1、引言
【壓縮機網(wǎng)】金屬疊片聯(lián)軸器廣泛應用在航空、艦船、石油化工、機械制造等各個領域,疊片聯(lián)軸器為旋轉(zhuǎn)機械提供一種高可靠性的聯(lián)接方式,用來將原動機所產(chǎn)生的扭矩和旋轉(zhuǎn)運動傳遞給從動機,補償軸的不對中。
疊片聯(lián)軸器工作時膜片與法蘭交替連接產(chǎn)生撓性,膜片組上的扭矩是依靠螺栓圓上兩相鄰螺栓間切線方向傳遞,傳扭時主動螺栓通過膜片牽動從動螺栓一起旋轉(zhuǎn),螺栓受剪力,膜片受拉力或壓力。故而螺栓作為聯(lián)軸器中不可缺少的零件對設備安全、項目工期和投資都有相當大的影響,不夸張的講,設備中一個小小的螺栓斷裂或腐蝕極有可能影響整個機組的壽命。
實際使用過程中螺栓損壞是z*常見的聯(lián)軸器故障情況之一,其導致聯(lián)軸器螺栓損壞的原因很多,本文通過典型案例從選型、安裝等方面分析螺栓損壞的原因,以期在后期使用中避免此類問題的產(chǎn)生,尋找聯(lián)軸器安全、長壽使用的有限方法。
2、案例描述
2014年,某項目2號機組10KIC觸發(fā)SRI704KA (閉路冷卻水泵公共出口管線壓力低),2SRI系統(tǒng)流量由3610m3/h降至2546m3/h,2SRI201PO電流由21.63A下降至5.91A。2SRI301PO自動聯(lián)啟,聯(lián)啟后SRI704KA恢復,隨后主控手動停運2SRI201PO。維修過程中將聯(lián)軸器斷開后,發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器連接螺栓(共6根)均已斷裂,疊片組件也已斷裂,斷裂螺栓和損壞的膜片見圖1。
2014年05月客戶郵件告知,該項目1號機組聯(lián)軸器螺栓亦發(fā)生相同情況的斷裂,聯(lián)軸器型號均為TD6-**。
本文作者應用戶要求,協(xié)助泵廠家查找原因。與現(xiàn)場技術(shù)人員溝通后得如下信息:TD6-**聯(lián)軸器使用場合為電機驅(qū)動泵機組,功率220kW,轉(zhuǎn)速1450rpm。該聯(lián)軸器使用2年多,出現(xiàn)了螺栓和膜片組件斷裂的情況。
3、故障原因分析
造成聯(lián)軸器螺栓損壞的原因主要有以下幾點:聯(lián)軸器選型與結(jié)構(gòu)是否合理,螺栓材質(zhì)是否合適,聯(lián)軸器安裝是否正確等。接下來我們就來具體分析下:
3.1 聯(lián)軸器選型與結(jié)構(gòu)是否合理
疊片撓性聯(lián)軸器選用一般以所需傳遞的計算扭矩小于聯(lián)軸器的公稱扭矩為原則。由于主動機的工作狀況各不相同,所以在計算時需考慮工況系數(shù)K,見表1工況系數(shù)K值表(出自無錫創(chuàng)明聯(lián)軸器樣本)。
聯(lián)軸器扭矩計算:T=9549×P×K/n
式中:T—扭矩(N.m)
p—主動機額定功率(kW)
K—工況系數(shù)
n—額定工作轉(zhuǎn)速(r/min)
該項目聯(lián)軸器使用場合為電機驅(qū)動泵機組,功率220kW,轉(zhuǎn)速1450rpm。通過上述公式反計算實際工況系數(shù)得K=3.1。
這兩個項目均為核電項目,根據(jù)我公司相關規(guī)范(核電聯(lián)軸器/單膜片選型系數(shù)必須大于2.5),可得出此項目選TD6-470型聯(lián)軸器能滿足項目工況。
該項目聯(lián)軸器兩側(cè)為電機和泵,軸頭距離為24mm,當時設計聯(lián)軸器圖紙時,客戶手成套設計條件所限要求采用單膜片聯(lián)軸器。雖然通過上述工況系數(shù)的計算核實了TD6-470型號聯(lián)軸器能滿足該項目的系數(shù)要求,但從聯(lián)軸器使用場合上看,該項目選用單膜片聯(lián)軸器是不合適的,原因如下:
單膜片聯(lián)軸器適用于連接的設備中有一根軸(主動機軸或從動機軸)是浮動的、只有單個支撐的場合,此時單膜片聯(lián)軸器實際上起到了徑向支撐的功能。典型應用場合示意圖如圖3及圖4。

另外,在某些特殊設計的軸系如艦船推進系統(tǒng)、飛機的傳動系統(tǒng)中也會應用到單膜片聯(lián)軸器,它們采用單膜片聯(lián)軸器的原理與上圖類似。
根據(jù)該項目現(xiàn)場情況分析,此項目設備(電機-泵)而言,主、從動機主軸都是通過自身的二個軸承或軸瓦來徑向支撐固定的,在這種場合下,使用單膜片聯(lián)軸器從原理上來說都是不合適的。
從圖5中可以看出,當使用單膜片(無中間節(jié),L=0)的聯(lián)軸器時,聯(lián)軸器不具備補償二軸徑向不對中的能力。一旦機組在安裝或運行過程中存在或產(chǎn)生較大的徑向不對中,整個軸系會產(chǎn)生很大的彎曲應力和附加彎矩,從而導致:軸系振動超標;聯(lián)軸器螺栓斷裂;軸承、軸瓦、機封損壞;甚至主軸彎曲變形等故障。多年來我們在用戶現(xiàn)場接觸到很多這樣的故障實例。
該項目聯(lián)軸器的選用前期是由于客戶意愿選擇了單膜片聯(lián)軸器,現(xiàn)場安裝時必須滿足以下苛刻的條件:
1、聯(lián)軸器安裝找正時,徑向?qū)χ芯葢弦螅簭较驅(qū)χ衅畈荒艹^0.1mm,對于較小型號的聯(lián)軸器,徑向偏差不超過0.05mm。
2、對機組的使用環(huán)境、運行狀態(tài)有充分了解和把握,能夠保證機組在長期運行時不會產(chǎn)生較大的徑向不對中。然而事實上,在使用現(xiàn)場往往存在很多因素會導致徑向不對中的產(chǎn)生:如基礎沉降、地腳螺栓松動、機組熱膨脹、管路的壓差和膨脹以及很多事先無法完全預料的因素,因此要保證長期運行不產(chǎn)生較大不對中往往是很難做到的。
在該項目現(xiàn)場,我們就發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器的安裝對中偏差較大。這極有可能是造成該項目聯(lián)軸器螺栓斷裂的重要原因。對此我公司建議z*終客戶將其更改為雙膜片聯(lián)軸器,保證了膜片聯(lián)軸器的補償性能,而且也方便泵的檢、維修。
3.2 聯(lián)軸器螺栓斷裂是否正常
從用戶提供的螺栓和膜片組件斷裂照片(如圖6所示)可以看出:螺栓斷口位于螺紋收尾處,即螺栓光桿段與螺紋的交界處,而非螺栓承力的剪切面,可以判斷螺栓不是由于扭矩載荷引起的斷裂。
由于螺栓規(guī)格M12*1.5的限制,成品螺栓不具備制作標準拉伸試樣,無法進行拉伸試驗。故將現(xiàn)場斷裂的螺栓委托第三方上海材料研究所檢測中心進行分析。詳情如下:
觀察斷裂螺栓的宏觀形貌及斷口宏觀形貌(見圖7),斷裂面整體上顏色灰暗,且存在大面積擦傷,斷口部分區(qū)域與軸向垂直。
將斷口采用超聲波清洗儀充分清洗后置于Quanta400FEG掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察,斷口SEM低倍形貌見(見圖8)
斷口上的部分區(qū)域與軸向垂直,整個斷口擦傷嚴重,部分區(qū)域異物覆蓋,無法觀察細微特征(見圖9)
部分斷口區(qū)域觀察到韌窩特征,見圖10。
少部分區(qū)域觀察到疲勞特征,具有大致平行的二次裂紋和少量疲勞輝紋,見圖11。
根據(jù)上述圖片,斷口上的大部分區(qū)域與軸向垂直,整個斷口擦傷嚴重,部分區(qū)域觀察到疲勞特征,具有大致平行的二次裂紋和少量疲勞輝紋,少部分區(qū)域觀察到韌窩特征。分析結(jié)論是該斷裂螺栓為疲勞斷裂。
3.3聯(lián)軸器螺栓受力是否超額
該項目現(xiàn)場螺栓發(fā)生斷裂后,根據(jù)客戶提供的圖紙和現(xiàn)場人員的描述,我們發(fā)現(xiàn)客戶現(xiàn)場螺栓出現(xiàn)反裝的情況(現(xiàn)場錯誤安裝),螺栓未按照設計圖和使用說明書要求安裝,安裝方向反了,螺栓先穿過襯套,再穿入膜片組件和法蘭,螺母壓在法蘭上。螺栓正確的安裝方向應該從法蘭向膜片組件穿,螺母應壓在襯套上。錯誤的安裝降低了螺紋與光桿段交界處的應力,特別是在機組出現(xiàn)不對中的情況下。在有不對中的條件下,螺栓反穿會惡化其受力狀態(tài),螺栓的螺紋段要承受額外的彎矩載荷(如圖12、圖13所示)。

根據(jù)現(xiàn)場了解的情況,該項目機組情況:電機-泵,功率:220kW,轉(zhuǎn)速:1450r/min,TD6-470型聯(lián)軸器額定扭矩:4500Nm。通過公式我們可以看到,兩者的剪切應力τ(τ=4TC/(πk1R1d2))、光桿段拉伸應力σt(σt =F0/As1)、螺栓復合載荷當量應力。
螺栓螺紋危險截面拉伸應力σtc (σt=F0/As2) ,這些應力值在兩種安裝方式下均相同,通過計算得均小于對應的許用應力。
所以,我們主要通過比較螺栓從法蘭側(cè)穿入和螺栓從片組側(cè)穿入兩種情況下擠壓應力的大小來進行分析。
通過右表中螺栓校核計算結(jié)果比較,聯(lián)軸器TD6-**的螺栓材料采用42CrMo時滿足應力要求,螺栓的設計足夠安全,但是合理安裝時,螺栓承力段長度為整個法蘭邊的厚度,而如果將螺栓反過來穿,則螺栓承力段長度將會縮短(如圖12所示)。
承力段的長度決定了傳扭孔與螺栓光桿配合部位的應力和法蘭邊孔口擠壓應力的大小,承力段長度越長則應力越小,反之承力段越短則應力越大。
4、結(jié)論
根據(jù)我公司有關質(zhì)量記錄和上海材料研究所檢測中心的分析報告可以確定,該聯(lián)軸器的螺栓不存在原材料和熱處理方面的缺陷。
結(jié)合強度計算和故障現(xiàn)象分析,我們認為該聯(lián)軸器螺栓的斷裂是由于過大的不對中載荷的持續(xù)作用和螺栓不正確的安裝導致。
用戶安裝時需對機組驅(qū)、從動機進行檢查并重新對中找正,正確安裝螺栓并按規(guī)定力矩擰緊螺母,而且要采取措施保證機組的不對中在運行過程中不超出聯(lián)軸器設計許用范圍。聯(lián)軸器安裝時要嚴格按照說明書進行安裝,包括機組對中、螺栓裝配方向、螺母擰緊力矩等。機組也需要進行定期檢修、保養(yǎng),以及時排除故障,延長設備的壽命。
條件允許的話應立刻更換成雙膜片聯(lián)軸器,從根本上解決原聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)缺陷。同時在后期選型時明確在重要場合中避免采用單膜片聯(lián)軸器,因為只有合適的聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)才能充分發(fā)揮疊片聯(lián)軸器獨特的優(yōu)勢,保障機組平穩(wěn)運行,為裝置的安全生產(chǎn)保駕護航。
參考文獻
[1] [機械設計手冊第四版],化學工業(yè)出版社
[2] [中國機械工業(yè)標準匯編第二版],中國標準出版社
[3] [理論力學第六版],高等教育出版社
[4] 中廣核會議手冊,20140915
[5] 單片組聯(lián)軸器的缺陷及使用場合
[6] 上海材料研究所檢測中心螺栓分析報告
1、引言
【壓縮機網(wǎng)】金屬疊片聯(lián)軸器廣泛應用在航空、艦船、石油化工、機械制造等各個領域,疊片聯(lián)軸器為旋轉(zhuǎn)機械提供一種高可靠性的聯(lián)接方式,用來將原動機所產(chǎn)生的扭矩和旋轉(zhuǎn)運動傳遞給從動機,補償軸的不對中。
疊片聯(lián)軸器工作時膜片與法蘭交替連接產(chǎn)生撓性,膜片組上的扭矩是依靠螺栓圓上兩相鄰螺栓間切線方向傳遞,傳扭時主動螺栓通過膜片牽動從動螺栓一起旋轉(zhuǎn),螺栓受剪力,膜片受拉力或壓力。故而螺栓作為聯(lián)軸器中不可缺少的零件對設備安全、項目工期和投資都有相當大的影響,不夸張的講,設備中一個小小的螺栓斷裂或腐蝕極有可能影響整個機組的壽命。
實際使用過程中螺栓損壞是z*常見的聯(lián)軸器故障情況之一,其導致聯(lián)軸器螺栓損壞的原因很多,本文通過典型案例從選型、安裝等方面分析螺栓損壞的原因,以期在后期使用中避免此類問題的產(chǎn)生,尋找聯(lián)軸器安全、長壽使用的有限方法。
2、案例描述
2014年,某項目2號機組10KIC觸發(fā)SRI704KA (閉路冷卻水泵公共出口管線壓力低),2SRI系統(tǒng)流量由3610m3/h降至2546m3/h,2SRI201PO電流由21.63A下降至5.91A。2SRI301PO自動聯(lián)啟,聯(lián)啟后SRI704KA恢復,隨后主控手動停運2SRI201PO。維修過程中將聯(lián)軸器斷開后,發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器連接螺栓(共6根)均已斷裂,疊片組件也已斷裂,斷裂螺栓和損壞的膜片見圖1。

2014年05月客戶郵件告知,該項目1號機組聯(lián)軸器螺栓亦發(fā)生相同情況的斷裂,聯(lián)軸器型號均為TD6-**。
本文作者應用戶要求,協(xié)助泵廠家查找原因。與現(xiàn)場技術(shù)人員溝通后得如下信息:TD6-**聯(lián)軸器使用場合為電機驅(qū)動泵機組,功率220kW,轉(zhuǎn)速1450rpm。該聯(lián)軸器使用2年多,出現(xiàn)了螺栓和膜片組件斷裂的情況。
3、故障原因分析
造成聯(lián)軸器螺栓損壞的原因主要有以下幾點:聯(lián)軸器選型與結(jié)構(gòu)是否合理,螺栓材質(zhì)是否合適,聯(lián)軸器安裝是否正確等。接下來我們就來具體分析下:
3.1 聯(lián)軸器選型與結(jié)構(gòu)是否合理
疊片撓性聯(lián)軸器選用一般以所需傳遞的計算扭矩小于聯(lián)軸器的公稱扭矩為原則。由于主動機的工作狀況各不相同,所以在計算時需考慮工況系數(shù)K,見表1工況系數(shù)K值表(出自無錫創(chuàng)明聯(lián)軸器樣本)。

聯(lián)軸器扭矩計算:T=9549×P×K/n
式中:T—扭矩(N.m)
p—主動機額定功率(kW)
K—工況系數(shù)
n—額定工作轉(zhuǎn)速(r/min)
該項目聯(lián)軸器使用場合為電機驅(qū)動泵機組,功率220kW,轉(zhuǎn)速1450rpm。通過上述公式反計算實際工況系數(shù)得K=3.1。
這兩個項目均為核電項目,根據(jù)我公司相關規(guī)范(核電聯(lián)軸器/單膜片選型系數(shù)必須大于2.5),可得出此項目選TD6-470型聯(lián)軸器能滿足項目工況。

該項目聯(lián)軸器兩側(cè)為電機和泵,軸頭距離為24mm,當時設計聯(lián)軸器圖紙時,客戶手成套設計條件所限要求采用單膜片聯(lián)軸器。雖然通過上述工況系數(shù)的計算核實了TD6-470型號聯(lián)軸器能滿足該項目的系數(shù)要求,但從聯(lián)軸器使用場合上看,該項目選用單膜片聯(lián)軸器是不合適的,原因如下:
單膜片聯(lián)軸器適用于連接的設備中有一根軸(主動機軸或從動機軸)是浮動的、只有單個支撐的場合,此時單膜片聯(lián)軸器實際上起到了徑向支撐的功能。典型應用場合示意圖如圖3及圖4。


另外,在某些特殊設計的軸系如艦船推進系統(tǒng)、飛機的傳動系統(tǒng)中也會應用到單膜片聯(lián)軸器,它們采用單膜片聯(lián)軸器的原理與上圖類似。
根據(jù)該項目現(xiàn)場情況分析,此項目設備(電機-泵)而言,主、從動機主軸都是通過自身的二個軸承或軸瓦來徑向支撐固定的,在這種場合下,使用單膜片聯(lián)軸器從原理上來說都是不合適的。
從圖5中可以看出,當使用單膜片(無中間節(jié),L=0)的聯(lián)軸器時,聯(lián)軸器不具備補償二軸徑向不對中的能力。一旦機組在安裝或運行過程中存在或產(chǎn)生較大的徑向不對中,整個軸系會產(chǎn)生很大的彎曲應力和附加彎矩,從而導致:軸系振動超標;聯(lián)軸器螺栓斷裂;軸承、軸瓦、機封損壞;甚至主軸彎曲變形等故障。多年來我們在用戶現(xiàn)場接觸到很多這樣的故障實例。

該項目聯(lián)軸器的選用前期是由于客戶意愿選擇了單膜片聯(lián)軸器,現(xiàn)場安裝時必須滿足以下苛刻的條件:
1、聯(lián)軸器安裝找正時,徑向?qū)χ芯葢弦螅簭较驅(qū)χ衅畈荒艹^0.1mm,對于較小型號的聯(lián)軸器,徑向偏差不超過0.05mm。
2、對機組的使用環(huán)境、運行狀態(tài)有充分了解和把握,能夠保證機組在長期運行時不會產(chǎn)生較大的徑向不對中。然而事實上,在使用現(xiàn)場往往存在很多因素會導致徑向不對中的產(chǎn)生:如基礎沉降、地腳螺栓松動、機組熱膨脹、管路的壓差和膨脹以及很多事先無法完全預料的因素,因此要保證長期運行不產(chǎn)生較大不對中往往是很難做到的。
在該項目現(xiàn)場,我們就發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器的安裝對中偏差較大。這極有可能是造成該項目聯(lián)軸器螺栓斷裂的重要原因。對此我公司建議z*終客戶將其更改為雙膜片聯(lián)軸器,保證了膜片聯(lián)軸器的補償性能,而且也方便泵的檢、維修。
3.2 聯(lián)軸器螺栓斷裂是否正常
從用戶提供的螺栓和膜片組件斷裂照片(如圖6所示)可以看出:螺栓斷口位于螺紋收尾處,即螺栓光桿段與螺紋的交界處,而非螺栓承力的剪切面,可以判斷螺栓不是由于扭矩載荷引起的斷裂。

由于螺栓規(guī)格M12*1.5的限制,成品螺栓不具備制作標準拉伸試樣,無法進行拉伸試驗。故將現(xiàn)場斷裂的螺栓委托第三方上海材料研究所檢測中心進行分析。詳情如下:
觀察斷裂螺栓的宏觀形貌及斷口宏觀形貌(見圖7),斷裂面整體上顏色灰暗,且存在大面積擦傷,斷口部分區(qū)域與軸向垂直。

將斷口采用超聲波清洗儀充分清洗后置于Quanta400FEG掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察,斷口SEM低倍形貌見(見圖8)

斷口上的部分區(qū)域與軸向垂直,整個斷口擦傷嚴重,部分區(qū)域異物覆蓋,無法觀察細微特征(見圖9)

部分斷口區(qū)域觀察到韌窩特征,見圖10。

少部分區(qū)域觀察到疲勞特征,具有大致平行的二次裂紋和少量疲勞輝紋,見圖11。

根據(jù)上述圖片,斷口上的大部分區(qū)域與軸向垂直,整個斷口擦傷嚴重,部分區(qū)域觀察到疲勞特征,具有大致平行的二次裂紋和少量疲勞輝紋,少部分區(qū)域觀察到韌窩特征。分析結(jié)論是該斷裂螺栓為疲勞斷裂。
3.3聯(lián)軸器螺栓受力是否超額
該項目現(xiàn)場螺栓發(fā)生斷裂后,根據(jù)客戶提供的圖紙和現(xiàn)場人員的描述,我們發(fā)現(xiàn)客戶現(xiàn)場螺栓出現(xiàn)反裝的情況(現(xiàn)場錯誤安裝),螺栓未按照設計圖和使用說明書要求安裝,安裝方向反了,螺栓先穿過襯套,再穿入膜片組件和法蘭,螺母壓在法蘭上。螺栓正確的安裝方向應該從法蘭向膜片組件穿,螺母應壓在襯套上。錯誤的安裝降低了螺紋與光桿段交界處的應力,特別是在機組出現(xiàn)不對中的情況下。在有不對中的條件下,螺栓反穿會惡化其受力狀態(tài),螺栓的螺紋段要承受額外的彎矩載荷(如圖12、圖13所示)。


根據(jù)現(xiàn)場了解的情況,該項目機組情況:電機-泵,功率:220kW,轉(zhuǎn)速:1450r/min,TD6-470型聯(lián)軸器額定扭矩:4500Nm。通過公式我們可以看到,兩者的剪切應力τ(τ=4TC/(πk1R1d2))、光桿段拉伸應力σt(σt =F0/As1)、螺栓復合載荷當量應力。
螺栓螺紋危險截面拉伸應力σtc (σt=F0/As2) ,這些應力值在兩種安裝方式下均相同,通過計算得均小于對應的許用應力。
所以,我們主要通過比較螺栓從法蘭側(cè)穿入和螺栓從片組側(cè)穿入兩種情況下擠壓應力的大小來進行分析。
通過右表中螺栓校核計算結(jié)果比較,聯(lián)軸器TD6-**的螺栓材料采用42CrMo時滿足應力要求,螺栓的設計足夠安全,但是合理安裝時,螺栓承力段長度為整個法蘭邊的厚度,而如果將螺栓反過來穿,則螺栓承力段長度將會縮短(如圖12所示)。

承力段的長度決定了傳扭孔與螺栓光桿配合部位的應力和法蘭邊孔口擠壓應力的大小,承力段長度越長則應力越小,反之承力段越短則應力越大。
4、結(jié)論
根據(jù)我公司有關質(zhì)量記錄和上海材料研究所檢測中心的分析報告可以確定,該聯(lián)軸器的螺栓不存在原材料和熱處理方面的缺陷。
結(jié)合強度計算和故障現(xiàn)象分析,我們認為該聯(lián)軸器螺栓的斷裂是由于過大的不對中載荷的持續(xù)作用和螺栓不正確的安裝導致。
用戶安裝時需對機組驅(qū)、從動機進行檢查并重新對中找正,正確安裝螺栓并按規(guī)定力矩擰緊螺母,而且要采取措施保證機組的不對中在運行過程中不超出聯(lián)軸器設計許用范圍。聯(lián)軸器安裝時要嚴格按照說明書進行安裝,包括機組對中、螺栓裝配方向、螺母擰緊力矩等。機組也需要進行定期檢修、保養(yǎng),以及時排除故障,延長設備的壽命。
條件允許的話應立刻更換成雙膜片聯(lián)軸器,從根本上解決原聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)缺陷。同時在后期選型時明確在重要場合中避免采用單膜片聯(lián)軸器,因為只有合適的聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)才能充分發(fā)揮疊片聯(lián)軸器獨特的優(yōu)勢,保障機組平穩(wěn)運行,為裝置的安全生產(chǎn)保駕護航。
參考文獻
[1] [機械設計手冊第四版],化學工業(yè)出版社
[2] [中國機械工業(yè)標準匯編第二版],中國標準出版社
[3] [理論力學第六版],高等教育出版社
[4] 中廣核會議手冊,20140915
[5] 單片組聯(lián)軸器的缺陷及使用場合
[6] 上海材料研究所檢測中心螺栓分析報告
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