CN111231098A - 薄壁离心gfrp管超高性能混凝土复合电杆及其成型工艺 - Google Patents

Abstract

薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆及其成型工艺，属于电力系统输电线路架空装置技术领域，其为中空且轴向贯通的电杆，包括GFRP管层和超高性能混凝土层；所述GFRP管层套设于超高性能混凝土层外部，且超高性能混凝土层外壁离心贴合于GFRP管层内壁。薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆具有质量轻，强度高，变形小，造价低、耐腐蚀，抗老化，电绝缘性好，无安全运行隐患，且易于装运和安装等优势，特别适用于雷害及污闪频繁、腐蚀严重、强风以及电杆运输和组立困难等地区的配网建设、改造和抢修工程。

Description

薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆及其成型工艺

技术领域

本发明属于电力系统输电线路架空装置技术领域，具体涉及为薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆及其成型工艺。

背景技术

杆塔结构是输电、通讯、铁路、机场、市政等基础设施中一类重要的特种支撑结构物，其结构性能直接影响线路的安全性、可靠性和经济性。目前，国内架空输电线路中使用的电杆主要有环形混凝土电杆、钢管电杆和钢管混凝土电杆及复合材料电杆。环形混凝土电杆在35kV及以下输电线路中大量使用，在110kV线路运输和施工条件较好的平原和丘陵地区也得到一定应用。钢管和钢管混凝土电杆在近年来城区高电压等级的电网建设和改造中应用较多。而复合材料电杆仅在近些年才得到电力系统越来越多的关注并在一部分特殊区域的线路工程建设上开始试用。

环形混凝土电杆造价低廉、施工及安装技术成熟，在国内各电压等级的输电线路上被广泛采用。但该结构也存在一定的局限性：①混凝土为脆性材料，抗拉强度低，容易开裂，抵御自然灾害能力差；②混凝土单位密度承载力低，混凝土电杆自重较大，不利于运输、施工；③在自然环境下，混凝土内部钢筋易腐蚀，缩短使用寿命。此外，在遇到台风、冰灾、洪涝、地震等自然灾害时，常常会发生倒杆断线事故，造成停电、通信中断、道路断阻、停水等情况，需要快速开展灾后重建工作。特别是混凝土电杆的倒杆频率非常高，严重影响了电网运行安全及设备和人身安全。

复合材料电杆由于其重量轻、强度高、耐腐蚀、耐高低温、绝缘性能好、防雷、防污等优点，近年来在输电线路中受到国内外电力行业的青睐。但是复合材料电杆也存在一些不足：①复合材料各项异性，其抗压承载力较差；②复合材料刚度较小，其挠度不易控制，位移过大容易影响线路运行安全；③复合材料造价较高，单根电杆售价是普通混凝土电杆的5倍以上。

发明内容

本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆。

本发明的另一目的在于提供上述复合电杆的成型工艺。

薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其为中空且轴向贯通的电杆，包括GFRP管层和超高性能混凝土层；所述GFRP管层套设于超高性能混凝土层外部，且超高性能混凝土层外壁离心贴合于GFRP管层内壁。

作为一种优选，薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，为锥形杆，其半径由电杆本体顶部至电杆本体底部逐渐变大。

进一步，薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其锥度为1/75，梢径为Φ150~Φ510mm，杆长6-27m。

作为另一种优选，薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其为等径杆，其半径由电杆本体顶部至电杆本体底部均等同。

进一步，薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其直径从Φ300~Φ550mm，杆长3-15m。

作为另一种优选，薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其为台阶形杆，由至少2段的等径杆一体式同轴设置。

进一步，薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其直径从Φ300~Φ550mm，杆长3-15m。

所述GFRP管层的壁厚为3-7mm；所述超高性能混凝土层的壁厚为25-30mm，强度等级C100 MPa及以上。

薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆的成型工艺，包括以下步骤：

步骤1，裁布：对玻纤布进行裁切，使得玻纤布的宽度不小于复合电杆周长的一半；

步骤2，清理模具的内壁表面，在模具内壁表面涂擦脱模剂，并在模具内壁表面涂刷胶衣：所述模具包括可拆卸式的上模具和下模具，所述上模具和下模具拼合后形成容置GFRP管层的模腔；

步骤3，刮胶：将裁切后的玻纤布摊平放置后刮上配制好的树脂胶液，在已经刮胶的玻纤布上依次叠加玻纤布并刮胶；然后把刮好胶液的玻纤布放进下模具；

步骤4，放入气囊：所述气囊为设置有进气通道的柔性囊体；气囊预先充有适量的气体以使得气囊刚刚鼓起；将气囊放至下模具，将玻纤布叠加在气囊正上方，并始终保持玻纤布的平整；气囊下方的玻纤布和上方的玻纤布在接合处相互重叠；

步骤5，合模：将上模具缓慢盖合至下模具，合模时勿将玻纤布挤压出来，合模完毕后将上模具和下模具固定连接；

步骤6，加温固化：往气囊中充入蒸汽，气囊内的气压始终保持在0.1~0.3MPa左右；固化时间在45min~60min，叠加的玻纤布固化形成GFRP管层；

步骤7，脱模：将气囊中的空气放空之后，将上模具从下模具上拆分，并取出成型的GFRP管层；

步骤8，离心：往GFRP管层内壁泵送超高性能混凝土，经离心成型，得到与GFRP管层内壁贴合的超高性能混凝土层，制得薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆。

步骤2中，胶衣的制备方法如下：将固化剂、促进剂加入至原始胶衣并搅拌均匀，得到胶衣；按照重量份数，固化剂：促进剂：原始胶衣=0.5~1：0.3~1：100；

步骤3中，树脂胶液的制备方法如下：按照重量份数，将100份树脂、0.5~1份固化剂、0.3~1份促进剂混合并搅拌均匀，得到树脂胶液；

步骤7中，脱模后的GFRP管层内表面局部进行界面处理：GFRP管层端部内表面涂刷粘接剂后喷砂。

薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，杆身采用WALP成型工艺制造的薄壁GFRP玻璃纤维增强塑料管材，内部浇筑薄壁超高性能混凝土经离心成型的新型组合结构复合电杆，弥补了环形混凝土电杆和复合材料电杆的缺点，是用于输电线路杆塔较为合理的新型组合结构形式，它充分发挥GFRP的抗拉强度和超高性能混凝土的抗压强度高的优点，克服GFRP抗压强度和超高性能混凝土的抗拉强度低的缺点，提高了结构的整体工作性能。既可以作为低电压等级的输电线路电杆，也可以作为构件用于外荷载作用较大的特高压大型输电线路的杆塔上。

薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆具有质量轻，强度高，变形小，造价低、耐腐蚀，抗老化，电绝缘性好，无安全运行隐患，且易于装运和安装等优势，特别适用于雷害及污闪频繁、腐蚀严重、强风以及电杆运输和组立困难等地区的配网建设、改造和抢修工程。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例2的结构示意图；

图3是实施例3的结构示意图；

图4是本电杆的剖视图；

图5是本模具和气囊的的结构示意图；

图中：GFRP管层1、超高性能混凝土层2、上模具3、下模具4、档条5、气囊6。

具体实施方式

下面结合附图，对本专利作进一步详细说明。

术语定义。

复合材料电杆：杆身采用复合材料的电杆。本方案中复合材料指玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)。

GFRP:glass fiber reinforced piastics,玻璃纤维增强塑料,以玻璃纤维为增强体，以聚合物为基体的复合材料。

薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆: 在薄壁玻璃纤维增强塑料管内部浇筑超高性能混凝土，经离心成型后形成的新型空心GFRP管混凝土复合结构电杆(简称复合电杆)。

WALP成型工艺：将浸润了不饱和树脂基体的玻璃玻纤布放置在成型模具内，经压缩空气涨压，热蒸汽加热固化成型管材的一种方法。

超高性能混凝土：以水泥和矿物掺合料等活性粉末材料、细骨料、外加剂、高强度微细钢纤维和/或有机合成纤维、水等原料生产的C100等级及以上的超高强增韧混凝土。国际上较为通用的配制高强混凝土(100MPa)的技术为"硅酸盐水泥+硅灰+高效减水剂"，此为现有技术，可以应用于本申请，不再赘述。

实施例1：锥形杆。

在本实施例中，本复合电杆为中空且轴向贯通的锥形杆，本复合电杆的半径由电杆本体顶部至电杆本体底部逐渐变大。

本复合电杆，包括GFRP管层1和超高性能混凝土层2；所述GFRP管层1套设于超高性能混凝土层2外部，且超高性能混凝土层2外壁离心贴合于GFRP管层1内壁。

GFRP管层1作为外层，是GFRP管材，采用WALP成型工艺制造，系将浸润了不饱和树脂基体的玻璃纤维单径布放置在成型模具内，经压缩空气涨压，热蒸汽加热固化形成的复合材料管材。WALP成型工艺的具体步骤，参见本复合电杆的成型工艺。

超高性能混凝土层2作为内层，是离心成型的超高性能混凝土。

进一步：本复合电杆，锥度为1/75，梢径为Φ150~Φ510mm，杆长6-27m。

进一步：所述GFRP管层1的壁厚为3-7mm；所述超高性能混凝土层2的壁厚为25-30mm，强度等级C100 MPa及以上。

实施例2：等径杆。

在本实施例中，本复合电杆为中空且轴向贯通的等径杆，本复合电杆的半径由电杆本体顶部至电杆本体底部均等同。

本复合电杆，包括GFRP管层1和超高性能混凝土层2；所述GFRP管层1套设于超高性能混凝土层2外部，且超高性能混凝土层2外壁离心贴合于GFRP管层1内壁。

GFRP管层1作为外层，是GFRP管材，采用WALP成型工艺制造，系将浸润了不饱和树脂基体的玻璃纤维单径布放置在成型模具内，经压缩空气涨压，热蒸汽加热固化形成的复合材料管材。WALP成型工艺的具体步骤，参见本复合电杆的成型工艺。

超高性能混凝土层2作为内层，是离心成型的超高性能混凝土。

进一步：本复合电杆，直径从Φ300~Φ550mm，杆长3-15m。

进一步：所述GFRP管层1的壁厚为3-7mm；所述超高性能混凝土层2的壁厚为25-30mm，强度等级C100 MPa及以上。

实施例3：台阶形杆。

在本实施例中，本复合电杆为中空且轴向贯通的台阶形杆，由至少2段的等径杆一体式同轴设置。

本复合电杆，包括GFRP管层1和超高性能混凝土层2；所述GFRP管层1套设于超高性能混凝土层2外部，且超高性能混凝土层2外壁离心贴合于GFRP管层1内壁。

GFRP管层1作为外层，是GFRP管材，采用WALP成型工艺制造，系将浸润了不饱和树脂基体的玻璃纤维单径布放置在成型模具内，经压缩空气涨压，热蒸汽加热固化形成的复合材料管材。WALP成型工艺的具体步骤，参见本复合电杆的成型工艺。

超高性能混凝土层2作为内层，是离心成型的超高性能混凝土。

进一步：本复合电杆，直径从Φ300~Φ550mm，杆长3-15m。

进一步：所述GFRP管层1的壁厚为3-7mm；所述超高性能混凝土层2的壁厚为25-30mm，强度等级C100 MPa及以上。

薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆的成型工艺，包括以下步骤：

S1，裁布：对玻纤布进行裁切，使得玻纤布的宽度不小于复合电杆周长的一半；

S2，清理模具的内壁表面：

所述模具包括可拆卸式的上模具3和下模具4，所述上模具3和下模具4拼合后形成容置GFRP管层1的模腔。

所述上模具3长边和下模具4长边均设置有外凸的固定条，将上模具3的固定条和下模具4的固定条对齐之后并用螺栓固定连接，从而将上模具3盖合并固定于下模具4。螺栓穿过上模具3的固定条和下模具4的固定条后用螺母固定。

所述模具端部固定设置有档条5；所述档条5间隙设置。

S2a, 模具内壁表面除锈或除杂处理：用磨光机装上沙皮纸磨光片打磨模具内壁表面锈斑及凸出的地方，清理好模具内壁表面的灰尘；

S2b，模具内壁表面涂擦脱模剂：待模具干燥后用毛刷或干净的棉布以涂刷的方式将脱模剂涂擦在模具内壁表面，使模具内壁表面形成一种湿膜，待模具干燥后重复本步骤涂刷2~3遍；

作为优选，所述脱模剂，采用上海乐瑞固化工有限公司的Lubekote 6505的脱模剂。

S2c，模具内壁表面涂刷胶衣:将固化剂、促进剂加入至原始胶衣并搅拌均匀，得到胶衣；将胶衣涂刷在模具内壁，不得出现漏刷现象，尤其是模具合缝处；

作为优选，所述原始胶衣，为间苯二甲酸型胶衣树脂；所述固化剂为过氧化甲乙酮；所述促进剂为钴盐；按照重量份数，固化剂：促进剂：原始胶衣=0.5~1：0.3~1：100。

S3，配胶，得到树脂胶液：按照重量份数，将100份树脂、0.5~1份固化剂、0.3~1份促进剂混合并搅拌均匀，得到树脂胶液。

作为优选，所述树脂，为间苯型不饱和聚酯树脂；所述固化剂为过氧化甲乙酮；所述促进剂为钴盐。

S4，准备气囊6：所述气囊6为设置有进气通道的柔性囊体；

将气囊6两头固定好并将气囊充适量的气体；在气囊6表面涂上脱模剂，涂刷时做到均匀，无遗漏。

作为优选，所述脱模剂，采用上海乐瑞固化工有限公司的Lubekote 6505的脱模剂。

S5，刮胶：将玻纤布摊平放置后刮上配制好的树脂胶液，在已经刮胶的玻纤布上依次叠加玻纤布并刮胶；把刮好胶液的玻纤布放进下模具4，用刮板刮平且保证左右两边与合缝处齐平。

S6，将气囊6放至下模具4，将玻纤布叠加在气囊6正上方：气囊6放进下模具4时，先将气囊6的一头放入下模具内，再逐一将整条气囊6放入；放置气囊6时要防止气囊6将下模具4的玻纤布压褶皱；气囊6下方的玻纤布和上方的玻纤布在接合处相互重叠。

作为优选，贴合上模具3的玻纤布的宽度为复合电杆周长的一半，贴合下模具4的玻纤布的宽度为复合电杆周长的一半多130~170mm。

S7，合模：将上模具缓慢盖合至下模具，注意合模的时候勿将玻纤布挤压出来，合模完毕后将上模具和下模具固定连接。

合模后，档条5用以挡住气囊6，防止气囊6的轴向移动。气囊6的通气管穿过档条5之间的间隙。

S8，加温固化往气囊中充入蒸汽，气囊内的气压始终保持在0.1~0.3MPa左右；固化时间在45min~60min，玻纤布形成GFRP管层1。

S9，脱模：将气囊6中的空气放空之后，将上模具3从下模具4上拆分，然后将上模具3吊起，将下模具4侧倾并将成型的GFRP管层1取出来。

S10，GFRP管层1内表面局部进行界面处理：GFRP管层1端部内表面涂刷粘接剂后喷砂。

作为优选，所述粘接剂，为不饱和聚酯树脂。本界面处理，有利于提升GFRP管层1、超高性能混凝土层2在端部的结合度，防止本复合电杆弯曲时GFRP管层1、超高性能混凝土层2之间的错移。

S11，往GFRP管层1内壁泵送超高性能混凝土层2，经离心成型，得到与GFRP管层1内壁贴合的超高性能混凝土层2，制得薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆。

薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，在薄壁玻璃纤维增强塑料管内浇筑超高性能混凝土，经离心成型后形成的空心GFRP管混凝土构件，是一种轻质、高强、抗腐蚀、抗老化、易运输、易安装的低成本、高性价比的新型输电线路杆塔。其主要特点如下：

1）复合结构，性能超强。

表1 复合电杆材料性能一览表。

表2 复合电杆力学性能一览表(Φ230X12锥形杆)。

GFRP管层和超高性能混凝土层均属于超高性能复合材料，两者结合成复合结构，属于强强联合，是名副其实的复合电杆。用复合电杆替代水泥杆或复合材料电杆，承载力可提高1-2倍，挠度却比复合材料电杆减少50%以上，完全可以满足设计承载力和挠度的要求。特别是抗变形能力超强，良好的韧性可以抵御强台风而不倒杆，但台风过后又能迅速恢复原状。

2）价格适中，易于推广。

表3.110kV电杆结构设计技术经济比较。

采用自主发明的WALP成型工艺制造GFRP管，大大降低了生产成本，仅是缠绕管的1/5左右，从而也大大降低了复合电杆的生产成本，使其销售价格介于混凝土电杆和复合材料电杆之间，更易于推广和应用。

3）自重减轻，成本降低。采用薄壁的GFRP管层(壁厚3-7mm)和超高性能混凝土层(壁厚25-30mm)，减轻了复合电杆自重，比水泥杆减轻30%以上，方便运输和安装，同时降低了安装运输成本。

4）绝缘耐腐，效益显著。采用GFRP复合材料，具有轻质高强、防腐、绝缘、抗老化、耐盐酸等优点，环保，安装方便，无运行安全隐患，特别是绝缘性，可大幅度缩小输电线路走廊宽度，节省土地资源，具有良好的经济效益和社会效益。

综上所述，复合电杆是介于环形混凝土电杆和纯复合材料电杆之间的一种新型的复合结构电杆，是一种轻质、高强、抗腐蚀、抗老化、绝缘好、易运输、易安装的低成本、高性价比的新型输电线路杆塔，适用于山区、森林、沿海、高寒、高湿、高盐地带的电力、通讯及接触网架空线路的电杆、照明支柱和信号机桩等，特别适用于雷害及污闪频繁、腐蚀严重、强台风以及电杆运输和组立困难等地区的配网建设、改造和抢修工程，在电力行业具有广泛的应用价值。

与环形混凝土电杆和复合材料电杆相比，提高了承载力和刚度，造价比复合材料电杆降低60%以上，变形可与混凝土电杆相比拟，即保持了两者的优点，又克服了两者的缺点。若替代环形混凝土电杆，承载力提高50%~103%，挠度相等或降低32%，重量减轻30%以上。此结构可以分段成型和装运，现场组合安装，大大降低了安装成本。若替代复合材料电杆，承载力提高45%，挠度减少54%，售价降低78%，经济效益相当可观。

本新型复合电杆具有质轻高强、抗台风、抗环境老化性能、耐腐蚀、变形小，造价低、运输安装方便、低维护等优点，外保护层胶衣可以添加各种颜料做成不同颜色的电杆，美化环境。采用薄壁离心GFRP管超高性能混凝土组合结构复合电杆，能有效解决各种闪络问题，提高线路安全运行级别，并大幅度缩小输电线路走廊宽度，节省城区土地资源，降低经济成本，具有显著的经济效益和社会效益。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其特征在于，其为中空且轴向贯通的电杆，包括GFRP管层（1）和超高性能混凝土层（2）；所述GFRP管层（1）套设于超高性能混凝土层（2）外部，且超高性能混凝土层（2）外壁离心贴合于GFRP管层（1）内壁。

2.如权利要求1所述的薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其特征在于，其为锥形杆，其半径由电杆本体顶部至电杆本体底部逐渐变大。

3.如权利要求2所述的薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其特征在于，其锥度为1/75，梢径为Φ150~Φ510mm，杆长6-27m。

4.如权利要求1所述的薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其特征在于，其为等径杆，其半径由电杆本体顶部至电杆本体底部均等同。

5.如权利要求4所述的薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其特征在于，其直径从Φ300~Φ550mm，杆长3-15m。

6.如权利要求1所述的薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其特征在于，其为台阶形杆，由至少2段的等径杆一体式同轴设置。

7.如权利要求6所述的薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其特征在于，其直径从Φ300~Φ550mm，杆长3-15m。

8.如权利要求1或2或4或6所述的薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆，其特征在于，所述GFRP管层（1）的壁厚为3-7mm；所述超高性能混凝土层（2）的壁厚为25-30mm。

9.如权利要求1或2或4或6所述的薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆的成型工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，裁布：对玻纤布进行裁切，使得玻纤布的宽度不小于复合电杆周长的一半；

步骤2，清理模具的内壁表面，在模具内壁表面涂擦脱模剂，并在模具内壁表面涂刷胶衣：所述模具包括可拆卸式的上模具（3）和下模具（4），所述上模具（3）和下模具（4）拼合后形成容置GFRP管层（1）的模腔；

步骤3，刮胶：将裁切后的玻纤布摊平放置后刮上配制好的树脂胶液，在已经刮胶的玻纤布上依次叠加玻纤布并刮胶；然后把刮好胶液的玻纤布放进下模具（4）；

步骤4，放入气囊（6）：所述气囊（6）为设置有进气通道的柔性囊体；气囊（6）预先充有适量的气体以使得气囊（6）刚刚鼓起；将气囊（6）放至下模具（4），将玻纤布叠加在气囊（6）正上方，并始终保持玻纤布的平整；气囊（6）下方的玻纤布和上方的玻纤布在接合处相互重叠；

步骤5，合模：将上模具（3）缓慢盖合至下模具（4），合模时勿将玻纤布挤压出来，合模完毕后将上模具（3）和下模具（4）固定连接；

步骤6，加温固化：往气囊（6）中充入蒸汽，气囊（6）内的气压始终保持在0.1~0.3MPa左右；固化时间在45min~60min，叠加的玻纤布固化形成GFRP管层（1）；

步骤7，脱模：将气囊（6）中的空气放空之后，将上模具（3）从下模具（4）上拆分，并取出成型的GFRP管层（1）；

步骤8，离心：往GFRP管层（1）内壁泵送超高性能混凝土（2），经离心成型，得到与GFRP管层（1）内壁贴合的超高性能混凝土层（2），制得薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆。

10.如权利要求9所述的薄壁离心GFRP管超高性能混凝土复合电杆的成型工艺，其特征在于，

步骤2中，胶衣的制备方法如下：将固化剂、促进剂加入至原始胶衣并搅拌均匀，得到胶衣；按照重量份数，固化剂：促进剂：原始胶衣=0.5~1：0.3~1：100；

步骤3中，树脂胶液的制备方法如下：按照重量份数，将100份树脂、0.5~1份固化剂、0.3~1份促进剂混合并搅拌均匀，得到树脂胶液；

步骤7中，脱模后的GFRP管层（1）内表面局部进行界面处理：GFRP管层（1）端部内表面涂刷粘接剂后喷砂；

所述GFRP管层（1）的壁厚为3-7mm；所述超高性能混凝土层（2）的壁厚为25-30mm，强度等级C100 MPa及以上。

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