CC BY
151
ИННОВАЦИИ И ИНВЕСТИЦИИ
ИНДУСТРИЯ 4.0:
трансформации в неразрушающем контроле
Аннотация. Анализируются современные тенденции развития неразрушающего контроля и технической диагностики, а также существующее положение и экосистема обеспечения безопасной работы в промышленности и строительной индустрии в Республике Беларусь. Показано, каким образом происходящие трансформации связаны с наступлением новой промышленной революции - Индустрии 4.0. Констатируется необходимость объединения усилий разработчиков из различных сфер для создания конкурентоспособных, не уступающих мировым аналогам разработок: методик и оборудования для применения в неразрушающем контроле.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, промышленная безопасность, Индустрия 4.0, промышленный интернет вещей.
Александр Крень,
заведующий лабораторией контактно-динамических методов контроля Института прикладной физики НАН Беларуси, доктор технических наук
Михаил Делендик,
заведующий кафедрой безопасности технологических процессов и производств факультета охраны труда и промышленной безопасности Межотраслевого института повышения квалификации и переподготовки кадров БНТУ, кандидат технических наук
Виктор Иванов,
заместитель директора по научно-методической работе Межотраслевого института повышения квалификации и переподготовки кадров БНТУ, кандидат технических наук
Развитие технологий неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД) как основы для предупреждения техногенных катастроф и чрезвычайных ситуаций относится к числу наиболее приоритетных направлений научно-технической деятельности [1]. В то же время инновации в этой сфере психологически воспринимаются сразу, а внедряются со значительной задержкой. С одной стороны, методы НК позволяют не только оценивать материалы и изделия после их выпуска, но и управлять качеством продукции путем проведения контрольных операций на всех стадиях технологического процесса, поэтому любые новшества здесь воспринимаются положительно. С другой -персонал вынужден руководствоваться существующими техническими нормативными правовыми актами (ТНПА) и нести личную ответственность за последующую безопасность эксплуатируемого оборудования, качество и правильность выполненных работ. Поэтому любые не проверенные и не формализованные в ТНПА для применения методы НК и ТД недопустимы.
Неразрушающий контроль -междисциплинарная область науки и техники
При выдаче заключения о пригодности объекта к дальнейшему использованию ответственный за
ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ
ПАРАМЕТРЫ
■ геометрические размеры;
■ физико-механические характеристики;
■ структура;
■ физические и химические параметры;
■ дефекты несплошности и др.
ОТРАСЛИ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
■ атомная;
■ аэрокосмическая;
■ автомобилестроение;
■ нефтегазовая;
■ химическая;
■ строительная и др.
Рис. 1. Схематичное представление о неразрушающем контроле как области науки и техники. В скобках указано общее количество методов контроля, относящихся к определенному виду согласно ГОСТ 18353-79
принятие решения должен учитывать не только юридические и правовые основы, но и многие научные аспекты НК и ТД. В связи с этим внедрение инноваций может сдерживаться многократными проверками и перепроверками, которые не всегда осуществимы, например из-за длительности постановки экспериментальных работ. Объем времени на достижение баланса между этими противоречиями зависит как от инициативности разработчиков новых методов и средств НК, так и от восприимчивости государственных технических регуляторов. На рис. 1 показано, что представляет собой неразрушающий контроль с точки зрения науки и техники.
Согласно ГОСТ 18353-79, НК включает 9 основных видов контроля, охватывающих более 150 методов [2]. Уровень контроля распространяется на области от нано- до макро-, на все отрасли промышленности, создающие основной вклад в ВВП страны. Сложившуюся в Беларуси экосистему неразрушающего контроля и диагностики можно представить в виде взаимодействия общественных, научных организаций, органов госуправления и технических регуляторов (рис. 2).
По объему привлекаемых знаний для решения своей основной задачи - обеспечения безопасной эксплуатации промышленного оборудования, жизни людей и качества выпускаемой продукции -неразрушающий контроль является междисциплинарной областью науки и техники, регулируемой с точки зрения нормативной документации технического и юридического характера. Действует более 105 государственных стандартов, устанавливающих требования к проведению НК, оборудованию
и методам НК. При этом применяется огромное количество ТНПА в отношении непосредственно продукции. Только международных стандартов ИСО, связанных с не-разрушающим контролем, свыше 2 тыс. В Беларуси принят ряд законов, касающихся промышленной безопасности, магистрального трубопроводного транспорта, перевозки опасных грузов, а также постановлений Совета Министров, Министерства по чрезвычайным ситуациям и др. Персонал,
проводящий неразрушающий контроль и техническую диагностику, должен обладать широким спектром технических (при определении оптимального метода контроля) и юридических (пользоваться только разрешенными методиками) знаний и эрудицией. (Справочно: заработная плата таких специалистов в США составляет 70-90 тыс. долл. в год (после налоговых выплат), что сопоставимо с зарплатой в 1Т-инду-стрии [3, 4].)
Рис. 2. Экосистема функционирования НК в республике
Факторы развития и перспективы
По прогнозам, объем рынка неразрушающего контроля в мире к 2022 г. увеличится до 24 млрд долл. (в 2016 г. он составлял около 15 млрд) [4]. Основными драйверами будут как традиционные направления и проблемы, так и новые, связанные с базовыми элементами Индустрии 4.0:
■ разработка и появление новых материалов (авиационная, космическая промышленность, военно-промышленный комплекс);
■ старение существующей инженерной инфраструктуры (нефтегазовая отрасль, химические производства, атомная энергетика);
■ снижение допустимого риска (законодательные инициативы, страховые выплаты);
■ 3D-печать (технологический процесс, требующий новых контрольных онлайн-операций);
■ уменьшение стоимости сенсоров и оборудования, услуг связи, обработки данных;
■ внедрение интеллектуальных роботизированных систем и систем автоматики;
■ промышленный Интернет вещей.
Еще одним фактором влияния становится старение персонала и уход из отрасли опытных специалистов. Это обстоятельство оказывает существенное воздействие на вхождение базовых элементов Индустрии 4.0 в неразрушающий контроль. Нежелание брать личную ответственность при проведении диагностических работ, отсутствие опыта и фундаментальных инженерных знаний у вновь приходящих сотрудников меняет парадигму развития неразрушающего контроля.
Предыдущие этапы становления неразрушающего контроля и диагностики можно представить следующим образом:
■ контроль по факту происхождения аварии с целью установления причин и недопущения новых происшествий;
■ периодический контроль с целью подтверждения технического состояния материалов, изделий и оборудования и активное реагирование по результатам контроля; внедрение систем мониторинга, где главную роль в принятии решения по-прежнему играет персонал.
Будущее НК напрямую связано с объединением элементов промышленной автоматики
(роботизированного контроля), мониторинговых систем (с подключением к каналам связи) и собственно самих методов неразрушающего контроля (рис. 3). Это позволит осуществлять постоянный мониторинг технологического процесса или контролируемого объекта с обратной связью (с возможностью изменить параметры работы оборудования) и передачей измерительной информации (промышленный Интернет) для принятия решения (в автоматическом режиме), а также хранения данных для последующей обработки. То есть парадигма развития методов и средств НК зависит от активного внедрения базовых элементов Индустрии 4.0.
Основными потребителями услуг по неразрушающему контролю останутся нефтегазовая, химическая, горнодобывающая, авиакосмическая промышленность, железнодорожный транспорт, строительная отрасль.
Мировые операторы рынка НК уже используют роботизированные сканеры при проведении ультразвукового и оптического контроля сварных швов, геометрических параметров металлопроката. Наблюдается тенденция к отходу от создания портативных приборов и их миниатюризации. Устойчивым трендом становится производство приборов НК, имеющих каналы передачи измерительной информации и возможность ее документирования. Это обусловливает уход от отдельных измерений и обработки результатов контроля непосредственно на месте проведения работ. Сбор информации от различных типов первичных преобразователей (датчиков) и ее обработка с целью получения того или иного показателя (например, величины коррозии, структурного параметра
Автоматическая идентификация и ранжирование дефектов
Прогноз выполнения ремонтных и поддерживающих мероприятий.
Изменение режимов работы технологического оборудования
Рис. 3. Трендовые изменения в неразрушающем контроле
ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Рис. 4. Приборы, разработанные Институтом прикладной физики НАН Беларуси: А - твердомер типа ТПЦ-7,
Б - программно-аппаратный комплекс ИСУМ-1 для измерения физико-механических характеристик углеродных материалов
материала и др.) будут осуществляться централизованно. Данные будут накапливаться и перемещаться в хранилище для выявления новых зависимостей между измеряемыми параметрами и состоянием объекта контроля на основе алгоритмов обработки больших данных и облачных вычислений.
Например, в компании Bosch создаются платформы типа IoT Gateway, сочетающие в себе сенсорные технологии, программное обеспечение и систему управления производством с поддержкой промышленного Интернета вещей [5]. Компания Proceq разработала линейку приборов НК под общим названием Proceq Live, позволяющих использовать Bluetooth для соединения с мобильным устройством [6]. Такие системы, как Predix GE корпорации General Electric, с помощью датчиков собирают и обрабатывают огромное количество данных на эксплуатируемых летательных аппаратах [7]. Благодаря этому можно своевременно получить предупреждение о возможных проблемах, определить деталь, нуждающуюся в замене. Прогнозируется, что Predix и другие цифровые решения позволят компании получить к 2020 г. прибыль в размере 12 млрд долл. [8].
Маркетинговое агентство Frost and Sullivan назвало сложившуюся тенденцию «Неразрушающим контролем 2.0» и считает, что она может вызвать трансформационные последствия для всей системы НК [9]. Предположительно, они затронут методы и средства НК, будут способствовать преобразованиям в области технического регулировании (создании ТНПА), изменят и бизнес-модель проведения НК.
Тренды НК в мире и в Республике Беларусь
Беларусь считается развитой и восприимчивой к инновациям. Для внедрения НК 2.0 производство должно обладать следующими чертами:
■ сложные производственные условия;
■ выпуск широкой номенклатуры продукции, использование значительного перечня комплектующих;
■ стремление к повышению качества товаров и минимизации количества брака;
■ обеспечение эффективного сервисного послепродажного обслуживания;
■ снижение эксплуатационных затрат производства;
■ оперативная диагностика неисправностей технологического оборудования для снижения незапланированных остановок производства;
■ обеспечение безопасности персонала.
В республике подпадают под эти характеристики газотранспортная система, нефтеперерабатывающие и горнодобывающие производства, железнодорожный транспорт, строительство, автомобилестроение. Белорусские
разработки не отстают от инноваций мировых производителей. К таковым относятся, в частности, проекты Института прикладной физики НАН Беларуси в области создания систем мониторинга различных зданий и сооружений, толщиномеры типа ТЭП с функцией передачи результатов измерений по каналу Bluetooth, твердомеры типа ТПЦ-7, программно-аппаратный комплекс для измерения физико-механических характеристик углеродных материалов ИСУМ-1, обладающий возможностью передачи и синхронизации данных об измеренных физико-механических характеристиках материала в облачных хранилищах данных, причем управляющий сигнал на проведение измерения может подаваться через Интернет (рис. 4).
Вывести отечественные изделия на новые рынки могут коллективы, способные объединить традиционные методы контроля и достижения ИТ-индустрии. Так, технологии дополненной реальности и визуально-измерительной диагностики в состоянии значительно повысить объективность контроля. Интерпретация результатов при этом может осуществляться автоматически и передаваться непосредственно надзорному органу
(Госпромнадзору, Госатомнадзору, Госстройнадзору) и заказчику в цифровом виде.
Примером развития в данном направлении может служить разработка wiki-scan компании Servo-Robot (Канада) [10]. Созданный ею сканер сварных швов со встроенным программным обеспечением, в которое включены заложенные в ТНПА браковочные параметры, определяет несоответствие шва нормам качества сварки. Подобное решение, выполненное с использованием очков дополненной реальности с графическими эффектами, уже применяется при ультразвуковом контроле.
Судя по тенденциям развития, в ближайшее время произойдет объединение 3Б-печати, промышленной томографии и теплового контроля. Это позволит получать в процессе производства изделия с четкой картиной - с распределением в них дефектов и степени их опасности. Безусловно, будут объединяться и другие методы (акустической эмиссии, ультразвукового, магнитного контроля) для получения данных о развитии дефектов, изменении толщины объекта, физико-механических параметров, напряженно-деформированного состояния. На основании большого объема информации могут быть построены новые зависимости для прогнозирования остаточного ресурса, а впоследствии - созданы материалы с заданными свойствами. Сам по себе датчик не может дать информацию о поврежденности того или иного объекта, поэтому главной проблемой для ученых становится правильная интерпретация получаемых данных. Точная обработка информации, основанная на вероятностном подходе, должна давать возможность оценивать
ресурс оборудования и обеспечивать своевременное планирование поддерживающих (ремонтных) мероприятий с учетом принятых критериев опасности. Создание алгоритмов принятия решений согласно существующим стандартам, правилам безопасности и другим ТНПА должно стать частью проводимых работ.
Для достижения положительных результатов действия должны проводиться с участием нескольких организаций, обладающих соответствующими компетенциями. К сожалению, отечественные предприятия, занимающиеся разработкой программного обеспечения, как правило, больше сосредоточены на продуктах, не имеющих значимой научной интеллектуальной составляющей. Кроме того, специальные разработки могут позволить себе только крупные компании. Объединение усилий способствовало бы созданию уникальных, в том числе для мирового рынка, изделий. Причем, чтобы не отстать, очень важно реализовывать инновационные проекты в короткие сроки. Источником финансирования могут выступить и страховые компании. Примером их заинтересованности могут служить системы онлайн-сбора и анализа данных по застрахованным автомобилям, имеющим функции передачи данных о поломках, стиле вождения и др. Также можно спрогнозировать применение таких инструментов, как работа по аутсорсингу в области НК и ТД, при этом оплата будет производиться по факту завершения периода безаварийной эксплуатации объекта контроля. Любое применение онлайн-мониторинга- фактор дополнительной уверенности для руководителя компании,
проводившей диагностические работы, и страховой организации.
Таким образом, в области НК и ТД следует сконцентрировать усилия на создании датчиковой и измерительной аппаратуры, дающей возможность осуществлять постоянный обмен данными. НАН Беларуси обладает определенным опытом в этом направлении, а сотрудничество с МЧС, Госстандартом, Минприроды позволит усовершенствовать систему промышленной безопасности в стране на основе элементов Индустрии 4.0. Важно быть в курсе новейших тенденций, и как минимум соответствовать в своем развитии мировым трендам. Чтобы не отстать от лидеров и самим предложить рынку новые решения, нужно консолидировать усилия различных разработчиков и источников финансирования, учитывая государственную важность обеспечения промышленной безопасности.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Указ Президента Республики Беларусь от 22.04.2015 №166 «О приоритетных направлениях научно-технической деятельности в Республике Беларусь на 2016-2020 годы» // http://www. pravo.by/docu ment/?guid=3961&p0=P31500166
2. ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов». Дата введения 01.07.1980 г. // http://gostrf.com/ normadata/1 /4294834/4294834775.pdf
3. PQNDT Salary Survey 2015 // http://www.pqndt.com/NDT-Salary-Survey/PQNDT-2015-Salary-Survey.pdf
4. Non-Destructive Testing (NDT) Market by Component, End-User, Technique, Application & Region - Global Forecast to 2022 //https:// www.researchandmarkets.com/reports/4031994/non-destructive-testing-ndt-market-by
5. Bosch Rexroth loT Gateway - optimizing for Industry 4.0 // https:// www.bosch.com/research/know-how/success-stories/bosch-rexroth-iot-gateway-optimizing-for-industry-4-0/
6. Portable Ground Penetrating Radar -Proceq GPR Live // https://www. proceq.com/products/
7. Drive results with Predix Platform // https://www.ge.com/digital/ predix-platform-foundation-digital-industrial-applications
8. GE is shifting the strategy for its $12 billion digital business // https:// www.businessinsider.com/r-ge-shifts-strategy-financial-targets-for-digita l-business-after-missteps-2017-8
9. Global Non-Destructive Testing Inspection Services Market, Forecast to 2022 // http://www.frost.com/sublib/display-report. do?id=K278-01 —00—00-00
10. Servo-robot: smart laser vision systems for smart robots // https:// servo-robot.com/portable-inspection/
T-?MSiib http://innosfera.by/2019/02/Industry
