Дмитрий Седнев о неразрушающем контроле сейчас и в будущем

Как проверить надежность трубопровода, самолетной турбины, термоядерного реактора? Устройства для контроля этих и других вещей делают в ТПУ. А еще здесь создают бетатроны, которые помогают лечить рак.

По какому принципу работают промышленные томографы, и почему для термоядерного реактора ультразвук предпочтительнее рентгена, рассказал директор Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности ТПУ Дмитрий Седнев.

— Что такое неразрушающий контроль и почему он так важен в промышленности?

— Неразрушающий контроль — это совокупность методов, позволяющих изучить внутреннюю структуру изделия, не повреждая его. Без дефектоскопии сейчас невозможно обойтись, потому что системы становятся сложнее. Например, бионический дизайн предполагает не однородную толщину материала, а сочетание прочных несущих элементов с более тонким основным полотном — как прожилки у листа. Это сильно облегчает конструкцию, при этом, вы должны быть на 100% уверены, что она целостная. Не говоря о том, что это помогает производителям избежать брака на линии и повысить эффективность производства.

— Дефектоскопы пользуются спросом среди производителей?

— Конечно, производители не всегда любят заниматься неразрушающим контролем, потому что это чистые издержки в самом начале производства. К сожалению, всплески спроса на неразрушающий контроль вызваны катастрофами. Но мы видим тенденцию к тому, что нормативные стандарты требуют использования современных систем контроля качества.

— Сколько промышленных контрактов на создание установок неразрушающего контроля вы выполняете ежегодно?

— У нашей инженерной школы ежегодный оборот по промышленным контрактам — около 200 млн рублей. Это разное количество контрактов разного объема, и не только на создание установок. Мы предоставляем услуги экспертизы: к нам обращаются как к независимой инстанции, чтобы мы дали оценку качеству промышленных объектов. Мы выполняем испытания для электронных компонентов космических спутников на специальных стендах. У нас есть промышленные контракты на поставку ускорителей-бетатронов для неразрушающего контроля, в том числе за рубеж. И, наконец, есть контракты НИОКР, где заказчик просит разработать что-то уникальное.

— Уходят ли уникальные разработки, в конце концов, в массовое производство?

— Мы в университете идем на шаг впереди, экспериментируя или разрабатывая мелкосерийные установки. Потом, конечно, они могут выходить на массовое производство. Так было с разработкой системы цифрового контроля сварных соединений «Газпром трансгаз Томск». Раньше у них контроль был аналоговым, приходилось проявлять пленку, где-то хранить. При цифровом контроле оператор видит состояние сварного шва на экране в режиме реального времени. Системы оказались удобными, и, можно сказать, стали массово использоваться на этом крупном предприятии.

— В Политехе разработали специальный томограф для ИТЭР — международного экспериментального термоядерного реактора. Расскажите, пожалуйста, зачем он нужен?

— В термоядерном реакторе цена ошибки может быть непомерно высока, поэтому методы неразрушающего контроля должны быть высочайшего качества. В частности, максимальные требования предъявляются к изделиям первой стенки, которая будет непосредственно контактировать с плазмой. Для них мы в 2014 году и начали разрабатывать эту систему. Лабораторный образец успешно прошел апробацию в НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова, и в 2018 году мы поняли, что готовы совместно с ними выпустить промышленную систему, которая будет выдавать высокие скорости, делать все максимально автоматизировано и полностью соответствовать европейским нормам и стандартам. Такая система была поставлена в начале 2020 года, сейчас проходит опытную эксплуатацию в НИИ ЭФА им. Ефремова.

— Чем он отличается от томографов, которые существовали раньше?

— Во-первых, он ультразвуковой. Традиционно томографию воспринимают как что-то, работающее с рентгеном. Но таким образом можно проконтролировать не все изделия. Может быть, геометрия сложная, или типы дефектов могут не просматриваться рентгеном. Например, между двумя плотно прижатыми слоями разных материалов будет щель всего в сотни микрон, рентген этого может не увидеть. Для этого и был сформирован запрос на разработку ультразвуковых методов контроля.

Во-вторых, там используется роботизированный манипулятор, так как ультразвук нужно подавать строго перпендикулярно поверхности, имеющей сложную конфигурацию.

В-третьих, из-за многообразия материалов сложно обрабатывать ультразвуковой сигнал, для этого нужны специальные программные методы. Вот три базовых фактора, которые отличают нашу систему от всех существующих на рынке.

— Это тот самый ультразвук, который используется в медицинской диагностике?

— Да, эта технология давно применяется в медицине, но с промышленными изделиями всё сложнее. У металлов коэффициенты, с которыми звуковые волны преломляются на разных гранях материала, сильно вариабельнее, и их больше, чем в живом организме. А если там, не дай бог, композиты, то просто тушите свет! Существует опасность, что при переходе из одного слоя в другой вы потеряете сигнал и не увидите ничего. Решение таких задач и осложняет внедрение систем ультразвукового контроля в промышленности.

— До вас кто-нибудь пробовал делать ультразвуковые промышленные томографы?

— Пробовали, но не такой высокой точности. Некоторые системы сканируют не весь образец, а каждый слой по отдельности и объединяют их виртуально. Не приходится говорить о том, что это сколько-нибудь реальная томографическая картина. Есть также роботизированные системы для ультразвукового контроля без возможности томографии (они не дают объемной картинки). Мы смогли предложить лучшие условия и более гибкие подходы, поэтому и победили в конкурсе на создание томографа для ИТЭР.

— Почему в промышленной томографии ультразвук иногда предпочтительнее рентгена, с его-то проникающей способностью и малой длиной волны?

— У них просто разные возможности. Как раз потому, что рентгеновские волны хорошо проходят через материал, к некоторым типам дефектов этот метод нечувствителен. Например, если в материале имеется большой по площади, но при этом очень тонкий дефект (например, щель толщиной в 100 микрон), то рентген пройдет сквозь него и затемнение будет незначительным. Ультразвук же дойдет до границы сред и отразится от нее, обнаружив дефект. Поэтому в некоторых параметрах он чувствительнее, чем рентген.
Некоторые изделия априори не подходят для контроля звуком или, наоборот, рентгеном. Например, вы производите очень большие герметичные баки. Так как в них возможен только односторонний доступ, это максимально осложняет рентгеновский контроль, при этом звук для вас — окей. А если у вас маленькое изделие сложной формы, вы с трудом сможете проконтролировать его ультразвуком, зато рентген будет беспроблемным методом.

— Можно ли в установках неразрушающего контроля совмещать оба метода?

— Да, именно таков современный тренд. Недавно мы выполнили проект установки для Томского электромеханического завода, в которой использовано три метода контроля параллельно. Это визуальный контроль с помощью лазерного профилометра, ультразвуковой контроль и в дополнение к этому рентгеновский контроль на основе бетатрона. Именно сочетание методов позволяет сказать, что изделие полностью бездефектно.

— Ускорители частиц бетатроны используются не только для неразрушающего контроля, но и в медицине. Можно об этом подробнее?

— Одно из направлений, которым мы занимаемся уже давно — применение бетатронов для лечения онкологических заболеваний. Совместно с коллегами из «ИСС» им. Решетнева, Роскосмоса и нашего НИИ онкологии мы планируем создать уникальную медицинскую установку.

— Чем она будет отличаться от бетатрона, который используется в клинике томского НИИ онкологии с 80-х годов?

— У томских врачей действительно самый большой опыт в стране по использованию бетатронов в лечении, но это большая стационарная установка, которая не может быть дублирована для других клиник страны. Там защищенное помещение, в него интегрирован бетатрон. Его нельзя перенести, например, в операционную. Наша идея в том, чтобы сделать мобильный бетатрон промышленного производства, эргономичный, удобный и эффективный для использования в любой другой клинике.

— Сколько времени, по вашим оценкам, уйдет на проект?

Работы должны начаться уже в следующем году, создание первых прототипов займет два года или чуть больше. Будут созданы три опытные системы для клинических испытаний, они должны получить заключение об успешности эксплуатации, при необходимости пройти доработки, и после этого будут сертифицированы к серийному применению. Тогда будет организовано серийное производство таких комплексов на базе «ИСС» им. Решетнева.

— Вы сказали, что в вашем томографе для ИТЭР используется роботизированный манипулятор. Можно о нем подробнее?

— Как правило, мы используем самый стандартный шестиосный манипулятор и размещаем на нем измерительную систему. После этого робот программируется на движение вдоль поверхности контролируемого изделия. Вот и всё.

— Роботизированные установки, разработанные у вас, уже используются в промышленности?

— Да, конечно. Например, мы сделали роботизированную цифровую систему на основе рентгена для «ОДК-Сатурн» из Рыбинска, где делают двигатели для самолетов. Была необходимость контролировать сварные соединения в турбинах. Раньше внутрь вала турбины приходилось помещать рентгеновскую пленку, это медленный и не очень эффективный способ. Мы еще в 2017 разработали опытную цифровую систему, которая позволила это все оптимизировать, а в этом году уже работаем над созданием установок для того же заказчика, которые могли бы контролировать и другие их изделия.

— А программное обеспечение, которое обрабатывает данные измерительных систем, тоже разработано у вас?

— Программное обеспечение необходимо не только для обработки данных. Это и система управления, и система автоматизации, и даже система контроля доступа в зону проведения процедуры; чтобы робот случайно не навредил человеку. Это комплексные задачи, которые не могут быть выполнены силами специалистов инженерной школы. Нам помогают другие инженерные школы ТПУ: ядерных технологий, новых производственных технологий, информационных технологий и роботизации. И, конечно, мы кооперируемся со внешними компаниями, если они могут своими компетенциями нас дополнить или усилить.

— Используются ли уже сейчас в сфере неразрушающего контроля технологии искусственного интеллекта?

— Возможности машинного обучения по автоматическому детектированию дефектов находятся в стадии НИР. Думаю, что года через два-три они уже начнут заходить к промышленным партнерам.

— Каким неразрушающий контроль станет в будущем, как вы считаете?

— В идеальном варианте оператор не должен вообще вмешиваться в процедуру контроля. Он должен показать, какое изделие он контролирует, а дальше все происходит само. А в безлюдном производстве оператора вообще не должно быть. Робот с помощью машинного зрения узнает, какая деталь к нему приехала; он устанавливает деталь и проверяет, правильно ли она встала; запускает программу контроля; автоматически получает результаты и сравнивает с базой данных допустимых и недопустимых дефектов. На основании этого принимает решение: отправить в дальнейшее производство или на переработку. Это тот идеальный мир. к которому мы стремимся.

— А когда такой идеальный мир, по-вашему, наступит?

— Для каждого метода контроля по-разному. Я думаю, что для самых простых случаев, таких как визуальный контроль или контроль поверхности, это уже самое ближайшее будущее, горизонт двух-трех лет.

— Использование роботизированных систем на основе машинного обучения снизит влияние человеческого фактора, или это несет свои риски?

— При правильно настроенных системах и базах данных ошибки, конечно, будут случаться реже. Но сделать это не всегда легко. Сейчас для использования систем ультразвукового контроля необходимы квалифицированные операторы, которые могли бы правильно интерпретировать результаты. Например, трещина может выглядеть по-разному в разных материалах. В некоторых местах нужно провести, как говорят врачи, дифференциальную диагностику. Не всегда легко понять по изображению, что это: две разрозненные поры или два конца трещины, для этого нужно либо дополнительные исследования, либо экспертные знания по технологическому процессу.

Есть вещи, которые не всегда могут быть формализованы, поэтому я и говорю, что где-то «будущее» наступит через три года, а где-то пройдет еще неизвестное количество лет.

Текст: Катерина Кайгородова
Фото: Серафима Кузина

Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».