作者:吴应清 发布时间:2020-07-21
2019年4月,南海深水1500米级的荔湾3-1气田示范工程建成投产已经过去了整整5年,这一当年被offshore评选为全球五佳的海上油气工程时至今日,依然对中国深海油气的开发有着巨大而深远的影响。长期担任这一示范工程项目长和技术带头人的金晓剑先生即将年满60周岁。在这一年,他向海洋石油工程股份公司董事会递交了辞去公司总裁、董事、董事长以及董事会专门委员会相关一切职务的申请,光荣退休。在过去将近40年的时间里,他从一名普通的钻井队员成为中国海洋石油工程的掌舵人,在狂风骤雨的行进中亲历了这个行业从小到大、从弱到强、从近海走向远海、从浅水走向深水、从中国走向世界的全过程。
曾经有那么几个瞬间,随着退休时间点的越来越近,金晓剑以为这对于自己内心会是一道坎儿,至少会“咯噔”一下子,担子放下以后的感觉是轻松还是难受?然而真到了那一天,金晓剑发现其实都和过去工作岗位的变化一样,就是又一次的角色转换。“中国海油工程从一张白纸启动,经过几代海洋工程人的奋斗到现在,我们已从20世纪60年代刚刚下海时的‘盲人摸象’,到20世纪末的被动跟跑、主动追赶,到近20年已经逐步形成了交错领跑的局面。”回望来时路,金晓剑对于自己奋斗了半辈子的事业感到一丝欣慰,至少没有太大的遗憾。经历过无数大风大浪的他很坦然地面对着这一次人力自然的交替,颇有苏东坡词里的那份旷达,“回首向来萧瑟处,归去,也无风雨也无晴。”
“深水舰队”为南海而生
统计数字表明,海洋蕴藏了全球超过70%的油气资源。海上石油开采,随着能力提升,现在通常将小于300米的海域叫作浅水;大于300米,小于1500米的海域叫作深水;大于1500米的海域叫作超深水。
中国的南海油气资源丰富,据目前预测大约有350亿~500亿吨油气当量,在国际上被誉为“第二个波斯湾”。但由于南海油气资源的75%都在深水区域,而我国海油开发能力曾相对落后,甚至在深水钻井设备的前几代上没有跟上国际步伐,几十年里,南海的深水成了一片无法开发的处女地,只能望洋兴叹。
深水和深层油气勘探开发与航空航天工业,并称为21世纪两大尖端高科技行业。高风险、高投入、高科技、高回报是海洋油气开发的特点,而挺进深水区域则将这一特点推向极致。据金晓剑介绍,中国海洋石油集团(以下简称“中海油”)建设南海大气区的快速追赶脚步从未停歇。尤其是进入21世纪之后,中海油一直在为走向深海做战略性研究和战略性探索。直到2006年,中海油与加拿大石油公司哈斯基在南海合作,成功发现了中国第一个深水气田“荔湾3-1气田”。这一次的重大突破,真正打开了中国油气的深海之门。
也是在同一年,中海油相关部门的业务骨干被紧急抽调,成立了一个特殊的项目组,使命就是要完成中国海上石油勘探开采从300米到3000米的跨越,47岁的金晓剑也成了这个重大使命的一员。一张“打造一支深水舰队,建立一套深水技术,建成一个深水油气示范工程”的国家深水战略路线图在中国海洋油气攻关人员的面前徐徐展开。
“当时就下定了决心,这三个关键点必须要在我们这一批人身上完成!”金晓剑回忆起当初的情景依然抑制不住自己的激动。然而,相对于陆地开采油气,海上开采要复杂得多,这是一个需要全方位、多因素考虑的系统工程。首先从开发的设备来讲,海上开采最大的特点就是需要建造平台,并且所有的开采设备高度集中在有限的空间里。而给海上开采造成困难的另一个因素是复杂多变的自然环境,波浪、台风、洋流,都极大地增加了专业平台和深水装备的建造、安全有效经济地运行和在勘探开采活动中所面临的巨大难度和极大风险。
截至2006年,“中国还没有一座自己设计、适合南海作业的深水钻井平台,南海开发仅限于300米的浅水区域”。金晓剑表示,当时中国深水油气勘探开发领域完全是零队伍、零经验、零装备。之前,国内从事海上石油开采的钻井平台,大多数只能从美国、挪威等国的公司租用,日租金高达几十万美元。在金晓剑看来,中海油要上产量,要保证国家能源安全,我们就必须要建设一支属于自己的“深海舰队”,实现中国深水重大装备的突破,让中国深水油气勘探开发能力和大型海洋石油装备建造水平跨入世界领先行列。
话讲出来虽然简单,但是谁都明白深海油气开采是一个高科技集成的系统工程,核心装备包括超深水物探船、超深水钻井平台、超深水铺管起重船、超深水勘察船和超深水水下安装船及水下机器人等,建造和熟练掌握以超深水钻井平台为代表的“舰队”之复杂和所需技术之全面等同于建造一支“海洋工程行业的航母舰队”。
深海钻井平台要装载钻机、动力、通信、导航等设备以及安全救生和人员生活的设施,还要抵御复杂多变的洋流变化及恶劣天气的挑战。南海的海况,是全世界公认的最恶劣的海域之一,台风频发,路径诡异,且有“水下魔鬼”之称的内波,环境条件严酷于墨西哥湾、大西洋和北海,国际流行的第五代深水钻井平台已无法满足南海深水油气勘探开发的需求。金晓剑和他的团队总结多个深水钻井平台改造设计和参与国外作业经验,利用BERT模型平衡“效率、效益与风险”的关系,提出“南海级”新船型设计概念,提出针对南海、适应全球的第六代超深水半潜式钻井平台——“海洋石油981”(以下简称“981”)。
这是一艘40多层楼高的自重3万多吨的庞然大物,他们不仅首次采用了南海200年一遇的环境参数作为设计校核条件,8台4800千瓦大马力推进器,通过电脑精密计算,互相协作便能抵消深海风、浪、流等对船体的作用力达到动力平衡定位目的,解决了平台稳定的技术难关,大大提高平台抵御环境灾害的能力。
“稳得住”,还要“避得开”,这两件事对于一座“为南海而生”的钻井装置来说是至关重要的。“过去我们的设计标准主要考虑是一个‘可抗’因素。”金晓剑解释道,“就是在台风情况下,工作人员把水下的井处理完毕,如果台风不是正面袭击,多余人员撤离,平台就地等待。如果正面袭击或台风级别高,所有人员撤走,留下空平台就地等待,扛过风暴。这是过去我们避台风的一个常用方式。因为实在没有多余时间再把平台拖离台风圈。”
但传统抵抗台风的方式对于“981”是不可接受的。在金晓剑看来,传统“抗台”受到机动性和锚泊定位的限制,就像打仗时的“杀敌一千,自损八百”,难免会给平台带来各种损伤,恢复工作是每次抗台后“头疼”的工作,甚至还曾出现过风暴过后,平台被风吹跑了几公里的危险窘境。
“所以‘981’的设计,我们把‘稳’和‘避’相结合,采用了在国际上没有先例的‘动力定位+锚泊定位’的组合定位系统。”金晓剑解释说,“简单讲,就是在1500米水深海区用最为节能环保的抛锚方式来固定平台,在1500米到3000米水深区用动力定位系统。”另外,南海钻探作业常位于海底落差高达1000~2000米陆坡区域,以往台风撤离时需要回收水下几千米长的隔水管和海底防喷器,通常反应时间长达几十个小时,而在981钻井平台,金晓剑和他的团队提出了采用快拆技术、隔水管安全控制分析方法以及平台动力配置优化,实现了隔水管快速“收”,强大的动力达到快速“避”的目的,使撤离强台风威胁区较其他类型平台可以做到时间减半。
一系列的创新和技术突破确保了“981”全天候作业,也为惊涛骇浪中的钻井平台赢得了“定海神针”“中华神钻”的美誉,使得中国成为全球极少数具备超深水半潜式钻井平台设计、建造、有效运营综合竞争能力的国家。不仅如此,在金晓剑的带领和推动下,中海油还主持设计建造了世界首艘3000米水深铺管起重船——“海洋石油201”,以及配套的“海洋石油286、291”等水下安装船,加上“海洋石油720”深水物探船和“海洋石油708”深水勘察船、“兴旺号”钻井平台等深水装备相继投入使用,中海油成功实现了拥有一支大规模的“深水航母舰队”,具备了从地球物理勘探到深水开采、从南海到极地的全方位作业能力。中国也成为南海周边唯一可自主进行深水油气资源勘探开发的国家。
“只有创新,才不会被淘汰!”
“981”让金晓剑和他的团队第一次有了整合、设计、采购、建造、调试最先进深水钻井平台的经验。在这一次摸着石头过河的过程中,金晓剑既是技术专家,又是管理者,风险、成本、创新之间的相互关系在他心中十分清晰。他不固守成规,在保证质量的同时,降低风险、降低成本,勇于创新,用科技的力量解决了一系列棘手的问题,取得了诸多成果。
金晓剑说,荔湾3-1深水气田工程是另一个例子。海上安装是生产链条中高风险、高投入的关键环节,深水对于技术和装备应用的影响非常之大。首先是因为深海的水压大,对海上设施带来安装、密封、腐蚀等难题;其次是因为海底温度低,但井底可能会有高温,海底地层的结构也变得更加复杂;最后是之前浅海施工的钻井船、铺管船在深海统统派不上用场,海上装备的性能全都变了,相比于浅水,深海的灾害性环境更多,我们对自然的认知更少,对设备可靠性和人员各方面的要求更高了。
“只有不断创新,不断超越,才能不被淘汰!”面对前所未有的困难,金晓剑转换视角激励大家,“我们把这些工作承担下来,在承担风险的同时,其实也是给我们创造了一个自主创新大展身手的空间。”在他的带领下,在海上工程安装的整个过程中,中海油先后攻克了超大型平台组块的复杂结构、工艺流程和总体布置,以及南海恶劣多变的海况环境条件等一系列世界级技术和设计难题。而在这一系列攻坚克难的过程中,也成功刷新了多个亚洲和世界海洋工程的建造纪录。
其中,“超大型浮托技术”是金晓剑团队的“神来之笔”。海洋平台的安装需要安装导管架后将平台组块与其对接。为了支撑荔湾3-1平台32000吨的庞大身躯,导管架也很庞大,高度达到190米。导管架可以通过滑移入水的方式来定点安装,那相当于5个埃菲尔铁塔重量的平台如何安装到预定位置呢?
这让工程人员伤透了脑筋。组块安装通常有浮吊和浮托两种方式。但是,到当时为止,世界上还没有一艘起重船有如此巨大的起重能力,能够吊起3万多吨重的平台,显然整体吊装是行不通的。通常只能将平台组块拆分成若干部分吊装,金晓剑带领大家算了一笔账,如果采用当时最大的7500吨浮吊进行海上安装,至少需要将上部平台分割成8~10块来设计、建造,再分块海上安装。仅组对和海上再连接的净作业就长达半年。海上组装不仅耗时长,对各工种的协同要求也高,而且海上作业受天气和海洋环境的影响很大,这都极容易造成工期延长。海上作业成本高,日费少则几十万美元,多则上百万美元。一旦工程进度不顺利,有可能带来上亿或者十几亿的损失。所以,传统的“分块”方案会使“效率、效益和风险”全面变坏。
那32000吨的平台如何安装到预定位置呢?这成为摆在金晓剑和他团队案头的一道难题。最终,他们将目光投向了浮托法。浮托技术的原理简单讲,有点像“曹冲称象”,就是利用压载和潮汐的作用,实现海上安装。驳船运载模块工厂在高潮位进入管架基座,随着潮位下降和加载海水,让模块工厂坐落在管架上,驳船再退出。作为一种新型的超大型平台海上安装技术,虽然他们的团队在万吨级海上平台安装中实现过很多创新。但是,超过三万吨的浮托安装,当时世界上仅有一家公司在封闭海域干过。而在南海这样的开阔海域浮托超过三万吨平台,在全球业内仍然是一道风险极大的坎。
在金晓剑的带领下,中海油技术团队国内首次完成平台的自主设计,大力减重、降低重心,将四五千吨的天然气增压设备分步安装、用导管架支撑腿作为液体储存罐;自主研发的LMU(桩腿对接缓冲装置)和DSU(上部支撑装置)首次应用于生产,实现了LMU和DSU等关键设备的国产化,打破了国外独家垄断。
在此期间,还有一个小插曲,荔湾3-1组块重量是普通平台组块的两到三倍,但是导管架受最大42米间距限制,满足载重要求的驳船太宽,根本无法进入,但稍小一些的驳船又无法承载30000多吨的重量。怎么办?金晓剑和他的团队决定自主设计改造世界第二大的“T”形驳船“海洋石油229”。将船体前100米的宽度减小至42米,便于进入导管架内;把后100米的船体宽度拓宽到65米,为了保证浮力。终于,我国第一、世界第二条“T”形驳船成为了平台和导管架成功浮托对接的利器。
作为超大型浮托技术创建和应用总负责人,金晓剑带领团队从海域时域分析、计算到四次“重量转移”、整体模块化等多角度展开技术研究和持续工程创新,利用BERT模型指导,结合万吨浮托的经验积累,提出在环境窗口更窄的“开敞海域”进行超大平台浮托安装。在攻克长周期涌浪的安装稳性、“T”型船设计及对接冲击力管控等难题后,使得单个平台海上平均安装时间从45天缩短为8天,实现了“整体设计、整体建造、整体运输、整体安装、海上零调试”的构想,创造了单体浮托安装3.2万吨的世界第二重量和开敞海域世界第一重的记录。
在此后多年间,作为海洋工程行业重大的颠覆式技术创新之一,浮托技术改变了海上安装模式,并极大地推动了模块陆地设计建造一体化。我国在掌握的浮托种类数量、作业难度和技术复杂性等方面均位居世界前列,熟练运用锚系浮托法、低位浮托法、动力定位浮托法等多种方式进行海上安装作业,实现了世界主流浮托方式的“大满贯”。
正是依靠着不断地摸索和创新,模块化工厂建设、海上大型平台浮托安装技术、深水平台设计技术、深水海底管道铺设等大量新技术被中海油技术团队先后研发出来,并在实际应用中逐步完善,增强了企业服务客户的能力,形成了具有自主知识产权的深水油气开发工程技术体系。
2018年,“海油工程”获得了美国产品研发及管理协会“年度卓越创新企业大奖(OCI)”,以往获得过此殊荣的贝克休斯、施乐、惠普、宝马等都是大家熟知的一线品牌企业。
“有枪有炮,总得攻下一座城来!”
多年来,中海油工程的每一个创新、每一次进步始终都围绕着实际需求展开。在金晓剑的心中有一条准绳,不是为了“面子”而开发技术,而是要看是否能在效率、效益提升和风险管理上真正有价值地去开发技术,在实践中实现领先。“油气开发行业,解决人类的问题并不是单纯依靠技术的先进性,同时还要看经济性和适用性。在这个基础上,如果你能够效率更高、成本更低,有竞争力才去谈他的先进性。”金晓剑特别强调。
最近20年来,我国东南沿海地区经济发展迅速,对能源需求量巨大,尽管西气东输工程在一定程度上缓解了沿海地区天然气供应不足的局面,但考虑到运输和储存成本,越在线路的末端,其气源成本越高。而位于珠海东南261公里处的荔湾3-1气田,作为当前发现的中国最大的深海气田,如果开发后可以实现“深海气登陆”,对于稳定珠三角地区能源市场的供应、改善能源结构、促进低碳经济发展、保护生态环境,保障天然气绿色能源可持续发展都具有重要的现实意义。
由此,金晓剑下定了要成功挤进“国际深水俱乐部”的决心,中海油联合国内优势单位,组成“产学研用”一体化研究团队,开展了涵盖深水多相流机理研究、深水陆坡工程地质风险评价、超大型油气集输处理设施建设及相关设备国产化的一系列攻关。国家对于南海深水油气的开发也格外重视和关切,在荔湾3-1气田发现的第二年就将“南海深水1500米级油气集输工程技术体系及示范工程项目”列入了国家科技重大专项。
“到了那么深的地方,一个全新领域,你得集中精力去把这件事做成,所以一定得要有一个示范性,为后面一系列的工作建立起标杆!”金晓剑感叹道,“但是在这个区域进行开发,难度远超常人想象!如果没有国家重大专项的支持,我们恐怕会更加困难。”
“有了枪有了炮,总得攻下一座城来!”金晓剑的话斩钉截铁,作为示范工程的项目长和技术带头人,他针对“荔湾3-1”气田位于南海大陆架斜坡,海底峡谷众多、沟深坡陡、海底落差达1300米,水面受台风、巨浪、内波等影响,海底地震、滑坡、坍塌威胁管线及水下生产设施安全的情况,没有完全照搬国外已有的深水开发模式,而是群策群力,在考量了多种方案之后,提出了的“深—坡—陆三段两处理”的油气集输模式。
“荔湾3-1气田处于深海和浅海的交替区域。水深从200米的浅海,突然跨入海平面以下1500米的深海台地上,陡坡对应的落差达到了1300米!仅靠地层压力在深水要输送距离超过79公里,同时跨越这么陡的坡,非常困难!”金晓剑向记者做了详细的解释,“再加上南海海底地形非常复杂,呈阶梯状下降的大陆坡分布广泛且常常急剧变陡并隔以深沟,存在滑塌的风险。同时海上气候又非常恶劣。通过各方面综合考虑,我们才决定采用将深水回接到浅水、周边回接到中心平台的总体开发方案,也就是将工程分为深海、浅海和陆地三部分,在1500米的深海建水下生产系统,在200米的浅海建油气中心平台,在陆地建终端处理厂。”
所谓“深”是指第一段,从1480米水深、最远24公里外的两个水下井场回接到陆坡深水汇集点;所谓“坡”是第二段,通过两根79公里管线从1480米爬坡至200米水深,输送到120亿方/年的海上油气工厂第一次处理;所谓“陆”是第三段,通过一条年输120亿方、长261公里海底管线从水深200米到陆地再处理。
这期间,最大的难点是如何处理1480米水深、103公里(全球第二长)油气水多相混输管道“流动保障”和管道停输应急处置,因为水深的原因,限制了处理手段,金晓剑和团队在造成流动安全障碍的水合物形成机理、水合物形成监测和积液风险方面开展研究,坚持在海上设施的效率、效益和风险平衡上下功夫,采用主输管线双管爬坡方案,最大限度地应对气田流量变化和停输风险,保障不间断稳定供气,整体水平达到了国际先进。
2014年气田投产,标志着我国第一个大型深水气田示范成功,我国具备了自主开发深水油气田的核心技术能力。投产3年后,荔湾3-1气田为珠三角地区稳定供气110亿立方米,创造直接经济效益146亿元。截至2019年年底,总销售达到400亿元。
南海深水1500米级深水油气集输工程技术创新不仅带来了直接经济效益,更为重要的是,形成的深水油气田技术和经济指标体系已在我国陵水17-2开发方案、流花16-2油田及番禺、荔湾等周边气田得以应用,在西非、巴西、墨西哥湾等深水油气田集输设计中,中海油的声音和建议也因为我们的实践和经验,打出了一张漂亮的“中国名片”。
让金晓剑更为看重的,则是通过示范工程,提高了超大型工程管理经验,实现了水下关键设备样机和产品的分步研制、深水工程勘察装备的自主研制,培养了我国深水工程高技术人才队伍,促进了我国深水工程建设配套产业的升级,带动了水下设备和材料等相关行业的发展,使我国跻身世界深水油气开发俱乐部。
“一系列重要装备和材料都实现了国产化,如海上建设的7万吨级天然气处理厂的超厚板钢铁材料、所有厚壁海底管线等,全部国产!如‘981’采用的R5级海洋工程系泊链,按200年一遇的台风条件设计,在此之前,我国的高级别锚链一直依靠进口。而如今,国内公司不仅在全球首家造出了高级别锚链,还因此接下了国际订单。”金晓剑一谈起示范工程带来的影响和飞跃,如数家珍,话语里充满了自豪。
“知风险,知敬畏”
2019年,“无官一身轻”的金晓剑在告别了长期工作的工程技术和管理一线之后,恢复了往日遮罩在身份背后的学者本色。2019年秋天,他接过了天津大学校长金东寒递来的聘书,正式成为天津大学管理与经济学部的兼职教授。这并不是简单意义上的“发挥余热”,金晓剑决心结合自己多年的工作经历和学术影响力,聚焦国家重大战略需求,服务于学校“新工科”建设及学部“新商科”建设,不仅要加强海洋工程技术,更要强化管理创新、经济有效和风险可控的“软科学”。
众所周知,海油工程是个高技术行业,技术的竞争尤为激烈,谁先掌握关键技术特别是核心关键技术,谁就能占尽先机,而这往往取决于企业科技人才力量,尤其是核心科技人才力量的培养。作为一名老“海油人”的金晓剑自然责无旁贷地担负起为我国海油工程事业培养世界一流学术水平的科学家、工程师和管理人才的使命。
将近40年海油工程生涯的浸染,金晓剑在培养人才方面有自己一套独到的看法。“我们现在的年轻人理论基础都不错,但是不能只做考高分的‘秀才’,设计不是凭空而来的,或者只是看看别人的东西就来进行设计,要知需求、敢实战、要有在实战中解决问题的能力,要从书斋和实验室里走出去,走向广阔海疆。”
多年的海上经历和管理经验,金晓剑将自己最大的体会反复叮嘱于年轻人,那就是海上工程要知风险,知敬畏,容不得半点虚假和马虎,要把我们承担责任的这一代人的智慧和责任心发挥到极致。“在挺进深水的过程中,海洋工程装备的安全性和可靠性至关重要。必须考虑可能的风险状态(人们常说的灰犀牛事件):如钻井平台遭受撞击时的抗倾覆性、极端情况下的抗沉没性,可能预知灾难的应急处理和关闭能力,这些应该成为知风险、知敬畏的思维底线,并在实践中形成一些强制标准;同时要培养有应对突发事件(黑天鹅)的沉稳态度和稳健作风”。
在过去的很长时间里,我国在机械动力系统选择上一直以“够用”为标准,但是在“981”钻井平台上,金晓剑和他的团队宁愿选择更高一级的系统。一般而言,等级升高,体积和重量也要增加,对于船的控制会产生相应压力。为此,当时在行业内部也产生了分歧,很多业内人士纷纷表示没有必要如此“浪费”。
但是他们内心笃定,顶住了来自各方的质疑和压力,坚持把动力等级选高一级:“从人类社会进步来看,我们不要心疼机器,过去我们可能是工业化水平低,所以总觉得这样做是不是有点浪费?但是在海上,在那些我们知之甚少的领域,当灾难来临的时候,所有的装备、机器、物品都可以重新造,而人如果失去生命,是再也不能回来。所以如果我们把船上这些生命和他们将要抵抗的复杂环境看得更重的话,可能你就不会在这儿去省钱,也会和我们一样宁可高选一级,也要给他们一个更多的安全保障。”
“所有东西都可以重来,唯独人的生命是不能重来。”话语非常质朴,但这种对于自然的敬畏,对于风险的预判,来自金晓剑30多年的亲身体验和工作积累。他指出,在国家科技发展的道路上,安全理念一定要放在第一位,绝不能仅凭一己之勇和一丝侥幸去做决策,因为你一手托着国家工程,一手托着同事的生命。“可能你觉得拥有99%的把握,但是如果就在那1%上出问题,对于一个人或者一个家庭而言,就是百分之百的灾难。”
如今,身份已经转变为天津大学教授的金晓剑,依托管理与经济学部建立的“能源工程管理研究中心”,将利用原有的海洋工程经验,聚焦国家海洋重大工程、海洋工程大型公司管理实践和创新实践、国家海洋工程重大专项等开展针对性研究,并注重与教学结合,搭建起校企研合作的平台,助力人才培养,拓宽师生视野,为天津海洋经济发展、国家“一带一路”倡议和海洋强国战略培养更多的专业型人才。
深水钻井平台和装备被视为是流动的国土,深水油气开发技术也是国家综合实力的象征。大国重器,只有把核心技术掌握在自己手中,才能真正掌握竞争和发展的主动权,才能从根本上保障国家能源安全、经济安全和国防安全。金晓剑常与学生们交流,做能源工程是来报效国家的,来造福人民的,我们要从更高的角度去认知,敢于提出更高的要求,执行更高的标准。只有在效率和效益上下苦功夫,才能换回来抵消更高风险管控的成本。
弄潮儿向涛头立,手把红旗旗不湿。新时代呼唤新作为,成功只会眷顾坚定者、奋进者、搏击者。金晓剑在中国海洋油气工程的征途上,画出了一卷筚路蓝缕的奋斗长图,也唱响了一曲奋发图强的改革高歌。他希望时常与年轻人共勉,要勇立潮头,只争朝夕,只要国家需要,任何一个中国人都责无旁贷,时刻准备迎接新的挑战!科
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