常规游梁式抽油机系统效率研究毕业设计西南石油大学.docx
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常规游梁式抽油机系统效率研究毕业设计西南石油大学
西南石油大学应用技术学院
毕业设计（论文）
题目：
常规游梁抽油机系统效率研究
学院：
应用技术学院专业：
09油气开采
姓名：
张端品学号：
0915030121
校内指导教师：
刘柏峰职称：
讲师
校外指导教师：
职称：
2012年5月20日
摘要
游梁抽油机自诞生以来，历经了数百年应用，经历了各种工况和地况，目前是世界上应用最广泛的抽油设备之一。
游梁式抽油机隶属于有杆抽油装置，它由动力机、减速器、机架和四连杆机构等部分组成。
它是将动力机的连续圆周运动边成抽油杆柱及抽油泵柱塞的往复直线运动，从而将地下的原油开采出来。
本文通过研究油田几种常见游梁抽油机的结构和工作原理，对抽油设备在工作中产生的问题进行总结和分析。
并对油田今后采用的抽油机型号和数量进行了预测。
关键词：
抽油机；四连杆；有杆抽油
Abstract
Beampumpingunitsinceitsbirth,afterhundredsofyearsofapplication,Experiencedallsortsofconditionsandsituation,Itisthemostwidelyusedoneofthepumpingequipment.Beamtypeoilpumpingmachineattachedtotherodpumpingsystem,Itconsistsofmotor,speedreducer,rackandthefourconnectingrodmechanismandotherparts.Itisthepowerofacontinuouscircularmovementsidepumpingrodandoilpumpplungerreciprocatinglinearmotion,Thuswillthecrudeoilfromundergroundmined.Thisarticlethroughtheresearchfieldofseveralcommonbeampumpingmachinestructureandworkingprinciple,Pumpingequipmentatworktoproducethesummarizedandanalyzedtheproblems.Andtheoilfieldusingoilpumpingmachinetypeandquantityareforecasted.
Keyword:
Oilpumpingmachine;Fourbarlinkage;Suckerrodpumping
前言
目前，胜利油田共有各种抽油机12500台，其中在用9900余台，闲置停用2300余台，库存300余台，有9个机型，50多个品种。
其中，游梁式抽油机10278台，可见游梁式抽油机仍旧是油田开发生产的主体。
虽然这种抽油机仍旧在油田普遍使用，但是，由于它受交变载荷的作用，曲柄平衡效果差，减速器输出的轴峰值扭矩大，增加了装机功率，工作效率低。
根据现有数据推算，在未来的一段时间内，油田将进入抽油机更新时期。
所以，设计抽油机时，一定要考虑抽油机本身主要构件的受力状况，增加构建的可靠性。
在机型选择上，有向长冲程、低冲次、小载荷、小减速器发展的趋势。
第一章常规游梁式抽油机简介
游梁式抽油机具有性能可靠、结构简单、操作维修方便等特点。
技术参数符合中华人民共和国行业标准SY/T5044《游梁式抽油机》和美国石油协会API标准，技术成熟。
1.主要特点：
整机结构合理、工作平稳、噪音小、操作维护方便；
游梁选用箱式或工字钢结构，强度高、刚性好、承载能力大；
减速器采用人字型渐开线或双圆弧齿形齿轮，加工精度高、承载能力强，使用寿命长；
驴头可采用上翻、上挂或侧转三种形式之一；
刹车采用外抱式结构，配有保险装置，操作灵活、制动迅速、安全可靠；
底座采用地脚螺栓连接或压杠连接两种方式之一。
2.分类
按照结构不同可分为：
普通式抽油机和前置式。
按平衡方式可分为：
机械平衡（游梁平衡、曲柄平衡、复合平衡）、气动平衡。
按曲柄结构分：
常规式和偏心异向节能式。
图2-1常规游梁式抽油机
3.常用的游梁式抽油机结构：
游梁平衡:
在游梁的尾部装设一定重量的平衡板，这是一种简单的平衡方式，适用于3吨以下的轻型抽油机。
曲柄平衡:
是将平衡块装在曲柄上，适用于重型抽油机。
这种平衡方式减少了游梁平衡引起的抽油机摆动，调整比较方便，但是，曲柄上有很大的负荷和离心力。
复合平衡:
在一台抽油机上同时使用游梁平衡和曲柄平衡。
特点：
小范围调整时，可以调整游梁平衡：
大范围调整时，则调整曲柄平衡。
这种平衡方式适用于中深井。
气动平衡:
利用气体的可压缩性来储存和释放能量达到平衡的目的，可用于10吨以上重型抽油机。
这种平衡方式减少了抽油机的动负荷及震动，但其装置精度要求高，加工复杂。
4.新系列游梁式抽油机：
机型
UnitSize
额定悬点载荷
PolishedRodCapacity
（kN）
减速器额定扭矩
ReducerRating
（kN.m）
冲次
FrequencyofStroke
（min-1）
冲程
StrokeLength
（m）
电机功率
PrimeMovor
（kW）
整机重量
TotalWeight
（kg）
CYJ3-1.5-6.5HB
30
6.5
15，12，9
1.5.,1.1.,0.9
5.5
5430
CYJ6-2.5-26HB
60
26
8，6，4
2.5.2.1,1.8
18.5
12000
CYJ8-2.5-26HB
80
26
9，7，5
2.5.2.1.1.8
22
15000
CYJ8-3-37HB
80
37
12，9，6
3，2.5，2.1
30
17000
CYJ10-3-37HB
100
37
12，9，6
3，2.5，2.1
37
18215
CYJ10-3-53HB
100
53
12，9，6
3，2.5，2.1
45
18955
图1-2：
新系列游梁式抽油机代号
4.1动力设备：
动力设备主要是电动机、内燃机（柴油机、天然气发动机），其中以电动机占绝大多数，电动机又以三相异步封闭式鼠笼型电动机为主。
4.2减速装置：
减速装置的作用是将电动机的高速旋转运动变为减速箱输出轴的低速旋转运动。
它主要包括减速箱齿轮传动减速和皮带传动减速。
减速箱是抽油机的关键部件之一，它主要是把动力机的高速旋转降低到油油机正常工作所需的转速，并把输入轴的低扭矩放大到抽油机提升液柱和抽油杆柱所要求的扭矩，通过减速箱把动力传给减速箱两侧输出轴上的曲柄连杆机构。
4.3游梁一一连杆一一曲柄装置：
该装置主要包括曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头等主要部件，其作用是将曲柄轴的旋转运动变为驴头随游梁绕支架轴承的上下往复运动。
游梁：
它是装在支架轴承上，绕支点轴承做摇摆运动，其作用是传递动力、承受载荷的。
通过调整游梁前后、左右，就可以校准驴头中心与井口中心的一致。
驴头：
装在游梁最前端，通过悬绳器将光杆一一抽油杆一一活塞等杆柱悬挂在抽油机上，作用是保证抽油时，光杆始终对准井口中心位置，为此驴头的前端是以圆弧。
它是以游梁支点为圆心，以轴承到驴头前端长为半径画圆弧。
这样可以保证抽油机在工作时，驴头前端中心点投影与井眼中心基本重合。
在油井作业时，驴头必须移开井口，否则会防碍施工，驴头移开井口的方法有三种：
①上翻式、②侧转式、③可拆卸式。
横梁：
它是连杆与游梁之间的桥梁，动力经过横梁才能带动游梁作摇摆运动。
连杆：
是传递动力的主要部件之一，上端用销轴与横梁铰接，下端通过曲柄销总承与曲柄连接。
曲柄：
它装在减速箱输出轴的两端。
曲柄上有4—8个孔，是为调节冲程大小而设定的。
在减速箱输出轴即曲柄轴上开有两个键槽，互成90°，它是当被动轮的轮齿磨损到一定程度时，可把曲柄换到相差90°的另一个键槽上，这样可以使齿轮均匀磨损，达到充分利用设备的目的。
曲柄上的两个大铁块叫平衡块，用T型螺钉与曲柄连接在一起，因为它是装在曲柄上，这种平衡方式叫曲柄平衡。
辅助装置：
辅助装置主要是基础、底座、支架及固定螺丝等零部件，它的主要作用是连接和固定抽油机各部件，是抽油机不可缺少的部分。
第二章游梁式抽油机结构组成
目前由于游梁式抽油机在油田生产应用中有很多变种和形式，因此以油田应用最为广泛的常规型游梁式抽油机为例进行说明。
1．驴头
驴头装在游梁前端。
它有一个较大的弧面，两根钢丝绳挂在驴头弧面上部的悬绳器上。
驴头的作用是将游梁前端的往复圆弧运动转变为抽油光杆的垂直直线往复运动，从而保证抽油时光杆始终对准井口中心位置，所以驴头弧面在结构上是以游梁轴承支点为圆心，以游梁前臂长为半径的圆弧面。
弧面长度与抽油机最大光杆冲程的关系为
S弧=（1.2~1.3）Smax
式中S弧——驴头悬点（挂抽杆处）的最大冲程长度。
目前，游梁式抽油机多采用侧转式驴头，主要是修井时驴头移开井口比较方便。
另外，驴头必须有足够的宽度尺寸，以便驴头移离井口时，修井机游动系统上下活动，自由吊起，以防碰撞抽油机。
2．游梁
游梁经轴承安装在支架上，前段与驴头相连，后端通过尾轴承和横梁相连，抽油机工作时，游梁绕支架轴承作摇摆运动，传递动力，并承受悬点载荷、连杆拉力和支架轴承对游梁的反作用等载荷。
也正因为如此，游梁必须有足够的强度和刚度。
3．横梁
横梁是连杆和游梁链接的中间部件动力经过横梁才能带动游梁做摇摆运动，横梁的形式有三种：
翼形、船形和直形。
4．连杆和曲柄销
连杆和曲柄销总成包括连杆体、曲柄销、轴承、连杆销子等零件。
连杆体一般用于无缝钢管制作，其组焊焊缝应进行探伤试验。
正常工作时，上端连杆头和横梁应该无转动，并用销子连接，在连杆销处安有滚动轴承。
曲柄销子和曲柄间一般用圆锥而相连，在销子头上用一螺母固定销子和曲柄，在曲柄上有三个锥孔，用以改变冲程长度。
因为连杆是完成力矩的传递，因此，对于上、下接头与钢管的焊缝是否能达到规定的强度而满足使用要求就显得尤为重要了，如果连杆中有一根连杆失效，抽油机变成单臂传动，很有可能被拉翻，造成严重的生产事故。
焊缝作为整个连杆的薄弱环节，都会被高度重视。
5．曲柄和平衡块
游梁式抽油机的曲柄是成对使用的，分别装在减速器输出轴的两端。
在曲柄上装有根据油井工况所配的平衡块。
平衡块可以沿曲柄侧面移动，以调整平衡能力，取得较好的平衡效果。
常规抽油机的平衡块都是条形的，它具有矩形截面的铸铁件，截面尺寸由中心向外减少曲柄大端与减速器轴间采用键加过盈连接，曲柄端头洗成通槽，以便可以产生较大的弹性变形，用螺母和螺栓将曲柄夹紧在减速器的输出轴上，从而在孔与轴的结合面产生较大摩擦力，增加连接的可靠性。
6．支架与底座
支架经轴承与游梁相连，在抽油机工作过程中，承受着悬点载荷和连杆拉力，是重要的承载部件，因此支架必须具有足够的强度和刚度。
底座是一个基础部件，俗称底盘或船形底座，用来安装减速器、支架以及动力机。
底座采用型钢焊成，有足够的刚度和强度。
在抽油机安装时，用紧固件把底座固定在专用的混泥土基础上。
7．减速器
减速器是游梁式抽油机的重要部件，它的作用是传递动力和降低运动速度，即将动力机的高速旋转运动（1450r/min，960r/min，735r/min）转变为抽油机曲柄的低转速运动（4!
15r/min）。
减速器一般采用三轴两级齿轮传动，总传动比i=25~35。
游梁式抽油机上所有的减速器通常是人字齿或斜齿轮的闭式结构。
抽油加减速参数如下表。
减速器的润滑油都采用挤压型工业齿轮油，考遇到气温影响，一般在冬季采用标号小一些的齿轮油，夏季采用标号大一些的齿轮油。
减速器中，大齿轮靠油池浸油润滑，小齿轮考大齿轮所带的油进行润滑；高速轴（如主动轴）的轴承靠齿轮油的飞溅润滑，低速轴（如被动轴、中间轴）的轴承则考刮油板供油润滑。
序号
减速器额定扭矩KN•m（kgf•m）
输出轴设计转速r/min
1
2（200）
20
2
6（600）
3
9（900）
4
13（1300）
5
18（1800）
6
26（2600）
7
37（3700）
8
53（5300）
16
9
73（7300）
10
105（10500）
15
表2-1抽油机减速参数
8.制动装置
抽油机的制动装置必须满足操作省力、制动快和安全可靠的要求。
它的作用是当电源切断后，可使抽油机立即停止运转或停留在任意位置。
制动装置由手柄、拉杆、增力摆动杆和制动器等部分组成。
第三章胜利油田常用的抽油机介绍
1．常规型游梁式抽油机
图3-1常规型游梁式抽油机简图
常规型游梁式抽油机是胜利油田最常见的抽油机之一，在各个井站都有安装使用。
它的结构特点是：
曲柄连杆机构和驴头分别位于指甲的前后两边，曲柄轴中心位于游梁尾轴承的正下方。
它主要有动力机、减速器、曲柄、连杆、横梁、驴头、支架、底座、刹车装置、悬绳器以及平衡重物等部分组成。
由于发动机安装位置的不同，常规型游梁式抽油机分为两种：
一种是将发动机安装与抽油机底座的尾部，是常见的结构方案；另一种将发动机安装于抽油机下面，这种结构很少出现。
除发动机位置外，减速器的安装也不尽相同，如将减速器直接安装在底座上，这样做降低了机架高度，减小了总体质量。
但因为要保证曲柄和平衡块有足够的回转空间，抽油机需要安装在较高的水泥基础上，这样给维修方面造成很大的不便。
所以胜利油田方面常采用另一种安装方式，就是将减速器安装在用钢板焊成的较高底座上，而基础则可降为与地面一样的高度，这样做对抽油机的安装和维修都提供了很大的方便。
2．异相型游梁式抽油机
1——刹车装置2——电动机3——减速器皮带轮4——减速器5——输出轴
6——平衡块7——支架8——曲柄9——连杆10——游梁
11——驴头12——悬绳器13——底座
图3-2异相型游梁式抽油机
从图2-1与图2-2的比较我们可以看出，仅在外型上，常规型游梁式抽油机与异相型游梁式抽油机没有很大的差别，但是异相型游梁式抽油机却是比常规性游梁式抽油机性能优良的抽油设备。
这在于以下几点
1.它将减速器背离支架后移，这样就增大了减速器输出轴中心和游梁支点间的水平距离，形成较大的极位夹角（注：
极位夹角：
驴头处于上、下死点位置时连杆中心线之间的夹角）。
2.平衡块重心与曲柄轴中心连线和曲柄销中心与曲柄轴中心连线之间构成一定的夹角，即平衡相位角，这样是平衡重总是滞后一个相位角。
由上可知，异相型游梁式抽油机啊具有较大的极位夹角（大约12°左右），这使抽油机上冲程时曲柄转过的角度增加12°为192°，下冲程时曲柄转过的角度减少12°为168°。
当曲柄转速不变时，悬点上冲程时间大于下冲程，上冲程时悬点的加速度和动载荷减小。
由于平衡相位角改善了平衡效果，从而使减速器的最大扭矩峰值降低，工作扭矩较均匀，所需电动机率减小，一程度上达到了节能的效果。
3.双驴头游梁式抽油机
图3-3双驴头游梁式抽油机
双驴头游梁式抽油机，它的运动部件与常规游梁式抽油机相同，但在游梁后端又装了一个驴头，驴头的弧面圆心与游梁摆动中心重合。
双驴头游梁式抽油机由于采用游梁后端驴头悬挂平衡重块的平衡方式，使悬点的部分载荷以及平衡块的质量有结构件游梁、轴承所承受，从而减小了减速器、曲柄、曲柄销、连杆、横梁等传动部件的载荷，使部件的工作可靠性大大提高并延长了各部件的使用寿命；另外，这种平衡方式的平衡效果较好，平衡块分为大小块，调整准确，操作方便。
4.前置型游梁式抽油机
1——刹车装置2——电动机3——支架4——游梁5——驴头6——吊绳及悬绳器
7——连杆8——曲柄销9——支架10——底座
图3-4前置型游梁式抽油机
前置型游梁式抽油机是游梁式抽油机的另一种基本形式，它的结构特点是：
曲柄连杆机构和驴头均位于支架的前边，曲柄连杆机构存在一定的极位夹角（大约15°）和平衡相位角（大约20°）。
它在上冲程时曲柄旋转约195°，下冲程时曲柄旋转约165°。
这样使得该机上冲程中驴头悬点加速度大大减小，动载较小，悬点载荷降低，抽油杆应力减小，从而大大提高了抽油杆的工作可靠性，并延长了抽油杆的使用寿命。
同时，因为前置式游梁抽油机上冲程时扭矩因数较小，又具有平衡相位角，使得上冲程开始时减速器输出扭矩比又将负荷扭矩滞后；而在下冲程开始时，这种扭矩又超前于油井负荷扭矩，其结果是降低了减速器峰值扭矩，使减速器输出扭矩较均匀，电动机动力较低，有明显的节能效果。
但是，前置型游梁式抽油机也有以下缺点，意识结构不平衡大大增加，而为了满足平衡的要求，必须加大平衡重，这又增加了整机的质量，平衡块调节也困难：
二是减速器安装在支架下边，不便于安装和维修。
三是工作时前冲力较大，影响机架的稳定性。
所以，在胜利油田中，该种抽油机应用并不广泛，它主要应用于悬点载荷大于120KN，冲程长度大于3.6m的油井。
第四章游梁式抽油机基本参数
1.游梁式抽油机的基本参数
所谓游梁式抽油机的基本参数就是指表明游梁式抽油机的主要性能、基本结构及其主要尺寸的一组参数。
游梁式抽油机的基本参数主要有：
额定悬点载荷，减速器额定扭矩，光杆最大冲程。
1.1额定悬点载荷W
这个参数是指在游梁式抽油机各构件强度和刚度允许条件下，悬绳器上的载荷最大允许值。
该参数是设计和使用游梁式抽油就的主要依据之一。
在使用游梁式抽油机过程中，必须保证悬点最大载荷不超过额定悬点载荷。
减速器扭转扭矩T减速器扭转扭矩是指在游梁式抽油机减速器各零件强度和刚度允许条件下减速器输出轴上的扭矩最大允许值，同样该参数也是设计和使用游梁式抽油就的主要依据之一。
在使用游梁式抽油机过程中，必须保证减速器输出轴上的最大静扭矩不超过额定扭矩。
1.2光杆最大冲程长度Smax
光杆最大冲程长度是指在游梁式抽油机工作过程中，能够提供给光杆上下往复运动时最大的位移量，它是计算抽油机最大理论产量的重要参数之一，主要决定抽油机的基本尺寸质量。
以上三个基本参数表明了游梁式抽油机的能力特性及适用范围，是估算抽油机大致尺寸和质量的依据。
把这三个参数组合起来，也是划分和确定游梁式抽油机的规格与型号的基础。
2.游梁式抽油机的参数系列
我国于1989年制定的GB11649——1989《游梁式抽油机》国家标准，该标准规定参数系列以额定悬点载荷为第一参数，三个基本参数按额定悬点载荷W——光杆最大冲程长度Samx——减速器额定扭矩T排列。
我国常规型游梁式抽油机可以用类别代号、规格代号、其他代号和型号等标注。
其中类别代号有：
CYJ——常规型游梁式抽油机
CYJQ——前置型游梁式抽油机
CYJY——异相型游梁式抽油机
第五章游梁式抽油机的抽汲工作参数和驴头悬点载荷
1.游梁式抽油机抽汲工况的确定
目前，游梁式抽油机抽汲工况可分为五种：
正常工况、长冲程工况、短冲程工况、高冲刺工况和低冲次工况。
1.正常抽汲工况所谓正常抽汲工况，是指对抽油机而言当要获得所需的油井产液量时，抽油机的最大冲程长度和最小泵径，而采用额定或较低的冲程次数的工作方式。
2.长冲程工况采用长冲程工况时，有很多好处。
首先，大大减少抽油杆柱和油管柱变形对有效冲程的影响，提高抽油泵的充满度系数；其次，在相同产量下，可大大降低抽油机冲程次数，使抽油机悬点载荷和抽油机各工作部件的工作循环次数减少，因而有利于提高抽油设备的可靠性，延长设备的使用寿命。
3.高冲次工况虽然高冲次工况工作时，其驴头悬点的动载荷和振动载荷都会增加，其工件工作循环次数也会增加，所以从表面上看，这样做会对抽油杆和抽油泵不利的，甚至会减少工件使用寿命。
但是，高冲次工况可以用较小型抽油机完成正常工况时需要较大型抽油机才能完成的工作。
高冲次工况的另一优点是可以提高柱塞的冲程次数Sp/S,可以用较小的泵径或较小的抽汲速度工作。
4.短冲程工况当井较浅而且油井的产液量不大时，可以采用短冲程抽汲工况，以使小型抽油机来完成任务
5.低冲次工况低冲次工况主要用于稠油的开采，可以减少抽油杆和抽油泵的下行阻力。
2.游梁式抽油机抽汲工作参数的选择与调整
2.1悬点冲程长度的选择与调整
悬点冲程长度是抽油机的一个重要工作参数，对于有感抽油设备，上下冲程的悬点载荷变化会使抽油杆和有关产生变形，导致有效冲程长度的减少。
这时候，为了保证有感抽油设备的一定产量，在不改变冲刺的情况下，需要增加悬点的冲程长度。
这样做有很多好处，比如：
减小了抽油杆的相对变形值，提高了抽油泵的充满系数和排量系数；改善了抽油杆的工作条件，延长了抽油杆的使用寿命，提高了抽油杆的可靠性。
提高了游梁式抽油机的效率。
2.2冲程次数的选择与调整
高冲次工况下可以用较小的抽油机完成正常抽汲工况下需要较大型抽油机才能完成的工作。
在高冲次工况下，要保证一定产量的条件下可以选用较小的冲程长度，这样可使抽油机的尺寸和减速箱的扭矩都较小。
3.游梁式抽油机驴头悬点载荷
游梁式抽油机悬点载荷是标志其工作能力的重要参数，也是选择和正确使用抽油机的主要依据。
游梁式抽油机在带动井下抽油泵柱塞进行工作时，驴头悬点上作用着三种载荷。
1.静载荷包括抽油杆自重Wr、油管柱内柱塞上的油柱重Woil和油管外油柱对柱塞下端的压力Wp.。
2.动载荷此项载荷与抽油机驴头悬点运动的运动加速度有关；动载荷包括抽油杆柱和油柱运动所产生的动载荷，分别用Wrd和Wfd表示。
3.各种摩擦载荷包括柱塞与泵筒之间的摩擦阻力、抽油杆柱与油管间的摩擦阻力、抽油杆柱与油柱间及油柱与油管间相对运动时的流动阻力、井液流经抽油泵游动阀时的阻力、抽油杆光柱与井口光杆密封器间的摩擦阻力等。
第六章抽油机系统效率测试在油田的应用和推广
抽油机系统效率测试分析技术,弥补了常规的测抽油机电流和示功图的不足,能方便地测出抽油机的电耗与光杆功率,算出抽油机的地面效率和地下效率,分析抽油机平衡情况与抽油机的运行特性,提出平衡调整建议。
对于正确选择抽油设备参数、优选抽油设备、及时对抽油机及井下的抽油泵的工况进行监测和调整,对于油田安全生产和节能,有十分重要的意义。
1.系统效率计算与测试
1.1系统效率及其影响因素
抽油系统效率定义为抽油机的有效功率与输入功率的比值,即:
表6-1抽油机系统效率公式
根据抽油机系统的工作特点,要将抽油机系统的效率分为两部分,即地面效率和井下效率。
以光杆悬绳器为界,悬绳器以上的机械传动效率和电机运行效率的乘积为地面效率;悬绳器以下到抽油泵,再由抽油泵到井口（包括回压）的效率为井下效率,井下部分的能量损失在盘根盒、抽油杆、抽油泵和管柱中,系统效率与电机输入到抽油机系统输出各部分密切相
关,因此,提高系统效率是一项复杂系统工程。
1.2目前系统效率的测试方法
目前常用抽油机井的系统效率的测试计算方法采用常规法,其测试方法比较简便。
测试时,用三相有功电度表完成平均有功功率的计量,可以算出系统的日耗电量;用回声仪或其他仪器测动液面,通过油压、套压表读出的油压、套压可计算举升高度;通过产量计量装置测
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