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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schneidladung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Schneidladung zur Zerteilung von Rohren.
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Der Rückbau von Förderleitungen für Öl und Gas gestaltet sich sowohl on- als auch offshore äußerst kostenintensiv. Normalerweise bestehen Förderleitungen aus korrosionsarmen Stahlsorten und werden mittels einer Zementschicht in einem entstandenen Bohrloch befestigt und dabei fluiddicht gegenüber dem umliegenden Gestein versiegelt. Für den Rückbau derartiger Förderleitungen ist es vorgeschrieben, sowohl Stahl- als auch Zement vollständig zu entfernen und dabei das umliegende Gestein so wenig wie möglich zu beschädigen. Klassischerweise erfolgt die Entfernung von Stahl- und Zement durch Aufbohren. Aufgrund der typischen gro-ßen Bohr-Strecken (>> 50 m) ist dies ein langwieriger Prozess. Speziell bei Offshore-Förderleitungen kann dies zu immensen Kosten führen.
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Eine Schneidladung stellt eine bestimmte Bauart für einen Sprengsatz dar, die verwendet wird, um Bauteile aus hochfestem Material zu durchtrennen bzw. zu durchschneiden, z.B. Eisenplatten, Kabel, Träger und/oder Balken wie massive Stahlbetonträger sowie insbesondere auch Rohre. Einfache Schneidladungen werden mitunter als Dachladung oder lineare Hohlladung bezeichnet und sind nach einem Hohlladungsprinzip aufgebaut, vgl. beispielsweise die Druckschrift
EP 0 014 400 B1 . Dabei umfassen diese Schneidladungen typischerweise ein stabförmiges Metallprofil mit einem hochbrisanten Sprengstoffeinsatz, welcher in Längsrichtung mit einer Rinne versehen ist, die sich V-förmig öffnet. Der Sprengstoff wird hierbei innerhalb der Rinne üblicherweise mit einem metallischen Liner abgedeckt. Bei Zündung des Sprengstoffeinsatzes wird aufgrund der V-förmigen Öffnungsgeometrie Energie jetförmig entlang einer linienförmigen, schmalen Fläche freigesetzt, was gezielt zum Zerschneiden hochfester Materialien eingesetzt werden kann.
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Prinzipiell lässt sich eine rohrförmige Struktur schnell in gleichmäßige Teile zerlegen, indem eine Vielzahl von Schneidladungs-Trichtergeometrien innerhalb der Struktur gewissermaßen überkreuzt werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass sich die mögliche Materialstärke zu den Knotenpunkten hin stetig reduziert, was ggf. die Schneidleistung beeinflussen kann, wenn sich in diesem Bereich ein Materialversagen der Schneidladung während der Beschleunigungsphase einstellt und die Schneidladungsgeometrie dort partikuliert.
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Die Druckschrift
GB 2 533 844 A beschreibt ein Schneidwerkzeug.
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Die Druckschrift
GB 2 175 674 A beschreibt eine explosive Schneidvorrichtung.
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Die Druckschrift
US 4 018 293 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontrollierten Frakturierung von unterirdischen Formationen.
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Die Druckschrift
US 4 037 539 A beschreibt einen zylindrischen Gefechtskopf mit spiralförmigen Kanälen, die entlang seines Umfangs angeordnet sind. Ein Mittelteil des Zylinders enthält einen Sprengstoff und axial angeordnete Zünder.
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Die Druckschrift
US 4 043 266 A beschreibt eine Hohlladungskonstruktion und ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlladungsauskleidung.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lösungen für den effektiven und dennoch schnellen und kostengünstigen Rückbau von Rohren zu finden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schneidladung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Demgemäß ist eine Schneidladung zur Zerteilung von Rohren vorgesehen. Die Schneidladung umfasst einen zylindrischen Sprengstoffkörper aus einem Sprengstoffmaterial; und eine zylindrischen Außenhülle, welche den Sprengstoffkörper umgibt und in welche über eine Mantelfläche der Außenhülle hinweg derart eine Vielzahl von Schneidkerben eingearbeitet ist, dass die Außenhülle auf der Mantelfläche von den Schneidkerben in eine Vielzahl von Hüllenteilen unterteilt wird, die jeweils von den Schneidkerben umrandet sind, wobei die Mantelfläche von den Schneidkerben in ein rautenförmiges Muster mit rautenförmigen Hüllenteilen unterteilt wird; wobei der Sprengstoffkörper dazu ausgebildet ist, die Außenhülle bei Zündung an den Schneidkerben zu zerbersten.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine einfache zylindrische Sprengladung mit einer komplexen Außengeometrie zu versehen, welche bei Zündung und anschließender Umsetzung der Sprengladung ein hoch effektives Schneidladungsprojektil über die gesamte Mantelfläche erzeugt. Hierzu weist die Außengeometrie ein, insbesondere regelmäßiges, Muster aus sich überkreuzenden Schneidkerben als Sollbruchstellen auf, zwischen denen Hüllenteile, d.h. flächige Elemente der Außenhülle, abgegrenzt sind. Aufgrund der radialen Druckwelle der gezündeten Sprengladung zerbirst die Außenhülle an den Schneidkerben, wodurch an diesen Stellen Schneidladungsprojektilstränge erzeugt werden, die sich mit hoher Geschwindigkeit radial nach außen bewegen und zur Zerteilung von umliegenden Körpern, insbesondere Rohren, genutzt werden können. Bei entsprechender Auslegung der Außengeometrie kann über die Mantelfläche hinweg ein enges Geflecht und/oder Gitter aus derartigen Projektilsträngen generiert werden, wodurch eine flächendeckende Schädigung eines umliegenden Körpers erreicht werden kann. Die zwischen diesen Schneidladungsprojektilsträngen verbleibenden Hüllenteile werden aufgrund ihrer größeren Masse und Trägheit entsprechend langsamer beschleunigt und treffen mit Verzögerung auf die vorgeschädigten Stellen des umliegenden Körpers und zerlegen verbleibende Reste des Körpers endgültig.
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Ein erheblicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung besteht in der einfachen und kostengünstigen Herstellung, da ausschließlich die Außenhülle eine komplexere Geometrie aufweist. Aufgrund der zylindrischen Innenkontur dieser Hülle kann das Bauteil beispielsweise mittels einer konventionellen CNC-Drehmaschine mit angetriebenen Werkzeugen hergestellt werden. Die Schneidkerben können beispielsweise einfach eingefräst werden. Insbesondere in der Öl- und Gasindustrie können mittels derartiger erfindungsgemäßer Schneidladungen Rohrleitungen in gleichmäßige, kleine Stücke zerteilt werden. Dies ermöglicht einen deutlich schnelleren und kostengünstigeren Rückbau von Leitungen als mit dem herkömmlichen Aufbohren der Leitungen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß der Erfindung wird die Mantelfläche von den Schneidkerben in ein rautenförmiges Muster mit rautenförmigen Hüllenteilen unterteilt. Die Schneidkerben können hierbei derart verteilt und geformt werden, dass Größe, Form und Dichte der gebildeten Projektilstränge und Hüllenfragmente über die Mantelfläche hinweg optimal an den entsprechenden Anwendungsfall angepasst wird. Dicke und Dichte der Außenhülle können ebenfalls entsprechend gewählt werden, um eine optimale Detonationswirkung der Schneidladung zu erreichen.
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Gemäß einer Weiterbildung können die Schneidkerben sich als Schraubenlinien um die Mantelfläche der Außenhülle winden. Die Schneidkerben können derart besonders einfach mittels einer Drehmaschine oder dergleichen in die Zylinderoberfläche der Außenhülle eingebracht werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Außenhülle aus einem metallischen Material gefertigt sein. Beispielsweise kann eine hochdichte und gut verformbare Metalllegierung verwendet werden, um das entstehende Schneidprojektil mit optimalen Eigenschaften zu versehen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Außenhülle zumindest eines von Kupfer und Nickel aufweisen. Beispielsweise kann die Außenhülle aus einer Kupfer und/oder Nickel-Legierung gefertigt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung können die Schneidkerben mit Kerbgründen mit einem abgerundeten Profil ausgebildet sein. Aufgrund des abgerundeten Profils kann die durch die Kerbgründe hindurch beschleunigte Masse vergrößert und die Effektivität der Schneidladung weiter verbessert werden, z.B. im Vergleich zu einem spitz zulaufenden V-Profil.
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Gemäß einer Weiterbildung können die Kerbgründe ein elliptisches Profil aufweisen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Schneidladung weiterhin einen Innenkern umfassen. Der Innenkern kann axial verlaufend innerhalb des Sprengstoffkörpers angeordnet und aus einem inerten Material gefertigt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Schneidladung weiterhin zwei axiale Endkappen umfassen. Die Endkappen können den Sprengstoffkörper zusammen mit der Außenhülle einschließen. Die Endkappen können dazu dienen, eine axiale Verpuffung der Detonationsleistung zu verhindern und die axiale Ausbreitung der Detonationsenergie soweit als möglich einzuschränken.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Schneidladung mit einer Längserstreckung zwischen 0,1 m und 100 m zur Zerteilung von Rohren ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schneidladung eine Längserstreckung von wenigen Metern aufweisen. In konkreten Anwendungen können jedoch auch größere Längen mit mehreren zehn Metern sinnvoll sein.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 schematische perspektivische Ansicht einer beispielhaften Schneidladungsanordnung für die Zerteilung eines Rohres;
- 2 schematische perspektivische Ansicht einer Schneidladung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für die Zerteilung eines Rohres; und
- 3 schematische Schnittansicht der Schneidladung aus 2.
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Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Um ein Rohr bzw. eine rohrförmige Struktur mittels Schneidladungen von innen in gleichmäßige Stücke zu zerteilen, ist es grundsätzlich möglich eine überkreuzte Schneidladungsgeometrie bereitzustellen. Dies ist mittels herkömmlicher einfacher Schneidladungsauslegungen jedoch nur schwierig zu realisieren, da sich die Materialstärke zum Knotenpunkt hin stetig verringert und so ein Materialversagen während der Beschleunigungsphase kaum zu verhindern ist.
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Ein Lösungsansatz zur Umgehung dieses Problems ist in 1 dargestellt. Hier wird eine schematische perspektivische Ansicht einer beispielhaften Schneidladungsanordnung 12 für die Zerteilung eines Rohres (nicht abgebildet) gezeigt.
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In dieser beispielhaften Ladungsanordnung 12 wird das oben geschilderte Problem umgangen, indem einzelne sich nicht kreuzende und räumlich beabstandete Schneidladungen 1' um eine Zylinderoberfläche herum angeordnet werden. Wie in 1 sichtbar ist, sind die einzelnen Schneidladungen 1' hierbei axial ausgerichtet und durch Stege 11 voneinander getrennt. Zum Gebrauch kann die Schneidladungsanordnung 12 in ein bestehendes Rohr eingeführt und anschließend gezündet werden, z.B. in eine Förderleitung für Öl oder Gas, welche demontiert werden soll.
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Bei Zündung der Ladungsanordnung werden von den Schneidladungen 1' axial ausgerichtete Jets ausgestoßen, sogenannte Schneidladungsprojektile, die auf das umliegende Rohr treffen und dieses in axialer Richtung aufschneiden bzw. aufbrechen. Die Stege 11 bilden hierbei Spalte zwischen den einzelnen beschleunigten Schneidladungs-Jets. In dem umliegenden, zu zerteilenden Rohr verbleiben an diesen Stellen aus diesem Grund ebenfalls Stege, sodass das Rohr ggf. nicht vollständig zerteilt wird. Dies kann im Ergebnis dazu führen, dass die Rohrleitung nicht kollabiert und/oder verstopft. Bei sehr großen Sprengladungen können die in dem Rohr verbleibenden Stege zwar gegebenenfalls durch die Druckwirkung des Sprengstoffes gebrochen werden. Allerdings ist dies bestenfalls bei einer außerordentlich großen Menge Sprengstoff denkbar, die in typischen Anwendung kaum noch wirtschaftlich sein dürfte.
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Weiterhin ist zu beachten, dass leistungsfähige Schneidladungen 1' in dem Aufbau von 1 oder einem vergleichbaren Aufbau typischerweise eine sehr komplexe Innenkontur aufweisen. Diese sind zudem mit höchster Präzision (Toleranzen < 0,01 mm) herzustellen, was bei dünnen Wandstärken von unter 1 mm in Kombination mit weichen Materialien, wie beispielsweise Kupfer oder Nickel basierten Legierungen, äußerst herausfordernd ist. In vielen Fällen kann dies zu unwirtschaftlichen oder technisch nur unter extrem hohen Aufwand herstellbaren Ladungsdesigns führen.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Schneidladung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welche diese Probleme umgeht. 3 zeigt die Schneidladung 1 in einer Schnittansicht.
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Die Schneidladung 1 in 2 und 3 ist zylinderförmig (mit kreisförmigen Querschnitt) ausgebildet und umfasst einen axial verlaufenden Innenkern 4 aus einem inerten Material. Der Innerkern 4 ist von einem zylindrischen Sprengstoffkörper 2 aus einem Sprengstoffmaterial umgeben. Eine zylindrische Außenhülle 3 aus einem dichten aber weichen Metallmaterial wie Nickel oder Kupfer umgibt wiederum den Sprengstoffkörper 2. Zwei axiale Endkappen 5 schließen den Sprengstoffkörper 2 zusammen mit der Außenhülle 3 ein.
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Die zylindrische Außenhülle 3 weist über eine Mantelfläche 6 hinweg eine Vielzahl von kreuzförmig eingefrästen Schneidkerben 7 auf, die sich als Schraubenlinien um die Mantelfläche 6 herum winden und diese in ein Rautenmuster unterteilen. Die Schneidkerben 7 umranden vorliegend hierbei eine Vielzahl von rautenförmigen Hüllenteilen 9 der Außenhülle 3. Die Schneidkerben 7 dienen hierbei als Sollbruchstellen (vergleichbar einer Fragmentierungshülle zur kontrollierten Splitterbildung), die bei Zündung der Schneidladung 1 aufgebrochen werden. Die Außenhülle zerbirst somit an diesen Stellen und es werden Schneidladungsprojektilstränge radial nach außen von der Mantelfläche 6 entlang der Schneidkerben 7 abgestoßen.
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Zur kontrollierten Detonation umfasst die Schneidladung 1 weiterhin eine Zündung 10, welche die üblichen Komponenten wie Booster und Detonator oder andere Initiierungssysteme umfassen kann (z.B. elektronische Initiatoren, wie Folienzünder oder dergleichen).
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In der vorliegenden Lösung sind die Schneidkerben 7 mit Kerbgründen 8 mit einem abgerundeten, elliptischen Profil ausgebildet. In Kombination mit dem gut verformbaren Metallmaterial der Außenhülle 3 kann dadurch eine Art Schneidprojektil mit einem Netz bzw. Gitter aus Projektilsträngen und dazwischenliegenden ebenfalls beschleunigten Hüllenteilen 9 generiert werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Schneidladungen ist bei der vorliegenden Überkreuzung der Schneidkerben 7 ein Geschwindigkeitsgradient einstellbar, welcher bei einer geeigneten Auslegung nicht zu einer Partikulierung bzw. einem Zerreißen des entsprechenden Schneidladungsprojektils führt.
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Nach einer Zündung der Schneidladung 1, d.h. des Sprengstoffkörpers 2, wird die die Außenhülle 3 in den Kerbgründen 8 jeweils zu einem Schneidladungsprojektilstrang umgeformt. Im Ergebnis gehen somit gekreuzte Schneidladungsprojektilstränge von den Schneidkerben 7 aus, die anschließend innenseitig auf das zu zerteilende Rohr treffen, z.B. ein Stahlrohr. Danach treffen die ebenfalls radial beschleunigten, jedoch deutlich langsameren, rautenförmigen Hüllenteile 9 der Außenhülle auf die entsprechend vorgeschädigten Stellen. Dabei wird das Rohr an den Einschlagstellen der Schneidladung 1 zerstört bzw. abgebrochen. Ein eventuell um das Rohr vorhandener Zementmantel wird anschließend von den Hüllenteilen 9 zermalmt. Die Länge der Schneidladung 1 ist dabei lediglich von sekundärer Bedeutung, da die Schneidladungs-Jets innerhalb weniger µs ausgebildet werden. Beispielweise kann die Schneidladung 1 eine Längserstreckung von wenigen bis einigen Metern aufweisen.
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Im Ergebnis wird eine einfach und kostengünstig herzustellende Schneidladung 1 bereitgestellt, die Rohre und andere umliegende Körper in hoch effektiver Weise aufbrechen bzw. zertrümmern kann.
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In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
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Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Schneidladung
- 2
- Sprengstoffkörper
- 3
- Außenhülle
- 4
- Innenkern
- 5
- Endkappe
- 6
- Mantelfläche
- 7
- Schneidkerbe
- 8
- Kerbgrund
- 9
- Hüllenteil
- 10
- Zündung
- 11
- Steg
- 12
- Schneidladungsanordnung