Новая технология мониторинга безопасного состояния силовых элементов конструкций потенциально опасных объектов

В настоящее время в России насчитывается более 13 тысяч крупных  потенциально опасных объектов. При этом до 80% процентов таких конструкций эксплуатируются за пределами гарантийных сроков службы.
В зонах потенциально опасных объектов проживает более 80 миллионов человек. По данным, полученным Российской Академией Наук, в России вероятность крупных аварий на порядки и в разы превышает расчётную (Справочник «Безопасность России»).
Разрушение, казалось бы, незначительного силового элемента приводит к потере несущей способности всей конструкции и, как правило, к возникновению аварии или катастрофе.
Так, на Саяно-Шушенской ГРЭС, разрушение шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата, вызванного динамическими нагрузками переменного характера, привело к одной из самых значительных в истории мировой гидроэнергетики аварии, в результате которой погибло 75 человек. Оборудованию и помещениям станции нанесён серьёзный ущерб, а работа станции по производству электроэнергии приостановлена. Последствия аварии отразились на экологической обстановке акватории, прилегающей к ГЭС, а также на социальной и экономической сферах региона.

14 февраля 2004 г. на юго-западе Москвы в Ясенево в спортивно-развлекательном комплексе «Трансвааль-парк» вследствие перегрузки от снега и проектных ошибок возникли разрушения силовых элементов конструкции и обрушилась крыша. Трагедия унесла жизни 28 человек, в том числе - восьми детей, более 100 пострадали, многие из них стали инвалидами. Площадь обрушения составила почти пять тысяч квадратных метров.
Существующая система выборочного контроля таких конструкций (около 3% от общего количества) не в состоянии обеспечить достоверную оценку эксплуатационной пригодности в связи с высокой трудоёмкостью, наличием скрытых дефектов, длительным выводом из эксплуатации, различной предысторией эксплуатации конструкций.
В связи с этим, мониторинг безопасного состояния силовых элементов конструкций потенциально опасных объектов  является важной технической и государственной проблемой, решение которой обеспечивает безопасность страны и позволяет существенно снизить риск техногенных аварий и катастроф. Необходимо организовывать 100% контроль силовых элементов конструкций ответственного назначения для повышения надёжности техники и организации её эксплуатации по фактическому техническому состоянию.

В настоящее время в мире не существует методов и средств позволяющих оперативно определять наличие и местоположение дефектов в силовых элементах конструкций вне зависимости от механических и электрических шумов, формы, предыстории эксплуатации и размеров конструкции.       
Работы, связанные с развитием метода оценки акустических процессов при разрушении конструкций - метода акустической эмиссии (АЭ), с привлечением значительных сил и средств проводят в США исследовательские центры таких фирм, как Duglas Aircraft, General Electric, General Motors, Aerojet и др., лаборатории NACA и комиссии по атомной энергии (АЕС), а также во Франции, Англии, Канаде, Японии. Существуют и разрабатываются акустико-эмиссионные системы и технологии. Но они основаны на анализе амплитуды и интенсивности импульсов АЭ и поэтому результаты контроля с их помощью недостаточно достоверны и зависят от шумов, формы, предыстории эксплуатации и размеров конструкции. Стоимость таких комплексов начинается от 3000000 рублей.
Военным учебно-научным центро Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) совместно с АО «Научно-исследовательский институт специальных информационно-измерительных систем» (г. Ростов-на-Дону) разработана технология мониторинга безопасного состояния силовых элементов конструкций потенциально опасных объектов,  включающая в себя технически реализованные способы и аппаратурно-методическое обеспечение метода акустической эмиссии (АЭ) и лазерного оптико-акустического метода, отличающаяся использованием инвариантов акустико-эмиссионных процессов для оценки степени опасности дефектов и возможностью определения прочностных характеристик по скорости акустических волн в материалах конструкций.
Разработаны опытные образцы многоканальных аппаратно-программных комплексов, методики оценки эксплуатационной пригодности силовых элементов конструкций, отличающиеся тем, что позволяют оперативно (в реальном масштабе времени) осуществлять: многоканальную оценку информативных параметров акустических процессов, действующих нагрузок и деформаций; видеорегистрацию процесса испытаний и показаний аналоговых приборов; создание баз данных; постобработку, сравнение и документирование результатов испытаний; делать выводы о возможности дальнейшей эксплуатации конструкций.

Испытания технологического оборудования конструкций ракетно-космической техники.

Технология позволяет оперативно (в реальном масштабе времени) в автоматическом режиме оценивать наличие и местоположение опасных (развивающихся) дефектов вне зависимости от шумов, формы, предыстории эксплуатации и размеров конструкции. Мировых аналогов нет.
Испытания композитных фрагментов конструкций ракетно-космической техники

Представление разработки Министру обороны РФ

Области применения разработанной технологии мониторинга безопасного состояния силовых элементов конструкций потенциально опасных объектов:
- на стадии разработки конструкций испытания с целью оценки прочности: материалов; элементов конструкций; моделей; макетов; опытных образцов конструкций;
- на стадии эксплуатации конструкций - постоянный или периодический мониторинг трещиностойкости силовых элементов для предотвращения разрушения. Организация эксплуатации по реальному техническому состоянию;
- на стадии ремонта - принятие решения о необходимости ремонта, испытания после ремонтно-восстановительных работ с целью допуска к эксплуатации;
- на стадии утилизации - принятие решения о снятии с эксплуатации, дефектация и испытания с целью продления сроков эксплуатации серии, принятие решения о возможности двойного применения.
Экономический и социальный эффект для России в целом при внедрении разработанной технологии мониторинга безопасного состояния силовых элементов конструкций потенциально опасных объектов  может достигать триллионов рублей.
Высокий уровень новаторства и патентоспособности данной разработки подтверждается высшей наградой в области изобретательства в мире - Золотой медалью Всемирной Организации Интеллектуальной Собственности Организации Объединённых Наций присуждаемой решением Международного жюри за выдающиеся достижения в области изобретательства и защиты интеллектуальной собственности, а  также Гран-при, медалями и дипломами Международных выставок и салонов промышленной собственности, 3 патентами и 2 заявками на изобретения,

Экономическая выгода:
• снижение затрат, связанных с возможными авариями;
• продление сроков эксплуатации силовых элементов конструкций по фактическому техническому состоянию;
• существенное снижение затрат на дефектацию конструкций;
• возможность организовать техническое обслуживание по фактическому состоянию;
• возможность эффективно вести переговоры с поставщиками оборудования.
Технология обеспечивают безаварийную эксплуатацию потенциально опасных объектов по фактору прочности. Существенно снижается риск техногенных аварий и катастроф объектов атомной энергетики, в химической и нефтегазовой промышленности, транспорте, строительстве и других отраслях техники (Нововоронежская АЭС, ТЭЦ, мосты и путепроводы, торговые и спортивные комплексы, котельные и т.п).  
Возможно включение технологии в систему локального мониторинга и оповещения о чрезвычайных ситуациях МЧС и систему «Умный город».
Данный проект отмечен как перспективный и рекомендован к внедрению заместителем Председателя Правительства Российской Федерации Дмитрием Рогозиным, Министром обороны РФ Сергеем Шойгу, губернатором Воронежской области Алексеем Гордеевым, Военно-промышленной комиссией РФ, Госкорпорацией «Роскосмос», Российской академией наук, Ростехнадзором.

Губернатор Воронежской области Алексей Гордеев награждает майора Олега Карпенко.

В Воронеже каждый год проводится Кубок инноваций, цель которого — выявить талантливых студентов, аспирантов и молодых ученых и повысить их предпринимательскую активность.
Победитель Кубка инноваций майор Олег Карпенко, заместитель начальника 23-го научно-исследовательского отдела Военно-воздушной академии имени Жуковского и Гагарина, изобрел систему мониторинга за силовыми элементами конструкций, цель которого - вовремя узнавать о появляющихся дефектах и их местоположении. Говорит, что его технология позволяет заместить импорт. К тому же, она на 15–20% менее дорогая и более эффективная, чем существующие аналоги.

Алексей ПОПОВ, доктор технических наук, доцент,
Олег КАРПЕНКО, старший научный сотрудник,
Денис ТЕСЛЯ, адъюнкт кафедры
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил
«Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»