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Bezugnahme auf anhängige Anmeldungen
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Diese Anmeldung nutzt die Vorteile der vorläufigen US-Anmeldung (U.S. Provisional Patent Application) mit der Nummer
61/230,879 , die am 2. Oktober 2009 eingereicht wurde, und der US-Patentanmeldung mit der Nummer 12/572,752, die am 2. Oktober 2009 eingereicht wurde und die wiederum die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nummer 61/220,734, die am 26. Juni 2009 eingereicht wurde, beansprucht.
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Inspektionsgeräte bzw. Molche zum Detektieren von Anomalien in Leitungen, Rohren und Pipelines, und insbesondere auf Inline-Inspektionsgeräte bzw. Molche, bei denen die Verfahren zum Detektieren von Magnetstreuflüssen zur Anwendung kommen.
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Hintergrund der Erfindung
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Viele verbaute Pipelines können unter Anwendung der Magnetstreufluss-Verfahren (MFL) inspiziert werden, und zwar in erster Linie zum Zwecke der Identifizierung von Materialverlust-Anomalien. Es hat sich gezeigt, dass Magnetstreufluss-Verfahren in zuverlässiger Weise auf Anomalien in der Wand der Pipeline reagieren, da die Hauptachse der Materialverlust-Anomalie und der Feldwinkel verändert sind. Sowohl durch die Ergebnisse von Experimenten wie auch von Modellen konnte dieser Effekt, der auch in der Fachliteratur hinreichend beschrieben ist, bestätigt werden.
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Aufgrund von zum Teil Einschränkungen, die von der Datenerhebung, der Datenspeicherung und dem Aufbau von Magnetkreisen herrühren, wurden bei den meisten Inline-Inspektionsgeräten axial ausgerichtete Magnetisiervorrichtungen eingesetzt (siehe z.B. das US-Patent mit der Nummer
US 6 820 653 B1 von Schrempf et al.). Jedoch erweist sich bei den gegenwärtigen Axialfeld-Magnetisieranordnungen die Identifizierung und die Quantifizierung von extrem schmalen axialen Prüfmerkmalen bzw. Fehlern als schwierig oder in einigen Fällen als unmöglich. Für diese Prüfmerkmalstypen wurde in den vergangenen zehn Jahren von Pipelineinspizierunternehmen eine Lösung unter Verwendung eines Magnetfeldes in der Umfangs- oder Querrichtung auf den Markt gebracht und in Betrieb genommen. Aufgrund der physikalischen Beschränkungen sind jedoch die Effizienz und die Genauigkeit dieser Quermagnetfluss-Inspektionsgeräte (TFI) allgemein geringer als bei Axialfeld-Geräten für die übliche Materialverlustanomalie.
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Darüber hinaus erfordern diese TFI-Geräte typischerweise ein Minimum von zwei Magnetisier-Anordnungen, um eine entsprechende Abdeckung zu erreichen, weshalb diese nicht ohne weiteres oder nur unter Schwierigkeiten in einem bestehenden Axial-MFL-Gerät eingebaut werden können.
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Für diejenigen Pipelines, die extrem schmale Materialverlust-Prüfmerkmale bzw. Materialverlust-Fehler oder bestimmte Typen von Schweißnahtanomalien aufweisen können, haben Axialfeldgeräte keine ausreichenden Detektierungs- und Quantifizierungsfähigkeiten. In diesen Fällen werden bei Geräten, die auf MFL basieren, entweder vorausgehende oder ergänzende Untersuchungen unter Verwendung eines TFI-Geräts durchgeführt. Wenngleich TFI-Geräte extrem schmale Anomalien und bestimmte Schweißnahtanomalien detektieren können, so detektieren sie auch sämtliche verbleibende volumetrische Materialverlust-Prüfmerkmale, die typischerweise bei Pipelines zu finden sind, wodurch das Verfahren zur Identifizierung ausgewählter Anomalietypen verkompliziert wird.
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Eine der ersten TFI-Anordnungen ist in dem US-Patent mit der Nummer
US 3 483 466 A von Crouch et al. beschrieben. Crouch offenbart ein Paar Elektromagneten, die senkrecht zueinander mit Detektoren, wie z.B. Magnetometern oder Suchspulen, die auf jeder Seite der Magneten positioniert sind, angeordnet sind. Anders als bei der Verwendung von Permanentenmagneten und Sensoren in der Art einer Hall-Vorrichtung, bildet die Anordnung von Crouch nach wie vor die Basis für die meisten derzeitigen Anwendungen. Darüber hinaus haben einige Anordnungen segmentierte oder einzelne diskrete Magneten, die in den meisten Fällen die Quer- und Umfangsrichtung des Feldes beibehalten. Z.B. offenbart das US-Patent mit der Nummer
US 3 786 684 A , das auf Wiers et al. ausgestellt ist, einzelne Magneten, die in zur Leitungsachse schräg verlaufenden Arrays angeordnet sind, wobei das Feld eines jeden Arrays senkrecht zu dem der anderen Arrays ist. Jedoch ist bei dieser Anordnung das Feld auf Abschnitte und Bereiche zwischen den Polen eines jeden einzelnen Magneten begrenzt. Darüber hinaus nimmt durch den kurzen Polabstand, der bei einer Implementierung des Wiers-Typs erforderlich ist, die Länge des Magnetkreises ab, so dass das Gerät durch Verwirbelungseffekte beeinträchtigt wird und zudem die Datenqualität betreffend Schweißungen, Beulen oder anderen Anomalien verschleiert, verfälscht oder verschlechtert wird.
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Andere Anordnungen verwenden aufwändige komplexe Geometrien, mehrere Magnetisier-Abschnitte, und aufwändige mechanische Anordnungen, wie z.B. Spiralantriebe, Zahnräder und Räder, um eine spiral- oder schraubenartige Bewegung des Magnetisierabschnitts zu erreichen. Z.B. offenbart das US-Patent mit der Nummer
US 5 565 633 A von Wernicke eine mechanisch komplizierte Vorrichtung für die Verwendung mit Magnetisierabschnitten, die zwei oder mehrere Magnetkreise und eine Vielzahl von Sensoreinheiten aufweisen. Bei einer Ausführungsform sind die Magnetblöcke mit spiralförmigen parallelen Polen angeordnet. Bei einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei den Magnetblöcken um verdrehte Polpaare, die axial verschoben sind. Beide Ausführungsformen erfordern eine mechanisch herbeigeführte Drehung, um eine vollständige Abdeckung der Rohrinnenfläche zu erreichen.
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Ähnlich wie bei Wenicke, offenbart das US-Patent mit der Nummer
US 6 100 684 A von Ramuat eine im Wesentlichen quer verlaufende Feldmagnetisierungs-Anordnung, die mehrere Magnetisier-Abschnitte und eine komplexe Anordnung von Rädern verwendet, um eine schraubenartige Bewegung der Abschnitte herbeizuführen und eine Überlappung oder eine vollständige Abdeckung der Rohrwand zu erreichen. Das US-Patent mit der Nummer
US 7 548 059 B2 von Thompson et al. umfasst zwei Gleitstücke (Pole), die feststehende Magnete enthalten, die in dicht beabstandeten Paaren angeordnet sind, um ein nominal quer verlaufendes Feld zu erzeugen, das spiralartig um das Rohr verläuft. Dieses Gerät - das eine Vielzahl von beweglichen Teilen wie z.B. Spannhalterungen, Rollen, und Federn umfasst - erfordert eine zusätzliche Komplexität, um ausreichend flexibel zur Anpassung an die Krümmungen in der Pipeline zu sein. Des Weiteren induzieren die Magneten bei dieser Anordnung ein Feld zwischen zwei parallelen Polen, so dass eine einzige geschlossene Kreisschleife zwischen den Polen der einzelnen diskreten Magnetblöcke gebildet wird.
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Ähnlich wie bei Thompson et al. sind die im Stand der Technik verwendeten Magneten als Blöcke beschrieben, ohne einen Verweis auf eine fügsame oder angleichbare obere Fläche, die bei dem Magnetblock verwendet wird. Durch die Verwendung einer starren Kontaktanordnung für den Magnetkreis wird die Datenqualität durch die Entstehung von Luftspalten oder veränderlicher magnetischer Widerstandszonen in der Magnetfeldbahn an Vertiefungen oder entlang von Schweißungen oder anderen Störungen, die in der Pipeline vorliegen können, verschlechtert. Bei bestimmten Prüfmerkmalstypen werden durch Störungen, die in dem umliegenden Feld erzeugt werden, die vorhandenen Streuflusssignale, die von den zu untersuchenden Prüfmerkmalen herrühren, überdeckt oder in anderer Weise verfälscht. Etwaige magnetische Anomalien, die in Vertiefungen und Schweißbereichen existieren, sind aufgrund ihres Vorhandenseins in diesen Zonen von größerer Bedeutung und stellen als solche Bereiche dar, in denen die Datenqualität kritisch ist.
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Darüber hinaus ist beim Stand der Technik die Verwendung einer großen Anzahl von Polen oder Flächen, die in engem Kontakt mit der Rohrwandfläche angeordnet sind, erforderlich. Diese Anordnung kann extrem hohe Reibungskräfte oder Widerstände gegen die Bewegung, die von der Magnetisier-Anordnung vollzogen wird, zur Folge haben, so dass deren Verwendung bei Anwendungen, die eine geringe Reibung erfordern, nicht möglich ist oder verhindert wird.
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Wie bereits angegeben, sind die Betreiber von Pipelines derzeit in der Lage, eine Großzahl der verbauten Pipelines unter Anwendung des Magnetstreufluss-Verfahrens (MFL), in erster Linie zum Zwecke der Identifizierung von Materialverlust-Anomalien, zu inspizieren. Jedoch erweisen sich für bestimmte Anomalietypen bei derzeitigen Axialfeld-Magnetisieranordnungen, die bei den MFL-Verfahren verwendet werden, die Detektierung und Quantifizierung von extrem schmalen, rissartigen oder rissähnlichen axialen Prüfmerkmalen als schwierig und in einigen Fällen als unmöglich. Um die Detektierung und Quantifizierung dieser Prüfmerkmale zu ermöglichen, wurden alternative Verfahren unter Anwendung von akustischen Wellen (Ultraschall) untersucht und eingesetzt. Diese Akustikwellen wurden typischerweise von externen piezoelektrischen Wandlern oder elektromagnetischen Akustikwandlern (elektromagnetische-Ultraschall-Sensoren „EMUS“ bzw. electromagnetical acoustic transducer „EMAT“) erzeugt.
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Bei den EMUS-Lösungen handelt es sich üblicherweise um einen von zwei Grundtypen: Lorentz und magnetorestriktiv. Beide Typen erfordern ein vorhandenes äußeres Vormagnetisierungsfeld. Bei der EMUS-Lösung vom Lorentz-Typ ist das Vormagnetisierungsfeld senkrecht zur Rohrwand und steht mit durch Wirbelströme induzierte Bahnen oder Spannungen in der Rohrwand in Wechselwirkung. Bei der EMUS-Lösung vom magnetorestriktiven Typ wird ein Vormagnetisierungsfeld verwendet, das sich in der Ebene der Rohrwand befindet, in Axialrichtung oder in Umfangsrichtung verläuft, und das mit magnetisch induzierten Spannungen in Wechselwirkung steht.
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Es ist auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bereits hinreichend bekannt, dass die Magnetostriktion bei Stahl weitaus effizienter bei der Erzeugung von horizontalen akustischen Scherwellen (SH) ist, wenn sich das Vormagnetisierungsfeld bezüglich der Sensor-Spulenleiter der EMUS in einem Winkel befindet. Dieses Ergebnis konnte durch die Erfinder in der Anfangsphase der Entwicklung eines EMUS-Sensorarrays gemäß der hierin offenbarten Erfindung bestätigt werden. Bei dieser Untersuchung konnte festgestellt werden, dass mehrere der Aussparungen, die in Testplatten eingearbeitet wurden, unter Verwendung eines axial ausgerichteten Vormagnetisierungsfeldes nicht detektierbar sind. Das Drehen des Winkels der Vormagnetisierungsfeldes relativ zu der Bewegungsachse und des EMUS-Sensors bewirkte eine Zunahme von in etwa 20 Dezibel in dem gemessenen Signal. Diese Anordnung hatte ein weitaus größeres Ansprechverhalten im Vergleich zum elektronischen Rauschen, so dass Hinweise auf Risse über einer relativ gleichmäßigen Grundlinie vorlagen.
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Folglich sind Anwendungen mit Scherwellen unter Verwendung von EMUS-Sensorspulen, die in einem Winkel zu dem Magnetfeld angeordnet sind, üblicherweise den Anwendungen, bei denen die Feldebenen parallel zu den Sensorspulenleitungen liegen, überlegen (siehe z.B.
DE 10 2007 058 043 A1 , ausgestellt auf Rosen Swiss AG). Die Detektierung und Quantifizierung der Spannungsrisskorrosion (SCC) ist einer der Haupt-Typen von Anomalien, auf welche dieses Verfahren gerichtet ist. Zusätzlich zur SCC, die typischerweise in Axialrichtung ausgerichtet ist, ist es bekannt, dass Umfangsnähte, die in Umfangsrichtung verlaufen, rissähnliche Prüfmerkmale aufweisen können. Daher besteht, um ein EMUS-System insgesamt effektiv zu gestalten, ein Bedürfnis nach einem Verfahren, das in einfacher Weise bei der Detektierung von sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung verlaufenden Prüfmerkmalen anwendbar ist.
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Inline-Inspektionsgeräte aus dem Stand der Technik verwenden ringförmige Arrays aus Permanentmagneten, die parallel zur Achse des Rohres verlaufen, um das Rohr in einer Richtung zu magnetisieren. Um den vorteilhaften Winkel zwischen dem Vormagnetisierungsfeld und den Sensorspulen zu erhalten, werden die Sensorspulen in Richtung auf die Rohrachse gedreht (siehe z.B. die Kanadische Patentanmeldung mit der Nummer
CA 2 592 094 A1 von Alers et al.). Die Scherwellen treffen auf die Ebene der in Axialrichtung verlaufenden SCC in demselben Winkel auf. Dementsprechend werden die Scherwellenreflexionen der SCC lediglich von Empfangs-Sensorspulen wirksam detektiert, die quer zur Übertragungsspule angeordnet und in Richtung auf diese gedreht sind. Darüber hinaus verwenden die abgeschwächten Messungen, die für die Detektierung der Beschichtungsablösung herangezogen werden, Empfängerspulen, die diagonal zu den Übertragungsspulen angeordnet und in Richtung auf diese gedreht sind. Eine spürbare Zunahme der empfangenen Signalamplitude ist ein Hinweis auf eine Ablösung der Beschichtung.
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Es besteht ein Bedürfnis nach einem EMUS-Gerät, das eine vollständige Abdeckung der innern Rohrwandfläche schafft, ohne hierfür mechanisch komplizierte Konstruktionen zu benötigen, und das ein Feld erzeugt, das von EMUS-Sensoren genutzt werden kann, um in Axialrichtung oder in Umfangsrichtung verlaufende volumetrische Prüfmerkmale und die Ablösung der Beschichtung zu detektieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Pipeline-Inspektionsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens zwei Polmagneten, die um eine Außenoberfläche des Gerätekörpers angeordnet sind und schräg zur Längsmittelachse des Gerätekörpers ausgerichtet sind. Ein Sensorarray ist zwischen zwei gegenüberliegenden Kanten der beiden Polmagneten angeordnet. Das Sensorarray umfasst eine Reihe oder einen Satz Sensorspulen, die in unterschiedlichen Winkeln als die Polmagneten bezüglich der Längsmittelachse des Gerätekörpers angeordnet sind. Folglich befindet sich das Sensorarray in einem Winkel relativ zu dem Vormagnetisierungsfeld, das von den Polmagneten erzeugt wird. Die Polmagneten und das Sensorarray können sich jeweils über die Länge des Gerätekörpers erstrecken und haben eine im Wesentlichen spiralförmige Form. Vorzugsweise sind die Sensorspulen-Sätze senkrecht zur Längsachse des Gerätekörpers, können jedoch, abhängig von dem zu detektierenden Anomalie-Typ, parallel zur Längsachse des Gerätekörpers angeordnet sein.
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Jeder Sensorspulen-Satz liegt einem entsprechenden Sensorspulen-Satz um 180° gegenüber, wobei ein Abschnitt des gegenüberliegenden Sensorspulen-Satzes innerhalb eines gemeinsamen umlaufenden Bandes des Geräts liegt. Sensorspulen-Sätze, die sich auf derselben Seite des Gerätekörpers befinden, sind zueinander versetzt, sind im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet und sind im gleichen Abstand von den gegenüberliegenden Kanten der schräg ausgerichteten Polmagneten angeordnet. Jeder Satz Sensorspulen umfasst wenigstens eine Übertragungsspule und wenigstens zwei gegenüberliegende Paare Empfängerspulen. Bei einer Empfängerspule in jedem Paar kann es sich um eine RD-Empfängerspule handeln und bei der anderen Empfängerspule kann es sich um eine RA-Empfängerspule handeln. Da die Sensorspulen-Sätze relativ zu dem Vormagnetisierungsfeld verdreht sind, sind die Empfängerspulen in einer Reihe liegend mit der Übertragungsspule und haben dieselbe Winkelausrichtung wie die Übertragungsspule. D.h. dass die Empfängerspulen parallel zur Übertragungsspule ausgerichtet sind und nicht diagonal verschoben oder relativ zur Übertragungsspule verdreht werden müssen.
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Die Übertragungsspule überträgt einen Tonimpuls oder ein Signal, das auf die Wand des rohrförmigen Elements, das inspiziert wird, auftrifft und zu den Empfängern zurückkehrt. Die Empfängerspulen sind bezüglich der Übertragungsspule beabstandet, so dass das von der Übertragungsspule übertragene Signal nicht die Detektierung des reflektierten Signals durch die Empfängerspulen überdeckt. Jede Empfängerspule ist so eingestellt, dass sie diese reflektierten Signale - die normiert sein können - innerhalb einer bestimmten Abtastzone empfangen kann und Anomalien in dem rohrförmigen Element detektieren kann. Der Übertrager kann dann ein zweites Signal übertragen, nachdem das erste Signal eine vorbestimmte Anzahl oft um den Umfang des rohrförmigen Elements gewandert ist. Abhängig von der Ausrichtung der Sensorspulen-Sätze relativ zu den schräg ausgerichteten Magneten, kann das Sensorarray Wand-Anomalien sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung detektieren.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetstreufluss-Gerät (MFL) zu schaffen, das auf ein breites Spektrum von Anomalien, die Magnetstreuflusssignale erzeugen können, anspricht. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein MFL-Gerät zu schaffen, das 360° der inneren Rohrwand unter Verwendung einer einzigen Magnetisier-Vorrichtung abdecken kann, ohne mehrere Magnetisierabschnitte, Magnetisier-Vorrichtungen, oder eine Relativbewegung zwischen den Sensoren oder Abschnitten zu benötigen, um in der axialen Normalrichtung verlaufende Prüfmerkmale detektieren zu können. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein MFL-Gerät mit einem EMUS-Array zu schaffen, bei dem die Wahrscheinlichkeit, dass Risse in der Rohrwand übersehen werden, verringert ist und das eine verbesserte Empfindlichkeit bei kleinen Prüfmerkmale, d.h. eine Zunahme der Signalamplitude von bis zu 20 dB, hat. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein EMUS-Array zu schaffen, mit dem eine erhebliche Verringerung der energetischen Anforderungen für die HF-Impuls-Erzeugung verbunden ist. Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein EMUS-Array zu schaffen, die die Selbstkalibrierung der übertragenen Signale unter Verwendung der Empfängerspulen, die sich näher an der Übertragungsspule befinden, umfasst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein EMUS-Array zu schaffen, das eine geringe Störanfälligkeit zwischen den Übertragern durch ein umlaufendes Akustikband aufweist.
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Figurenliste
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- 1 ist eine isometrische Ansicht eines in Axialrichtung ausgerichteten Magnetisier-Aufbaus. Die Richtung des Magnetfelds verläuft in Umfangsrichtung oder in Querrichtung zur Längsachse des Rohres.
- 2 ist eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer Schrägmagnetisier-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen spiralförmigen Magnetpol-Aufbau verwendet. Die Polmagneten sind um 30° verdreht oder spiralförmig angeordnet und umfassen eine flexible oder angleichbare obere Fläche.
- 3 ist eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisier-Anordnung, bei der die Polmagnete um 60° verdreht sind.
- 4 ist eine Ansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung, bei der die Polmagneten um 90° verdreht sind.
- 5 ist eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung, bei der die Polmagneten um 120° verdreht sind.
- 6 ist eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung, bei der die Polmagneten um 150° verdreht sind.
- 7 ist eine Endansicht einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung, in der die Beziehung zwischen den beiden Enden der spiralförmig angeordneten oder verdrehten Polmagneten gezeigt ist. Bei diesem Beispiel sind die Polmagneten um 135° verdreht. Die angleichbare obere Fläche eines jeden Polmagneten umfasst eine borsten- oder bürstenartige obere Fläche.
- 8 zeigt das resultierende Magnetfeld der Schrägmagnetisieranordnung. Die Feldrichtung ist diagonal, oder schräg, zur Längsachse des Rohres.
- 9 ist eine Ansicht einer Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung, die ein schraubenförmiges Sensorarray umfasst, das von einem Ende der Magnetisiervorrichtung zu dem anderen angebracht ist, um eine vollständige Abdeckung der inneren Rohrwandfläche zu erreichen und einen Grad der Überlappung zu erreichen, so dass sie sich an mögliche Gerätedrehungen anpassen kann.
- 10 ist eine Ansicht der Schrägmagnetisieranordnung in 8, die sich in einem Rohrabschnitt befindet.
- 11 ist eine Ansicht eines Inline-Inspektionsgeräts, das die Schrägmagnetisieranordnung, eine Axial-Magnetisiervorrichtung und einen Verformungssensorabschnitt umfasst.
- 12 ist eine schematische Darstellung einer Seite eines Sensorarrays, das zwei Linien oder Sätze von EMUS-Sensorspulen, die sich zwischen zwei schräg verlaufenden Polmagneten befinden, umfasst. Jeder Sensorspulen-Satz umfasst zwei Paare von Empfängerspulen und eine Übertragungsspule, die zwischen den Paaren Empfängerspulen angeordnet ist. Die Sätze sind senkrecht zur Längsmittelachse des Inline-Inspektionsgeräts (und folglich senkrecht zur Längsmittelachse des zu untersuchenden rohrförmigen Elements) ausgerichtet, und jede Spule in dem Set hat eine Mittellinie mit den anderen Spulen in dem Satz gemeinsam.
- 13 ist eine Ansicht einer Seite eines Sensorarrays mit der EMUS-Sensorspulen-Anordnung in 12, die an ein rohrförmiges Element mit einem Durchmesser von 24 Zoll angebracht ist.
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Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Bevorzugte Ausführungsformen eines Magnetstreufluss-Gerätes (MFL-Geräts), das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, sind im Folgenden anhand der Zeichnungen und der darin gezeigten Bauteile näher beschrieben.
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In 1 sind ein Nordpolmagnet 41 und ein Südpolmagnet 61 in etwa 180° einander gegenüberliegend an einem zylindrischen Gerätekörper 21 so angeordnet, dass die jeweilige Längsmittellinie 47, 67 eines jeden Polmagneten 41, 61 parallel zur Längsmittellinie 27 des zylindrischen Gerätekörpers 21 (und folglich parallel zu einer Längsmittelachse des untersuchten Rohres) ist. Wenngleich sich die Polmagneten 41, 61 von den Lösungen aus dem Stand der Technik darin unterscheiden, dass sich z.B. jeder Magnet 41, 61 entlang der gesamten Länge des zylindrischen Körpers 21 erstreckt, ist deren axiale Ausrichtung - wie hierin dargestellt - dennoch typisch für die Lösungen aus dem Stand der Technik. Die in dieser Art und Weise angeordneten Polmagneten 41, 61 erzeugen ein bezüglich der Rohrwand in Umfangsrichtung oder in Querrichtung verlaufendes Magnetfeld - wie durch die Magnetflusslinien 81 dargestellt - wobei mehrere Magnetisierabschnitte erforderlich sind, um eine vollständige Abdeckung der Innenwandfläche des Rohres zu erreichen.
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Bezug nehmend auf die 2 bis 6 umfasst eine Schrägmagnetisier-Anordnung 20 gemäß der Erfindung einen Magnetkreis 40, der zwei spiralförmige Polmagneten 41, 61 hat, die in etwa 180° einander gegenüberliegend an einem zylindrischen Gerätekörper 21 angeordnet sind. Jeder Polmagnet 41, 61 erstreckt sich zwischen einem ersten Ende 23 und einem zweiten Ende 25 des zylindrischen Gerätekörpers 21. Es können auch zusätzliche Paare spiralförmiger Polmagneten 41, 61 verwendet werden, wobei sich jeder spiralförmige Polmagnet 41 oder 61 zwischen den Enden 23, 25 des zylindrischen Gerätekörpers 21 erstreckt und um 360°/n von seinem benachbarten und gegenüberliegenden Polmagneten 61, 41 beabstandet ist (wobei „n“ gleich der Anzahl der verwendeten Polmagneten 41, 61 ist). Die Polmagneten 41, 61 haben vorzugsweise eine flexible oder angleichbare obere Fläche 49 bzw. 69, die zur Verringerung von Reibungskräften beiträgt und die Auswirkungen von Verwirbelungen minimiert, wenn die Schrägmagnetisier-Anordnung 20 durch das Innere eines Rohres bewegt wird. Durch die angleichbare obere Fläche 49, 69 kann die Magnetisier-Anordnung 20 ausreichend komprimiert werden, um innere Hindernisse, Krümmungen und Verengungen in dem Rohr zu überwinden, die ansonsten eine Beschädigung der Magnetisier-Anordnung 20 zur Folge hätten oder deren Hindurchbewegen verlangsamen oder verhindern würden.
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Der Betrag der Drehung der Polmagneten 41, 61 ist abhängig von dem Betrag der Drehung, die erforderlich ist, um eine vollständige Abdeckung der inneren Rohrwandfläche zu erreichen. Nacheinander Bezug nehmend auf die 2 bis 6 werden die Polmagneten 41, 61 jeweils schrittweise weiter verdreht oder spiralförmig angeordnet, und zwar um eine nominale Verdrehung von in etwa 150 Grad (wie in 6 gezeigt). Beim Verdrehen wird das zweite Ende 45, 65 des Polmagneten 41, 61 um einen vorbestimmten Winkel oder Betrag α relativ zu seinem ersten Ende 43, 63 versetzt (siehe 7). Aufgrund dieses Betrages α der Verdrehung ist die jeweilige Längsmittellinie 47, 67 eines jeden spiralförmigen Polmagneten 41, 61 nicht parallel zur Längsmittelachse 27 des zylindrischen Gerätekörpers 21. Durch die Verdrehung der Polmagneten 41, 61 wird auch das Herbeiführen eines ausreichenden Betrags der Verdrehung der Magnetisier-Anordnung 20 begünstigt, wenn diese durch das Innere des Rohres bewegt wird.
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8 zeigt das Magnetfeld 80, das von einem Prototyp der Schrägmagnetisier-Anordnung 20 erzeugt wird, der ähnlich wie die Magnetisier-Anordnung 20, die in den aufeinander folgenden Verdreh-Darstellungen der 2 bis 6 gezeigt ist, aufgebaut ist. Anders als bei aus dem Stand der Technik bekannten Inspektionsgeräten verläuft die Richtung des Magnetfeldes 80 diagonal oder schräg zur Rohrachse anstatt in Umfangs- oder Querrichtung, wobei die Magnetflusslinien 81 von den Polen 41, 61 austreten und in entgegengesetzten Richtungen verlaufen, um zu einem entsprechenden Pol 61, 41 zu gelangen. Die Magnetflusslinien 81, die von jedem Polmagneten 41, 61 erzeugt werden, werden entlang der Bahn des geringsten Widerstands geführt: in die Rohrwand und in Richtung auf den benachbarten Rohrmagneten 61, 41. Der Winkel des Magnetfeldes 80 ist in etwa senkrecht zu den Flusslinien 81, die von den Magnetpolen 41, 61 erzeugt werden, und in etwa parallel zu einer Linie, welche die kürzeste Distanz zwischen den Magnetpolen 41, 61 darstellt. Die Richtung des Magnetfeldes 80 innerhalb der Erstreckung der Pole 41, 61 kann in einem Bereich von 30 bis 60 Grad bezüglich der Rohrachse liegen.
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In den 9 und 10 kann eine Schrägmagnetisier-Anordnung 20 ein spiralförmiges Sensorarray 90 umfassen, das sich im Wesentlichen im gleichen Abstand zwischen den verdrehten Polmagneten 41, 61 befindet und so angeordnet ist, dass sie die Innenwandfläche W des Rohres P vollständig abdeckt und sich jeder Drehung der Magnetisier-Anordnung 20, die erfolgen kann, anpassen kann. Bei den einzelnen Sensoren in dem Sensorarray 90 kann es sich um aus dem Stand der Technik bekannte Sensoren zum Detektieren von Magnetstreuflusssignalen handeln. Das Sensorarray 90 erstreckt sich vorzugsweise zwischen dem ersten Ende 23 und dem zweiten Ende 25 des zylindrischen Körpers 21 (und folglich zwischen den Enden 43, 45 und 63, 65 der Polmagneten 41, 61) und weist einen Überlappungsgrad Δ zwischen einem ersten Ende 91 und einem zweiten Ende 93 des Sensorarrays 90 auf. Die angleichbaren obere Flächen 49, 69 der Polmagneten 41, 61 (siehe z.B. 6) können in Form von Bürsten 51, 71 vorgesehen sein. Radiale Scheiben 31A & B helfen, die Magnetisier-Anordnung 20 vorzuschieben und zu zentrieren, wenn sie sich in dem Rohr P unter Differentialdruck vorwärts bewegt.
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Der endgültige Aufbau der Schrägmagnetisier-Anordnung 20 kann jede derzeitige Kombination von Datensätzen umfassen, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, Verformungsdaten, Axial-MFL-Daten mit hoher Magnetisierung, Intern/Extern-Unterscheidung, Trägheitsdaten für die Vermessung, und MFL-Daten bei Niedrig- oder Restmagnetisierung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Inline-Inspektionsgeräts 10, das eine Schrägmagnetisier-Anordnung 20 enthält, umfasst das Gerät 10 eine axiale Magnetisiervorrichtung 100 und einen Verformungssensorabschnitt 110 (siehe 11).
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In Bezug auf die 12 & 13 umfasst das Sensorarray 90 elektromagnetische Akustikwandler-Sensorspulen 95, 97 & 98 (EMUS), die zwischen den gegenüberliegenden Kanten 42, 62 der schräg ausgerichteten Permanentmagnetpolen 41, 61 angeordnet sind. Die Sensorspulen 95, 97 & 98 sind vorzugsweise in Sensorspulen-Reihen oder Sensorspulensätzen 94a-e angeordnet, wie durch eine jeweilige Sensorspulensatz-Mittellinie 99a-e angegeben. Jede Mittellinie 99a-e ist im Wesentlichen parallel zu den anderen Mittellinien 99a-e und in einem vorbestimmten Winkel γ bezüglich der Längsmittelachse 27 des zylindrischen Gerätekörpers 21 ausgerichtet. Ein (nicht gezeigter) Satz Sensorspulensätze, der mit den Sensorspulen-Sätzen 94a-e im Wesentlichen identisch ist, ist an der gegenüberliegenden Außenoberfläche des zylindrischen Gerätekörpers 21, den Sensorspulensätzen 94a-e in etwa 180° gegenüberliegend angeordnet.
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Die schräg ausgerichteten Polmagneten 41, 61 sind üblicherweise in einem Winkel β bezüglich der Längsmittelachse 27 angeordnet, wobei β von dem Winkel γ verschieden ist. Da die Flusslinien 81, die von den Polmagneten 41, 61 erzeugt werden, üblicherweise senkrecht zu den Kanten 42, 62 der Polmagneten 41, 61 verlaufen, ist das Magnetfeld 80 um einen Winkel ε bezüglich der Längsmittelachse 21 und dementsprechend um einen Winkel bezüglich des Sensorspulensatzes 94a-e verdreht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Winkel γ in etwa 90°, beträgt der Winkel β in etwa 45°, und beträgt der Winkel ε in etwa 45°.
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Durch das Anordnen der Sensorspulensätze 94a-e senkrecht zur Längsmittelachse 27 des zylindrischen Gerätekörpers 21 (und folglich senkrecht zu der Rohrachse) kann das Sensorarray 90 Prüfmerkmale sowohl in der Axialwie auch in der Umfangsrichtung detektieren. Übertragungsspulen 95 erzeugen Scherwellen 96, die sich in Umfangsrichtung um das Rohr ausbreiten und in einem Normalwinkel (senkrecht) auf in Axialrichtung verlaufende Risse auftreffen. Durch das Anordnen der Sensorspulensätze 94a-e parallel zu der Längsmittelachse 27 des zylindrischen Gerätekörpers 21 (und folglich parallel zu der Rohrachse) kann das Sensorarray 90 Prüfmerkmale in der Umfangsrichtung detektieren. Horizontale Schwerwellen 96 werden entlang der Rohrwand in der Axialrichtung übertragen, so dass Reflexionen von quer verlaufenden Rissen, wie z.B. Rissen in Schweißnähten, detektiert werden. Anders als bei der Ausrichtung der Empfänger bei den aus dem Stand der Technik bekannten EMUS-Geräten müssen die Empfängerspulen 97, 98 nicht diagonal bezüglich der Übertragungsspule 95 verschoben oder in Richtung auf die Übertragungsspule 95 verdreht werden, um die Vorteile eines Magnetfels 80 zu erlangen, das bezüglich der EMUS-Sensorspulen 95, 97 & 98 verdreht ist.
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Die Sensorspulen 95, 97 & 98 können an einem geeigneten Mechanismus, wie z.B. an (nicht gezeigten) federvorgespannten Unterlagen, angebracht sein, die die Spulen 95, 97 & 98 in unmittelbarer Nähe des Innendurchmessers des Rohres halten. Die Übertragungsspule 95 induziert geführte Scherwellen 96 in zwei Umfangsrichtungen um das Rohr. Die Empfängerspulen 97 detektieren Reflexionen von Spannungsrisskorrosionen (SCC) und fungieren als Kalibrierungs-Empfänger. Die Empfängerspulen 98 detektieren geführte Scherwellen 96, die sich von den Übertragungsspulen 95 in der Umfangsrichtung ausbreiten. Die charakteristischen Merkmale dieser detektierten Signale, wie z.B. die Amplitude und die Zeit des Eintreffens, können verwendet werden, um die Prüfmerkmale, wie z.B. das Ablösen der Beschichtung, die Korrosion oder SCC, zu detektieren.
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Die Empfängerspulen 97, 98 sind in einem vorbestimmten Abstand von der Übertragungsspule 95 angeordnet, so dass Signalantworten von den Empfängerspulen 97, 98 detektiert werden, jedoch nicht in nachteilhafter Weise von dem ursprünglichen elektronischen Erregerimpuls beeinträchtigt werden. Jede Übertragungsspule 95 in einem Satz 94a-e ist mit zwei Empfängerspulen 97, 98 an jeder Seite gruppiert. Das Sensorarray 90 umfasst vorzugsweise die erforderliche Anzahl von Übertragungsspulen 95 und Empfängerspulen 97, 98, um eine überlappende Abdeckung des Detektierens von SCC und der Beschichtungsablösung zu erreichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind beide von zwei Sensorarrays 90 - die einander gegenüberliegend zu Verwendung in einem Rohr mit einem Durchmesser von 24 Zoll angeordnet sind - mit fünf Übertragungsspulen 95 und insgesamt zwanzig Empfängerspulen 97, 98 ausgestattet.
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Jede Übertragungsspule 95 bewirkt im Betrieb, dass sich geführten Scherwellen 96 sowohl nach links als auch nach rechts von der Spule 95 und um den Umfang des Rohres ausbreiten. Die Empfängerspulen 97, 98, die sich am nächsten zur aktiven Übertragungsspule 95 befinden, werden als erstes in einem Zeitfenster abgetastet („gated“), um die abgehenden Wellen 96 zu empfangen, und anschließend nach einer längeren vorbestimmten Zeitverzögerung in einem Zeitfenster abgetastet („gated“), vorzugsweise in dem Bereich zwischen 50 und 90 Millisekunden bei einem Rohr mit einem Durchmesser von 24 Zoll, um Reflexionen von SCC zu detektieren. Diese Reflexionen stammen von bestimmten Abtastzonen „Z“, die sich zwischen den RD-Empfängerspulen 97 über eine vorbestimmte Erstreckung „D“ über die RA-Empfängerspulen 98 hinaus erstrecken, um die Abdeckung zu maximieren und die Störbeeinträchtigung zu minimieren. Die Reflexionssignale sind normiert, d.h. dividiert durch die abgehenden Signale, die in den RD-Empfängern 97 detektiert wurden, um eine kontinuierliche Kalibrierung der Signalreflexionen zu erreichen.
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Z.B. ergibt bei einem 24 Zoll Rohr und einem axialen Ziel-Abtastabstand von 6 mm (0,24 Zoll) eine Impulsrate von 390 Hz eine axiale Auflösung von 5,1 mm (0,20 Zoll). Durch diese Impulsrate kann sich die Scherwelle 96 in etwa 4,25 Mal um den Rohrumfang ausbreiten, bevor der zweite Impulse oder Tonimpuls abgegeben wird. Folglich befinden sich die Überreste des ersten Impulses zwischen den Empfängerspulen 97, 98 und haben folglich keine Auswirkungen auf die Empfängerspulen 97, 98, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Gerätekörpers 21 innerhalb des umlaufenden Bandes in dem Abtast-Zeitintervall (gate) befinden.
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Die Scherwellen 96 befinden sich noch innerhalb der Empfangs-Zeitintervalle während des dritten Tonimpulses, nachdem sich die Welle 96 in etwa 8,5 Mal um das Rohr ausgebreitet hat. Unter Verwendung eines Dämpfungsfaktors von 0,8 bei einer Ausbreitung von 2 „Fuß“ bzw. 0,6096 Meter (ein Faktor der durch Laborexperimente bestimmte wurde) hat ein Tonimpuls, der bei 100% Vollausschlag übertragen wurde, eine Amplitude von weniger als 0,3 %, wenn er an den Empfängerspulen 97, 98, die sich auf gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen Gerätekörpers 21 befinden, ankommt. Diese Menge an Rauschen ist üblicherweise vernachlässigbar im Vergleich zu anderen Geräuschquellen, wie z.B. thermisch elektronisches Rauschen, das bis zu 3 % des Vollausschlags erreichen kann.
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Das Ablösen der Beschichtung wird in den beabsichtigten Abtastzonen Z zwischen RD-Empfängerspulen 97 und RA-Empfängerspulen 98, die in einer Linie mit den Übertragungsspulen 95 angeordnet sind, detektiert. Das Detektieren der Beschichtungsablösung kann durch das Berechnen der Verhältniswerte der im Zeitintervall gemessenen (gated) Empfängersignale ausgeführt werden. Die Verhältnisse, die über einem festgelegten Schwellwert liegen, sind charakteristisch für das Fehlen der Beschichtung oder das Ablösen an dem Rohr in einer bestimmten Zone 99.
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Bei Untersuchungen, die von den Erfindern durchgeführt wurden, hat ein Sensorarray 90 gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
- • verbesserte Empfindlichkeit bei kleinen Prüfmerkmalen, d.h. bis zu 20 dB Zunahme der Signalamplitude;
- • erhebliche Verringerung der energetischen Anorderungen der HF-Impulse,
- • vollständige Inspektionsabdeckung in Umfangsrichtung, so dass die Wahrscheinlichkeit des Übersehens von Rissen verringert ist;
- • Selbstkalibrierung der übertragenen Signale unter Verwendung der Empfängerspule, die am nächsten zu den Übertragungsspulen gelegen ist; und
- • geringere Störanfälligkeit zwischen den Übertragungsspulen, die durch akustische Geräusche hervorgerufen werden.
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Zusätzliche Konfigurationen sind möglich, abhängig vom Rohrdurchmesser, mit unterschiedlicher Anzahl von Polmagneten 41, 61, Sensorspulen 95, 97 & 98 und Sensorarrays 90. Für die Detektierung in Umfangsrichtung kann z.B. das Sensorarray 90 in einem schrägen Winkel γ relativ zur Rohrachse verdreht sein, während sie sich noch innerhalb des ringförmigen Vormagnetisierungsfeldes 80 befindet. Zusätzlich zu den SCC-Prüfmerkmalen und rissähnlichen Prüfmerkmalen, können diese Konfigurationen auf Prüfmerkmale ansprechen, wie z.B. die Beschichtungsablösung und den Materialverlust. Das resultierende System kann auch nur als ein EMUS-System oder in Kombination mit irgendwelchen anderen Technologien, die bei Inline-Inspektionsgeräten zur Verfügung stehen, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf MFL, Verformung, Messtaster, und Kartierung, verwendet werden.
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Wenngleich ein EMUS-Gerät, das eine Schrägmagnetisier-Vorrichtung und ein spiralförmiges Sensorarray verwendet, genauer beschrieben wurde, sind dennoch Veränderungen bei den Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Ein EMUS-Gerät gemäß der vorliegenden Offenbarung ist folglich lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche festgelegt, einschließlich sämtlicher Äquivalente, die für jedes Bauelement möglich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Inline-Inspektionsgerät
- 20
- MFL-Gerät / Schrägmagnetisier-Vorrichtung
- 21
- zylindrischer Gerätekörper
- 23
- erstes Ende von 21
- 25
- zweites Ende von 21
- 27
- Längsachse von 21
- 31
- radiale Scheibe
- 40
- Magnetkreis
- 41
- Polmagnet
- 43
- erstes Ende von 41
- 45
- zweites Ende von 41
- 47
- Längsmittelachse von 41
- 49
- angleichbare obere Fläche
- 51
- Bürsten
- 61
- Polmagnet
- 63
- erstes Ende von 61
- 65
- zweites Ende von 61
- 67
- Längsmittelachse von 61
- 69
- angleichbare obere Fläche
- 71
- Bürsten
- 80
- Magnetfeld
- 81
- Magnetfeldbahn von Feld 80
- 90
- Sensorarray
- 91
- erstes Ende von 90
- 93
- zweites Ende von 90
- 94
- Linie oder Satz von Sensorspulen 95, 97, 98
- 95
- Übertragungsspule
- 96
- von 95 erzeugte horizontale Scherwelle
- 97
- RD-Empfangsspule
- 98
- RA-Empfangsspule
- 99
- Mittellinie des Sensorspulensatzes 94
- 100
- Axialmagnetisier-Vorrichtung
- 110
- Verformungssensorabschnitt
