HDPE管材的开发现状及其应用前景
发布时间：2021-12-28
摘要:介绍了国内外 HDPE 管材的开发现状及消费情况, 着重分析了我国市场对 HDPE 管材的巨大需求, 提出了开发 HDPE 管材系列专用料的建议。
关键词: 聚乙烯 高密度聚乙烯 管材专用料 开发现状 应用前景
HDPE 管材以其突出的耐腐蚀性、耐温 、耐磨 、对输送介质无污染性 、使用寿命长 、制造安装费用低等优异性能越来越受到青睐, 在燃气输送 、供水 、供热、建筑给排水等领域获得了广泛的应用,近年来用量迅速增长 。目前, HDPE 管材在塑料管中的使用量已居第二位, 仅次于 PVC 管。在塑料管道中占有绝对优势的是燃气管和中小口径的水管, 市场占有率高达 90 %以上。其他如波纹管、上下水管 、油气管、矿用管以及农用滴灌管也都是 HDPE 的重要市场 。
1 国外 HDPE管材的开发现状及消费情况
近年来国外管材领域中的主要发展动向是大口径管 、双壁波纹管 、固体输送管及燃气管等 。美国 M.L Sheldon 塑料分公司已制出直径 1 .6m 的大口径管, 成为世界上直径最大的 HDPE 压力管。欧洲管道市场中 100mm 以下的管材几乎全是 PE 管 , 300mm 的管材已相当 PE 化[ 1] 。
目前世界 PE 管材的年消费量已达 100 多万吨,其中 以 HDPE 管 产量最大, 应用范围最广 。 1998 年美国 的 HDPE 管材 消耗 量就达 563kt 。 HDPE用于生产管材的消耗量占 HDPE 总量的 8 .9 %。其中波纹管消耗 148kt , 气体分配管消耗 103kt , 工业用排水管消耗 180kt , 其他为 132kt 。西欧 1998 年 HDPE 管材消 耗量为 1 020kt , 约 占 14 %。1/3 为燃气管系统 , 其余的 2/3 主要是水管 。日本 1998 年 HDPE 管材的消耗量为 67kt , 约占 5 .6 %。主要用于水管 、雨水管及输气管。澳大利亚的塑料管材目前占整个市场约 40 %, 其中 HDPE 管材占市场第 2 位, 大约占销售额的 30 %。主要应用于气体和采矿市场, 大直径管材应用于水分配和电信领域 [ 2] 。
HDPE 燃气管在西方国家已经十分普及 。目前美国、英国、丹麦燃气管道的非金属化已达 90 %以上 ,基本全部采用 HDPE/M DPE 管 , 比利时、法国、德国也在 65 %以上, 其他西欧国家也大量使用 。加拿大已成为塑料燃气管道生产使用的先进国家, 其塑料管道已占 80 %。日本从 1979 年开始组织生产和使用 HDPE 燃气管, 到 1985 年已铺设了近 1 000km 的管线, HDPE 燃气管的使用量已超过铺设网的 90 %。因 HDPE 燃气管与其他燃气管相比 ,受地震破坏的程度小, 因而近年来日本这种燃气管需求的猛增。
HDPE 固体输送管近年来也获较快发展, 欧美许多国家在疏浚工程中用来输送河沙 、泥浆,在矿山中用来输送矿渣, 已显示出它固有的耐磨性、耐腐蚀性好和压力损失低等特点。丹麦和瑞典等部分北欧国家将 HDPE 管材用于区域热力管道的保温套管。另外 ,用 HDPE 做热水管, 以温水 HDPE 管取暖在西欧和日本也相当盛行 。英国在某运动场供热系统中 ,使用的交联 HDPE 热水管道长达 45km [ 3] 。德国和日本也已将交联 HDPE 管用于国际机场大型工程或室内地面取暖工程。地板辐射采暖技术不仅已被广泛应用在各种建筑中, 而且已进入普通家庭 。
HDPE 管材已广泛用于农业灌溉, 国外的微滴喷灌技术的发展已日新月异。近几年, 世界喷灌面积年平均增长率高达 63 %, 美国 、瑞典、奥地利 、法国等国家的喷微灌面积已超过耕地面积的 80 %, 基本实现了大田作物喷灌化 ,经济作物滴灌化。以色列是目前世界上灌溉技术最发达的国家, 地面自流灌溉已不复存在 。
用HDPE 作主要原料的交联聚乙烯(XLPE)管材具有完全无毒的卫生性、不生锈和优异的综合机械物理性能,已成为当今世界上最先进 、性能最卓越的高性能塑料管材, 又被誉为新一代的绿色管材。
发达国家自 20 世纪 80 年代起 ,已将 XLPE 管材用于包括饮用水和热水在内的各类流体输送管道。近 10 多年来,国外在这一领域的研究工作颇为活跃, 尤其是瑞士 Nokiao -Mailltfer 公司 、Wixbro 公司 、意大利的 Inlirsol 公司和日本三井公司对 XLPE 管材的研究与开发应用最为有效 ,他们目前已向中国市场拓展 。这种在 85 ～ 95 ℃下使用寿命可达 50 年的 XLPE 热水管具有质轻、耐热性好 、不锈蚀 、耐蠕变性好、安装简便、价廉 、使用寿命长等优点,成为家庭热水系统及北方低温地区供热工程中最具竞争力的热水管材。
HDPE 中空壁缠绕等是 20 世纪 90 年代发展起来的当今世界上最理想的大口径排水管道, 目前已在替代水泥管排水工程上广泛使用。在德国、韩国和日本的大口径排水管中 HDPE 缠绕管的使用率已分别达到 60 %、75 %和 90 %。
随着各国对 PE 管材需求量的不断增长 , 国外各种高性能品种牌号的开发十分活跃。比利时索尔维公司历经 4 年开发出 MDPE Eltex T UB120 ,其产品比传统产品所生产的管材抗冲性能提高 50 %。 FINA 公司经过近 14 年的研究已开发出 3802Y 系列树脂 ,使用该系列树脂制成的输气管已广泛用于英国、荷兰 、德国 、丹麦、瑞典等国家。另外 Phillips 、 Hoechst 、BP 及 Neste 等公司也开发了管材 、管件专用树脂牌号 。德国 Hostealen 公司是世界著名的化工企业之一 ,几十年来在聚乙烯管材的研究 、开发 、生产及应用方面一直处于国际领先地位 。早在 1957 年该公司就开发生产出高相对分子质量管材专用级HDPE 产品Hostealen GM 5010 , 1995 年又成功 地 推 出 高 密 度 聚 乙 烯 双 峰 料 Hostealen GM5010T3 和 Hostealen CRP100 , 具有更优良的韧性和刚性, 可用于燃气 、供水 、排水及固体输送等领域。
近年来 , 国外正在努力开发能够用于热水的 HDPE 管,并投入大量科技力量研究开发纳米材料。一旦实现商业化, 必将给塑料管带来新的更大的发展机遇 。
2 国内 HDPE 管材及其专用料的开发应用情况
我国对 HDPE 管材及其专用料的开发与推广应用起步较晚,进入 20 世纪 80 年代 , HDPE 管材才逐步应用于建筑、农田灌溉及地矿、石油化工、冶金、有色金属 、煤炭 、轻工等工业系统, 各大树脂生产厂及科研部门相应开发出一系列管材专用树脂。 1999 年 ,我国各种塑料管材的总产量已达 1 000kt , 其中 PE 管材 360kt ,占 36 %[ 4] ,主要用于燃气管、给排水管 、灌溉管、矿用管和保温套管等 。
“七五”期间, 齐鲁石化公司对 HDPE 燃气管专用料攻关获得成功 。大庆塑料制品厂生产的燃气管经过热熔接和电热管件熔焊应用于哈尔滨市煤气输送管道, 几年来运行良好 。青岛化工学院高分子材料研究所研制成功交联 HDPE 铝塑复合管材 [ 5] ,可用于自来水管、热水管 、煤气管、暖气管、空调器连接器 、油田油井管等 ,其应用前景广泛。所生产的专用料及管材的主要性能指标已达到德国尤尼克公司同类产品水平 。
用塑料管做地板采暖目前已在我国北方一些地区逐步推开 。北京瑞迪新型建筑材料有限公司引进国外技术和进口原料生产的交联聚乙烯管应用于低温地板辐射采暖, 具有高效节能 、舒适卫生 、运行费用低、使用寿命长等特点,特别是解决了大跨度和矮窗式建筑物的采暖需求[ 6] 。河北武邑德鑫管材有限公司引进加拿大地板辐射采暖技术, 自行研制开发了热媒分配器和热媒集水器, 推出了以交联高密度聚乙烯管材为主要材料的地板辐射采暖 ,使用寿命长达 50 年以上 ,受到广大消费者的青睐[ 7] 。
HDPE 管在矿业方面也有很大的应用潜力 。扬子石化公司研制成功的 HDPE 矿用固液输送管具有质量轻、耐腐蚀 、耐磨损、不结垢、耐大气老化和低温性能好等特点, 使用温度最低可达 -40 ℃,其专用料各 项 技 术指 标 均达 到 德 国 Hoechst 公司 的 GM 5010T2 树脂的标准 ,并在国内同行中率先开发出大口径厚壁管 , 已在青海盐湖 400kt 扩建工程水采浮管系统中取得了成功应用, 替代了美国进口的系列矿用管 ,敷设长度达数十公里,在高原恶劣的气候条件下 ,管道的使用情况良好,特别是防腐蚀性能优异。该管材还代替价高的合金管 ,首次应用于扬子石化公司炼油厂常减压二车间与硫回收车间之间的1 400m 具有较强腐蚀性的含硫污水管线, 使用效果良好。淮南工学院张化廷在 HDPE 5000S 中掺混十溴联苯醚 、三氧化二锑及适量硼酸锌的复合阻燃添加剂和有机抗静电剂并加入适量无机盐增效 , 研制成具有阻燃及抗静电性能的 HDPE 瓦斯抽放管 , 可代替原钢管, 在矿井无光照条件下的使用寿命可达 50 年以上[ 8] 。该 HDPE 管还可应用于城市煤气管道 。
大庆石化公司塑料厂用HDPE 5200B 试制生产了大口径塑料管应用于深水井 , 年投资成本比用水泥管打井低 60 %。他们生产的大口径炭黑增强管可用于重力排污用管 、海洋排水管道、大水量排水管道及容器等;用 HDPE 6100M 生产的 400mm 以上大口径管材已用于天津 、新疆等地垃圾掩埋场 。上海金菲有限公司的 TR480 可用于制作大口径引水灌溉主管线[ 7] 。上海塑料制品研究所研制 20 多万米长 HDPE 水管 , 用于室内与地下 , 经 4 年试验无截破或开裂现象 。
用HDPE 作钢质输油或输气管道的防腐层或保温层(俗称夹克料)近年来已得到了广泛的应用 。齐鲁石化公司树脂所研制成功油田用 HDPE 夹克料获国家新产品证书 ,并建立了万吨级生产线 ,填补了我国高新技术领域的空白。该专用料在国家重点工程“陕—京”输气管线上得到大规模应用, 铺设管线长达 960km 以上 ,取得了良好的经济效益和社会效益 ,并出口中东,打进了国际市场 。哈尔滨理工大学王诚等选用拉伸强度不小于 600 %、耐环境应力开裂(F50)不超过 1 000h 的 HDPE , 成功地研制出黑、黄两种夹克料 , 其各项性能指标均达到和超过《埋地钢质管道 PE 防腐层技术标准要求》的指标 。南昌大学黎定标等[ 9] 与江西九江防腐材料厂配合 , 将高密度聚乙烯内衬管进行表面特殊处理后与玻璃管结合成一体, 制成独特结构的HDPE/FRP 复合管材,其轴向拉伸强度 、轴向压缩强度和层间剪切强度分别大于 105M Pa 、130M Pa 和 8M Pa 。该复合管材既保持了 HDPE 综合性能优良的特性, 又具有 FRP 高强度的优点, 是一种新型结构的耐腐蚀管材 ,可广泛用于各种耐腐蚀管道, 代替不锈钢和其他贵金属 。该管材的研制成功为我国推行全面腐蚀控制提供了新的方法和手段 。
节水灌溉新技术的采用不但可节省大量水资源 ,而且可提高农作物产量 。我国从 70 年代初开发与推广应用灌溉 、喷灌和滴灌等节水灌溉技术, 到 1994 塑料管灌溉技术已推广 260 公顷。兰化公司研究院目前正承担着原中石化集团总公司农用 HDPE 滴灌管材的开发研制和推广应用工作 。由以色列援助中国推广应用的 HDPE 管材滴灌技术已在甘肃 、北京 、烟台得以使用 [ 10] 。
中空壁缠绕管在我国已得到推广应用并获得迅速发展。青岛德意利集团引进、吸收国外先进生产技术 , 自主开发研制成功大口径中空壁 HDPE 缠绕管生产线,其技术性能已达到国际先进水平。
我国每年进口的管材专用料相当于国内的年产量 。目前国内只有少数树脂生产厂生产管材专用料 ,如上海金菲生产的 TR400 、TR418 ,大庆石化 、扬子石化公司生产的 6100M , 燕山石化公司生产的 6000M 、7000M , 齐鲁石化公司生产的 DGD2400 、 3190 ,辽阳化纤公司的 GM 1050 、J1340 等。燃气管专用树脂国内只有齐鲁生产的 DGDB2480 等牌号, 尚未打入燃气管材市场 ,只用于制作保温管的套管。目前国内所用的燃气管材料全部依赖进口 。
我国引进的 HDPE 管材的专用基础树脂牌号不算少 ,但用于我国 HDPE 管材的专用树脂却主要依赖进口,这不能不引起我们的高度重视 。
3 国内市场需求情况
我国 HDPE 管材市场蕴藏着巨大的潜能。据悉 ,我国塑料管的需求年增长速度将达到 9 %以上 [ 11] 。根据发达国家的先进经验和我国的具体国情 ,国家有关部门规定了大力开发和应用化学建材的战略决策 ,要求塑料管材的用量 2000 年以后要逐步达到 50 %以上,以推广应用 UPVC 和 PE 塑料管为主,并大力开发其他新型复合 、改性塑料管 ,重点开发大口径城镇塑料排水管 ,同时解决其他塑料管的管件配套及工业化生产问题。
3.1 建筑业和住宅产业市场
我国建筑业和住宅产业市场的快速发展为 HDPE 管材提供了广阔的市场。
3.1.1 埋地排水管
我国排水设施工程已成为基础建设的热点 ,建立新的排水管网为塑料埋地排水管创造了空前的发展机遇 。
根据发达国家的经验 ,市场潜力最大的是埋地排水管,它包括城市和农村的排污水管 、排雨水管、 工业排污水管等 。我国过去在塑料埋地排水管的应用上还比较落后 。据有关资料介绍 , 1998 年我国的埋地排水管 50kt 左右, 仅占塑料管总量的 10 %, (欧洲1997 年产量1 270kt ,占总量的127 .4 %)。若按每年 20 %的增长率, 则每年需排水管约 150km ; 若全国 50 万人口以上的城市全部使用塑料排污管道,则每年有 1.5 ×10 8 km 的需求 。相信不久将在我国掀起塑料埋地排水管开发和应用的高潮 。预计 2005 年 需求 各种 塑料 管 110kt , 其 中 PE 管 就达 40kt [ 12] 。
3.1.2 城市给水管
塑料管用量占第二位的是城乡给水管道 。用塑料管代替金属管作给水管, 以防止金属管锈蚀后对水质的二次污染已成为当今世界的发展方向 。我国目前正大力推广使用 PE 饮水管 。预计到 2005 年 , 我国城乡室外给水管的铺设长度将达 4 万公里。
3.1.3 建筑给排水管
建筑给排水用塑料管将有更大的市场份额被 PE 的冷热水管所占领 ,尤其在建筑用塑料管冷水管中最有竞争优势的是 PE 管。 PE 建筑排水管在国外已占相当大的市场份额, 而我国至今尚未发展起来,国内建筑排水管至今还都是聚氯乙烯管。目前我国塑料建筑给排水管市场占有率仅为百分之几 。预计 2010 年排水管普及率达 60 %以上 , 给水管 30 %以上 ,这将是一个巨大的潜在市场 。
3.1.4 燃气管
我国的能源结构正在发生转变, 铺设燃气管网的热潮正在到来 。我国西部大开发战略中优先实施长达 4 000km 的“西气东输”工程需大量耐压、耐腐蚀及管道接口密封性好的管材。通常输油、输气管管材均以 HDPE 、MDPE 为主[ 13] 。根据国际上成熟和公认的经验, 铺设燃气管要用 HDPE 管。我国属多地震国家 ,不少可能发生地震的地区更应该采用 HDPE 管输送燃气 。目前, 我国燃气管的需求量每年约 100kt 左右 。随着我国城市燃气管普及工作的开展 , HDPE 燃气管将会有较大的需求量 。预计 2005 年我国燃气管的铺设长度将达 3 万公里以上。
据有关资料介绍[ 14] , 中国石油天然气集团为加快步伐,开发利用周边国家的天然气资源,正进行两大工程:一是与中亚地区的天然气合作项目, 计划建设横穿中国到日本、韩国的长输气管道, 引进利用 250 亿立方米的天然气 ;二是与俄罗斯的天然气合作项目,从东西伯利亚建一条长输气管线进入中国 , 引进利用 250 亿立方米的天然气。在这两大工程中 , HDPE 管材将大显身手 。
此外,地板辐射采暖、建筑电线穿线护套等也是塑料管的最大市场之一 。
我国塑料管在国内管道市场中的占有率及需求量预测见表 1
3.2 节水工程
我国是水资源严重短缺的国家。当前我国人均水量约为世界人均水量的 1/4 , 居世界第 88 位, 年缺水达 60 亿立方米,城市缺水问题尤为突出。我国政府已把节水工程放在重要议事日程, 将需求大量的塑料管道 。
3.2.1 污水回用
污水回用是节水的重要途径之一, 在今后将会有很大的发展,输送回用水的管道需求将急剧增加。
3.2.2 减少漏水
目前我国城市供水管线超过 20 万公里,若漏水量按 1 .38m 3 /(km·h)计, 则年总漏水量超过 24 亿立方米 , 经济损失超过 24 亿元[ 15] 。若采用塑料管替代铸铁管 、混凝土管等传统管道, 漏失率可降低 15 %左右,漏水带来的经济损失可减少一半,具有明显的社会经济效益 。
3.2.3 节水灌溉
在新的农用节水灌溉技术中 , 塑料管材占有重要地位 ,其发展前景也十分乐观 ,特别是西部地区和干旱地区 ,农业灌溉、滴灌、微灌会有很大发展 。据报道 ,我国适宜发展喷灌、滴灌的农田面积约为 25 兆公顷 ,其发展空间十分巨大。据有关部门规划 ,预计到 2010 年 , 我国节水 灌溉面积将 达到 32 × 10 6 km 2 ,渠道防渗灌溉面积 7 ×10 6 km 2 , 节水灌溉的 PE 管材及其配件年需求量将达 1 800kt 以上 ,这是一个极为广阔的市场 。
3.3 管道的更新改造
HDPE 管可在管线中穿插 ,以更新 、修复旧的管道。HDPE 管插入金属或砼管道后可形成一种新的管道结构 ,使 HDPE 管的防腐性能和金属材料等的机械性能合二为一 ,从而大大提高了管道的整体性能,使用寿命可以延长 40 ～ 50 年。该施工方法在美国、德国 、英国 、瑞典等国家均已被采用 。据资料介绍,他们利用此方法更换过天然气管道 、输水管道和热电厂水管道, 而且取得了良好的使用效果。美国东郭炼油厂在直径 75cm 的金属管修复时, 插入 30m 的对接焊 缝 HDPE 管 , 效 果显著[ 3] 。采 用 HDPE 管穿插方法更新旧管线技术先进 ,施工方便 , 速度快 ,费用低, 社会效益好, 具有很高的应用和推广价值 。该技术在我国尚处于开发、试用阶段。目前我国正在运行中的 58 745km 长的城市供水管道和 7 322km 长的城市燃气管道[ 15] 都是 20 世纪 70 年代以前铺设的 ,已应用了 20 多年 ,已不同程度地进入更新期 。由于我国城市建设发展迅速, 若采用传统方法对原有管道进行更换难度很大 。采用 HDPE 管穿插技术进行改造, 就会比较方便易行, 使地面建筑物免受损坏 。因而此方法如果能在我国大力推广应用,将是 HDPE 管应用的一个重要领域。
3.4 工业与矿业用井管
随着科学技术的发展 ,加快了水井钻探工程, 工程用井管 、滤水管已由金属管向塑料管过渡, 这是当前国外发展的总趋势 , 也是我国发展的必由之路 。按我国年打井 10 万眼计 ,约需塑料管 150 ～ 200kt 。
3.5 交联聚乙烯管材
交联聚乙烯管材 ,由于其性能优越 , 具有节能 、降耗 、减轻环境污染等社会效益,是一种可持续发展的多用途、高品质、高技术 、高附加值的新产品 , 具有广阔的应用前景和市场潜力 。它可广泛应用于建筑工程中的冷热水管 、饮用水管 、空调系统中的水管,煤气热水器进出水管 , 寒冷地区的地板加热管 、暖气管、煤气管等,将成为 21 世纪建筑用给水管、热水管和燃气管的主力管道 。此外 ,它还可用作食品工业中的牛奶饮料、果酱等液体食品的输送管 ,化学工业中化学液体和气体有机溶液输送管等。
鉴于 XLPE 管材的卓越性能, 有关部门正在制定相应的规范和标准, 大力推广应用这种新一代的塑料管材 。目前国内每年对XLPE 管材的需求量预计在 7 ×10 4 ～ 1 ×10 5 km 米,而且将以飞快的速度增加。 1999 年 , 国内 XLPE 管 的使 用 量 已 达 80 000km [ 16] ,而目前国内 XLPE 管的生产能力仅为 23 000km ,国内市场被国外几家大公司所垄断。因此, 应尽早尽快地开发交联 HDPE 树脂 ,以替代进口 。
3.6 其他
HDPE 管在通信用管以及石油、化工 、煤矿等部门用管中也将有迅速的增长。据介绍 ,总投资达 56 亿元的国内输煤管线从山西孟县经山东潍坊到青岛 ,管道输煤以水煤浆料为主,也需要大量的 HDPE 管 。
据预测 , 2005 年我国塑料管材管件市场将超过 1 200kt , 2010 年可达到2 000kt 。2005 年我国 PE 管的需求量预测及在国内管道市场中的占有率见表 2 [ 12] 。
4 建议
由于聚乙烯管独特的性能, 近年来国际上一个非常值得注意的动向是聚乙烯管的发展明显快于 PVC 管的发展, 尤其是 HDPE 管的应用发展迅速。在欧洲市场上 , HDPE 管的比例已达到近 30 %, 在饮用水管 、燃气管、工业用管 、农业用管、采暖/室内用领域内 PE 管的应用量已经超过 PVC 管, 即使在污水/排水管和护套管领域 PE 管的发展也相当迅速 。与国外相比, 我国 HDPE 管材的开发应用还有比较大的差距,主要表现在 ①专用树脂牌号少, 原料供应不足;②产品质量不稳定;③产品规格品种不配套 ;④各种高性能品种牌号的开发力度不够 。我国目前自来水管、煤气管 、油水管、矿山管等使用 PE树脂, 特别是 HDPE 树脂的还不多, 这是一个亟待开发的广阔市场。因此, 积极开发 HDPE 管材专用料已刻不容缓 。各树脂生产厂家都应调整产品结构,积极吸收国外先进技术,大力开发适合市场需求的新品种, 如燃气用 HDPE 管 、给排水用 HDPE 管 (特别是大口径的排水管)、HDPE 包覆金属管 、高性能交联 HDPE 管、农田排灌用 HDPE 管 、具备特殊功能的HDPE 管以及 PE 与其他材料复合的多层复合管的开发研究 ,并抓好塑料管件的研制开发工作 。面向国际市场多生产一些附加值高的专用料, 同时不断开发新品, 形成品种齐全 、管件配套、整体水平达到发达国家先进水平的 HDPE 管材系列专用料。
5 结语
我国的HDPE 管材产业正面临大发展的历史机遇。目前国内使用的各种 HDPE 管原材料大部分还是通用树脂 ,约有 50 %的管材专用树脂依靠进口,特别是燃气管专用料则全部采用进口原料 ,这不仅耗费大量外汇 ,而且潜伏着难以抵御的市场危机 。随着我国经济的高速发展、技术的不断进步以及国家对城市给排水管道 、燃气管道、节水灌溉等方面的普及 , HDPE 给排水管、HDPE 燃气管和各种节水灌溉用HDPE 管等的需求量将有大幅度增长 。抓住机遇适时开发生产适宜的管用 HDPE 专用料, 加大市场推广力度,顶替进口, 尽快占领国内市场 ,必将产生显著的经济效益和良好的社会效益。——论文作者：钱恒河
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