| DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung | ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD | START |
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Als ein Dienstleistungs-Anbieter mit mehr als 35 Jahren "Offshore" Erfahrung und mit mehr als 25 Jahren Erfahrung als Hersteller von automatisierten Ultraschall-Prüfsystemen, den P-Scan-Systemen, analysiert das FORCE-Institut ununterbrochen den Markt für automatisierte Inspektionen von Unterwasser- sowie kritischen Komponenten. Damit soll gesichert werden, dass sowohl die Ausrüstungs-Produkt-Linie als auch die angebotene Dienstleistungspalette, die vom FORCE-Institut bereitgestellt wird, den Anforderungen der Industrie von heute und in der Zukunft entspricht.
Qualitätsgerechte Dokumentation eine Anforderung der Industrie. Dies ist die natürliche Folge von der zunehmenden Verwendung von Risiko basierten Instandhaltungsprogrammen in der Industrie sowie die zunehmende Verwendung neuer Materialien und Schweiß-Technologien, die oft die Verwendung von schon bestehenden Normen und Standards für die Prüfung ausschließen. Die zugenommenen Anforderungen an die Qualität der Dokumentation geht nicht mit einer Bereitschaft für erhöhte Kosten einher. Um die Kosten für die Prüfung zu reduzieren, wird ein möglicher Weg, der gemeinsam von Dienstleistungs-Anbietern und Prüfsystem-Herstellern gegangen werden kann, aufgezeigt. Die Schlagwörter hierfür heißen "Produktivität" und "Flexibilität". Die Analyse von speziellen "Offshore" Prüfungen zeigt, dass es möglich ist, sie in zwei prinzipielle Arten aufzuteilen, die Prüfung von relevanten (kritischen) Zonen und Prüfungen gemäß Prüfplan. Die Prüfung von relevanten Zonen steht in Zusammenhang mit Risiko basierten Instandhaltungsprogrammen und wird durch die Durchführung einer Prüfung in übereinstimmung mit bestehenden Verfahren, wobei auch die Ergebnisse von Risiko- und Zuverlässigkeits-Faktoren abschätzenden Softwareprogrammen übernommen werden, charakterisiert. Die Prüfungen gemäß Prüfplan werden üblicherweise bei der Verwendung neuer Materialien, neuer Schweiß-Technologien oder anderer Faktoren, die es nicht möglich machen, bestehende Normen anzuwenden, in Anwendung gebracht. Ein Prüfplan enthält einige oder auch alle der folgenden Elemente: Identifikation von Prüfbereichen für eine Inspektion, Festlegung des Zeit-Intervalls für die Prüfung, Auswahl der bestmöglichen Prüf-Technik/-Systeme, Qualifizierung der ausgewählten Prüf-Technik/-Systeme und die Entwicklung von Zulässigkeits-Kriterien.
Auf Basis der oben beschriebenen prinzipiellen Kategorien von automatisierten Prüfungen im Unterwasserbereich als auch von kritischen Komponenten werden Fälle aus der Prüfpraxis vorgestellt, die diese Techniken benutzen.
Das Konzept von Risiko basierten Instandhaltungsprogrammen wurde früh von der "Offshore"-Industrie angewandt und wurde in den letzten Jahren von vielen anderen Industriezweigen übernommen als eine zuverlässige und kostengünstige Methode zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit einer Produktionseinrichtung. Ein Risiko basierte Prüfprozedur enthält keine starren, einmal festgelegte Algorithmen sondern es werden regelmäßig Informationen über den Zustand der Anlage, die in irgendeinen Bezug zur ZfP-Problematik stehen, berücksichtigt. Dies sind in der Regel Aussagen zur Korrosion bzw. zur Schweißnahtintegrität.
Relevante Zonen werden in Übereinstimmung mit ausgewählten Kriterien von Risiko basierten Prozeduren und daraus gewonnenen Zuverlässigkeitsaussagen festgelegt. Diese Kriterien können subjektive Faktoren sein: Qualifizierung und Erfahrung des eingesetzten Prüfpersonals, Probleme während des Produktionsprozesses kombiniert mit einer Bewertung der eingesetzten Materialien, der Arbeitsumgebung, sowie Faktoren die das Risiko für Erosion, Korrosion oder Wasserstoff-Risse vergrößern.
Das FORCE-Institut sah sich in den letzten Jahren, vor allem seitens der "Offshore"-Industrie, mit zunehmenden Anforderungen an die Qualität der Dokumentation konfrontiert, die im Zusammenhang mit der Prüfung von relevanten Zonen stehen. Früher beruhten die Korrosions-Informationen für eine bestimmte Komponente auf Punkt-Messungen oder manuellen Prüfungen. Die Dokumentation von einer manuellen Prüfung stellt im Grunde nur einen Typ von Messwerten bereit, die Minimum-Werte. Aber die Praxis lehrte die Anforderungen an die Dokumentation anzuheben. Derzeit ist die automatisierte Datenaufnahme Grundvoraussetzung für eine qualitativ hochwertige Dokumentation.
Abb 1: Ergebnis von Prüfungen an relevanten Zonen einer Standleitung bezüglich Korrosion/Erosion. Das geprüfte Gebiet hat eine Fläche von 120 × 600 mm. Die nominelle Dicke ist 17 mm und die gemessene Minimum-Dicke ist 7.1 mm. Solche Bereiche sind auf der normalen Strömungslinie mehrfach anzutreffen. Diese Bereiche wurden zuvor mittels Punkt-Prüfung überwacht. Reparaturen wurden sofort nach dem Präsentieren der Ergebnisse vom Kunden beschlossen. Es wurden Korrosions-Raten von zu 2-4 mm pro Jahr festgestellt. |
Sind alle Prüf-Positionen und -Daten gespeichert und werden diese Daten z.B. in einer Drei-Seitenansicht präsentiert ist ein schneller Überblick möglich, Muster von Fehlerverteilungen oder Korrosionsverteilungen können erkannt werde. Dies erlaubt wiederholende Prüfungen mit denen z.B. reale Korrosion einschätzt werden kann oder reale Defekte in ihrem Wachstum überwacht werden können. Die Abb. 1-3 sind Beispiele solcher Dokumentation.
Abb 2: Prüfung eines Leitungsbogens mit einer nominellen Material-Dicke von 16 mm durch Benutzung der TOFD Technik. Der Messbereich beginnt und endet im Bereich der Krümmung. Im Bereich der Wärmeeinflusszone wurde Korrosion entdeckt. Die Korrosion beginnt ungefähr bei 90° und wächst zu einem Maximum (2.2 mm Restwandstärke) bei ungefähr 180° und wird bis ungefähr 270° wieder kleiner.
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Abb 3: Beispiel von Korrosions-Daten, die in eine Risiko/Zuverlässigkeits-Faktoren abschätzende Software exportiert wurden. Die Daten werden in ein Format gewandelt, welches von Office-Programmen ausgewertet werden kann.
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Abb 4: Ergebnis einer Prüfung einer Hochdruck Leitung bzgl. thermalen Ermüdungs-Rissen. Die P-Scan-Daten auf der linken Seite wurden für den Nachweis der Risse benutzt, die dazu korrespondierenden TOFD-Daten liefern die Riss-Höhen.
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Abb 5: Die Defekt-Verteilung des ‚verdeckten' Teststückes wurde nach den Versuchen offengelegt. Die Defekt-Verteilung der Oberfläche wird oben gezeigt. Die korrespondierenden P-Scan-Daten in Draufsicht sind unten dargestellt. Die P-Scan-Daten werden für das Auffinden der Defekte benutzt. Ein Ziel der Versuche war es, die akurate Bestimmung der Schweißnahtlage zu zeigen. Die Position der Schweißnahtmitte, die in der Draufsicht markiert ist, wurde mit einem Abstand von 311 mm zur Kante definiert - die reale Lage hat einen Abstand von 310 mm.
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Die obigen Abbildungen demonstrieren die Anforderungen an die Dokumentation, die vor allem seitens der "Offshore"-Industrie gefordert werden, die im Zusammenhang mit Risiko basierten Prüfprozeduren stehen. Aber diese Anforderungen sind nur ein Aspekt, ökonomische Forderungen ein anderer.
Eine Analyse der Arbeitsbedingungen unter "Offshore"-Bedingungen zeigt dass, wegen des Umfanges der Prüfausrüstung und der Anzahl deren Teile oft zwei Prüfer erforderlich werden und dass ein relativ großer Teil eines Arbeitstages auf den Transport der Ausrüstung zwischen den Prüfstellen entfällt. Diese Tatsachen sowie zusätzlich zu beachtende administrative bzw. sicherheitsrelevante Prozeduren sind für eine niedrigere Produktivität verantwortlich.
Wie kann das FORCE-Institut, als ein Ausrüstungshersteller und Dienstleistungsanbieter, die Produktivität erhöhen? Es ist nicht möglich, Einfluss auf administrative bzw. sicherheitsrelevante Prozeduren zu nehmen. Aber eine bedeutende Verbesserung der Produktivität wird erreicht, wenn man die physische Größe, Gewicht und die Anzahl von Bestandteilen von einem Prüfsystem reduziert. Deshalb wurde das Ultraschall Prüfsystem P·Scan 4 Lite entwickelt, welches im den Bildern 1 und 2 zu sehen ist.
Bild 1: Prüfer, welcher das Prüfsystem P·Scan 4 Lite und den Manipulator AUS-3 trägt. Das Gesamtgewicht des P·Scan 4 Lite, dem Notebook um dem Manipulator AUS-3 ist weniger als 15 kg .
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Bild 2: Das Ultraschall-Prüfsystem P·Scan 4 Lite mit dem Manipulator AUS-3 und der Koppelmittelpumpe WAP-3 (nicht im Bild) arbeitet batteriegestützt. Batterien können während der Prüfung getauscht werden. Ein Batteriesatz erlaubt 4-8 Stunden normaler Bedienung.
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Die System P·Scan 4 Lite ist ein vollständig batteriegestütztes automatisiertes Ultraschall Prüf-System. Das Basissystem besteht aus einem Manipulator mit Antriebsystem, Koppemittelpumpe und Steuerung, welches von einem handelsüblichen Notebook gesteuert wird. Das System erlaubt mit einem Satz an Batterien 4 - 8 Stunden normaler Arbeit. Es hat die gleiche Software-Ausrüstung wie das Standard-Ultraschall-Prüfsystem P·Scan 4. Das Gewicht eines Standard-Systems P·Scan 4 Lite ist geringer als 15 kg. Das System ist so klein und kompakt, dass es als Bedienpersonal nur eine Person erfordert. welche einen bedeutender Faktor zur Kostenreduzierung einer Prüfung darstellt.
Flexibilität ist ein weiterer Punkt, um die Wirtschaftlichkeit von Prüfungen von relevanten Zonen zu beeinflussen. Um eine maximale Flexibilität der Ausrüstung zu erreichen, wurde das System P·Scan 4 Lite so entwickelt, dass es fähig ist mit der ganzen Auswahl an digitalen Manipulatoren des FORCE-Intitutes zusammenzuarbeiten. Das Design des Zubehörs ist für die meisten Manipulatoren gleich und kann leicht ausgetauscht werden. Wenn z.B. ein Manipulator zum Prüfen einer Flugzeug-Tragfläche zum Prüfen eines Stutzens einer Rohrleitung umkonfiguriert werden muss und damit eine flexibles Y-Modul benutzt werden muss, welches 180° des Umfanges abdeckt, muss nur das entsprechende Y-Modul ausgetauscht werden. Dies dauert nur wenige Minuten. Die Software für das System P·Scan 4 und P·Scan 4 Lite ist gleich und beinhaltet die Möglichkeit einer Auswertung nach dem TOFD-Standard.
Die nachfolgenden Bilder 3 bis 6 illustrieren Prüfungen an verschiedenen Komponenten, wobei das Prüfsystem P·Scan 4 Lite und unterschiedliche Manipulatoren benutzt werden.
Bild 3: Prüfung von relevanten Zonen an Schweißnähten mittels TOFD Technik und Verwendung des Manipulators APS-3. Damit können schnell und leicht austenitische als auch ferromagnetische Materialien geprüft werden.
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Bild 4: Prüfung von relevanten Zonen von Kranauslegern bzgl. Korrosion mittels Verwendung des Manipulators AUS-6D. Der Manipulator AUS-6D wird an der Prüfkomponente mittels magnetischer Räder gehalten.
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Bild 5: Prüfung von relevanten Zonen an äußeren Teilen von Kran-Lager-Ringen. Die Ultraschall Prüfung erfordert nicht die Demontage des Kranes und des Lagers, die die traditionelle wiederkehrende Prüfung eigentlich erfordert. Dieses US-Prüfverfahren ist von Zulassungsgesellschaften, wie z.B. dem Germanischen Lloyd, genehmigt.
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Bild 6: Prüfung von relevanten Zonen von inneren Teilen von Kran-Lager-Ringen ein. Die Inspektion wird von einem Prüfer durchgeführt. Diese Prüfung erfordert nur einen Stillstand des Kranes während der Inspektion und die Prüfung kann unterbrochen, wenn der Kran benötigt wird. Dies sichert maximale Flexibilität für die Plattform.
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Bild 7: Die "SIRI" Förderungsplattform. |
Der "SIRI" Fall illustriert die folgenden Elemente eines Prüfplanes: die Identifikation von Bereichen, die überprüft werden müssen, Bestimmung des Zeit-Intervalls für Prüfungen, Auswahl einer optimalen Prüftechnik und der Qualifikation dieser Technik. Die Aspekte der ZfP werden hierbei besonders betont.
Die "SIRI" Plattform wurde als Förderungsplattform entwickelt die über einem Stahl-Zwischenlagerungstank verankert ist. Sie ist im dänischen Sektor der Nordsee bei einer Wasser-Tiefe von 60 Metern stationiert und wird von Statoil betrieben. Der Tank wurde in Mai 1998 installiert und die Plattform sechs Monate später. Die drei Standbeine sind 104 Meter lang und haben einen Außendurchmesser von 3.5 Metern. Die Materialdicke variiert dabei von 65 bis 110 mm. Die Rundschweißnähte wurden auf der Außenseite materialeben geschliffen, der Materialdicken-Übergang ist auf der Innenseite. Die Standbeine wurden mit Aluminium für zusätzlichen Kathoden-Schutz beschichtet. Es wurde eine Betriebsdauer von 30 Jahren geplant. Zusätzlich gibt es eine Druckkammer mit einem Durchmesser von 5.5 Metern. Die zu überprüfenden Nähte reichen bis zu einer Wassertiefe von ungefähr 40 Metern.
Bild 8: In Originalgröße vorhandene Schweißnahtgeometrien inkl. Förderloch . |
Der erste Schritt für die Entwicklung des Prüfplanes für die Standbeine stellte die Auswahl und Lokalisation der zu überprüfenden Nähte dar. Für diesen Zweck wurde eine Abschätzung der Ermüdungsdauer durchgeführt. Basierend auf deren Ergebnissen wurde eine Lebensdauer aufgrund von Materialermüdung von sechs Schweißnähten im dünneren Teil der Standbeine zwischen 87 und 169 Jahren festgestellt. Im zweiten Schritt sollte das Zeit-Intervall für die Haupt-Inspektion festgelegt werden. Hierfür wurden fortgeschrittene Zuverlässigkeits-Berechnungen, die auf Bruch-Mechanik des Maschinenbau basieren, benutzt. Das Zeit-Intervall der Prüfungen kann wegen genauerer POD-Daten bzw. Inspektions-Daten von durchgeführten Prüfungen verändert werden.
Im dritten Schritt sollte dann die anzuwendende Prüf-Art und -Technik ausgewählt werden. Zu diesem Zeck wurde eine getrennte Ausschreibung durchgeführt und eine Anzahl von entsprechenden Firmen wurde eingeladen, an diesem Programm teilzunehmen. Das Programm wurde in zwei Phasen geteilt. In Phase Eins musste eine Konzeption vorgestellt werden, der die Technik, die Ausrüstung und das vollständige Prüfungs-Verfahren beschreibt. Weiterhin musste das Verfahren demonstriert werden, insbesondere wurden alle geforderten Fehlerarten und deren Nachweisgrenzen und die Fähigkeit, die Schweißnähte zu lokalisieren an einem blecheben geschliffenen ‚blinden' Teststück (die Nähte waren nicht erkennbar) überprüft. Diese Versuche würde auch den Prüfplan mit genaueren POD-Daten versorgen. Eine oder zwei Firmen würden danach ausgewählt werden Phase Zwei des Programms stufenweise Durchzuführen.
Phase Eins kann als eine anfängliche Qualifikation der Prüfungstechnik und der Entwicklung des Inspektionskonzeptes betrachtet werden. In Phase Zwei werden alle Elemente, die in dem Konzept der Phase Eins enthalten sind, wie die komplette Prüfausrüstung, Einsatz und Bergung der Ausrüstung und verschiedenen Eventualitätsprozeduren, verifiziert sowie eine letzte Revision des Prüfungs-Verfahrens durchgeführt. Für diese Zwecke wurde ein Teststück von einem Standbein mit unterschiedlichen Schweißnähten in Originalgröße verwendet. Das Prüfstück schloss Defekte ein und hatte einen "offenen" und einen "verdeckten" Teil. Der "offene" Teil wurde zur Modifikation des Prüfungs-Verfahren benutzt. Der "verdeckte" Teil wurde später zur endgültigen Qualifikation des Verfahrens und auch des Prüfpersonals benutzt.
In Phase Eins wurde eine Zahl von Ultraschall- und Wirbelstrom-Verfahren untersucht, die vom FORCE-Institut als Prüftechniken entwickelt worden und praktisch verfügbar waren. Es wurden aber ausschließlich Ultraschall Prüftechniken eingesetzt. Die Impuls-Echo-Technik wird das Auffinden von Defekten und für die Lokalisation der Schweißnähte benutzt. Mit der TOFD Technik wird die Größe von Defekten bestimmt.
Bild 9: "SIRI" Phase Eins Versuche auf Teststück mit ‚verdeckter' linker Seite und ‚offener' rechte Seite zur Verifizierung. Es werden 10 US-Prüfköpfe verwendet - sechs für das Finden von Defekten mittels Impuls-Echo-Technik und vier für die Größenbestimmung mit TOFD-Technik. Alle Daten werden in Echtzeit aufgezeichnet. Ein Standard-Manipulator AWS-5 wurde benutzt.
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Das FORCE Institut wurde als die einzige Gesellschaft ausgewählt Phase Zwei des Programms durchzuführen. Das Konzept vom FORCE Institut basiert auf der Verwendung eines bestehenden üblichen Unterwasser-Manipulators, des AWS - 5UD. Dieser ist für Taucher-Bedienung vorgesehen und kann in einer maximalen Wassertiefe von 100 Metern eingesetzt werde. Die Rahmenkonstruktion müsste für den Einsatz eines Rovers nur leicht modifiziert werden. Das Konzept sah vor das ganze Inspektions-System in einer Halterung einzusetzen, welche einer Standard-Klasse Rover entspricht. Die Manipulatoren des Rovers sollten den US-Manipulator dann zum Prüfobjekt führen. Wenn der Manipulator am Prüfobjekt montiert ist, kann er sich innerhalb der Kabellänge von 20 Metern frei bewegen. Aufgrund von Forderungen anderer Kunden wurde festgelegt, den bestehenden Manipulator AWS-5UD weiterzuentwickeln. Der neue Unterwasser-Manipulator AUS-4 erlaubt einen Einsatz bis zu 400 Metern Tiefe und wurde mit einer speziellen Halterung für Standard-Rover Manipulatoren ausgestattet.
Ein rigoroses Erprobungs-Programm wurde durchgeführt, um alle Funktionen und die Verfahren vor der endgültigen Qualifizierung der Ausrüstung zu verifizieren. Die folgenden Bilder illustrieren verschiedene Phasen dieses Programms.
Bild 10: Test der Prototyp-Konstruktion mit Rover-Führung. Der Test wird mit einem typähnlichen US-Manipulator durchgeführt. Das Steuerungs-System wurde zusammen mit einem erfahrenen Rover Operator entwickelt.
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Bild 11: Diskussion von Details vor der letzten Änderungen. Der Manipulator AUS-4 kann für Rundnähte bis zu Ø 200 mm und Längsnähte bis Ø 2000 mm eingesetzt werden.
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Bild 12: Rahmenkonstruktion einschließlich des vollständigen Prüfsystems aus. Der Manipulator AUS-4 wird auf eine Halterung gesetzt, in welche ein Justierstück integriert ist. Das Kabel-System wird mittels einer Hydraulik des Rovers bewegt. Das Standard P-Scan System 4 ist innerhalb einer übliche Druck-Flasche platziert. Ein Kabel wird mit dem Rover verbunden (optische Faser). Jede Kommunikation (Ultraschall-Daten und Manipulator-Kontrolle) läuft über dieses eine Kabel. Der Manipulator AUS-4 wird mit Beleuchtung und einer um 360° schwenkbaren Kamera ausgestattet. Eine Überwachungskamera ist in der Halterung installiert.
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Bild 13: Unterwasser-Test des vollständigen Inspektions-Systems. Qualifikation der Ausrüstung sowohl "trocken" als auch "nass".
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Bild 14: Kontrollraum während der Qualifikation. Die Qualifikation simulierte reale Arbeitsabläufe soweit als möglich. Die Bedienung von US-Manipulator und Rover-Manipulator erfolgte nur über Kameras.
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Der Dritte Schritt der Entwicklung des Prüfplanes - das Programm für die Auswahl der Prüftechniken und Prüfwerkzeuge - begann Anfang 1999 und wurde Ende Juni 2000 beendet. Die Prüfung fand im Juli 2000 statt. Die Ausrüstung war auf einem Schiff stationiert. Die Standbein-Prüfung wurde in das allgemeine Programm der Unterwasser-Inspektion mittels Rover integriert. Nachdem die Prüfstellen gereinigt und für die Prüfung vorbereitet worden waren, nahm es weniger als eine Woche in Anspruch, um 83 Meter Schweißnaht zu überprüfen (6 Nähte an den Standbeinen und eine an der Druckkammer, welche nicht Bestandteil des Prüfplanes war). Die reine Prüfzeit für die 83 Meter Schweißnaht waren ungefähr 70 Stunden und es gab keine durch das FORCE-Institut zu verantwortende Unterbrechung der Prüfung.
Um die Flexibilität und Produktivität zu vergrößern wird das oben beschriebene System mit einem Wirbelstrom-Prüfsystem ausgestattet. Dies bedeutet, dass das System für eine automatisierte Ultraschall Inspektion (z.B. Schweißnahtprüfung, Korrosionsprüfung usw.), Sichtprüfung und Wirbelstrom-Prüfung gleichzeitig oder in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden kann.
Bild 15: Halterung des Prüfsystems unter dem Rover montiert. Der Rover liefert die Hydraulik für das Kabel-System und zwei Kamera/Licht-Verbindungen für den Manipulator. Manipulator-Kontrolle und Daten-Aufnahme erfordern ein optisches Datenkabel zwischen Rover und Prüfsystem.
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Die Entwicklung des Ultraschall Prüfsystems P-Scan 4 Lite für die Prüfung von relevanten Zonen und des Manipulators AUS-4 sind Beispiele, wie das FORCE-Institut den sich verändernden Anforderungen an die Flexibilität und Produktivität seitens der Industrie stellt.
Die anspruchsvolle Software und die Protokollmöglichkeiten des P-Scan 4 Systems werden ständig weiterentwickelt um den Anforderungen der Systemnutzer als auch der Industrie zu genügen.
Das Ultraschall Prüfsystems P-Scan 4 Lite setzt neue Standards bzgl. der Flexibilität und Produktivität für anspruchsvolle automatisierte Ultraschall Prüfungen an relevanten Zonen.
Der Unterwasser-Manipulator AUS-4 der im "Siri" Fall zum Einsatz kam wurde flexibel konstruiert um auch an anderen Prüfgeometrien für Prüfungen einsatzfähig zu sein. Das System kann benutzt werden, um andere Arten von Inspektionen durchzuführen, z.B. visuelle Inspektionen, Wirbelstrom-Prüfungen oder Wiederholungs-Prüfungen. Die Techniken können einzeln oder zusammen eingesetzt werden. Durch das Kombinieren der unterschiedlichen Techniken wird es z.B. möglich sein, einen bessere Nachweis zu bekommen, ob eine Defekt an die Oberfläche durchbricht oder aber ein Produktionsfehler ist. Das FORCE-Institut wird den Umfang der möglichen ZfP-Techniken ergänzen, so dass mit dem Manipulator AUS-4 mit kleineren Werkzeugen operiert werden können, um kleinere Oberflächendefekte nachweisen zu können.
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