Всевидящий ультразвук

| 164

Разработки томских ученых и инженеров в области неразрушающего контроля можно встретить в самых разных странах. Приборы помогают искать дефекты в важнейших деталях газопроводов, самолетных двигателей, на границе Малайзии и Сингапура — проверять крупногабаритные грузы. Инженерная школа неразрушающего контроля в Томском политехническом университете сегодня входит в топ-10 организаций неразрушающего контроля России, а ее разработки позволили томскому вузу войти в число крупнейших экспортеров страны. 

 
О том, какие научные исследования лежат в основе этих разработок, рассказал руководитель инженерной школы и Международной научнообразовательной лаборатории неразрушающего контроля ТПУ кандидат технических наук Дмитрий Андреевич Седнев

 
Дмитрий Андреевич, исследования, которыми занимаются в школе, имеют фундаментальный характер или только нацелены на внедрение? 

Главное направление заложено в названии школы — исследования в области неразрушающего контроля. Ученые создают приборы, которые позволяют проводить контроль качества изделия, не разрушая его. При этом мы работаем и на фундаментальном уровне. Большие группы специалистов занимаются разработками в области фотоники, которая также представляет собой область наших интересов. В дальнейшем эти исследования эволюционируют и переходят на уровень промышленного применения. 

Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности работает в рамках всей цепочки жизненного цикла разработок — от фундаментальных исследований до конечного продукта промышленности. 

 
Расскажите подробнее о главных направлениях. 

 
Сфера неразрушающего контроля представляет собой область «сквозных технологий». Все опасные промышленные объекты подлежат периодическому эксплуатационному контролю, в том числе при вводе в эксплуатацию и выводе из нее. Но есть также объекты, которые необходимо контролировать во время изготовления. 

Фокус нашего внимания сосредоточен на машиностроении, которое покрывает многие другие направления — от нефтяной промышленности до ядерной энергетики. Отдельно я бы выделил транспортировку нефти и газа, аэрокосмическую тематику. В последней применяются современные композиционные материалы и аддитивные технологии. Наукоемкость таких разработок по- настоящему велика. 

 
Только за прошлый год ваша школа в интересах промышленных партнеров выполнила ряд работ на сумму 200 млн рублей. Как вы выстраиваете отношения с промышленными партнерами? 

Существует сразу несколько сценариев. Например, мы оказываем экспертные услуги, используя весь накопленный опыт, обеспечивая качество создаваемых изделий. Специалисты школы разрабатывают методики контроля и обучают других. 

Помимо этого, мы сами проводим контроль. В нашем распоряжении уникальная приборная база, которая в сплаве с достаточно глубокой научной экспертизой позволяет нашим партнерам получать необходимый результат. Некоторые организации обращаются к нам, когда им важно получить экспертное мнение сторонней организации для разрешения спорной ситуации. 

Другой важный аспект взаимоотношений связан с обеспечением безопасности и контроля качества электронной бортовой аппаратуры. У нас есть инновационные стенды, позволяющие контролировать микросхемы и другие элементы, которые в дальнейшем становятся частью современных спутников. Благодаря специальной процедуре мы можем предсказать, насколько долго конкретное изделие будет работать в условиях космоса. На специальной площадке мы имитируем космические условия и по итогам даем заключение о возможности или невозможности применения тех или иных электронных компонентов в реальных спутниках, работающих на орбите. 

И, конечно, важное направление сотрудничества связано с поставкой приборов. Например, несколько десятилетий Томский политехнический университет славится разработкой бетатронов. Они до сих пор востребованы, при этом мы постоянно совершенствуем технологию и открываем для себя новые сферы применения. Для каждого конкретного заказчика мы производим приборы с определенными техническими характеристиками. Подчеркну, что речь идет о разработке с высокотехнологичным инжинирингом и высокой степенью наукоемкости. 

Для предприятий мы выполняем также научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИР и НИОКР). Подобные разработки мы создавали с нуля для ITER — проекта международного экспериментального термоядерного реактора, а также для компании «Газпром трансгаз» и Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С.А. Чаплыгина. 

И последнее важное направление сотрудничества с промышленными партнерами проходит в формате государственно-частного партнерства. Речь идет о совместном участии в федеральных программах и грантовой поддержке разработок для предприятий. Финансирование осуществляют и правительство, и министерства, и предприятия промышленности. 

В рамках партнерства в этом году мы завершаем проект Томского электромеханического завода. Проект предполагает создание уникального комплекса по контролю задвижек клапанов для газопроводов. Подобные изделия имеют большой диапазон размеров и сильно различаются по весу — от 300 кг до 15 т. Для нас этот проект стал настоящим вызовом. Необходимо было провести исследования по многочисленным объектам, при этом сохранить качество и получить достоверный результат. К этой задаче мы подключили всех — не только специалистов нашей школы, но и физиков Инженерной школы ядерных технологий, сотрудников Инженерной школы новых производственных технологий, Инженерной школы робототехники и информационных технологий политехнического университета. Их поддержка внесла неоценимый вклад. Подобная интеграция позволяет достичь уникальных результатов и создать решения, которых не найти на рынке. 

Действительно, мы стараемся работать с промышленными партнерами в разных направлениях, стремясь создавать только качественные продукты по промышленным стандартам качества и безопасности. Как мне кажется, именно такие продукты нужны индустриальным партнерам. 

 
Какие научные коллективы объединяет ваша школа? 

Сейчас в Инженерной школе неразрушающего контроля и безопасности работают 230 человек. 

Все они объединены в разные группы. Есть два отделения, которые занимаются преподавательской и инженерной деятельностью. Отделение электронной инженерии занимается космическими технологиями. А отделение контроля и диагностики сосредоточено на приборостроении, контроле качества, техносферной безопасности и комплексном управлении безопасностью предприятия. 

Помимо этого у нас есть региональный центр аттестации, контроля и диагностики, специалисты которого как раз работают с предприятиями и осуществляют консультационные и экспертные услуги, в том числе профессиональный неразрушающий контроль с выдачей всех разрешительных заключений о дальнейшей эксплуатации тех или иных приборов. Специалисты центра обучают сотрудников предприятий и аттестуют их по неразрушающему контролю. 

Научное ядро включает в себя лаборатории по бетатроностроению. Одна из них работает над приборами по контролю качества, то есть дефектоскопическими бетатронами. Другая лаборатория сосредоточена на бетатронах, используемых для досмотровых целей. Речь идет о досмотре груза или багажа на транспортных средствах, пересекающих границы или подъезжающих к опасным предприятиям. 

В структуру входит также Центр промышленной томографии. Он был создан при реорганизации в 2017 г. и объединил четыре самостоятельных подразделения. Нельзя не упомянуть одно из них — лабораторию теплового контроля. Профессор В.П. Вавилов — главный идеолог и разработчик всех принципов современной тепловой томографии, которые используются сегодня в России и востребованы в других странах. Например, последний заказ поступил от Министерства обороны Индии. 

Другая лаборатория занимается разработкой современных бетатронов. Специалисты больше сосредоточены на исследовании — то есть на нестандартном применении этих приборов. Одно из важных направлений посвящено медицинскому применению бетатронов для интраоперационной терапии. Мы работаем в тесной связке с коллегами из Томского национального исследовательского медицинского центра РАН. Нам удалось найти промышленных партнеров — АО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решет- нева из Железногорска. Они готовы предложить собственную площадку и выступить в качестве инвесторов проекта и соразработчиков. Компания имеет богатый опыт разработки высокоточных космических систем. Поэтому они смогут быстро перепрофилировать производство под разработку систем позиционирования. 

Третья лаборатория, которая входит в Центр промышленной томографии, — Российско-китайская лаборатория досмотровых систем. Специалисты разрабатывают алгоритмы обработки сигналов как для томографических, так и для досмотровых устройств. Сотрудничество с китайскими партнерами началось пять лет назад. Результат — приборы, обеспечивающие непрерывный контроль автотранспорта в Сингапуре, Китае, Малайзии. Одно из ноу-хау, которое они применили, позволяет не только видеть очертания объектов внутри грузового транспорта, но и определять за счет разности поглощения рентгеновского спектра, к какой группе атомных номеров относится тот или иной груз. Анализ проводится автоматически, после чего оператор видит сигнал о потенциально опасном объекте (взрывчатых веществах, наркотических средствах и пр.). 

В сотрудничестве с коллегами из Российского технологического университета (МИРЭА) и предприятия «Диагностика-М» несколько мобильных комплексов создано и в России. Они обеспечивали безопасность на таких знаковых мероприятиях, как Олимпийские игры в Сочи, при строительстве моста через Керченский пролив. Основа мобильного комплекса — грузовой автомобиль с установленными бетатроном и детектором, который приезжает на объект и помогает при проверке транспорта. 

Четвертую лабораторию — Международную научно-образовательную лабораторию неразрушающего контроля — возглавляю я. Она была создана в 2010 г. В рамках программы международного сотрудничества российских вузов и научных организаций с учеными мирового уровня и ведущими зарубежными научно-образовательными центрами в сферах науки, образования и инноваций (Постановление Правительства № 220) мы пригласили ведущего ученого Ханса-Михаэля Кренинга, бывшего директора Фраунгоферовского института неразрушающих методов контроля (Германия). 

Именно он создал эту лабораторию, которая процветает и сегодня. Ученый до сих пор работает в ней и время от времени приезжает. Однако условия нынешней пандемии диктуют свои правила. Между тем Ханс-Михаэль Кренинг активно включен в деятельность лаборатории и представляет ее интересы за рубежом. 

Сотрудники лаборатории разрабатывают современные методы ультразвукового и оптического контроля, а также приступают к созданию роботизированных комплексов на основе вихретоковых методов. 

Каждый коллектив по-своему силен. Научная школа Томского политеха, которая была заложена достаточно давно, продолжает крепнуть в области как рентгеновского излучения, так и тепловизион- ных систем. Все фундаментальные исследования позволяют нам двигаться вперед уверенным шагом. И несмотря на то что история научной школы насчитывает много десятков лет, в нашу отрасль приходит много молодых ученых, которых мы сразу привлекаем к работе над большими проектами. 

 
Мне кажется, вы вдохновляете и собственным примером. Недавно вы получили медаль Российской академии наук. Какие исследования были отмечены этой наградой? 

Это исследование я начал, будучи студентом, когда в 2010 г. присоединился к лаборатории профессора Кренинга. Надо сказать, что мое базовое образование не связано с приборостроением или неразрушающим контролем. Я физико-техник. Область моих интересов была связана с ядерными технологиями и обеспечением безопасности атомных станций. Когда я попал в лабораторию, то открыл для себя неразрушающий контроль. При этом я продолжал работать в области безопасности и нераспространения ядерных материалов. Необходимо было решить задачу обеспечения сохранности ядерного топлива. Ядерные отходы, как правило, помещаются в контейнеры, которые хранятся более 50 лет в специальных помещениях или резервуарах. Вы должны быть уверены, что контейнер не вскроют, не украдут или не заменят на другой. Изучая этот вопрос, мы поняли, что неразрушающий контроль может сыграть решающую роль. 

 
В США подобный подход применялся для контроля корпусов ракет с ядерными боеголовками в рамках договора СНВ-I. Оказалось, что сварное соединение обладает уникальными признаками: распределение крупных зерен внутри сварного соединения всегда разное. Это словно отпечаток пальца. Благодаря ультразвуковому контролю мы можем достоверно определять элементы внутри шва и точно идентифицировать контейнер. Ряд исследований я проводил в рамках выпускной квалификационной работы, в которой доказывал принципиальную возможность таких разработок. 

Затем в аспирантуре я исследовал внешние факторы, которые могут повлиять на достоверность сигнала. Далее уже в рамках федеральной целевой программы мы разрабатывали опытную систему для ультразвукового контроля и интерпретации отпечатка сварного соединения. Работы были успешно выполнены, а диссертацию я защитил в ходе работы над проектом. 

 
Готовится к запуску проект с Томским электромеханическим заводом — участок для поиска дефектов в деталях газопроводов. На получение каких результатов нацелен проект? 

Это яркий пример государственно-частного партнерства, о котором я упоминал. Мы проанализировали потребности заводов, которые обновляют оборудование и ищут новые решения. Ведь разрабатывать что-то новое нужно для тех, кто создает инновационные продукты. На наше счастье, Томский электромеханический завод активно работал с «Газпромом» по программе импортозамещения. Они поставили перед собой весьма амбициозную задачу по созданию клапанов газопроводов. Ясно, что такие клапаны должны выдерживать высокое давление. Внутренние диаметры таких клапанов — от 150 до 1200 мм. В этой области особое значение отводится именно контролю качества. 

Совместно с директором завода, выпускником ТПУ И.И. Пушкаревым мы решили взяться за эту задачу. Подчеркну, что проект совместный. Он касается не только методов неразрушающего контроля, но и всей цепочки интеллектуального производства. В рамках проекта мы работали сразу в трех направлениях. 

Во-первых, группа специалистов создавала системы томографии крупногабаритных объектов. К сожалению, в России их не так много и нет собственного налаженного производства. Между тем наш комплекс значительно меньше, чем зарубежные аналоги. Ведь он сделан не на основе линейного ускорителя, а на основе бетатрона — малогабаритного ускорителя, разработанного в Томском политехе. 

Во-вторых, мы работали над комплементарным методом контроля, отличным от традиционного — ультразвукового. Главная цель — дать оператору возможность видеть объект в режиме трехмерного изображения. 

Третья задача была связана с оптическим контролем. Мы понимали, что литье, которое вышло из формы, отличается от изначальной модели. Но для того чтобы проводить ультразвуковую томографию, необходимо максимально точно позиционировать чувствительный элемент — ультразвуковой преобразователь. Речь идет о том, насколько мелкие дефекты вы сможете увидеть. Как правило, это число на уровне сотен микрометров. Важно отметить, что разница между отлитой деталью и моделью — не заводская или технологическая ошибка, а естественные технологические допуски, которые затем корректируются механообработкой. 

Чтобы провести качественный контроль, нам потребовались роботизированные манипуляторы. Используя лазерные профилометры, которые помещали на роботизированные манипуляторы, мы достаточно быстро получаем облако точек, по которому уже можно выстраивать трехмерную модель конкретной задвижки. А далее в работу вступают роботы, которые осуществляют дальнейший контроль. 

Сотрудничество с промышленными партнерами требует правильного выстраивания коммуникаций. Недостаточно просто говорить на одном языке, необходимо совместно обсуждать возникающие проблемы и трудности. Все проекты выглядят красиво лишь на бумаге. Но на деле вы постоянно сталкиваетесь с тонкостями и нюансами, когда выходите на площадку. 

И для нас, и для ТЭМЗ это значимый опыт разработки и интеграции наукоемких изделий, а также опыт непосредственной работы с промышленностью. Большая удача, что они оказались здесь, логистически все проходит достаточно просто. На протяжении последнего года сотрудники нашей школы работают на производственной площадке. 

 
Не могу не спросить про ITER и про самый большой томограф, разработанный вашими учеными. С какими сложностями вы столкнулись? И на какой стадии находится внедрение? 

 
Сейчас томограф находится на стадии опытной эксплуатации. Специалисты осуществляют техническую поддержку. Возможно, нам бы удалось ввести томограф в промышленную эксплуатацию раньше — в апреле или мае. Но из-за условий пандемии множество специалистов физически не могли оказаться на площадке. Но я надеюсь, что мы проведем эту работу до августа. 

Основные сложности, с которыми мы столкнулись, связаны, конечно, с размерами и структурой объекта. Необходимо учитывать множество факторов, которые вносят погрешности в результаты контроля. 

Нам как ученым очень повезло. Оказалось, что мы осуществляем контроль первой стенки, которая непосредственно контактирует с плазмой и находится внутри термоядерного реактора. Однако сложность в том, что этот барьер состоит из множества биметаллических и мультиметаллических соединений. Это ставит перед нами крайне интересные задачи: в каждом металле свой коэффициент распространения ультразвука. При этом на границе металлов происходят отражение, рассеивание и фильтрация всех сигналов. Для нас это высший пилотаж! 

К счастью, здесь нам помогают коллеги из компании «Акустические контрольные системы» и Московского энергетического института, а также коллеги из Фраунгофера. Такой большой международной командой мы решали те амбициозные задачи, которые открылись перед нами в ходе реализации проекта. 

Отрадно и то, что наши результаты не остались незамеченными. Сейчас мы обсуждаем с учеными из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН возможность создания методики и дальнейшей разработки систем контроля для их собственных габаритных комплексов. Здесь как нельзя кстати придется наш опыт работы с Томским электромеханическим заводом. Я думаю, что это будет интересный сплав, поскольку коллеги из РАН работают над глубокой экспертизой фундаментального понимания процессов с точки зрения материаловедения. Их опыт позволит нам приобрести новые знания, а наши навыки помогут им решить поставленные задачи. 

 
Конечно, это не единственный пример эффективной работы с академией наук. Здесь нельзя не упомянуть проект по созданию медицинского бетатрона, который не был бы реализован без помощи академика РАН Е.Ц. Чойнзонова — директора НИИ онкологии ТНИМЦ РАН. У него богатый многолетний опыт эксплуатации бетатронов для интраоперационных целей. Во время операции по удалению раковой опухоли либо на нее саму, либо на ее ложе точечно направляется высокая доза ионизирующего излучения, выработанного бетатроном. При этом оставшиеся после операции раковые клетки погибают. Тем самым миниминизируется возможность рецидива. 

 
Важно, чтобы такой формат сотрудничества продолжал поддерживаться, а индустриальных партнеров становилось больше. Эта самый благоприятный для нас сценарий. Мы как раз выполняем некоторую интеграционную функцию — объединяем опыт, готовим кадры, знаем, как общаться с промышленностью, и используем фундаментальные знания, которые сосредоточены в академии наук. Треугольник, который выстраивается сегодня, показывает свою эффективность и способность комплексно решать новые задачи. Все чаще поступают конкретные запросы от промышленности. Однако нам уже нужно переходить от локальных исследований к комплексным научно-техническим проектам и программам, которые закроют пробелы целой отрасли. Только так мы сможем претендовать на серьезные успехи, в том числе на международной арене. 

 
Вы последовательно шли к большой науке. Все ли задуманное удалось реализовать? В каких направлениях вы планируете развиваться? 

 
Конечно, самое грандиозное еще впереди. По крайней мере, хочется в это верить. Разумеется, не все запланированное удавалось в силу разных причин, какие-то проекты или контракты, к сожалению, не состоялись. Однако это нисколько не влияет на общую линию развития и позитивную динамику. 
 
Оглядываясь назад, я вижу наш путь — от выполнения локальных задач до комплексных решений, над которыми мы сейчас работаем. Сегодня нам под силу сложные задачи. 

Если говорить про науку, то я мечтаю о создании целой линейки томографов, которые будут продаваться как в России, так и за рубежом. Как мне кажется, у нас для этого есть необходимые компетенции, знания и умения. Однако это вопрос дальнейшей проработки и вывода на рынок, разработки маркетингового анализа и других аспектов. 

Как исследователь я планирую написать докторскую диссертацию, которая продолжит тему ультразвукового контроля и тех разработок, которые были созданы под моим руководством. 

Если говорить про инженерную школу в целом, то я вижу большую интеграцию в системы непрерывного мониторинга, в системы обеспечения качества, которые станут полностью автоматизированными. Прямо сейчас мы работаем с большими данными. Поэтому в идеале необходимо создать модульную систему, которая позволит контролировать объект с помощью различных физических методов. Здесь также потребуется программный комплекс, который будет обобщать результаты аналитики и предоставлять оператору полную интегрированную картину, а также варианты решения относительно целесообразности эксплуатации конкретного объекта. 

Как для руководителя школы мне важно, чтобы она продолжала развиваться. Хочется видеть больше молодых ученых, которые будут привносить что-то новое. Я планирую увеличить контингент студентов и общий состав исследователей, преподавателей. Сфера наших интересов — достаточно особая. Очень хочется эту уникальность сохранить и стать центром научного притяжения. 

 
Беседовала Анастасия Пензина 

 "В мире науки" №7, 2020