1.6M水電站偏心半球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計 電動半球閥 半球閥 電站偏心半球閥 超大口徑半球閥
之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項，現(xiàn)在介紹1.6M水電站偏心半球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計引言
小天都水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣內(nèi)，是瓦斯河干流梯級開發(fā)的第二級，為低閘高水頭引水式電站。上游緊連龍洞梯級電站，下游與冷竹關(guān)梯級電站相接。閘*于柳楊溝口上游約700m處，廠房位于熊家溝口下游約7O0m處，閘首上行約9km至州府康定，廠房下行約33km至滬定，經(jīng)天全、雅安至成都，公路里程約315km。電站裝機容量為3×80MW。亞洲GE公司提供2臺套水輪發(fā)電機組，包括2臺套Φ1.5m球形閥。東方電機有限公司提供1臺套水輪發(fā)電機組及1臺套Φ1.6m球形閥。小天都水電站水輪發(fā)電機組及輔助設(shè)備是我公司在2003年9月16日與四川華能康定水電有限責任公司簽訂的產(chǎn)品供需合同。電機有限公司提供的球形閥（見圖1）是水輪機進水閥，球形閥作為水輪機的事故保護和檢修閥門，安裝在引水管下游端的電站廠房內(nèi)，水平中心線高程為EL1756.5m，球形閥垂直中心線位于機組中心線的上游側(cè)7.4m。
PBQ940H電動偏心半球閥副的閥芯留有補償量，當閥座磨損(閥座硬度低于閥芯)后，關(guān)閉時再轉(zhuǎn)動少許，仍能可靠密封，延長使用壽命，此外，用戶將壓緊螺母擰掉，調(diào)整或更換后閥座仍可用，避免了現(xiàn)行眾多閥門密封失效整臺報廢的弊端。
1.6M水電站偏心半球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計介紹：
產(chǎn)品名稱：PBQ340H偏心半球閥，手動偏心半球閥
產(chǎn)品型號：PBQ340H
連接方式：法蘭連接（RF面）（可根據(jù)要求定做：FM面，M面，凹面，凸面，RJ面）
驅(qū)動方式：電動，
結(jié)構(gòu)特點：固定式
壓力范圍：1.6MPA(根據(jù)要求可設(shè)計1.6-6.4MPA,)
流量特性：全通經(jīng)
密封特點：金屬密封（根據(jù)使用溫度和介質(zhì)來定：四氟，PPL,碳纖維等做密封）
密封形式：單面密封（也可做成雙面密封）
適用溫度：425度（還可以做550°，600°，800°）
適用介質(zhì)：水，油品，蒸汽，天然氣，顆粒，粉末，纖維等。
使用材質(zhì)：鑄鋼（可以做不銹鋼-304-316-316L-304L-等）
PBQ940H電動偏心半球閥利用偏心閥體，偏心球體和閥座，閥桿作旋轉(zhuǎn)運動時在共同軌跡自動定心，關(guān)閉過程中越關(guān)越緊，*達到良好的密封目的。閥門的球體和閥座*脫離，消除了密封圈的磨損，克服了傳統(tǒng)球體閥座與球體密封面始終磨損的問題，非金屬彈性材料被嵌入金屬座中，閥座金屬面受到良好的保護。
為了降低球形閥總體重量，使球形閥結(jié)構(gòu)及性能達到*水平，我們對一些重要部件結(jié)構(gòu)進行多方案對比分析，在滿足球形閥安全可靠運行的前提下，設(shè)計出了體積小、重量輕、符合該電站水輪機要求的Φ1.6m球形閥。設(shè)計是從2003年9月開始，于2004年3月25日完成圖紙設(shè)計。其間，于2003年11月20日至1月22日，在我公司召開了該機組的第1次設(shè)計審查及聯(lián)絡會，用戶同意了我公司提出的水輪發(fā)電機組及球形閥的設(shè)計方案，并協(xié)調(diào)了有關(guān)技術(shù)問題，取得了共識。于2004年2月25日至2月27日，在我公司召開了該機組的第2次設(shè)計聯(lián)絡會，協(xié)調(diào)了有關(guān)技術(shù)問題，達成了一致意見。小天都電站于2006年8月投入商業(yè)運行，機組及球形閥運行良好，受到用戶好評。
偏心半球閥也叫C型球閥是靠旋轉(zhuǎn)半球來使閥門暢通或閉塞。其開關(guān)輕便，體積小，可以做成很大口徑，密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，密封面與球面常在閉合狀態(tài)，不易被介質(zhì)沖蝕。廣泛適用于石油、化工、城市給排水等要求嚴格密封的工況。
閥門型號：上裝偏心半球閥系列型號有DYQ340H、DYQ340Y、DYQ340F；側(cè)裝偏心半球閥系列型號有PQ640H、PQ640Y、PY640F。
1.偏心半球閥流體阻力小，其阻力系數(shù)與同長度的管段相等;
2.結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕;
3.緊密可靠，目前球閥的密封面材料廣泛使用塑料、密封性好，在真空系統(tǒng)中也已廣泛使用;
4.偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥門打開時迅速脫離閥座，減少摩擦，提高壽命;
5.維修方便，球閥結(jié)構(gòu)簡單，密封圈一般都是活動的，拆卸更換都比較方便;
6.偏心半球閥在全開或全閉時，球體和閥座的密封面與介質(zhì)隔離，介質(zhì)通過時，不會引起閥門密封面的侵蝕;
7.適用范圍廣，通徑從小到幾毫米，大到幾米，從高真空至高壓力都可應用。
設(shè)計規(guī)范： API 6D API 608 BS 5351 GB/T12237
結(jié)構(gòu)長度： ASME B16.10 GB/T12221
法蘭連接： ASME B16.5 GB/T9113
試驗與檢驗：GB/T 13927 API 598 API 6D
| 工作壓力(MPa) | 1.6~10.0 (Calss150-Calss600) | |
| 口徑(mm) | DN15-DN1200 1/2″-48″ | |
| 適用介質(zhì) | 水、油、氣、醋酸類、硝酸類等其他介質(zhì) | |
| 材料 | 閥體 | WCB CF8 CF8M CF3 CF3M |
| 球體 | WCB CF8 CF8M CF3 CF3M | |
| 閥桿 | 2Cr13 F304 F316 F304L F316L | |
| 密封面 | PTFE RPTFE PEEK 司太立合金 碳化鎢 | |
| 填料 | 柔性石墨 | |
2 水輪機及球形閥的性能參數(shù)
（1）水輪機的性能參數(shù)
水輪機型號 HLD381b-LJ-265
大水頭 392.9m
設(shè)計水頭 358.0m
小水頭 351.5m
設(shè)計流量 25.13m3/s
額定出力 82.1MW
額定轉(zhuǎn)速 428.6r/min
旋轉(zhuǎn)方向 俯視順時針
（2）球形閥的性能參數(shù)
球形閥型號 QF4OO.9-WY-160
球形閥名義直徑D 1600mm
水壓試驗壓力 6.9MPa
球形閥額定流量Q 25.13m3/s
球形閥大工作水頭Hmax 400.9m
球形閥承受的大升壓水頭H' 500m
接力器直徑Dc Φ650mm
接力器行程S 1190mm
球形閥開啟時間t 60~150s（可調(diào)）
球形閥動水關(guān)閉時間t 60-150s（可調(diào)）
接力器操作油壓p 3.6-4.OMPa
旁通閥直徑d1 無
空氣閥直徑d2 Φ100mm
球形閥的大漏水量（初裝）q 0.01L/min
球形閥的油壓裝置型號 HYZ-4-4
球形閥的集油裝置 JS-250
電站臺數(shù)n 1臺
3 的工作原理
當球形閥要開啟時，首先解除檢修密封處的3套周圈均布的沿水流方向鎖錠檢修密封的鎖錠，然后在檢修密封的開啟腔通入壓力油，使檢修密封處于開啟狀態(tài)，上游檢修密封的行程開關(guān)的信號顯示開啟，在此狀況下，在下游工作密封的開啟腔通入壓力油，使工作密封處于開啟狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號顯示開啟，這樣，水流就通過上游檢修密封處的周圈間隙與下游工作密封的周圈間隙向蝸殼內(nèi)充水；當活門前后壓力趨于平衡，控制球形閥的壓力傳感器和壓力開關(guān)的顯示達到設(shè)定值時，接力器轉(zhuǎn)動活門由全關(guān)旋轉(zhuǎn)到全開，球形閥開啟過程結(jié)束。當球形閥要關(guān)閉時，首先，接力器轉(zhuǎn)動活門由全開旋轉(zhuǎn)到全關(guān)，然后，在下游工作密封的關(guān)閉腔通入壓力油，使工作密封處于關(guān)閉狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號顯示關(guān)閉，水流被全部截斷，球形閥關(guān)閉過程結(jié)束。一般情況下，上游檢修密封始終處于開啟位置，只有當機組檢修或球形閥更換工作密封時，關(guān)閉球形閥檢修密封，并投入檢修密封的機械鎖錠。長時間停機或機組發(fā)生事故而導水機構(gòu)不能關(guān)閉時，關(guān)閉球形閥工作密封。值得一提的是球形閥工作密封是要經(jīng)常被操作、動作的，而檢修密封是很少動作的。另外，在引水鋼管充滿水的情況下，球形閥活門只能處于全關(guān)或全開位置，不允許停留在其他位置做調(diào)節(jié)流量用。
球形閥的操作：利用偏心閥體，偏心球體和閥座，閥桿作旋轉(zhuǎn)運動時在共同軌跡自動定心，關(guān)閉過程中越關(guān)越緊，*達到良好的密封目的。閥門的球體和閥座*脫離，消除了密封圈的磨損，克服了傳統(tǒng)球體閥座與球體密封面始終磨損的問題，非金屬彈性材料被嵌入金屬座中，閥座金屬面受到良好的保護。本產(chǎn)品特別適用于鋼鐵業(yè)，鋁業(yè)，纖維，微小固體顆粒，紙漿，煤灰，石油氣等介質(zhì).
產(chǎn)品特點
1、其結(jié)構(gòu)采用偏心契緊原理通過傳動機構(gòu)達到閘緊、調(diào)節(jié)、關(guān)閉的目的，密封副是金屬面環(huán)帶硬面接觸密封，雙偏心結(jié)構(gòu)在開啟時閥芯位于藏球室內(nèi)，流通截面大，且閥門不被沖刷，關(guān)閉時閥芯不被沖刷，開啟時閥芯球面沿閥座漸進，有效地切除結(jié)垢障礙，實現(xiàn)可靠密封。它對兩相混流易結(jié)垢固體析出的混流輸送特別有效 偏心半球閥
2、閥門的半球用雙金屬，母材上堆焊不同的合金，閥座也作相應堆焊經(jīng)特殊的處理，密封面組合成防腐、耐磨、高強度等各種類型，滿足不同場合需求
3、密封嚴密、輸送有害氣體可達零泄露
4、密封副的閥芯留有補償量、當閥做磨損后，關(guān)閉時再轉(zhuǎn)動少許，任能可靠密封，延長了使用壽命。此外，用戶將壓緊螺母擰掉，調(diào)整或更換后閥座仍可用，避免了閥門密封失效后，整臺報廢的弊端 因堆焊不同合金(或組合球)雙金屬密封副的選配可以用于耐磨、耐腐蝕、耐高溫且要求嚴格密封的工況
（l）球形閥能在閥室或中控室以一個電器脈沖按規(guī)定程序自動地操作。操作時可以手動，亦可用開、停機繼電器。
（2）1臺球形閥用1套HYZ-4-4型油壓設(shè)備，其操作油源的額定壓力為3.6~4MPa。球形閥的開啟、關(guān)閉是通過油壓操作接力器來實現(xiàn)的。因此，當失去廠用電源，在油壓設(shè)備的主、備油泵都不供油的情況下，仍能安全地動水關(guān)閉球形閥。
（3）油壓設(shè)備備用油泵投入，油壓急劇下降及儲油箱油面不正常時，都可以發(fā)出警報信號。
4 球形閥結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及采用的新結(jié)構(gòu)
球形閥本體由分半的前閥體、后閥體、活門、自潤滑軸承及檢修密封、工作密封、Φ650搖擺式接力器等零部件組成"附屬設(shè)備有上游連接管、下游伸縮節(jié)、作排氣和補氣用的Φ100空氣閥以及用于球形閥控制的水系統(tǒng)、油系統(tǒng)及自動化元件，球形閥控制系統(tǒng)的油壓設(shè)備系統(tǒng)。球形閥裝配圖見圖2。
圖2 球形閥裝配圖
本球形閥為橫軸型，活門中間流道直徑與上、下游引水管直徑相同，具有全開時阻力損失極?。珊雎圆挥嫞?，全關(guān)時密封性能好的優(yōu)點，是一種新型的雙密封環(huán)球形閥。
4.1 球形閥主密封
球形閥的檢修密封及工作密封采用相同的不銹鋼活塞式密封環(huán)，使其閥體的進口、出口加工尺寸*相同，為制造加工帶來了極大的方便。閥體采用偏離軸孔斜分半整鑄結(jié)構(gòu)，使閥體分半面周圈密封加工方便，密封效果好，閥體分半面螺栓分布均勻，受力好，避免了沿閥體軸孔中心線垂直分半所造成的軸孔兩側(cè)螺栓跨距大，把合力不足，合縫面錯牙漏水現(xiàn)象。閥體偏離軸孔斜分半結(jié)構(gòu)是我公司研發(fā)的球形閥新結(jié)構(gòu)。分別在漁子溪Φ1.6m球形閥改造項目上和卡杜里Φ1m球形閥，高橋Φ1m球形閥和華光潭Φ1.75m球形閥、瓦屋山Φ2.5m球形閥等上使用。上、下密封環(huán)采用改進后的國內(nèi)較的密封環(huán)結(jié)構(gòu)，消除了原來的止漏環(huán)受力不好而產(chǎn)生歪斜發(fā)卡的現(xiàn)象。前、后閥體密封環(huán)滑動處均堆焊有不銹鋼層，以防止運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生銹蝕發(fā)卡和磨損橡膠密封圈。閥體的二軸孔是通過軸瓦承受旋轉(zhuǎn)部分重量以及作用在活門上的水壓力。
4.2 取消旁通閥及球形閥軸心充、排水閥
原招標書是要求設(shè)旁通閥的，在簽技術(shù)協(xié)議時，我們與用戶協(xié)商，同意取消旁通閥。GE亞洲公司的Φ1.5m球形閥上設(shè)置了旁通閥，多了1套系統(tǒng)，對球形閥運行有一定影響。由于球形閥上、下游密封均采用密封環(huán)結(jié)構(gòu)，因此，原來球形閥采用密封蓋所用的向球形閥軸心充水和排水液壓閥及檢修液壓閥而設(shè)置的閘閥和管路自然取消。同時，利用球形閥下游密封環(huán)開啟間隙向蝸殼充水的流量，超過Φ150mm液壓閥充水的流量，所以，向蝸殼充水的液壓閥及為檢修液壓閥而設(shè)置的閘閥和管路也同時取消。這樣，使球形閥的結(jié)構(gòu)及操作系統(tǒng)更加簡化。
4.3 活門及封水環(huán)
活門采用閥軸與整鑄活門焊接為一體的結(jié)構(gòu)，閥軸與整鑄活門焊接為一體的結(jié)構(gòu)也是我公司研發(fā)出的新結(jié)構(gòu)，在漁子溪Φ1.6m球形閥和華光潭Φ1.75m球形閥上使用過?；铋T上、下游處加工有把合封水環(huán)的螺孔和止口，以便于封水環(huán)套上后把緊、定位，更換封水環(huán)也不用拆卸球形閥閥體。封水環(huán)與密封環(huán)是通過配研磨來達到緊密接觸止漏目的。封水環(huán)損壞后，可在不解體球形閥的情況下更換封水環(huán)。同時在球形閥制造中，封水環(huán)、密封環(huán)可單獨加工，成對研磨，為加工帶來方便?；铋T兩軸頸與軸瓦及密封接觸面為紅套并焊固的不銹鋼套，以防活門軸銹蝕，磨損軸瓦。
4.4 電動球閥密封環(huán)位置顯示裝置
密封環(huán)為鑄造不銹鋼，在球形閥上、下游導環(huán)與閥體之間往復滑動，且?guī)в袑I(yè)密封件廠家制造的組合密封圈。這種組合密封圈密封性能好，使用壽命長。密封環(huán)只能處于全開或全關(guān)位置，行程為8mm。在球形閥上、下游密封環(huán)上分別設(shè)置了位置行程開關(guān)，由電路接至中控室，以顯示密封環(huán)處在全關(guān)或全開位置信號，便于準確地操作接力器開、關(guān)球形閥活門。
4.5 關(guān)鍵密封采用進口元件
球形閥的密封環(huán)上的封油、封水密封圈及軸端封水密封圈采用專業(yè)密封件廠家的密封件，以保證密封的可靠性。
4.6 取消止漏蓋及其附屬零件
由于采用密封環(huán)代替止漏蓋，密封環(huán)比止漏蓋輕得多，大大節(jié)約了原材料及碟簧等零件，使得結(jié)構(gòu)更加簡單，更有利于加工。
4.7 操作機構(gòu)（接力器）大大簡化
接力器的直徑為Φ650mm，行程為1190mm。接力器的活塞桿通過臂柄與活門軸相連接。接力器的下端蓋與支座之間用銷軸鉸鏈連接，能自由擺動。
球形閥采用油壓操作接力器開啟、關(guān)閉。油壓設(shè)備的額定油壓為3.6-4MPa。上游檢修密封的圓周上設(shè)有3個手動機械鎖錠，在檢修機組時，除關(guān)閉球形閥檢修密封外，用手動機械鎖錠鎖住，另外，還需關(guān)閉操作接力器開啟腔管路上的截止閥，以保證機組在檢修時的安全。
操作機構(gòu)（接力器）簡化如下：
（1）取消金屬鉸鏈配油結(jié)構(gòu)，采用金屬軟管結(jié)構(gòu)，使接力器結(jié)構(gòu)大為簡化、可靠。使加工工作量大為減少。
（2）接力器活塞桿密封采用專業(yè)密封件廠家的密封件，代替多層“V”型橡膠密封或石棉盤根密封，使密封性能提高。
（3）接力器活塞桿桿體部分鍍硬鉻，使活塞桿不至于生銹磨壞密封圈。
（4）接力器活塞密封采用2道孔用方形圈密封，替代原來的活塞環(huán)密封，這種組合密封的密封壓力高，密封壓力為0-4OMPa，經(jīng)久耐用。而活塞環(huán)加工工序多，廢品率高，且工作時竄油量大，使油壓設(shè)備的油泵啟動頻繁，能耗大。
4.8 采用燒結(jié)自潤滑軸瓦
軸承及其密封裝置由燒結(jié)自潤滑瓦、鋼套、軸用回轉(zhuǎn)方形密封圈、壓墊蓋等零部件組成。兩端軸之間用回轉(zhuǎn)方形密封圈，該密封圈為專業(yè)密封件廠家的產(chǎn)品，用以密封通過軸瓦而來的壓力水。
球形閥活門軸瓦采用研制的燒結(jié)自潤滑軸瓦，以代替鋼背復合材料軸瓦和鑄錫青銅軸瓦，降低軸瓦造價，同時不需黃甘油潤滑，可取消銅瓦的注油杯，使加工方便，結(jié)構(gòu)簡單，同時，該種軸瓦的摩擦系數(shù)小，提高了操作力矩的安全裕度。
4.9 球形閥上、下游密封環(huán)采用油操作
在球形閥上游檢修密封處于全開位置時，應首先開啟工作密封，向蝸殼內(nèi)充水，當活門前、后水壓趨于平衡后（前、后壓差不大于30%），球形閥即能平穩(wěn)開啟。
由于電站水質(zhì)差，用水操作需濾水器，且至今電站用的濾水器均不好用，所以采用油操作，從而可節(jié)省雙向濾水器，使操作更可靠、安全。為了不使密封環(huán)腔內(nèi)含有水分的油回到油壓設(shè)備中去，污染油源，銹蝕自動化元件，故將密封環(huán)內(nèi)的排油另接至用戶自備的廢油箱內(nèi)。
4.10 空氣閥
空氣閥名義直徑為Φ100mm，裝在球形閥伸縮管的頂部。當蝸殼放水時，它就自動打開。當蝸殼充水時，其內(nèi)部的空氣通過空氣閥排入大氣中。當球形閥動水關(guān)閉時，空氣閥向蝸殼及伸縮管補入空氣，以免產(chǎn)生真空而喪失穩(wěn)定性。
4.11 伸縮節(jié)
伸縮節(jié)裝于球形閥后，與球形閥閥體法蘭和蝸殼法蘭連接。伸縮節(jié)既可補償管道的溫度變形，又便于檢修球形閥的工作密封和整體吊裝球形閥。
4.12 上游連接管
上游連接管裝于球形閥前，與球形閥閥體法蘭連接。另一端與上游引水管在工地焊接，焊縫進行射線探傷檢查。
5 廠內(nèi)試驗
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥小天都球形閥在廠內(nèi)做了閥體的打壓試驗，密封環(huán)的動作試驗，球形閥的漏水試驗（球形閥密封不漏水），球形閥與接力器一起做動作試驗。各項試驗都良好通過。
6 運輸
由于小天都Φ1.6m球形閥整體尺寸較小，球形閥本體裝配整體發(fā)運工地。運到工地后，不再做試驗，直接移交給業(yè)主安裝。
7 電站試驗
球形閥安裝后，進行了無水操作試驗、油與水管路打壓試驗、有水操作試驗等一系列機組運行前的試驗。機組運行后，在業(yè)主認為合適的時候，由業(yè)主方主持，有各方代表參加的，在制造廠代表指導下進行的動水關(guān)閉操作試驗。球形閥的動水關(guān)閉操作試驗對球形閥來說是一種工況惡劣環(huán)境的試驗，一般業(yè)主不愿意作此試驗，因此在國內(nèi)做了球形閥動水關(guān)閉操作試驗的水電站并不多，今后應該會多一些，而對制造廠家來講，提供的球形閥設(shè)備應該具備此功能。
8 球形閥運行情況
小天都球形閥于2006年8月投入商業(yè)運行以來，已運行4年多了，球形閥檢修密封、工作密封動作靈活，不竄油、竄水。伸縮節(jié)不漏水，接力器操作自如，不整勁，沒有進行過消缺處理，總體運行很好，比同電站的GE公司帶有旁通閥的球形閥振動小，操作更簡單，深受用戶好評。球形閥正常開、關(guān)時間為120s；整定油壓為3.6MPa；Φ100mm空氣閥補、排氣正常；Φ650mm接力器操作容量足夠，能自如地轉(zhuǎn)動球形閥，包括動水關(guān)閉球形閥。這里應該提出的一點，接力器的尺寸設(shè)計過大，初設(shè)計為Φ600mm接力器，而提供自動化設(shè)備的廠家提出油源經(jīng)過控制柜的壓降就超過0.3MPa，再加上其他管道壓降，有可能在緊急工況下關(guān)閉球形閥的容量不夠，所以應業(yè)主方要求，接力器內(nèi)徑由Φ600mm加大到Φ650mm，實際上Φ600mm接力器也就足夠了。
9 結(jié)論
球形閥作為機組的進水閥門，對機組的事故保護和對機組的檢修起著至關(guān)重要的作用，球形閥運行性能的好壞，直接影響電廠的經(jīng)濟效益和社會效益，因此，電站對球形閥的結(jié)構(gòu)性能要求也越米越高。像小天都水電站這種高水頭球形閥在設(shè)計、制造中，都有一定的難度，既要考慮球形閥的強度、剛度、變形、密封性能，又要考慮鑄件、鍛件、加工件廠家的設(shè)備能力，以及運輸條件。小天都水電站球形閥的成功設(shè)計制造及順利投運，標志著我公司在技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域又邁上了新臺階，為我公司贏得了榮譽，提高了公司的市場競爭力，同時也為今后的設(shè)計制造工作積累了寶貴的經(jīng)驗，打下了堅實的基礎(chǔ)。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：波紋管減壓閥波紋管材料
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