Архив номеров

Ультразвук, бетатроны и тепло на страже качества

Германия, США, Китай, Великобритания и еще целый ряд стран, а также городов России – здесь сегодня можно найти разработки ученых Томского политехнического университета (ТПУ) в области неразрушающего контроля. Они помогают обеспечивать безопасность в аэропорту Сочи, на границе Малайзии и Сингапура, ищут дефекты в важнейших деталях газопроводов, самолетных двигателей и используются для контроля качества на Международном экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР – самом амбициозном проекте человечества в области энергетики.

Лучшие коллективы Томского политеха, занимающиеся проблемами неразрушающего контроля, сконцентрированы в Инженерной школе неразрушающего контроля и безопасности (ИШНКБ). Они активно разрабатывают и совершенствуют методы и средства радиационного, ультразвукового, теплового неразрушающего контроля. Сегодня эта инженерная школа ТПУ входит в топ‑10 организаций неразрушающего контроля России, а ее разработки позволили ТПУ войти в число крупнейших экспортеров страны. Только в 2019 году в интересах промышленных партнеров специалисты по неразрушающему контролю ТПУ выполнили работ почти на 200 млн рублей.

В России партнеры и заказчики ТПУ в области неразрушающего контроля и безопасности – это ведущие предприятия в своих отраслях. Среди них госкорпорации «Росатом», «Роскосмос», компании «Газпром», «Транснефть», предприятия «Объединенной двигателестроительной корпорации», «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва, НПО имени С.А. Лавочкина, Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина, Центральный аэрогидродинамический институт имени Н.Е. Жуковского, Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина (РФЯЦ – ВНИИТФ) и многие другие.

Маленькие ускорители для больших проектов

Настоящую славу томской школе неразрушающего контроля принесли бетатроны. Это ускорители частиц, образующие вторичные рентгеновские лучи. Это собственная разработка томских политехников, и в мире их нигде больше не производят, при том что спрос на них большой. Главные преимущества бетатронов – они мобильные и имеют небольшие габариты. Это дает возможность перемещать источник излучения вокруг объекта контроля. Поэтому на их основе разработчики ТПУ создают системы рентгенографического контроля, способные работать с большими объектами сложной формы.

В частности, такой рентгенографический комплекс установлен на площадке Томского электромеханического завода (ТЭМЗ). Здесь собран экспериментальный участок с передовыми установками для контроля дефектов в сложных деталях газовых трубопроводов. В таких изделиях пропущенный дефект может привести к протечке, в худшем случае – к разрушению изделия и выходу из строя газопровода.

Глобальная цель работы – свести процент брака на таком ответственном производстве к показателям, достигнутым ведущими фирмами, работающими в этой области. Осевые антипомпажные и регулирующие клапаны – одни из ответственнейших изделий, потому что они защищают компрессор от перегрузок и обеспечивают плавный режим работы компрессора, сами при этом испытывают огромные перепады давления. Самые большие клапаны достигают 1,2 метра в диаметре, самый ходовой диаметр – 300–700 миллиметров.

Также среди разработок для рентгеновского неразрушающего контроля можно отметить рентгеновский томограф, который предназначен для дефектоскопии внутренней структуры широкого класса изделий для авиакосмической промышленности и военного назначения. Его особенность в том, что на нем можно исследовать объекты сложной геометрической формы и массой до одной тонны. Томограф позволяет получить 2D- и 3D-изображения контролируемого объекта с пространственным разрешением 150 мкм и максимальной просвечиваемой толщиной в стальном эквиваленте 250 мм.

Безопасность термоядерного реактора

В области ультразвукового контроля в арсенале ИШНКБ ТПУ сейчас несколько интересных разработок. Так, специалисты ТПУ разработали самый большой в России роботизированный ультразвуковой томограф. Он создавался по заказу АО «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова» (входит в структуру Росатома). С его помощью будут контролировать качество деталей первой стенки термоядерного реактора, который строится на юге Франции в рамках международного проекта ИТЭР. Это, например, крышка купола, крышка отражающей мишени и другие детали. У них большие габариты и сложная форма. Такие характеристики стали настоящим вызовом для ученых. Им потребовалось применить ряд оригинальных инженерных решений.

Дмитрий Седнев в лаборатории

Например, в томографе использована собственная схема с цифровой фокусирующей решеткой, позволяющая получить точные данные о позиции дефекта и его размере по всей глубине. Такой подход обеспечивает цифровой фокус в каждой точке объема. В результате разработанная система позволяет контролировать объекты с габаритными размерами свыше двух метров и весом до 1,5 тонны. При этом система очень гибкая, заказчик может настраивать ее под контроль и других сложных объектов.


Ультразвуковой томограф для компонентов международного термоядерного реактора ИТЭР

Ультразвуковой томограф, разработанный томскими политехниками, используется и в комплексе, собранном на ТЭМЗе. В нем применена уникальная система локальной иммерсии, то есть для проведения контроля объект не нужно помещать в ванну с иммерсионной жидкостью. Использован альтернативный контактный способ роботизированного контроля с незначительным количеством жидкости, которая при необходимости может быть оперативно удалена с объекта контроля.

Рентген для газопровода и самолета

Целый ряд томских приборов создан на основе радиоскопического метода контроля. Его суть в просвечивании контролируемых объектов рентгеновским излучением. Так работает, например, самоходный дефектоскопический комплекс, который специалисты ТПУ разработали для контроля качества сварных соединений труб магистральных газопроводов.

Комплекс можно использовать для контроля швов с помощью цифровых детекторов (радиоскопии), так и традиционных рентгеновских пленок (радиографии).


Бетатронный томограф на Томском электромеханическом
заводе
Самоходный дефектоскопический комплекс во время
опытной эксплуатации на участке газопровода «Сила Сибири»

В состав комплекса входят панорамный генератор рентгеновского излучения с радиопультом управления и внутритрубное автономное устройство перемещения (кроулер). По сравнению с зарубежными аналогами у томского комплекса лучше энерговооруженность: на одном заряде аккумулятора он работает дольше.

«Очень важно, что работать дефектоскоп может в широком температурном диапазоне — от –40 до +50°С. При этом он подходит для труб разного диаметра — от 720 мм до максимальных 1420 мм — и толщиной до 32 мм, — отмечает менеджер проекта, начальник организационного отдела Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности ТПУ Олег Ахмеджанов. — Сейчас комплекс находится на стадии оформления сертификата в системе добровольной сертификации «Интергазсерт», созданной «Газпромом». Это даст возможность использовать его на объектах компании — при строительстве новых газопроводов и ремонте уже существующих».

Роботизированный цифровой радиографический комплекс для контроля роторов газотурбинных двигателей

Радиоскопический метод инженеры ТПУ использовали и при создании комплекса для контроля роторов газотурбинных двигателей. Он позволяет выявлять мельчайшие дефекты в роторах газотурбинных двигателей современных гражданских и военных самолетов: они работают при колоссальных тепловых и механических нагрузках.

Ротор состоит из дисков, соединенных между собой методом электронно-лучевой сварки. Это высококачественный метод, но и он может оставлять дефекты. Самые опасные – это так называемые «непровары», когда в металле нет соединения. В месте «непровара» ротор может просто разорвать, что приведет к аварии. Традиционно роторы проверяют с помощью пленки, чувствительной к рентгеновским лучам, – ею обкладывают швы. Под воздействием излучения на пленке проявляется изображение, по которому специалисты на предприятии выявляют дефекты. Несмотря на то, что это высокоточный метод, он занимает длительное время и подходит не для всех изделий, так как для контроля источник излучения нужно помещать внутрь, – говорит ведущий эксперт отделения контроля и диагностики ТПУ Александр Чепрасов.

Чтобы решить эту проблему, политехники использовали обратную схему просвечивания. Источник излучения – рентгеновский аппарат – остался снаружи, а внутрь изделия инженеры поместили небольшой приемник излучения. Весь комплекс состоит из робота-манипулятора, рентгеновского аппарата, линейного приемника излучения и вращающегося стола, на котором размещаются объекты контроля. Работать комплекс может с роторами диаметром до 70 см. В результате сканирования рентгеновскими лучами специалисты получают в цифровом виде картину сварного шва в высоком разрешении, на которой видны даже очень мелкие дефекты размером до 100 микрон. Данные архивируются и могут храниться до 20 лет. На сегодняшний день комплекс не имеет аналогов в России. Выполнялась разработка по заказу АО «Объединенная двигателестроительная корпорация».

Тепло расскажет

Томская школа неразрушающего контроля известна в России и за ее пределами своими наработками в области теплового контроля. Политехники создали тепловой дефектоскоп, который позволяет выявлять повреждения в самолетных конструкциях как на стадии производства, так и эксплуатации. Разработка политехников не имеет аналогов в России, а по сравнению с мировыми обладает расширенным набором алгоритмов обработки данных, включая уникальные алгоритмы тепловой томографии и дефектометрии.

Система тепловизионной дефектоскопии для композитных материалов

Принцип работы устройства основан на инфракрасном термографическом методе неразрушающего ­контроля дефектов в композитных материалах, используемых в авиакосмической промышленности. Такими дефектами могут быть повреждения, появляющиеся от ударов о самолетные панели птиц, багажа, инструментов. Планируется, что дефектоскоп, созданный по технологиям ТПУ, будет использоваться при производстве нового российского самолета на замену Ан‑2, состоящего целиком из композитных материалов.

Заключение

Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности Томского политеха – это единственная организация в азиатской части России, объединившая научную и образовательную деятельность в этой области. Школа получила мировую известность благодаря исследованиям в области теплового контроля и разработке малогабаритных ускорителей – бетатронов. Школа ведет свою историю с 1961 года, когда на базе кафедры «Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений» и бетатронной лаборатории был создан Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при ТПУ (НИИ ИН). В 2010 году НИИ был преобразован в Институт неразрушающего контроля, а в 2017 году получил свое нынешнее название – Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности.

В России взят ориентир на развитие науки на базе вузов, и Томский политех – пример того, что это возможно. У вуза есть громкие разработки в области неразрушающего контроля, проверенные временем и реальными производственными задачами, есть амбициозные задачи в настоящем и не менее перспективные проекты в будущем. Поддерживать статус значимого образовательного и исследовательского центра в области неразрушающего ­контроля ТПУ позволяют, конечно, сильные научные коллективы, непрерывная подпитка «свежей кровью»: студенты и аспиранты постоянно вовлекаются в исследовательские и инженерные проекты. Кроме того, большинство разработок – результат коллаборации разных научных коллективов ТПУ. Современные проекты в области неразрушающего контроля просто немыслимы без совместной работы конструкторов, инженеров, автоматизиторов систем, физиков.

«Мир измерений» Сентябрь 2020

Рубрика: Наука и образование
Автор(ы): Д. Седнев
01.09.2020

448
Поделиться:

Подписка

Материалы по данной теме можно СКАЧАТЬ в Электронной Библиотеке >>>



Доступна мобильная версия журнала "Мир измерений"

Журнал Мир измерений в App Store Журнал Мир измерений на Google play