Диагностика для реактора. "В мире науки" №1-2, 2019 г.

Мы все привыкли проходить те или иные медицинские исследования — флюорографию, рентген, УЗИ, КТ, МРТ... Эти методики так или иначе помогают заглянуть внутрь организма, распознать патологию и принять правильное решение о лечении. Оказывается, подобные методики сегодня применимы далеко не только к живым организмам, но и к промышленным и техническим объектам в целях сохранения целостности конструкции и их безопасности для человека и окружающей среды. О том, как этого удается достичь, — наш разговор с Дмитрием Андреевичем Седневым, директором Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Томского политехнического института.

• Каковы главные цели вашей работы?

Основная цель нашей школы — разработка систем и методов контроля различных технических систем. Мы создаем приборы, которые позволяют заглянуть внутрь объекта, увидеть его внутреннюю структуру, понять, какие дефекты там есть, а затем предложить способы их исправления либо принять решение, стоит ли использовать этот объект в дальнейшем.

Исторически сложилось, что в ТПУ был создан научно-исследовательский институт интроскопии. что буквально понимается как «заглянуть внутрь». Этот институт специализировался на ускорительной технике — так называемых бетатронах. С научной точки зрения это циклический ускоритель заряженных частиц, а с практической — мощная рентгеновская трубка, которая позволяет разогнать частицы до значительной энергии и потом выпустить поток гамма-квантов. Как на рентгеновском аппарате человеку смотрят легкие, так же мы исследуем изнутри контейнер или любое техническое устройство.

С течением времени эти устройства совершенствовались. находили новое применение, в том числе медицинское. А в последние четыре года у нас основной упор делается на томографии.

• В чем ее основное отличие от предыдущих разработок?

Это не просто получение плоскостных изображений. Мы получаем трехмерное изображение структуры объекта. Такое возможно за счет того, что мы делаем многоракурсную съемку— то есть под разными углами проводим контроль различными физическими методами, а потом восстанавливаем модель объекта с помощью математических алгоритмов. Принципы томографии были известны и ранее, но их практическое широкомасштабное внедрение затруднялось из-за недостаточной продвинутости ИТ-сферы. Сейчас это стало возможным. Сегодня вычислительные мощности позволяют при компактных размерах производить сложные вычисления и визуализировать их результаты. Теперь мы можем получать информацию на новом уровне, иного качества, в том числе и для оператора систем неразрушающего контроля. Оператор может посмотреть результаты контроля в режиме реального времени и оперативно оценить целостность исследуемого объекта.

• Для чего нужен этот неразрушающий контроль? Ведь раньше его не было, но мосты и прочие конструкции стоят.

Это некорректное утверждение. Он есть уже очень давно и развивается столько же, сколько человек создает конструкции. Просто он совершенствуется.

• А каким он был? Прощупывание? Простукивание?

Да, так и есть. Когда человек постучал по изделию, он знает, что целое, неповрежденное изделие звучит определенным образом. Если есть отклонения от правильного звука, можно методом простукивания найти дефекты. Более того, некоторые заводы до сих пор используют этот способ. Стучат, а потом дают заключение. И в конструкторской документации у них написано: метод простукивания.

• Вы не шутите?

Нисколько. Потом они, правда, сталкиваются с проблемами, когда пытаются сдать изделие зарубежным заказчикам.

• Иначе говоря, этот метод ненадежен?

Ненадежен, потому что крайне субъективен. Слушает человек, не имея никаких объективных факторов. Сегодня необходимы методы объективного контроля. Сейчас для оптического контроля применяются различные приборы— эндоскопы, камеры ит.д., в том числе лазерные профилометры. Это тоже один из способов визуально-измерительного контроля. Но он, повторюсь, был всегда. Человек оценивал, насколько структура внешне выглядит целостной, есть ли повреждения или недоделки. Потом это устранялось. Ну а когда появилась возможность заглянуть внутрь с помощью рентгеновских лучей, этим стали активно пользоваться— исследовать как человека, так и промышленные объекты. С усложнением конструкций усложняются и методы их контроля. Один из последних трендов в этой области — использование технологий аддитивного производства для создания новых изделий. Внутренние структуры подобных объектов очень сложны, и даже если их простучишь, ничего не поймешь.

• Какие конкретно методы у вас сейчас развиваются?

Мы продолжаем применять и развивать наши бетатроны, в том числе для рентгенографии: с ними выезжают в поле для контроля трубопроводов, резервуаров и для строительства опасных промышленных объектов. Но самое важное — теперь на основе бетатронов мы можем создавать томографические системы.

Сейчас наша инженерная школа выполняет проект по федеральной целевой программе совместно с Томским электромеханическим заводом. Мы создаем томографические системы для контроля запорных клапанов и арматуры газопроводов. Это толстостенные большие объекты весом до 10 т, где в том числе участвует бетатрон.

Помимо этого, активно развиваются методы ультразвуковой томографии. В 2010 г., согласно Постановлению Правительства РФ № 220, у нас была создана Международная научно-образовательная лаборатория неразрушающего контроля под руководством профессора Михаэля Кренинга, которая интенсивно развивается.

Как отдельное серьезное направление можно отметить системы тепловизионного. или термографического контроля. У нас работает профессор В.П. Вавилов, имеющий мировое признание в этой области. В тепловых методах используется температурный контраст изделия и меряется динамический процесс его нагрева либо остывания, после чего появляется информация о внутренних дефектах. Группа В.П. Вавилова специализируется на методах обработки и разработке программного обеспечения. В прошлом году он выполнил проект по созданию роботизированной системы тепловизионной томографии, и эта система сейчас признана самой быстрой в мире, обеспечивая скорость контроля до 20 м/мин.

Еще одно развиваемое направление— оптический контроль, то есть роботизированные методы оптической топографии, или профилометрии. Для томографии часто нужно получить трехмерную модель объекта, но. к сожалению, заказчики не всегда готовы предоставить таковую. Мы решили. что сами должны выходить из этой ситуации. Нами были созданы системы, которые позволяют в реальном масштабе времени отсканировать деталь (это происходит достаточно быстро за счет роботизированного манипулятора) и с высокой точностью измерить даже шероховатость поверхности. Так мы создаем высокоточную трехмерную модель. Это придает новый качественный уровень точности результатов, которые мы получаем. Резюмируя. можно сказать, что наша инженерная школа активно движется в направлении роботизации и автоматизации методов неразрушающего контроля.

• Вы еще ведете обучение специалистов в этой области?

Да. мы учим студентов приборостроению, электронике, наноэлектронике и другим специальностям. В этом году у нас произведен первый набор на уникальную магистерскую программу «Томография промышленных систем». Студенты работают на самом современном оборудовании мирового класса и после окончания программы готовы перенести свой опыт на промышленные предприятия. Мы не только обучаем студентов, но также обеспечиваем подготовку, переподготовку и аттестацию сотрудников предприятий, которые занимаются дефектоскопией, и выдаем им разрешения на работу в этой профессиональной области.

• А что за новое направление по сварочным процессам?

В 2019 г. в Инженерной школе неразрушающего контроля и безопасности открывается направление «Автоматизация сварочных процессов и производств». В нашем подразделении исторически существовало направление обучения сварочным технологиям. Разработчики систем неразрушающего контроля работают в тесном контакте со специалистами по сварке, так как основной объект неразрушающего контроля — сварные соединения, где необходимо иметь полное понимание технологических процессов соединения деталей. Общая стратегия нашей школы — автоматизация и роботизация процессов контроля качества— также коснулась и подготовки специалистов по сварке. С 2019 г. школа будет готовить профессионалов автоматизации сварочных процессов и технологии. Но это не просто «смена вывески» — есть значительный научный задел в этой области. Недавно сотрудники закончили создание и внедрение в производство робота — сварщика топливных элементов для атомных электростанций. На мировом уровне эта работа уникальна и демонстрирует высокий профессионализм коллектива.

• Много ли у вас заказов для контроля таких изделий?

Да, немало. Буквально перед вашим приходом пришел запрос на контроль металлических балок, которые напечатаны аддитивным методом. Мы это успешно осуществляем. Сегодня это очень большая отрасль, потому что конструкторы не имеют достаточно информации для понимания того, как у них эта балка спекается внутри, а это крайне важно для отработки технологического процесса. Такая задача тоже решается — помочь конструктору отработать технологический процесс.

• То есть для вас важно не просто найти дефект, но и помочь достичь технологического совершенства?

Да. Мы такую задачу решали, например, с Новосибирском для отработки заготовок для зубных керамических протезов. Они делали их в рамках импортозамещения. и мы проверяли партии керамических пластин, чтобы было ясно, какой способ прессования наиболее подходит, какие выбрать оптимальные температуры. Они прессовали партии по 20-30 штук с различными технологическими параметрами, потом мы это контролировали. Затем все это отправлялось в зуботехническую лабораторию, вырезалось, спекалось, проверялась усадка, и заказчик сравнивал, насколько мы точны в контроле. В итоге мы добились приемлемого качества.

• Насколько часто удается обнаружить внутренний дефект, хотя внешне все выглядит целостно?

Очень часто, и это нормально.

• Дефекты — это нормально?

Да. Во-первых, они могут образовываться с течением времени. Во-вторых, я хочу подчеркнуть, что не каждая найденная несплошность — это дефект. Дефект ли это. решает технолог, который должен сказать: вот эта несплошность критична, а эта нет. Поэтому наша задача — найти несплошности, а потом, основываясь на нормативных документах и конструкторской документации, принимают решение. Поскольку у нас сейчас вся промышленность стремится перейти на современные комплексы производства, то есть использовать численно-программное управление в станках, роботизированные и максимально автономные линии, мы тоже встраиваемся и стараемся предложить соответствующие решения. Это существенно повышает достоверность контроля, увеличивает его скорость и повторяемость, что тоже немаловажно. Если раньше, например, мы снимали на пленки, то сейчас переходим к тому, чтобы снимать на цифровые панели, и это тоже большой шаг вперед, потому что означает снижение стоимости и повышение качества.

Но необходимо и внедрение возможностей использования таких приемников на законодательном уровне. Например, сейчас есть нормативные документы для контроля сварных соединений трубопроводов с помощью цифровых панелей. Не все отрасли еще их внедрили, но я думаю, что мы активно идем по этому пути и придем в ближайшие три-пять лет к тому, что все объекты станут контролировать с помощью цифровых детекторов. Эту информацию проще хранить, быстрее получать, и это не приводит к возникновению химических отходов, образующихся в процессе проявки, печати и т.д.

Западные компании также активно движутся в этом направлении. Например, компания BMW  внедрила томограф для автомобилей. Установлены роботизированные манипуляторы: один переносит источник излучения, второй — это цифровой детектор. Они могут позиционироваться вокруг всех деталей автомобиля по заданной модели. Думаю, мы тоже к этому придем. Как производители и разработчики, мы готовы к этому уже сейчас.

• Насколько уникальны для нашей страны технологии, которыми вы владеете?

Это и дар. и проклятие. С одной стороны, мы можем делать действительно уникальные вещи. И мы здесь, наверное, если не ключевой игрок, то один из ключевых и точно единственный, кто может производить комбинации методов, потому что обычно предприятие или институт специализируется на одном-двух методах.

• А почему проклятие?

Потому что мы должны постоянно находить себе заказы.

• То есть заказчики за вами не гоняются?

Крупные заказы — это всегда процесс долгого обсуждения и согласования, встраивание в планы инвестиционного развития, бюджетирование. Мы выбрали для себя путь усложненного технологического развития, передовых решений. При этом мы вместе с нашим заказчиком должны быть в постоянном поиске источников финансирования, нахождения оптимального баланса стоимости и качества. Можно накрутить стоимость до небес. но при этом качество тоже будет запредельное. Но это ведь далеко не всегда нужно. Избыточное качество — тоже плохо.

• Расскажите о конкретных проектах— самых интересных и сложных.

Последнее, что у нас появилось, — создание системы ультразвуковой томографии для термоядерного реактора. Это реактор ITER, и от России в нем активно участвует Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) им. Д.В. Ефремова. Он производит компоненты стенок дивертора, которые обеспечивают внутри удержание плазмы. Архисложная задача с точки зрения материаловедения и производства. Это суперсложные сплавы, которые никто никогда не контролировал. Но это нужно делать. И поэтому, как только мы окунулись в эту область в 2014 г., мы нашли их как своих заказчиков и партнеров. В сотрудничестве с немецкими коллегами мы создали для них роботизированный ультразвуковой томограф. Сейчас выходим на новый уровень. В НИИЭФА расширяется производство, им нужно больше деталей, которые будут еще более сложной формы, значит, нужно ускорить контроль, улучшить качество контроля. Нужно также получать CAD-модели объектов.

Поэтому к 2020 г. в НИИЭФА будет стоять новая система, которая начнет осуществлять роботизированный томографический ультразвуковой контроль.

Еще один крупный заказ— с Томским электромеханическим заводом для контроля запорной арматуры для «Силы Сибири». Это проект «Газпрома» по строительству газификационной нитки, но, по сути, задача универсальная. Это обеспечение контроля толстостенных литых конструкций.

Здесь вот в чем особенность. Мы готовы не только обеспечивать контроль, но и увязать данные контроля сданными, которые предоставляют проектировщик и технолог. То есть мы связываем все в одну интеллектуальную систему производства. Мы перешли к автоматизированным решениям по рентгеновской томографии на основе бетатрона, потому что там очень толстые стенки и обычные аппараты бессильны. Интересно также решение в области ультразвукового контроля. Так как объекты большие, с массой до 10 т, стандартное решение, которое используется для объектов сложной формы, —ультразвуковая иммерсионная ванна— здесь не подходит, потому что это огромный расход воды и времени на контроль.

Мы здесь искали решение по снижению количества воды, которое используется для контроля, либо по полной ее замене. И нашли способы, позволяющие с помощью оригинального устройства, которое мы сделали, обеспечить качественный акустический контакт. На эту огромную поверхность нам хватает буквально литра воды. 

• Почему? Разве у вас дефицит воды?

Дело в том, что мы контролируем не только металлы. Композиционные материалы активно входят в нашу жизнь. А помимо того что они сложны по структуре, они еще и обычно активно напитываются водой. Нельзя, скажем, деталь от вертолета или самолета надолго опустить в воду. Но вы можете ее смочить, более того, вы можете даже использовать не воду, а какую-то легкоиспаряемую жидкость. Уверен, что это решение в дальнейшем будет востребовано. Более того, у нас уже есть контакты с холдингом «Вертолеты России» в отношении проведения контроля узлов вертолета. Они хотят у себя подбирать те перспективные методы неразрушающего контроля, которые позволят обеспечить качество продукции для внутреннего и внешнего рынков, сделать ее более конкурентоспособной, упрочить наши позиции. Надеюсь, это сотрудничество мы будем успешно развивать.

Это не единственное наше решение в авиационной области. В прошлом году мы внедрили на предприятии Объединенной двигателестроительной корпорации первую в России роботизированную систему цифровой радиографии. которая успешно прошла апробацию. Все эти примеры внедрения в отрасли очень показательны. Они говорят о том. что мы движемся в правильном направлении, и производители все чаще вступают с нами в коллаборацию.

У нас складываются отношения не типа «клиент — производитель», а скорее партнерские. Только в совместной работе мы можем прийти к искомому результату: обеспечению качественной продукцией и хорошему экспортному потенциалу.

• Вы упомянули о медицинском применении бетатрона. Можно ли рассказать об этом подробнее?

Не буду останавливаться на тех областях, где мы делаем кардиографы, наноэлектроды и т.д., хотя это тоже перспективно. Скажу о применении неразрушающего контроля. Первой и крупной разработкой в этой области были бетатроны для интраоперационной терапии. У нас сейчас ведутся переговоры с крупными компаниями (Rusatom Healthcare, «Алмаз — Антей») по созданию производственных линий для подобных комплексов и оснащению ими отечественных клиник. Итальянцы активно работают на линейных ускорителях в тех же самых целях и получают очень хороший эффект, поскольку, оказывается, во время операции облучение позволяет заменить пятинедельный курс радиационной терапии и в восемь-десять раз снижает вероятность локального рецидива. Это очень хорошая технология, при этом у нас она проще в обслуживании и дешевле: это полное импортозамещение.

• Уже есть опыт клинического применения?

У нас были опытные работы. В клинике НИИ онкологии под руководством академика Е.Л. Чойнзонова мы показали эффективность этих методов. Е.Л. Чойнзонов популяризирует идею интраоперационной терапии в российской онкологии. Сейчас мы подошли к тому состоянию, когда готовы коллаборационно изготавливать такую технику для нужд отечественного здравоохранения.

А по поводу перспективных направлений сложилось понимание, что нам нужны скрининговые системы для раннего обнаружения раковых опухолей. Сейчас есть научные проекты в рамках программы повышения конкурентоспособности ведущих исследовательских университетов, или программы 5-100, и один из таких проектов направлен на создание системы, которая в перспективе может стать основой для малодозовой маммографии. Мы уже обсуждали это с нашими онкологами, интерес у них, безусловно, имеется.

• В чем суть этой системы?

Обычно при рентгеновском исследовании используется контраст поглощения. Мы же будем использовать не только его. но и фазовый, и темнопольный контрасты, который мы внедряем в сотрудничестве с коллегами из Технологического института Карлсруэ (Германия). Наши сотрудники и аспиранты проходили там стажировку и привезли идею по использованию двумерных дифракционных решеток для комплексного контраста. В результате мы получаем сложные интерференционные картины, которые способны анализировать и «вытаскивать» информацию о крайне малых объектах. Более того, мы рассчитываем, что предлагаемый подход позволит распознавать характер образования: злокачественная или доброкачественная опухоль. На мой взгляд, это перспективная и заслуживающая развития область, ведь в этом секрет будущего долголетия — нашего и наших детей. ■

Беседовала Наталия Лескова