与规范细节类别表的对应关系;③结合无损检测等级与焊后处理状态确定是否折减或提高。4.2构造细节与FAT等级的多标准对照按上述原则,本塔架各焊缝在不同标准体系下的细节分类与FAT等级对照见表4-1。表4-1焊缝构造细节与FAT等级多标准对照编号构造细节描述受力方向EN1993-1-9细节类别IIWFATDNV-RP-C203曲线采用FATW1环向全熔透对接焊缝(UTⅠ级、焊态未打磨)⊥焊缝9090D90W2纵向全熔透对接焊缝(双面自动焊、引板去除)∥焊缝112112C1112W3筒体—法兰环向连接焊缝(部分熔透/角接)⊥焊缝5656F356W4门框加强环对接焊缝⊥焊缝8080E80W5环向对接焊缝焊趾打磨过渡(改善措施)⊥焊缝112112C1112由表4-1可见,同一构造细节在三种规范体系下的等级具有良好的一致性:EN1993-1-9细节类别与IIWFAT在焊态对接焊缝上取值相同;DNV-RP-C203的D、E、F、F3曲线在2×106次处的应力范围分别对应90、80、71、56MPa,与EN细节类别一一对应,可作为同一细节的等效交叉验证。4.3控制焊缝的确定W1位于塔底弯矩最大截面且板厚最大(t=40mm),其疲劳损伤显著高于其余焊缝,故确定W1环向对接焊缝为控制焊缝,FAT取90;W3、W4因构造等级较低,作为并行校核对象。4.4板厚效应的处理对于板厚t>25mm的对接焊接头,EN1993-1-9规定按尺寸效应折减疲劳强度(式4-1),其等效形式为对有效应力范围的放大(式4-2): ΔσC,red=k Δσeff=Δσt式中tref=25mm为参考板厚,DNV-RP-C203的D、E曲线板厚效应指数取k=0.20。本计算书W1焊缝t=40mm,对应ks=0.910,即有效应力较25mm板放大9.9%。5累计损伤计算5.1计算流程累计损伤计算流程为:①由雨流计数获得年应力谱;②按细节分类选取FAT与S-N曲线;③逐级计算容许循环次数Ni;④按Palmgren-Miner准则累加求D;⑤乘以设计寿命得到全寿命损伤。各级循环的容许次数按式(3-4)、式(3-5)计算,累计损伤按式(3-7)计算。5.2名义应力法累计损伤(EN体系)取控制焊缝W1(FAT90、t=40mm、ks=0.910),按EN1993-1-9特征曲线逐级计算,得年累计损伤D1=0.00458,设计寿命25年累计损伤D25=0.1144。各应力级的分项损伤见附录A。5.3FAT等级敏感性在相同应力谱与板厚条件下,改变FAT等级对累计损伤的影响见表5-1。表5-1不同FAT等级的累计损伤(EN体系,t=40mm,γ=1)FAT等级ΔσC,red/MPaΔσD/MPaΔσL/MPa年损伤D25年损伤D相对FAT90倍数112101.9575.1341.240.000660.01640.149081.9360.3833.150.004580.11441.008072.8253.6729.470.008250.20621.807164.6347.6326.150.027290.68225.966357.3542.2723.210.048421.210610.58可见FAT等级由90降至80、71、63时,25年累计损伤分别增大约1.80、5.96、10.58倍,损伤对FAT取值极为敏感。5.4不同标准体系的对比在相同名义应力谱与同一焊态对接焊缝(名义FAT90)条件下,三种规范体系的累计损伤对比见表5-2。表5-2不同规范体系的累计损伤对比(t=40mm,γ=1)规范体系曲线/等级25年损伤D相对ENFAT90倍数低幅循环处理EN1993-1-9FAT900.1141.00设截止限ΔσLIIWFAT900.0310.27拐点后m2=22DNV-RP-C203D曲线0.5905.16无截止、m2=5DNV-RP-C203E曲线1.0519.19无截止、m2=5DNV-RP-C203F曲线1.86216.28无截止、m2=5可见在相同名义FAT下,DNV-RP-C203的D曲线结果约为EN1993-1-9的5.2倍、IIW的19倍。其根源在于三种体系对低幅循环的处理方式不同:EN设变幅疲劳截止限、IIW在高周区急剧衰减、DNV则持续以m2=5累积,导致低幅大循环次数区段的损伤贡献差异被放大。5.5热点应力法校核对W1焊缝按结构热点应力法复核,取IIW/DNV热点应力S-N曲线FAT100,并与名义应力法(FAT90)对比,结果见表5-3。表5-3热点应力法与名义应力法对比(W1,t=40mm,γ=1)评估方法曲线/FATSCF25年损伤D与名义应力法偏差名义应力法ENFAT90—0.1144基准热点应力法FAT1001.1110.11440.0%热点应力法FAT1001.1500.1359+18.8%当SCF=1.111时,热点应力法(FAT100)与名义应力法(FAT90)结果完全一致,验证了两种方法在细节分类上的自洽性;当焊缝存在错边等几何偏差使SCF增至1.15时,损伤约增18.8%,表明焊接几何质量对疲劳寿命具有直接影响。5.6板厚效应敏感性保持FAT90不变,改变板厚对25年累计损伤的影响见表5-4。表5-4板厚对累计损伤的影响(ENFAT90,γ=1)板厚t/mm尺寸效应系数ks25年损伤D相对t=25mm倍数251.0000.03061.00280.9780.03431.12320.9520.09162.99400.9100.11443.74板厚由25mm增至40mm时,25年累计损伤增大约3.74倍,板厚效应不可忽略。忽略板厚效应将显著高估疲劳寿命。5.7累计损伤汇总各计算工况的25年累计损伤与反算特征寿命汇总见表5-5,直观对比见图5-1。表5-5累计损伤与特征疲劳寿命汇总工况计算条件25年特征损伤D反算特征寿命/年C1ENFAT90,t=40mm0.114218C2ENFAT90,t=25mm0.031816C3ENFAT80,t=40mm0.206121C4ENFAT71,t=40mm0.68237C5ENFAT63,t=40mm1.21121C6ENFAT112(焊趾打磨),t=40mm0.0161523C7IIWFAT90,t=40mm0.031809C8DNV-RP-C203D曲线,t=40mm0.59042C9DNV-RP-C203E曲线,t=40mm1.05124C10热点应力FAT100(SCF=1.111),t=40mm0.114218图5-1不同FAT等级与规范体系下25年累计损伤对比6安全系数与疲劳强度核验6.1各规范安全系数体系各规范对疲劳强度采用不同的安全系数表达方式,其取值与核验准则见表6-1。表6-1各规范疲劳安全系数体系规范体系系数名称与取值核验准则EN1993-1-9疲劳强度分项系数γMf:损伤容限法1.00/1.15;安全寿命法1.15/1.35(按失效后果)γFf·ΔσE,2≤ΔσC,red/γMfIEC61400-1材料分项系数γm:钢结构疲劳1.10(常规);不可检查部位1.25D·γmm≤1DNV-RP-C203设计疲劳系数DFF:1.25(冗余且可检查)~3.0(不可检查)D·DFF≤1EN1993-1-9的核验可通过等效常幅应力范围表达: γFfΔσE,2三体系中,EN采用疲劳强度折减系数γMf(等效于损伤放大γMfm),DNV采用设计疲劳系数DFF直接放大损伤,其统一的设计损伤表达式为: Ddesign=in D⋅DFF≤1 (6-3)6.2核验结果对控制焊缝W1,分别按各规范安全系数体系进行核验,设计寿命取25年,结果见表6-2。表6-2各规范体系疲劳强度核验结果(W1,t=40mm,25年)规范体系曲线/等级安全系数取值25年设计损伤核验准则结论EN1993-1-9FAT90γMf=1.350.929≤1.0通过EN1993-1-9FAT90γMf=1.150.230≤1.0通过DNV-RP-C203D曲线DFF=1.250.738≤1.0通过DNV-RP-C203D曲线DFF=2.001.180≤1.0不通过DNV-RP-C203D曲线DFF=3.001.770≤1.0不通过IEC61400-1FAT90γm=1.100.184≤1.0通过IEC61400-1FAT90γm=1.250.637≤1.0通过由表6-2可见:以EN1993-1-9的FAT90、安全寿命法γMf=1.35核验,25年设计损伤为0.929≤1.0,满足要求并有约7%裕度;若采用DNV-RP-C203的D曲线并取DFF=2.0及以上,则因低幅循环充分累积而无法通过。这表明标准体系与安全系数组合对疲劳校核结论具有决定性影响,工程中应保持曲线、FAT与安全系数三者的体系一致性。6.3疲劳寿命反算与裕度疲劳寿命按下式反算: T=1Dannual 各工况的设计疲劳寿命见表6-3。表6-3各工况设计疲劳寿命与安全裕度工况计算条件设计寿命T/年相对25年裕度结论C1ENFAT90,γMf=1.3526.91.08满足C2ENFAT90,γMf=1.15108.84.35满足C3ENFAT80,γMf=1.3515.60.62不满足C4ENFAT71,γMf=1.356.40.26不满足C5ENFAT63,γMf=1.353.80.15不满足C6DNVD曲线,DFF=1.2533.91.36满足C7DNVD曲线,DFF=2.0021.20.85不满足7结果分析与工程指导意义7.1结果分析(1)FAT等级高度敏感。在m≈3~5的双斜率S-N曲线下,FAT由90降至80、71、63,25年累计损伤分别增大约1.80、5.96、10.58倍。FAT选取的"一档之差"会被指数关系显著放大,因此细节分类必须严格核对构造型式、受力方向与检测等级。(2)标准体系差异显著。同一名义FAT90,IIW结果约为EN的0.27倍,而DNV-RP-C203的D曲线约为EN的5.16倍。差异来源于低幅循环处理方式:EN设ΔσL截止限、IIW拐点后取m2=22急剧衰减、DNV无截止且取m2=5持续累积。低幅大循环次数区段是三者分歧的主战场。(3)板厚效应不可忽略。t由25mm增至40mm,累计损伤增大3.74倍;忽略板厚效应将严重高估疲劳寿命。(4)评估方法自洽性得到验证。热点应力法(FAT100、SCF=1.111)与名义应力法(FAT90)结果完全一致;但当焊接几何偏差使SCF升至1.15时,损伤增大约18.8%,说明焊接质量(错边、角变形)对寿命影响显著。(5)安全系数决定最终结论。ENγMf由1.15增至1.35,设计损伤由0.230增至0.929;DNV曲线下DFF由1.25增至2.0即由通过转为不通过。方案的可接受性不仅取决于损伤计算,更取决于安全系数与检验策略的匹配。7.2FAT选取建议(1)控制焊缝W1(塔底环向对接焊缝)建议以EN1993-1-9/IIW的FAT90作为设计基准,并与DNV-RP-C203的D曲线进行包络校核;(2)纵向对接焊缝、门框加强焊缝分别按FAT112、FAT80选取,法兰连接焊缝按FAT56选取;(3)当采用热点应力法时,建议取热点应力S-N曲线FAT100,并明确SCF的确定依据(有限元外推或实测)。7.3设计建议(1)合理控制塔底段壁厚。在满足静强度和稳定性前提下,避免不必要的增厚,以减小板厚效应带来的疲劳强度折减;(2)优化焊缝布置,使环向对接焊缝尽量避开塔底弯矩最大截面及应力集中区;(3)对门框等开孔区域应采用加强结构并进行局部热点应力分析,避免应力集中导致的疲劳薄弱环节。7.4制造与检测建议(1)控制焊缝错边量与角变形。将SCF由1.15降至1.111可使损伤降低约16%,对疲劳寿命提升显著;(2)环向对接焊缝应采用全熔透工艺并按UTⅠ级检测,引弧、引出板须在焊后去除并打磨;(3)对焊趾进行打磨过渡(TIG重熔或砂轮打磨),可使细节等级由FAT90提升至FAT112,对应25年累计损伤由0.114降至0.016,降低约86%。7.5运维与监测建议(1)将控制焊缝列为定期检查部位,检查周期与DFF取值相协调;(2)结合振动监测与应变监测数据,反演实际应力谱,对设计假定进行复核;(3)对关键焊缝可采用声发射、超声相控阵等无损检测手段,及早发现疲劳裂纹。8结论(1)本计算书依据IEC61400-1、EN1993-1-9、DNV-RP-C203与IIW等标准,建立了塔筒焊缝疲劳等级选取与累计损伤的对比计算方法,计算参数与过程完整、可追溯。(2)W1塔底环向对接焊缝为疲劳控制焊缝,按EN1993-1-9取FAT90、考虑t=40mm板厚效应(ks=0.910),25年特征累计损伤为0.114;按安全寿命法γMf=1.35核验,设计损伤为0.929≤1.0,反算设计寿命约27年,满足25年设计寿命要求。(3)不同标准体系、FAT等级、评估方法与板厚条件下的累计损伤差异显著:相对ENFAT90(t=40mm)基准,IIW约为0.27倍、DNVD曲线约为5.16倍;FAT降至80、71、63时损伤分别增大约1.80、5.96、10.58倍;板厚由25mm增至40mm损伤增大3.74倍。(4)热点应力法(FAT100、SCF=1.111)与名义应力法(FAT90)结果一致,验证了FAT选取的自洽性;焊接几何偏差使SCF增至1.15时损伤增大约18.8%。(5)建议以EN1993-1-9/IIW的FAT90为设计基准并与DNVD曲线包络校核;通过控制板厚、优化焊缝布置、严格控制错边量并实施焊趾打磨等综合措施,可有效提高塔架焊缝的疲劳可靠性。9免责声明本计算书基于委托方提供的机组参数、载荷谱及设计资料,并按本计算书第1.3节所列现行标准、规范进行计算与评定,所得结论仅适用于本计算书明确的计算对象与假定条件。若机组参数、载荷谱、结构布置、材料、焊接工艺或检测等级发生变更,或所依据的标准、规范发生修订,本计算结论应重新评定。标准、规范中的具体条款应以现行有效版本及其勘误、修订、国家附录(或企业标准)为准,本计算书对标准条款的引用不免除委托方核对现行版本的责任。本计算书采用名义应力法与结构热点应力法进行评定,不涉及断裂力学裂纹扩展寿命评估,亦不考虑腐蚀、低温脆化等特殊服役环境的影响。本计算书仅作为技术文件供设计与审查参考,不构成对结构安全性的担保,亦不替代具备相应资质的第三方计算、试验与审查。因使用本计算书或其中数据、结论而产生的任

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