（書誌＋要約＋請求の範囲）

(19)【発行国】日本国特許庁（ＪＰ）
(12)【公報種別】公開特許公報（Ａ）
(11)【公開番号】特開平７−１２０４３９
(43)【公開日】平成７年（１９９５）５月１２日
(54)【発明の名称】超音波探傷装置
(51)【国際特許分類第６版】
G01N 29/04 502
29/10 505
【審査請求】未請求
【請求項の数】３
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】８
(21)【出願番号】特願平５−２６８５１３
(22)【出願日】平成５年（１９９３）１０月２７日
(71)【出願人】
【識別番号】００００００２８４
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号
(71)【出願人】
【識別番号】０００２３５５３２
【氏名又は名称】非破壊検査株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市北区西天満２丁目１０番２号
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 富徳
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】高橋 英夫
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】藪下 秀記
【住所又は居所】大阪府大阪市西区北堀江１丁目１８番１４号 非破壊検査株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】江藤 芳丸
【住所又は居所】大阪府大阪市西区北堀江１丁目１８番１４号 非破壊検査株式会社内
(74)【代理人】
【弁理士】
【氏名又は名称】北村 修



(57)【要約】
【目的】 異なった板厚を有する薄板のステンレス鋼の検査にも適応でき、不感帯がなく、高いＳ／Ｎ比を確保できる超音波探傷装置を得る。
【構成】 超音波探傷装置を、探触子本体１１と、探触子本体１１に傾斜して取付られ、且つ予め定める一定の屈折角で探傷すべき材料１０中に超音波を送信する発信素子１２と、探傷すべき材料の内外表面間を屈折角で全反射して伝播する超音波を受信できる間隔だけ、送信方向と反対側に発信素子１２から離して、探触子本体に発信素子１２と同一傾斜角で位置される受信素子１３とを備えて構成し、受信素子１３を発信素子１２に対して離間・近接自在に構成するとともに、探傷すべき材料１０の板厚に対応して、受信素子１３の発信素子１２に対する離間位置を指定する指定位置表示部材１１ｃを備えて構成したり、両素子を集束型のものとする。



【特許請求の範囲】
【請求項１】 探触子本体（１１）と、前記探触子本体（１１）に傾斜して取付られ、且つ予め定める一定の屈折角で探傷すべき材料（１０）中に超音波を送信する発信素子（１２）と、探傷すべき材料の内外表面間を前記屈折角で全反射して伝播する超音波を受信できる間隔だけ、送信方向と反対側に前記発信素子（１２）から離して、前記探触子本体に前記発信素子（１２）と同一傾斜角で位置される受信素子（１３）とを備えた超音波探傷装置であって、前記受信素子（１３）を前記発信素子（１２）に対して離間・近接自在に構成するとともに、前記探傷すべき材料（１０）の板厚に対応して、前記受信素子（１３）の前記発信素子（１２）に対する離間位置を指定する指定位置表示部材（１１ｃ）を備えた超音波探傷装置。
【請求項２】 探触子本体（１１）と、前記探触子本体（１１）に傾斜して取付られ、且つ予め定める一定の屈折角で探傷すべき材料（１０）中に超音波を送信する発信素子と、探傷すべき材料の内外表面間を前記屈折角で全反射して伝播する超音波を受信できる間隔だけ、送信方向と反対側に前記発信素子から離して、前記探触子本体に前記発信素子と同一傾斜角で位置される受信素子とを備えた超音波探傷装置であって、前記超音波が材料表面間を単一回、全反射して前記探触子本体当接側の面に到達する位置を探傷すべき欠陥が存在すると想定される仮想欠陥位置として設定し、前記発信素子（１２０）及び前記受信素子（１３０）が、送信もしくは受信する前記超音波が前記仮想欠陥位置に集束する集束型の発振素子もしくは受信素子として構成される超音波探傷装置。
【請求項３】 特定の板厚に対して、前記超音波が材料表面間を単一回、全反射して前記探触子本体当接側の材料表面に到達する位置を、探傷すべき欠陥が存在すると想定される仮想欠陥位置として設定し、前記発信素子及び前記受信素子が、送信もしくは受信する前記超音波が前記仮想欠陥位置に集束する集束型の発振素子もしくは受信素子として構成される請求項１記載の超音波探傷装置。

詳細な説明

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、探傷対象の材料内に超音波を送信する発信素子と材料内から反射してくる超音波を受信する受信素子とを使用して、受波の状態より材料に存在する欠陥を検出する超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】以下、検査対象の欠陥としてのオーステナイト系ステンレス材を使用した板材や配管等の溶接近傍の外表面検査を例にとって説明する。このような材料の溶接近傍の表面には所謂応力腐食割れが発生する。この応力腐食割れは０．２〜０．３ｍｍ程度の深さで材料表面で、例えば溶接線に沿って発生する割れであり、塩分、熱応力等により経時的に発生する。さて、従来、このような応力腐食割れの検査にあたっては、浸透探傷法が採用されていた。作業にあたっては、検査対象の材料表面の塗装を除去するとともに、浸透液を塗布し、その分布状況等により欠陥の有無を確認していた。そして、この確認作業の後に、前記浸透液を洗浄するとともに塗装を再度施す必要があった。即ち、この方法を採用する場合は、作業能率が比較的悪く、検査結果も作業者の経験、判断基準に大きく依存していた。一方、材料内等に存在する欠陥を検出する方法として超音波探傷法が用いられる。この方法においては、材料中に超音波を送信し、割れなどの欠陥部分において反射される超音波を受信して、その反射状況から割れの位置、大きさ等に関する情報が得られる。
【０００３】図４（イ）、（ロ）に、従来からの超音波探傷法である一探触子法の探傷構成が示されている。（イ）は側面視図を、（ロ）は平面視図を示している。この方法を探触子の構成とともに説明する。尚、別途図５（イ）、（ロ）に説明する発信・受信素子分離タイプのものにおいても、その探触子の内部構成は概略同一である。さて、図４（イ）、（ロ）に示すように、ガス管等の材料１の表面付近には、割れ２が存在する。検査にあっては、割れ２に対して一定の距離を有する位置に探触子３が配置されて、割れ２の検出が行われる。探触子３には、振動子４がくさび５によって傾斜して取付けられる。くさび５中を、ビーム中心６で示すように超音波が進行し、材料１中に入射する時点で屈折角θ１を有するように屈折する。屈折角θ１を有するように屈折した超音波ビームは、材料１の他方表面で全反射し、割れ２に達する。割れ２に到達した超音波は、反対方向に反射され、振動子４に戻る。したがって、この方法では振動子４を一定時間だけ振動させた後で、振動子４からの超音波の発信を停止し、反射してくる超音波の振動を、同一の振動子４によって受信する。振動子４は電圧効果や磁歪効果によって、外部から与えられる電気エネルギを超音波エネルギに変換し、また超音波エネルギを電気エネルギに変換する。振動子４へのエネルギの供給または振動子４からの受信情報は、リード線７を介して探傷ケーブル８に与えられる。探触子３のケースとくさび５との間には、吸音材９が充填される。
【０００４】この一探触子法においては、単一の振動子４が、超音波の発信・受信の用に供され、超音波の送信が終了すると直ちに受信に切換えられる。しかしながら、機械的な振動状態が減衰するまでに時間を要し、一定の時刻まではかなり大きな振動が残る。従って、受信を開始できる時間（超音波が一定の距離を伝達されている必要がある）に一定の限界がある。
【０００５】さらに、最近提案されているものとして、発振素子としての振動子３０ａと受信素子としての振動子３０ｂとを検査対象の部位（欠陥の仮想位置）に対して前後方向に離間する異なった位置に備えた探触子がある。図５（イ）（ロ）に夫々、この探触子の側面図と平面図とが示されている。この探触子においては、発振素子３０ａから発信された超音波は、所定の経路を経て割れ２に到達するとともに、これにより反射され、発信素子３０ａにおける入射位置において、再度反射されて受信素子３０ｂにいたって検出される。そして、これらの超音波探傷装置においては、発振、受信素子としては超音波を平面的に照射するもの（フラット型と呼ばれるもの）が採用されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述のようなオーステナイト系ステンレス材を使用した板材や配管等の溶接近傍の外表面検査の場合は、浸透探傷法が採用されており、一般に超音波探傷法は採用されていない。この理由は、ステンレス材による超音波の散逸がおおきく感度よく検出ができないためである。さらに、超音波探傷法を採用しようとする場合においても、板厚が小さい場合は、一探触子法では不感帯の存在により充分な検査がおこなえない。一方、発信素子と受信素子を独立に前後方向に備えたものにおいては、これに対応する発信素子と受信素子の位置が固定されることで、結果的に検査対象となる材料の板厚が限定され、充分な検査をおこなうことができないという問題がある。さらに、発信素子と受信素子を独立に前後方向に備えたものにおいても、オーステナイト系ステンレス材を使用した板材や配管等の溶接近傍の外表面検査の場合は、その超音波の散逸が大きいため、Ｓ／Ｎ比の大きい確実な検査が行いにくいという問題があった。
【０００７】そこで、本発明の目的は、例えばステンレス材の応力腐食割れに対しても、簡単な構成で、不感帯なく、高いＳ／Ｎ比を確保できる超音波探傷装置を得るとともに、検査対象の材料の板厚の変化にも対応できる超音波探傷装置を得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に於ける超音波探傷装置の本願第１の発明の特徴構成は、探触子本体と、探触子本体に傾斜して取付られ、且つ予め定める一定の屈折角で探傷すべき材料中に超音波を送信する発信素子と、探傷すべき材料の内外表面間を屈折角で全反射して伝播する超音波を受信できる間隔だけ、送信方向と反対側に発信素子から離して、探触子本体に発信素子と同一傾斜角で位置される受信素子とを備えた超音波探傷装置において、受信素子を発信素子に対して離間・近接自在に構成するとともに、探傷すべき材料の板厚に対応して、受信素子の発信素子に対する離間位置を指定する指定位置表示部材を備えたことにある。さらに、超音波探傷装置の本願第２の発明の特徴構成は、探触子本体と、探触子本体に傾斜して取付られ、且つ予め定める一定の屈折角で探傷すべき材料中に超音波を送信する発信素子と、探傷すべき材料の内外表面間を屈折角で全反射して伝播する超音波を受信できる間隔だけ、送信方向と反対側に発信素子から離して、探触子本体に発信素子と同一傾斜角で位置される受信素子とを備えた超音波探傷装置において、超音波が材料表面間を単一回、全反射して探触子本体当接側の面に到達する位置を、探傷すべき欠陥が存在すると想定される仮想欠陥位置として設定し、発信素子及び受信素子が送信もしくは受信する超音波が仮想欠陥位置に集束する集束型の発振素子もしくは受信素子として構成されることにある。そして、それらの作用・効果は以下のとおりである。
【０００９】
【作用】第１の発明の超音波探傷装置においては、これに備えられる発信素子と受信素子は個別配置構成とされ（ただし、単一の探触子本体に組み付られている）、これらの素子の側面視での傾斜角（材料表面の法線に対する傾き）は一定で、夫々同一とされる。使用に当たっては、発信素子から発信された超音波は、所定の送信経路を経て仮想欠陥位置に到達するとともに、欠陥がある場合は、この部位から反射されて、前述の送信経路と同一の経路を逆方向に辿る受信経路及び再度の全反射経路を経て、受信素子に至ることとなる。ここで、この装置においては、材料の板厚に応じて指定位置表示部材の指定に従って、発信素子と受信素子の位置が作業者によって設定されて探傷がおこなわれる。従って、超音波が材料内に入射する位置と、これから出射する位置との離間位置関係は、材料の板厚と屈折角との関係から、指定位置表示部材によって決定され、超音波の板状材料内での全反射状態を満たすものとされる。この要件から、前述の仮想的な欠陥の位置から全反射状態で反射してくる超音波が主に、受信素子に到達することとなる。即ち受信素子の傾斜角関係、及び平面的な両素子の位置関係より、異なった角度で進行する超音波は、受信素子に到達しにくい。よって、雑音は非常に少なくなる。さらに、本願の超音波探傷装置においては、発信素子と受信素子とが分離しているので、受信素子には不感帯はほとんど生じない。よって、雑音の少ない状態で且つ強い信号強度で、欠陥に係わる所定の信号を良好に検出することができる。一方、本願第２の発明の超音波探傷装置においては、超音波の送信もしくは受信方向に対して、その前後方向に両素子を配設する構成で、材料表裏表面間を１スキップのみ全反射して伝播する位置（この位置を仮想欠陥位置と呼ぶ）にある欠陥を検出対象として特定し、この位置に両素子からの超音波が集束される（発信素子の場合は、前述の仮想欠陥位置に発信超音波が集束するものとされ、受信素子の場合は、検知される超音波の音源側が前述の仮想欠陥位置とされる）。従って、後述する実験結果にも示すように、特定位置に対する検出を優先的におこなうこととなるため、フラットタイプのものを採用する場合と比較して、Ｓ／Ｎ比を格段に高くなる。
【００１０】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、不感帯をほとんど生じることなく、しかも高いＳ／Ｎ比で割れなどの欠陥の検出を行うことができる。Ｓ／Ｎ比が高いので、例えば、探傷すべき材料の表面に塗装膜が施されていても欠陥の検出が可能となる。従って、実際に使用中の管材などでは、応力腐食割れを防止するために塗装を施しているけれども、欠陥の検出を塗装の剥離をすることなく行える。さらに、第１の発明の構成においては、検査対象となる材料の板厚が変化した場合においても、指定位置表示部材に存する指標に従って各素子を位置させることにより、容易に作業を進めることができる。一方、第２の発明の構成においては、後述する実験結果に示すように、感度が格段に良化した状態で検出をおこなうことができる。ここで、溶接部周辺に発生する応力腐食割れの検査において、浸透探傷法を採用する場合と、本願の装置を利用して超音波探傷法とをおこなう場合との作業工数の比較をおこなうと、検査箇所が５０箇所ある事業所において、前者の場合は作業日数５〜６日で２０名、後者の場合は作業日数２日で４〜５名となり、大幅な省力化が達成される。
【００１１】
【実施例】図１（イ）は、本発明の一実施例による超音波探傷装置の断面図がさらに図１（ロ）には使用状態の平面視図が示されている。
【００１２】探傷にあたっては、管材や板材などの材料１０の表面に、探触子本体１１の下面が接触されて使用される。この探触子本体１１は、発信素子である発信用の振動子１２と、受信素子である受信用の振動子１３を備えて構成されている。図示するように探触子本体１１は、検査対象の溶接部位の近接側に備えられて使用される第一探触子本体１１ａと、この第一探触子本体に対して近接・離間自在かつ位置固定自在に構成された第二探触子本体１１ｂを備えて構成されている。そして、第一探触子本体１１ａには発信素子１２が、さらに第二探触子本体１１ｂには受信素子１３が備えられて構成されている。さらに、この第二探触子本体１１ｂは、第一探触子本体１１ａの後部側に設けられるノギス１１ｃ上を移動自在で、位置固定自在な構成が採用されている。そして、このノギス１１ｃには検査対象の材料の板厚に対応して第二探触子本体１１ｂが捕るべき位置が刻印されており、指定位置表示部材として構成されている。この、第一探触子本体１１ａと第二探触子本体１１ｂとの位置関係（ひいては発信素子１２と受信素子１３との離間距離関係）については後述する。
【００１３】以下さらに、詳細に説明すると、発信用・受信用の振動子１２、１３は、夫々各探触子本体１１ａ，１１ｂ内でくさび１４、１５に取付けられて構成される。振動子１２，１３はダンパ１６，１７によってそれぞれ制動される。各探触子本体１１ａ、１１ｂ内の空間には吸音材１８が充填される。
【００１４】ここで、振動子１２，１３は、ほぼ同一形状で、同一共振周波数、たとえば５ＭＨｚを有する。振動子１２，１３の材料としては、たとえばチタン酸バリウムなどの磁器材料が用いられる。くさび１４，１５も同一形状であり、材料としてはアクリル樹脂などが用いられる。くさび１４，１５は、材料１０中で超音波が屈折角θ、たとえば４５°を有するように、振動子１２，１３を傾斜して保持する。ダンパ１６，１７は、布入りのフェノール樹脂などが用いられ、各振動子１２，１３の余分な振動を防止する。吸音材１８は、空気を介して超音波が伝搬するのを防止する。以上のように、振動子１２，１３に関連する構造はほぼ同一であるので、超音波探傷装置の製造は容易で、コストダウンが可能である。
【００１５】さて、使用にあたっては、前述の第一探触子本体１１ａと第二探触子本体１１ｂとの位置関係をノギス１１ｃの刻印に従って、検査対象となる材料の板厚に従って設定することにより、特定の位置関係とされる。即ち、超音波の材料内への入射位置２０と材料内からの出射位置２１とが、所定の屈折角θで入射される超音波が、板状材料の内外表面Ｓ２，Ｓ１（材料表面を単にＳで表す）間を前記屈折角θで全反射して伝搬する距離だけ離間して設定されることとなる（図１（イ）参照）。一般には、この設定位置関係（離間距離をＬとする）は、超音波の屈折角θを検査対象の板状材料の板厚ｔを、以下の式が成立する。
Ｌ＝ｎ×２ｔ×ｔａｎ（θ）
ここで、ｎ＝１、２、３……【００１６】さて、材料中に存在する割れ２００などの欠陥は、表示器２５による表示によって検出される。この検出を行うために、発信器２６から５ＭＨｚの信号出力が送信用の振動子１２に与えられる。表示器２５および発信器２６は、探傷器２７に含まれる。
【００１７】以下に検出状況について説明する。これまで説明してきたように、作業にあたって、作業者は先ず材料の板厚に従って第一探触子本体１１ａと第二探触子本体１１ｂの離間距離を設定するとともに、第二探触子本体１１ｂを位置固定して、検査対象の材料に当接させる。そして、装置を始動させる。発信用の振動子１２から発信された超音波は、くさび１４中を進み、材料１０の表面で入射点２０に達する。材料１０中では、屈折角θとなるように屈折して、入射点２０側の表面と対向する側の表面の反射点３１ａに達する。反射点３１ａでは、表面が空気と接触しており、空気中の音速はくさび１４，１５中の音速よりも小さいので、材料１０中の音速との差が大きく、超音波は反射点３１ａで全反射され、割れ２００の反射点３２に達する。反射点３２では、超音波の進行方向が変化され、反射点３１ａを経て入射点２０に至とともに、再度全反射して出射点２１に至る。出射点２１では、到達した超音波の一部がくさび１５中に侵入し、受信用の振動子１３に到達する。入射点２０と出射点２１との伝達経路に沿った距離は、往路側が超音波が屈折角θで１回全反射して到達する１スキップの距離、復路はその倍の距離である。この距離は、たとえば屈折角θが４５°のときには、板厚ｔの２倍となる。割れ２００までの距離は、材料１０中の音速と屈折角θによって求めることができる。割れ２００が検出されたかどうかは、その距離だけ離れた表面を押さえるなどして、表示器２５の表示が変化するか否かで判断することができる。
【００１８】この探触子本体１１に取付けられる、発信素子１２と受信素子１３との間隔は、上述のように１スキップに選ぶのが望ましいけれども、板厚ｔが薄いときには、１スキップの整数倍、たとえば３スキップ程度であっても差支えないことが、実験結果により確認されている。
【００１９】さて、以上に述べてきた超音波探傷装置の開発の主眼は、検査対象の材料の板厚の変化に対するものであるが、こういった要請とともに、装置が頻繁に検査対象とする材料の板厚が、特定される場合もある。そして、このような場合は、板厚の変化に対する対応とともに、いかにＳ／Ｎ比を向上させて検出するかが問題となる。このような目的の超音波探傷装置１００を図２に示す。装置の概略構成は図１に示すものと同一であるが、この装置に備えられる振動子１２０，１３０は、その発信または受信する超音波が所定の仮想欠陥位置に集束するものとして構成されている。即ち、特定の板厚に対して、発信もしくは受信する超音波が、材料表面間を単一回、全反射して探触子本体当接側の材料表面に到達する位置に、探傷すべき欠陥が存在すると想定され、振動子１２０、１３０が、送信もしくは受信する超音波が前記仮想欠陥位置に集束する。この構成の装置１００の検討結果については後述する。ここで、素子を集束型に構成することと、板厚の変化に対応することとは矛盾する課題のようにみえるが、集束型の素子で、ある程度の板厚の変化にも対応できる。
【００２０】以下、本願の超音波探傷装置の有用性の検証実験結果について説明する。検証実験の要件を箇条書きする。
１ 検査用使用機器及び被検体ａ 使用探傷器 デジタル超音波探傷器 ＥＰＯＣＫ II（パナメトリクス社）
ｂ 検討対象探触子（上述の説明で超音波探傷装置と呼んでいるもの）
一探触子法 斜角探触子（図４に示すもの）
一探触子法 集束型斜角探触子（図４に示す構成のもので、集束型のもの）
二探触子法 前後配列フラット型探触子（図５に示すもの）
二探触子法 前後配列集束型探触子（図２に示す構成のもので、集束型のもの）
ｃ 接触媒質グリセリンｄ 被検体被検体 １石炭ガス（ＣＧ）ファールメーン本管φ６００内面の応力腐食割れ（ＳＣＣ）（材質ＳＳ−４１ 板厚 ４．２ｔ）
被検体 ２図３に示すφ２００配管５０に於ける２Ｂノズル５１取付け溶接部５２の外表面応力腐食割れ（ＳＣＣ）５３（材質 ＳＵＳ３０４ 板厚 ３．８ｔ）
この割れ５３は、図示するように２Ｂノズル５１取付け溶接部５２から配管５０の周方向に発生している割れであり、図３（イ）に示すように、割れ５３に対して直角方向に探触子（超音波探傷装置）を当てて検査をおこなった。割れ５３は溶接部５２から配管周方向に長さ１６ｍｍに亘って発生しており、ノズル５１から離間する側の２ｍｍ程度を除いて厚み方向で両表面間に亘って貫通している。検査に当たっては、ノズル５１から離間した端部位置Ａで厚み方向１ｍｍ深さの部位の検知をおこう。
【００２１】２ 探傷条件測定範囲………５０ｍｍ探傷感度………被検体と同材質・板厚の縦穴φ２．４ｍｍをエコー高さ８０％に設定被検体表面……塗装無し３ 探傷結果以下に探傷結果について説明する。
３−１ 結果 １被検体１に対する感度測定結果を表１に示す。この被検体に存在する各欠陥は以下のようなものであった。
欠陥長さ：Ａ＝１８ｍｍ，Ｂ＝９ｍｍ，ｃ＝５ｍｍ欠陥深さ：０．５〜１．２ｍｍ【００２２】
【表１】


【００２３】３−２ 結果 ２被検体２に対する感度測定結果を表２に示す。この被検体に存在する各欠陥は以下のようなものであった。
欠陥長さ：Ａ＝１６ｍｍ欠陥深さ：０〜３．８ｍｍ（貫通欠陥）
探傷感度：２Ｂφ２．４からのエコーをＣＲＴ８０％に調整した。
【００２４】
【表２】


【００２５】以上の結果を整理して、各方法により得られる感度状態を表３に示す。この表において、ＳＳ−４１で示すものが被検体１に関する結果であり、ＳＵＳ３０４で示すものが被検体２に関する結果である。
【００２６】
【表３】


【００２７】上記のような結果より、超音波探傷法による検出性能評価は、探傷器２７のＣＲＴ表示の欠陥信号高さとノイズ高さとの比（Ｓ／Ｎ）で行うが、集束型前後配列構成ののものを使用する場合が、従来法であるフラット型一探触子（汎用）を使用した場合のＳ／Ｎに対して、ＳＳ材で２．４倍、ＳＵＳ材で５．３倍の高検出性が得られた。尚、この実験データは塗装無しであるが、Ｓ／Ｎが約１４〜１５あることから、塗装施工後についても十分検出性能が有ることが立証された。
【００２８】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。






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