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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.3 pp.45-53
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.3.045

A Research on the longterm durability of 3 Layers Composite Corrugated Steel Pipe(CCSP) buried in Seashore

Jee-Seung Chung1, Tae-Jung Son2
1Professor, Department of Railroad Construction & Safety Engineering, Dongyang University
2Managing Director, SEONGHO CSP CO., LTD.

본 논문에 대한 토의를 2018년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2018년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Son, Tae-Jung SEONGHO CSP CO. LTD. SUNGHYUN B/D 19-2 Nonhyundong, Gangnam-gu, Seoul 135-813 Korea. Tel: +82-2-3446-2841, Fax: +82-2-3446-2845, E-mail: bogdug25@nate.com
July 16, 2018 August 11, 2018 August 14, 2018

Abstract


The concrete pipe is widely used as a sewage pipe, but it is difficult to handle and construct by its heavy weight. If buried in sewage and seawater areas, deterioration occurs due to erosion by hydrogen sulfate (H2S) and chloride, and reduction of cross section due to cracks, delamination, extention, etc.



A Corrugated Steel Pipe coated with PE has been widely used to replace the concrete pipe, but water leaks were occurd where the connection is weak against external pressure.



In this paper, research was conducted to apply Composite Corrugated Steel Pipe(CCSP) coated with three layers to sewage pipes instead of Corrugated Steel Pipe. The abrasion volume ratio and chemical resistance test were performed for check the quality of CCSP. To check the performance of longterm durability of CCSP buried at seashore, various of experiments such as salt spray, pinhall, adherence and loading test were conducted



해안가에 매설된 내외부 3층 피복 수지파형강관의 장기재령 내구성에 관한 연구

정 지승1, 손 태정2
1동양대학교 철도건설안전공학과 교수
2㈜성호철관 기술연구소 전무이사

초록


콘크리트관은 하수관으로 널리 쓰이지만, 중량이 무거워 취급이 곤란한 단점이 있다. 또한 하수 및 해수 지역에 매 설될 경우 황산수소(H2S)와 염화물에 의한 화학적 침식 등으로 인해 균열, 단면 감소 등 각종 열화현상이 발생하게 되어 파형 강관을 대신하여 사용하지만 시공특성상 파손이 생기거나 매설지역에 부등침하가 존재하거나 과도한 외부압력이 작용할 경우 누수 또는 파손이 발생하여 관거로서의 기능이 저하될 우려가 있다.



이에 본 논문에서는 3겹으로 코팅된 수지파형강관(CCSP)을 파형강관 대신 하수관에 적용하기 위한 연구를 수행하였으며 우선 CCSP를 화학약품에 침지한 후 마모율 및 중량감소 등을 통해 화학저항성을 알아보았다. 특히 해안가에 시공될 경우 장기재령 내구성능을 확인하기 위해 부산 감만항 인근에 수지파형강관을 매설한 후 재령 10년 및 15년이 경과한 시점에 피복부착력을 확 인하기 위해 염수분무, 핀홀, 음극박리시험을 실시하였으며 외압에 대한 저항성을 알아보기 위해 재하시험을 실시하였으며 그 결과 모든 항목에서 KS품질 기준을 만족하고 관거로서의 소요성능을 확보하고 있어 장기재령 내구성을 확보하고 있음을 확인하 였다.



    1. 서 론

    콘크리트로 제작된 관은 공사비가 저렴하고 외압에 강 해 하수관거로서 가장 많이 사용되고 있지만 중량이 무거워 취급 및 시공이 불리한 단점 또한 가지고 있 다. 특히 각종 화학약품 및 오수가 배출되는 공장밀집 지대 및 해수에 상시 접해 있는 지역에 콘크리트관이 매설되어 있을 경우 황화수소(H2S) 및 염소에의한 침 식으로 열화현상이 발생하게 되며 균열, 박리, 박락 등 에 의한 누수, 침식에 의한 단면저감으로 외압에 대한 저항성이 감소되는 등 하수관로로서의 기능이 저하되 는 문제점이 발생한다(Kim et al., 2016). 이러한 문제 를 해결하기 위해 아연도금강판을 PE로 코팅한 파형 강관이 콘크리트관을 대체하여 많이 사용되어 왔으나 연성관으로서 외압에 약하고 부등침하가 있는 지역에 서는 연결부가 취약할 경우 누수가 발생하는 문제점이 나타난다(Seo et al., 2017). 이에 합성수지보다 내구성 이 높으면서 외압에 대한 저항성이 높은 수지파형강관 을 하수관로에 적용하는 연구를 실시하게 되었다.

    수지파형강관(Composite Corrugated Steel Pipe, 이하 수지파형강관 또는 CCSP)이란 파형강관의 성능을 개선 하고자 열연강판에 내식성이 우수한 분체에폭시와 폴리 에틸렌을 내외부에 3층으로 피복하고 강관내부를 평활 하게 수지로 코팅한 관을 의미하며 기존 연구를 통해 현장적용성을 확인하였다(Chung & Son, 2018).

    본 논문에서는 수지파형강관의 하수관로로서의 적 합성과 내구성을 알아보기 위해 마모체적비와 화학약 품에 대한 안정성 및 해안가에 매설한 수지파형강관의 장기재령 내구성을 알아보는 실험을 실시하였다.

    마모저항성 실험은 4종류의 주요 관재질을 산성용 액에 침지시킨 후 측정한 중량감소비와 마모체적 비 로서 단면손실에 대한 저항성을 알아보았다.

    화학약품에 대한 저항성은 수지파형강관의 주된 재질인 PE를 5종류의 약품에 침지시킨 후 중량감소율 을 측정하여 허용기준값과 비교하였다.

    장기재령 내구성을 알아보기 위해 부산 감만항에 지름 1,100mm 수지파형강관을 매설 한 후 10년 및 15년이 경과된 시점에서 염수분무, 핀홀시험 및 동결 융해 실험을 실시하여 표면손상 여부 및 연결부 박리 등을 살펴보았으며 당김강도 및 음극박리시험을 실시 하여 피복재료간 부착력성능 변화를 알아보았고 재하 시험을 실시하여 침지재령별 휨응력과 변형율을 측정 하여 구조적 안전성 확보여부를 확인하였다.

    2. 본 론

    2.1 수지파형강관

    2.1.1 제작순서

    수지파형강관의 제조는 Fig. 1의 제작순서에 나와 있 듯이 먼저 코일로 반입된 강판을 파형으로 가공 한 후 강판의 표면을 거칠게 처리한 후 강판의 내 외면 에 분체에폭시를 코팅(1층) 한 후에 변성폴리에틸렌(2 층) 및 PE(3층)를 연속으로 피복하여 제조하였으며 내 부는 수지로 마감하여 관내부의 굴곡을 없앴다.

    2.1.2 플랜지 연결부

    수지파형강관의 연결부는 Fig. 2와 같이 관체를 돌리 지 않고 결속밴드에 볼트로 체결하여 접합하는 플랜 지 커플링 방식을 적용하였다.

    2.1.3 품질기준

    수지파형강관의 형상별 치수에 대한 제원을 Table 1 에 나타내었다.

    2.2 실험방법

    2.2.1 마모시험

    폴리에틸렌(PE), 경질염화비닐(PVC), 철(Steel) 및 콘크 리트(Concrete) 4종류의 주요 관재질을 산성용액(pH 5) 에 19일간 침지시켜 마모체적비와 마모중량비를 측정 하였다.

    2.2.2 화학약품침지시험

    KS M 3407(2003)에 의해 23±2℃에서 5종류의 화학약 품에 5시간 침지한 후 시료의 무게를 측정하여 허용 기준값과 비교한다

    2.2.3 염수분무시험

    KS D 9502(2009)에 의해 1,000시간 동안 염수를 분무 하여 시료의 변형 및 이상여부를 확인하였다.

    2.2.4 핀홀시험

    KS D 3607(2007)에 의해 홀리데이 디텍터를 사용하 여 접촉형인 경우 10,000V∼12,000V, 비접촉형의 경 우 20,000V∼40,000V의 전압을 걸어 관표면의 핀홀 유무를 조사하였다.

    2.2.5 밀착력(당김강도)

    KS D 3619 (2017)에 의해 길이 약 100mm 정도 시험 편에 안쪽 수지면에 닿을 정도로 절단한 후 스프링저 울로 서서히 잡아 당겨 내, 외면에 대한 하중을 측정 한 후 기준값과 비교하였다.

    2.2.6 음극박리 저항성

    KS D 3607 (2017)에 의해 실시되었으며 실험조건은 23±2℃ 온도에서 전해질은 3% NaCl 용액으로 28일간 침지시킨 후–1.5V의 전위차를 가해 박리 반지름을 측정하였다.

    2.2.7 동결융해 시험

    KS F 2456에 따라 공기중 급속동결 수중급속융해의 방법으로 실시하였으며 이때 온도를 동결시 –18℃ 융해시 4℃로 상승시키는 것을 1사이클 4시간으로 하 여 반복수행 한 후 시험편의 박리 및 들뜸 여부를 확 인하였다.

    2.2.8 재하시험

    한국시설안전공단에서 작성한 안전점검 및 정밀안전 진단 세부지침해설서에 의거하여 수지파형강관 중앙 부에 측정센서를 부착한 후 24시간동안 5분 간격으로 변형률을 측정하여 휨응력을 산정한 후 구조안정성을 평가하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 단면손실 저항성

    한국상하수도협회 통계자료(2015)에 의하면 국내의 경 우 하수관로를 제작할 경우 사용되는 주요 재질은 콘 크리트, PE, PVC 및 철이며 이 중 콘크리트가 전체의 45%정도를 차지해 가장 많이 사용되어 지는 것으로 알려져 있다.

    본 실험에서는 산성용액에 대한 하수관거 재질의 화학저항성을 알아보기 위해 산성용액에 침지시켜 마 모체적비와 마모중량비를 측정하였으며 이 결과를 정 리한 것이 Fig. 3이다.

    Fig. 3에 나타나듯 마모중량의 경우 PE의 마모중 량비를 1로 놓았을 때 콘크리트는 236, 철의 경우 341로 철이 약 0.7배 높은 중량비를 나타냈으며 마모 체적비의 경우 중량비와는 달리 철이 40 콘크리트가 96으로 나타나 콘크리트의 침식면적이 철에 비해 2.4 배나 높은 것으로 측정되었다. 이러한 실험결과는 산 성용액에 대해 콘크리트 재질이 다른 재질에 비래 단 면손실이 크다는 것을 의미하며 장기간 노출되었을 경우 누수 등에 의해 관로시설물의 내구성이 저하되 는 문제점이 발생될 수 있다. 한편 산성용액에 침지한 하수관거 재질들 중 PE가 가장 우수한 결과를 보여 화학저항성이 요구되는 현장에 사용할 경우 적합할 것으로 판단된다.

    3.2 화학약품 저항성

    폴리에틸렌의 내약품성에 대해 알아보기 위하여 5종 류의 화학약품에 침지한 후 무게변화를 측정하였으며 이때 사용된 화학약품용액의 종류와 품질기준 및 실 험결과를 Table 2와 Fig. 45에 나타내었다.

    염화나트륨(NaCl)은 해수 조성물중 60%이상을 차 지하는 성분으로 철의 부식 및 콘크리트 침식의 주요 열화인자로 알려져 있으며 수산화나트륨(NaOH)은 수 용액일 경우 강한 알칼리성을 나타내기 때문에 화학 약품에 대한 저항성을 알아보는데 유효하다(Lee et al., 2011).

    실험결과 PE의 중량변화는 염화나트륨 및 수산화 나트륨에서 각각 허용값(±5)이내인 0.33 및 0.05를 나 타내 이들 용액에 대해 안정성을 보였다.

    한편 Fig. 5에서 황산(H2SO4)와 질산(HNO3)의 경 우 하수의 주요성분인 황화수소(H2S)와 질산성질소 (NO3-N)에서 미생물과의 반응 등을 통해 만들어지고 에탄올은 수지를 용해시키는 성질이 있기 때문에 하 수저항성을 평가할 수 있을 것으로 보이며 실험결과 모든 약품종류에서 허용값이내의 무게변화를 나타내 어 화학저항성이 우수함을 알 수 있었다.

    이렇듯 PE의 경우 벤젠, 페놀과 같은 방향족탄화수 소 화합물에 대한 흡수가 높아 소성화(plasticization)에 대한 가능성은 있지만 Chang (2010)에 의하면 무극성 수지이기에 극성을 가진 산, 알칼리 또는 염에 대해 반응을 하지 않는 성질을 지니고 있어 다른 재질에 비해 해수 또는 화학저항성이 매우 큰 것으로 알려져 있다.

    3.3 장기재령 해수 저항성

    수지파형강관의 장기재령 내해수성을 알아보기 위하 여 지름 1,100mm관을 부산항 감만부두 확장공사 현 장에 매설한 후 10년 및 15년에 각종 내구성실험과 재하시험을 실시하였으며 초기 감만부두에 매설하는 모습을 Fig. 6에 나타내었다.

    3.3.1 표면손상에 대한 검토

    매설 후 10년 및 15년이 경과한 수지파형강관의 일부 를 채취하여 FIg. 78과 같은 장치를 통해 염수분 무시험, 핀홀시험을 실시하여 수지파형강관의 표면손 상여부를 알아보았으며 동결융해시험 및 외관조사를 통해 박리 및 들뜸여부를 확인하였고 그 결과를 Table 3에 나타내었다.

    해수와 접한 부위에 손상이 발생하여 강판이 노출 되었다면 염수에 의해 부식이 발생될 수 있으며 부식 이 지속될 경우 팽창에 의해 피복과의 박리현상이 발 생될 수 있어 수지파형강관의 변형 및 내구성이 저하 되는 문제점이 나타난다. 시험에 사용한 종류는 중성 염수분무(NSS, Neutral Salt Spray)방식을 사용하였으 며 100시간 동안 분무 후 수지파형강관의 표면손상을 확인해본 결과 아무 이상이 없는 것으로 나타났다.

    핀홀시험은 관표면에 미세한 손상이 발생하여 강 판이 외부에 노출되는지 여부를 알아보기 위해 실시 되는데 외부 접촉식 검지기(holiday detector)로 소정의 전압을 흘려 검측한 결과 표면손상은 없는 것으로 조 사되었다. 이와 같이 장기간 매설된 수지파형강관의 표면손상 여부를 염수분무 및 핀홀시험을 통해 알아 본 결과 해수 또는 외압에 의한 손상은 없는 것으로 관측되었다.

    한편 온도변화에 의해 수지파형강관이 변형되는 가능성을 확인해보기 위해 동결융해시험기에 시험편 을 넣고 동결과 융해과정을 100cycle동안 실시한 결과 시험편의 박리나 들뜸현상이 나타나지 않아 수지파형 강관의 변형저항성이 우수함을 알 수 있었다.

    3.3.2 피복부착력에 대한 검토

    장기간 해수에 노출된 수지파형강관의 표면피복의 부 착상태를 확인하기 위해 10년 및 15년 된 시험체를 채취하여 당김시험 및 음극박리시험으로 부착력을 측 정하였으며 이들 실험결과를 각각 Figs 910에 정 리하였으며 실험전경을 Fig. 11에 나타내었다.

    Fig. 9의 결과에서 수지파형강관의 당김강도는 매 설당시 113N/10mm에서 10년 및 15년 경과시 80, 75 로 저하하였으나 KS기준값인 35를 훨씬 상회하고 있 어 장기간경과 후에도 부착력을 확보하고 있음을 알 수 있었다.

    한편, 전위차를 통한 음극박리시험을 실시하여 박 리반지름을 측정한 결과 매설초기 3mm를 나타낸 박 리반지름값이 10년이 경과한 후에도 변화가 없었으며 15년 경과 후 측정값이 4mm로 다소 증가하였으나 허 용값 8mm이하의 50%에 불과해 수지파형강관이 부착 력에 대해 안정적인 성능을 보여주고 있음을 알 수 있었는데 이러한 이유는 수지파형강관 제조시 강관표 면에 분체에폭시를 prime coat로서 도포하여 강판과 충분한 점착력을 확보할 수 있었기 때문이다.

    3.3.3 재하시험에 대한 검토

    해수에 장기재령(10 및 15년) 침지된 수지파형강관의 구조적 안전도를 평가하기 위해 지름 1,100mm의 관 에 변형율계와 변위계를 부착시킨 후 차량하중을 재 하하여 관상부와 관측면에 발생하는 변형과 응력을 실측하였다.

    아울러 구조해석을 실시하여 얻은 이론값과 실측값 을 비교하였으며 아울러 허용값과의 비교로 안전도 평가를 실시하였다. 재하시험에 대한 실험전경과 재하 방법 및 게이치 부착위치 모식도를 Fig. 1213에 나타내었다.

    이때 매설된 수지파형강관에 작용하는 상부토압은 매설깊이에 따라 연직토압을 구하는 식(1)에 의해 계 산하였으며

    • Wv : 매설토에 의한 토압(N/m2)

    • H : 매설깊이 (m)

    • rt : 흙의 단위중량(N/m3)

    W v = r t H
    (1)

    연직하중은 차량하중으로 인접하는 후륜의 단축하 중과 그 분포각을 고려하여 하수도설계기준에서 제시 한 식(2)에 의해 계산하였으며 수지파형강관의 구조적 안정성 여부는 한국시설안전공단 (2011) 「안전점검 및 정밀안전진단세부지침해설서(상수도)」기준에 의해 평 가하였다.

    W t = 2 P ( 1 + i ) c ( a + 2 H tan θ )
    (2)

    • Wt : 차량에 의한 연직하중(MPa)

    • P : 후륜하중 (DB 24 = 9,6tonf)

    • i : 충격계수

    • c : 차륜점유폭 (2.75m)

    • a : 차륜접지길이 (0.2m)

    • H : 매설깊이(cm)

    • θ : 분산각(45°)

    재하시험 실시 후 관상부 및 측면에 발생한 변형 측정 결과를 Fig. 14에 나타내었다.

    수지파형강관을 침지한 후 10년이 지난 후 D1,100mm관에 발생된 최대변형률은 관상부에 65×10-6, 관측면에 19×10-6로 나타났다. 이 값을 응력으로 환산 하면 관상부는 13.0MPa 관측면은 3.8MPa이다.

    수지파형강관을 침지한 후 15년이 지난 후 D1,100mm에 발생된 최대변형률은 관상부에 80×10-6, 관측면에 44×10-6로 나타났다. 이 값을 응력으로 환산 하면 관상부는 16.0MPa 관측면은 8.8MPa이다.

    실측값과 비교하기 위하여 강관 횡단면에 대해 구 조해석을 수행하였으며 Shell요소를 사용하여 상용해 석 프로그램인 MIDAS로 해석을 실시하였다. 한편 구 조물에 작용하는 하중은 등가분포하중으로 치환하여 적용하였으며 지반조건의 경우 다짐율은 85%, N치를 30으로 가정하여 지반반력계수를 산정하였다.

    이때 구조해석에 사용된 수지파형강관의 재료물성 치와 단면제원을 각각 Table 45에 나타내었다.

    구조해석을 실시하여 얻은 수지파형강관의 응력 및 변형에 대한 단면해석결과를 Fig. 1516에 나타 내었으며 이를 허용기준값과 비교하여 정리한 것이 Table 6이다.

    Table 6에서 알 수 있듯이 우선 외압에 의한 실제 관변형율을 살펴보면 수지파형강관은 침지재령 10 및 15년에 관상부에서 0.07 및 0.09mm, 관측면에서 0.02 및 0.05mm로 측정되어 허용값인 55mm와 비교할 경 우 0.2%내외의 매우 낮은 값으로 침지재령이 장기간 지속이 되었어도 외압에 의해 관변형이 거의 일어나 지 않고 있음을 보여주고 있다. 한편, 수지파형강관은 토압에 의한 허용변형율을 관경의 5%로 제한하고 있 다(Park et al., 2011).

    이와 같은 변형률로 응력을 산정한 결과 침지재령 10 및 15년에서 관상부에서 13.0 및 16.0MPa, 관측면 에서 3.8 및 8.8MPa로 측정되었다. 매설된 강관의 발 생응력에 대한 허용기준은 상시하중의 경우 140MPa 이내로 제한하고 있는데 측정결과 값은 관상부의 경 우 9∼11%, 관측면의 경우는 3∼6%에 불과하여 수지 파형강관이 해수에 장기간 침지되어 있어도 외압에 대한 변형저항성이 크다고 볼 수 있다.

    4. 결 론

    본 논문에서는 해안가에 매설한 수지파형강관의 장기 재령 내구성을 알아보기 위하여 산성용액에 침지한 관재질별 단면손실, PE의 화학약품저항성을 알아보았 으며, 매설 후 10년 및 15년 경과된 수지파형강관에 대해 염수분무시험과 핀홀테스트로 표면손상여부를 조사하였으며 동결융해시험, 당김시험 및 음극박리시 험을 실시하여 피복의 부착성능을 확인하였다. 또한 재령별로 재하시험을 통해 외압에 대한 구조적 안정 성 여부를 알아보았으며 이상과 같은 시험을 통해 다 음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    • (1) 산성용액에 침지시 콘크리트의 단면손실율이 철에 비해 2.4배나 높아 장기간 노출시 내구성이 저하 될 수 있으며 관재질중 PE가 가장 우수한 결과를 보 여 화학저항성이 요구되는 현장에 사용할 경우 적합 할 것으로 판단된다.

    • (2) 해수 또는 하수의 성분과 유사한 5종류의 화 학약품에 침지한 PE의 중량변화측정결과 모든 종류에 서 허용값 이내로 나타나 내약품성이 우수한 것으로 조사되었다.

    • (3) 장기재령 침지한 수지파형강관의 표면손상여부 를 알아보기 위해 염수분무시험과 핀홀시험을 실시한 결과 재령에 상관없이 아무 이상이 없는 것으로 나타 났으며, 외관조사와 동결융해시험 결과도 박리 및 들 뜸현상이 없는 것으로 나타났다.

    • (4) 수지파형강관의 피복부착력을 알아보기 위해 당김시험과 음극박리시험을 실시한 결과 재령 15년에 서 성능이 저하되는 추세를 나타냈으나 KS기준값 이 내로 안정적인 성능을 보여주고 있어 장기재령에서도 부착력이 우수함을 알 수 있었다.

    • (5) 장기재령 침지한 수지파형강관에 재하시험을 실시한 결과 관상부 및 측면에서 변형률 및 휨응력 모두 허용기준값 이내로 분석되어 외압에 대한 변형 저항성이 크다고 볼 수 있다.

    이와 같은 실험결과를 통해 수지파형강관은 화학 약품에 대한 저항성이 우수하며 장기재령 해안가에 매설하더라도 내구성능 및 외압에 대한 저항성이 저 하되지 않아 해수나 오수의 침식이 우려되는 지역에 시공시 하수관로로서 충분한 성능확보가 가능하다고 판단된다.

    Figure

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    Procedure of CCSP
    KOSACS-9-45_F2.gif
    Connection Systems of CCSP
    KOSACS-9-45_F3.gif
    Abrasion Ratio of Pipe Materials
    KOSACS-9-45_F4.gif
    Chemical Resistance(1) of CCSP
    KOSACS-9-45_F5.gif
    Chemical Resistance(2) of CCSP
    KOSACS-9-45_F6.gif
    Laying the CCSP Underground
    KOSACS-9-45_F7.gif
    Salt Spray Test
    KOSACS-9-45_F8.gif
    Durability Test of CCSPs
    KOSACS-9-45_F9.gif
    Adherence of CCSP Surface
    KOSACS-9-45_F10.gif
    Cathodic Disbondment of CCSP
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    Durability Test of CCSP
    KOSACS-9-45_F12.gif
    Loading Test of CCSP
    KOSACS-9-45_F13.gif
    Schematic diagram for Loading Test
    KOSACS-9-45_F14.gif
    Strain Measurement Results of CCSP
    KOSACS-9-45_F15.gif
    Structural Modeling of CCSP (stress)
    KOSACS-9-45_F16.gif
    Structural Modeling of CCSP (strain)

    Table

    Dimension of CCSP
    Test Results of CCSP
    Test Results of Durability
    Properties of CCSP
    Dimensions of CCSP
    Test Results of Loading Test

    Reference

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