液化天然气储罐安全技术分析.pdf

第 3 9 卷第 1 期 2 O 1 0年 1月 石油化j - 设备 PE TR 一 CHEM I CAL EQUI P MENT Vo1 ．3 9 No ．1 J a n ．2 0 1 0 文章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 0 0 l 0 0 8 6 0 4 液化天然气储罐 安全技术分析 朱保 国 ，李晓明 ，宋启祥 ， 陈叔平 ，党战伟 ， 王运波 ，王文江 ，谢培军 ，岳 彬 ，田绍伟。 1 _ 甘肃蓝科 化高新装 备股份有限公 ， } j ‘ 肃兰州 7 3 0 0 7 0 ； 2 ． 兰 州 理 工大 学 石 油化 T学 院 ，甘肃兰 州 7 3 0 0 5 0； 3 ． } J 国石油 西气东输管道公 司 宁陕管理处 ， 夏 银川 7 5 0 0 0 1 摘 要 我 国液 化 天然 气的应 用技 术还 处于发展 阶段 其安 全储 存 尤为 重要 。根 据其 特性 ， 从 涉及储 罐 安全 的技 术环 节分析 了储罐 安 全 的技 术要 求和措 施 ， 如 围堰 、 设 计压 力 、 主 体材料 等 。 关 键词 低温储罐；液化天然气；安伞技术；建造 中图分 类号 T E 9 7 2 文 献标 志码 B S a f e t y An a l y s i s O f LNG S t o r a g e Ta nk ZHU Ba o - g u o ，LI Xi a o - mi n g ，S ONG Qi x i a n g ，CHEN S h u p i n g ，DANG Zh a n we i ， wANG Y u n b o ，WANG We n - j i a n g ，XI E P e i - j u n ，YUE Bi n ，T I AN S h a o we i 1 ．I a np e c Te c hn ol o gi e s I i m i t e d， La nz ho u 7 3 00 7 0， Ch i n a； 2 ．I a nz ho u Uni v e r s i t y o f Te c hno l o gy， La nz ho U 7 3 0 05 0， Chi n a； 3 ．The Ni n gs h a n M a na ge me nt Of f i c e o f W e s t Ea s t Na t ur a l ；- a s Tr a ns m i s s i o n Pr o e c t Pi p e l i n e Co mpa ny， CNPC， Yi nc hu a n 7 5 00 0 1， Ch i na Ab s t r a c t At t h e d e v e l o p me n t s t a g e ， I ． NG s a f e s t o r a g e i s v e r y i mp o r t a n t ． Ba s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f LNG ， v a r i o us t e c hn i c a l r e qu i r e me n t s of I NG f or t h e s a { e s t o r a g e wa s a n a l y z e d， s uc h a s b un d wa l l ， de s i g n pr e s s u r e， ma t e r i a l e t c ． So m e s u g ge s t i o ns f o r c o ns t r uc t i n g o f t h e s i ng l e c o nt a i n me n t me t a l t a nk we r e g i v e n ． Ke y wo r d s l o w t e mp e r a t u r e s t o r a g e t a n k； L NG；s a f e t y t e c h n i q u e ；c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y 液化 天然 气 简 称 I NG 以运输 灵 活 、 储 存 效率 高 的显著 特点 ， 被 广泛用 做城 市输 配气 系统扩 容 、 调 峰 等方 面的 主要 气 源 。L NG 是 以 甲烷 为 主 要组 分 的烃 类混 合物 ， 在大 气压 力下 的沸点 约 为 一1 6 0℃ ， 其 沸腾 温 度 随 蒸 气 压 力 的 变 化 梯 度 约 为 1 ． 2 5 1 O ℃／ P a 。 L NG 的 密 度 取 决 于 其 组 分 ， 通 常 为 4 3 0 ～4 7 0 k g ／ m ， 其 密 度 是 液 体 温 度 的 函数 ， 每 度 的变化梯 度 约为 1 ． 3 5 k g ／ m 。 根 据 L NG特 性 ， 储 罐 不 仅 具 有 良好 的 绝 热 保 冷 性能 ， 而且 更需 要从设 计 、 制造 及运 行管理 等方 面 对 L NG储罐的安全性提 出一定要求 。 l 平面布置及基础 1 ． 1 储罐布置 L NG 储罐 以外 的热 源会对 L NG储罐产 生热 作 用。因此 ， L NG储罐的布置须符合 I NG安全 防火 的要 求 。一般 根据 储罐 的体积 合理 确定安 全 间距 。 美国防火协会标准 NF P A5 9 A中规定 了储罐围 堰墙与站区建筑的最小水平净距 、 L NG储罐之间的 最小 净 距 ． 见 表 1 ] 。GB ／ T 2 0 3 6 8 -- 2 0 0 6 液 化 天 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 1 基金项 目甘肃 省科技 重大专项计‘ 划项 目 0 8 0 1 G KD A 0 4 0 作者简 介 朱保 国 1 9 6 6 一 ， 男 ， 甘肃定 两人 ， 高级工程帅 ， T 学硕。 ， 主要从事压力容器设计开发 、 工程项 目管理 工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 朱保 国 ， 等 液 化天然气储罐安全技术分析 然气 L NG 生 产 、 储 存 和 装 运 中 也 给 出 了相 同 的 数据要求 。 表 1 储 罐围堰与建筑物及储罐之 间的安全 间距 储 罐建造 的位 置首 先应 避开 易燃 物释 放 的下风 向 。平 面布置 设计 时 ， 应 根据 工 艺 确 定 的流 程位 置 来确 定工 艺装 置及储 罐 的相 对位 置 。 一般 场站 的工 艺装 置系 统离储 罐较 远 ， 在储 罐 围堰 以外较 近距 离 ， 可 以根据需 要 布置 热 源 危 害相 对 影 响 小 的建 筑 ， 如 消 防水池及 废水 收集 池 等 。 1 ． 2 储罐围堰 单容罐的结构特性需设置 围堰 ， 其作用是用来 容纳一旦内罐发生泄漏而流出的液体 ， 阻止泄漏范 围 的扩大 。围堰 距单 容罐 内罐 的距 离要 大 于或 等于 储 罐最 高液 位减 去 围堰高 度之 后 的尺寸 加上 液 面上 蒸 汽压 的当量 压头 的值 之 和f 。即在储 罐 发生 泄漏 的时候 ， 围堰 有足 够 的空 间容纳 泄漏 液体 。 由于 围堰 的特殊 作 用 ， 在 设 计 时应 注 意 以下 几 点 ① 围堰 的强 度 能 承受 拦 蓄 的 L NG 全 部 静 水 压 头 。② 围堰 材料 能承 受 温度骤 冷 所产生 的影 响 。③ 围堰 能承受 预计 到 的火 灾和 自然 力 的影 响 。④选 用 热导率较小 的材料来建造 围堰及罐区场平。一般 围 堰 采用 钢筋 混凝 土材 料建 造 。 1 ． 3储罐基础 大 型立 式平底 圆筒 形储 罐 的基础 有 高架式 和 落 地 式两种 。高架式 基础 为储 罐 支撑 于伸 出地 面的 桩 基 承 台上 ， 内罐底设 置 隔热层 ， 以便 阻止 接触冷 态介 质的内罐的冷能向基础传递 ， 从而避免 由于基础接 受冷 能后 发生 冷冻 膨 胀 ， 对 储 罐 底 板 产 生破 坏 作 用 力 ， 影 响储 罐 的安 全 储 存 。落 地 式 储 罐基 础 的底 部 用珍珠 岩混 凝 土与 绝 热 层结 构 组 合 构 成 ， 基 础 中 问 预埋加 热 管 ， 在 管 中通 人 热 风 或 热水 或 在 罐 基 础 上 预设电加热器。在储罐运行期 间， 保持热风热水或 电加热装置持续工作， 以防 止土壤冻胀鼓起损坏储 罐 。前者 的安全性 要 高一 些 ， 后 者 的加 热 系 统 的 隔 热环节需要进行特殊设计 ， 以便 阻断加热系统向储 罐漏 热 ， 而使 得 内罐 的冷 态低 温介 质气化 ， 防止 出现 安全 事故 。 目前 ， 大 型 立式 平 底 型 圆筒 储 罐 多采 用高 架式 的混 凝 土桩基 基 础 。基础 承 台 由柱 桩 支 撑 ， 可 保 证 空气 流通 畅通 。内罐 底部 与外 罐底 部之 间 没置 隔热 层 ， 使 用玻 璃砖 及 珠 光砂 混 凝 土等 导 热 系 数 小 的材 料 作 为 支撑 层 ， 隔 断 内罐 冷 能 ， 即接 触 I NG 的 材料 为 一1 6 2℃ ， 而到 混凝 土 承台 叮 以降到 常温 。 中小 型 L N G 储 罐 多 采 用 柱 腿 支 撑 ， 支 撑 构 件 作 为此 类储 罐漏 热 的一 个 主 要部 分 ， 在储 罐设 计 时 需要考虑支撑的隔热措施 ， 一般用玻璃 钢或其它具 有较小导热系数又具有强度的材料做 中间材料 ， 切 断 内罐 和外 界 的冷热 传递 。 2 储 存 系统 2 ． 1 设计 压 力 目前 用 于 民用 燃 气气 化 站 的 小 型 储 罐 和用 于 I NG生产装置及调峰型液化装置的子母罐 ， 其内罐 没计成 压力 容器 ， 按 G B 1 5 0 1 9 9 8 钢 制压 力 容器 附录 c设计 ， 其 设计 压 力最大 为 】 ． 8 MP a ， 通 常 工 作 压 力在 0 ． 2 ～ 1 ． 0 MP a 。 大型及 特 大型 I NG 接 受终 端 用 的 式 平底 圆 筒 形储 罐 ， 按 照 B S E N1 4 6 2 0 1 ～2 6 低 温 工作 条 件 下立 式平 底 圆筒型 储罐 第 一 部分 没 汁 、 建 造 、 安 装 和操作 通 用指 南 进 行设 计 ， 储罐 最大 设计 压力 不 超 过 0 ． 0 5 MP a J 。 立式 圆筒 型单 容 罐 ， 国 内 目前参 照 AP I 6 2 0 { 大 型焊 接低 压储 罐设 计 建 造 附 录 Q 及 上述 标 准建 造 ， 其 工作 压力 0 ． 0 1 MP a ， 设 计 正压 0 ． 0 2 5 MP a ， 内 部 负 压 0 ． 0 0 0 5 MP a 。 2 ． 2 主体 内罐 材料要求 2 ． 2 ． 1材 料 基 本 要 求 通 常 L NG储 存在 一1 6 2℃ ， 低 温下 金属材 料 的 性 质较 常温 状态 有 很 大 变化 。为保 证 L NG 储 罐 的 安 全 ， 选 用 制造低 温 储 罐 的金 属 材 料 须考 虑 以下 因 素 ①常 温 至 一 1 9 6℃ 设 计 温 度 范 围 内 的 强 度 。 ②在使用温度范围内具有足够的韧性和塑性 ， 以免 发生 脆性 破坏 。③ 稳定 的金 相结 构 。④ 具有 良好 的 加工性和焊接性 。⑤价格低廉 ． ． 且容易采购 。⑥适 合 低 温要求 的物 理 性能J 。。 目前 ， 适宜 建 造 I NG 储 罐 内罐 的材 料 主 要 有 9 Ni 钢 ， 如 国产 的 0 6 Ni 9钢 、 AS TM A5 5 3 Ty p e I以 及奥氏体不 锈钢 0 C r l 8 Ni 9 T i 等。中小 型 L NG储 罐的内罐 常用奥 氏体 不锈 钢制造 ， 大型及 特 大型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 石油化工设备 2 0 1 0 年第 3 9卷 L NG储 罐选 用 9 Ni 钢 作 为 内罐 的首 选材料 。 2 ． 2 ． 2低 温韧 性 要 求 冲击试 验 是评 定材 料 低温 韧 脆 性 的常 用 方法 ， 选用 9 Ni 钢作为 L NG储罐的主材就需要对 9 Ni 钢 板及 焊缝 做 一 1 9 6℃ 下 的 冲 击 试 验 ， 每 单 个 试 验值 不 得小 于 3 5 。 由于 钢 材本 身 的纯 净 度 、 微 合 金 化 、 铸态 组织 、 控 制扎 制 、 两 相 区热 处理 及 焊 接 磁偏 吹都对 9 Ni 钢的焊接及低温韧性有很大影响。对于 9 Ni 钢 及 焊缝 来 说 ， 3 5 J试 验 的单 个值 相 对 比较 苛 刻 。采用 9 Ni 钢制造 的大型常压 L NG储罐 ， 就需 要 采用适 当的焊接 工 艺 ， 以保 证 9 N i 钢 的焊 后 低 温 性 能指 标 ， 从 而保 证储 罐 的安全 。 奥 氏体 不锈 钢 的抗 拉强 度 、 屈 服强 度 、 弹性极 限 及 硬度 随温度 降低 而增 大 ， 其 冲击 值 随温 度 的降低 减小较缓慢 ， 奥氏体不锈钢 的晶体结构为面心 晶格 结 构 ， 不 存在 脆性 转变 温度 ， 在低 温下 能保证 足够 的 塑性及韧性 。这类钢 中含有镍元素， 镍 为强奥 氏体 化元素 ， 随着 镍含 量 的增加 ， 钢在 低温 下 的冲击值 也 增 大_ 7 】 ， L NG 用奥 氏体 内罐一 般不 要求 作 材料 的低 温冲击 试验 J 。 除 了 以上 的要 求外 ， 侧 向膨 胀 量也 是 考 核低 温 韧性 的一项 重要 指 标 ， 一般 要 求 每 块 试样 的侧 向膨 胀量都 不 小于 0 ． 3 8 mm。 2 ． 3 绝热保冷 2 ． 3 ． 1 小型储罐 的绝热要求 绝热保冷是储罐安全储存的最主要保证措施 ， 小 型 L NG 储 罐 一 般 采 取 真 空 或 真 空 粉 末 绝 热 方 式 。绝热 空 间保 持 一定 的真 空 度 ， 即可 消 除气 体 的 对流传热 。辐射成为这种绝热结 构的主要传递通 道 ， 故一般对内罐的外表面进行抛光处理 ， 或采用低 发射率 的材料涂敷表面 ] ， 降低材料表面的发射率 来 减少辐 射传 热 。 除此 ， 真 空 度 的 降低 会 影 响 绝热 效 果 ， 焊 缝 的泄漏 及 夹层 绝 热 材 料 的放 气 都 对 真空 度有很 大影 响 。 如何保持真空度也就成为确保 L N G储罐安全 的必要措施 。对于真空绝热容器， 一般通过产品的 质量保证 期的时 间反算 L NG储罐 的最大允许漏 率， 利用氨渗透或氦质谱检漏等泄漏检测手段检测 来保障 L NG储罐的安全储存。 2 ． 3 ． 2 大 、 中型储罐 的绝热要 求 对于中、 大型及特大型 L NG储罐 ， 从经济技术 上考虑 ， 普遍采用普通堆积绝热 ， 即在绝热空间中装 填珠 光砂 。选 用 一 定 粒 度 的珠 光 砂 充 填 到 一 定 密 度 ， 减 弱 颗粒 间 的接 触 传 热 。为 防止 绝 热 材料 吸潮 而造 成性 能下 降 ， 使 绝热 材料保 持其 绝热 效果 ， 对绝 热空 间充 入微 正压 的氮气 ， 可 防 止潮 湿 空 气渗 入 夹 层 。也 可 以排 出夹 层 中空 气 ， 将 夹层 中 的氧含 量 降 至最 低 ， 防止 L NG泄漏 后 与氧气 混合 发生危 险 。 2 ． 3 ． 3 I NG储罐绝热方式确定原则L 1 O J 确定 L NG储 罐 的 绝 热 结 构 要 考 虑 以 下 几 点 ①在保证标准热损 的要求 下， 尽可 能减薄绝热层。 ②绝热材料不应使管道和设备受到腐蚀 。③绝热体 要有 适 宜的粒 径 和充 装 密 度 ， 这样 才 能 确 保绝 热 效 果 ， 更有效地保障 L NG储罐的安全储存 。 2 ． 4接 管绝热 工 艺管 道 是储 罐 必 不 可少 的一部 分 ， 连 接 内罐 和外 界介 质源 。介 于夹层 中的管道 有绝热 空 间的保 冷作用 ， 但对于管道与外容器连接部位 ， 就要考虑连 接处 的保 冷及 结 构 的合 理 。管 道材 料 在 L NG工 作 温度 一1 6 2℃下 会 发 生 冷 收 缩 ， 需 要 在 管 道 上设 置 波纹 膨胀 节进 行 冷 收缩 补 偿 ， 受 绝 热空 间绝 热 材料 的影 响 ， 补偿结 构 要 设 置 在外 罐 外 侧 。 同时 在 管道 和 膨胀节 的间隙 填充 隔 热 材 料 ， 阻 断通 过 此 连 接环 节 的漏 热 ， 可 以解 决储罐 储存 中接 管漏 热 的问题 。 3 L N G储 罐 允许 充装 量、 液位 控 制 系统 及 其他 3 ． 1 最 大允 许充装 量 通常 L NG储罐设计有最 高液位 ， 要控 制储 罐 内的液 位不 超过 此 限 。 因此 ， 在充 装 L NG 时 ， 应 考 虑 到液 体 受 热后 的 体 积 膨 胀 而 出现 液 位 超 高 的情 况。这就需要根据充注时液体 的具体情况来确定 ， 如果充 注 的 L NG 相对 于储 存 压力 来 说是 已经膨 胀 了 的 L NG， 则 可 以充 注 到 最 高 液 位 ， 反 之 则 应 留有 适 当的空 间允许 液体 膨胀 l_ 】 。 一 般 可根据 储罐 泄放 阀设定 的工作压 力和 充注 时气相 空 间 的压 力来 确定 允许 的实 际充装 量 。 3 ． 2液位控制系统 L NG储 罐 液位 控 制 系 统 应 设 置 正 常最 高 工 作 液位 、 高液位报警、 高高液位报警并切断、 最高允许 液位 4组液位控制方式。其中最高允许液位小于罐 壁顶 部 或 者 低 于溢 流 口 ， 4组 液位 控 制 方 式形 成 阶 梯式 的过量充 液预 防保 护系统 。 为防止仪表的失效风险， 储罐上分别设 2套独 立的液位测量仪表 ， 仪表选型时要考虑密度的变化。 液位控制系统不仅能就地显示 ， 还具有远传功能， 其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 朱保 国， 等 液化天然气储罐安 全技术 分析 信号可以远传至控制室进行操作。即高液位报警和 高高 液位 报 警 与 切 断 保 护 设 施 联 控 ， 可 以在 L NG 充装 到此液 位 限定 值后 ， 控 制 信号 直 接 驱 动 进 液 管 道 上 的 自动 阀来 达到 关 闭 。 3 ． 3 温 度测 量 3 ． 3 ． 1 介 质 温 度 测 量 L NG 的密度 差 异 等会 造 成 充 装 过程 的分 层 和 涡旋等不利现象。内罐的外罐壁不同高度设置测量 介 质温 度 的 热 电偶 ， 可 以将 不 同 储 存 深 度 的 L NG 的温度信 息反 馈 出来 ， 使 操 作 者 采 取 合适 的充 装 程 序 ， 同时也监 测温 度 差 异 ， 以抑 制 分 层 的现 象 发 生 。 如 L NG源 温度 较罐 内储存 L NG介 质 温度 高 时 ， 可 以从 下 进 液 管 进 行 充 注 ， 罐 内介 质 对 充 入 L NG 源 起 降温作 用 。反 之 ， 则 从 上 进 液 管 充 装 ， L NG 源 介 质可 对罐 内形成 的气 相蒸 气起 冷却 作用 。 3 ． 3 ． 2 绝 热 空 间温 度 测 量 绝热 空 间 的 四周 、 顶 部 及底 部 分 散 布置 着 测 温 装 置 。绝热 层 暖侧 和 冷侧及 过 渡空 间 中的测 温装 置 可监测 异常 的温度 变 化 ， 以便 判 断 绝 热 体 是 否 受 潮 或 松散 而 存 在 漏 热 等 。 内罐 底 部 设 置 的 温 度 传 感 器 ， 尤其 对采 用罐 底 有 加 热 系统 的立 式 平底 型 圆筒 储 罐来说 ， 不 仅可 监测储 罐底 部 是否存 在 异常反 应 ， 同时可 以监测 加热 装是 否存 在漏 热 。底部 加热 器为 周期性的工作模式 ， 当温度传感器达到最低设定温 度后 ， 即内罐冷能即将传递到基础时， 可以通过 自动 控制系统启动加热系统 ， 直至温度传感器达到最高 设定 温度 而保 护基 础结构 。 3 ． 4 正压及负压的泄放和解除 3 ． 4 ． 1 内罐 正 压 泄 放 为 保 证 内罐 的压 力 泄 放 和解 除 ， 内罐 应 该 设置 正压安全 泄放 阀和 负压 解 除 阀 ， 这 两 种 阀 门 应该 分 开设置。对于储罐 ， 热量进入引起液体 的蒸发、 充注 期问液体的闪蒸、 大气压 的下降等都能引起罐 内压 力 的上升 _ 1 。内蒸 汽 压 力 达 到泄 压 阀设 定 的压 力 时 ， 泄 压 阀开启 ， 对 内罐起 安全 保护 作用 。低 温储 罐 宜采用 先 导式泄 压 阀 ， 这 种 泄 压 阀在 内部 压 力 达 到 设 定值 之前 可 以紧 密关 闭 ， 在 超 过 设 定 压 力 后 完全 开启， 此结构的阀要么完全截 止， 要么完全开启 ， 可 以防止阀座结冰 ， 而且先导阀抗大气压力工作 ， 其设 定压 力 不 随背 压 变 化 ] 。储 罐 泄 压 阀应 该 一 备 一 用 ， 即安装 2 块 相 同泄放 能力 的泄 压 阀 ， 为 了避 免不 必要的浪费， 从经济上考虑 ， 2个安全 阀的压力值设 定依次成增加趋势 ， 但最大设定值不得超过 内罐 的 设 计压 力 。 3 ． 4 ． 2 外罐 负压解除 在 快 速进 行 排 液 或抽 气 时 ， 有 可 能 使罐 内形 成 负 压 ， 就 需 要 开 启 负 压 解 除 阀补 充 L NG蒸 气 或 氮 气 ， 而不 会 由于 负压 而 出 现罐 体 变 形 。这 就 需 要 在 外罐顶部设置负压解除阀， 同样 ， 负压解除阀需要至 少设置 2处。负压解 除阀一般与供氮装置连通 ， 根 据罐 内需要进行补充 ， 在储 罐设计时需要规定充装 和排 液 的最 大流速 ， 以便减 少泄 压 阀的工 作 。 4 结 语 由于 L N G 的性 质 及 低 温 绝 热 储 罐 的 特 殊 要 求 ， 对 于设 计 体 积 大 小 不 同 的地 上 金 属 单 容 L NG 储 罐 ， 要把 储罐 的安 全设 计放 在第 一位 ， 根 据不 同 的 使用工况和要求 ， 确定合理的绝热结构 、 选用合适 的 支撑隔热结构 、 选用合适 的主体材料并制定主体材 料 制造 、 安装 过 程 中的技 术 要 点 。这样 才 能 有 针 对 性地 完善 L NG储罐 的安 全设 计 。 L NG是 一 种 清 洁 、 高 效 能 源 ， 其 占有 的 市 场 份 额越来越大 ， L NG储罐也将有更大的市场需求 。储 罐设计关系到设备 的本质安全 ， 所 以有关设 计 、 制 造 、 操 作 和火 灾预 防等 方面 的安 全 问题 ， 要 严格 执行 有关标 准 、 规定 ， 还 应 根 据 每 台设 备 的特 点 、 设 计 参 数及相关要求全面综合考虑分析 ， 进行更合理、 更优 化的设计 ， 确保 L NG储罐的安全。 参 考 文献 [ 1 ] GB ／ T 1 9 2 0 4 --2 0 0 3 ， 液化天然气 一般特性 I S ] ． [ 2 ] NF P A 5 9 A， 2 0 0 1版 ， 液化 天然气 L NG 生产 、 储 存和装 运 标准[ s ] ． [ 3 ] GB ／ T 2 0 3 6 8 --2 0 0 6 ， 液化天然气 L NG 生产 、 储存和装运[ S ] ． [ 4 ] GB 1 5 0 1 9 9 8 ， 钢制压力 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