Работа на опережение
Институт проблем машиностроения РАН (ИПМ РАН), изначально Горьковский филиал Института машиноведения им. А. А. Благонравова АН СССР, был организован весной 1986 г. для решения актуальных проблем отечественного машиностроения на базе достижений фундаментальной науки и на тот момент являлся единственной академической организацией машиностроительного профиля в Волго-Вятском регионе. В 2021 г. институт отметил свое 35-летие и пятилетие вхождения в статусе филиала в состав Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики Российской академии наук». В настоящее время ИПМ РАН проводит исследования в области повышения надежности, долговечности и износостойкости машин и конструкций; упрочняющих, материало- и ресурсосберегающих технологий; технологий получения и формообразования высокопрочных конструкционных наноструктурированных материалов; методов защиты от вибраций и шума; методов и средств диагностики материалов и конструкций.
— До прихода в институт у меня был опыт работы на предприятиях оборонной промышленности, — вспоминает заведующий Лабораторией неразрушающего контроля и диагностики материалов и конструкций ИПМ РАН, д. т.н. Василий Васильевич Мишакин. — Успел поработать на Горьковском авиационном заводе, участвуя в освоении производства нового истребителя-перехватчика МиГ-25 — первого в истории авиации цельносварного самолета, затем занимался разработкой цифровых схем на заводе «Электромаш», выпускавшем радары. Со временем перешел во Всесоюзный научно-исследовательский институт по нормализации в машиностроении и выполнял там работы по оборонной тематике. Мне удалось потрудиться и с командой легендарного кораблестроителя, создателя судов на подводных крыльях и экранопланов Ростислава Евгеньевича Алексеева: мне была поручена диагностика некоторых титановых конструкций экраноплана «Орленок». В нулевые годы я работал старшим исследователем в университетах в Англии (South Bank University и The University of Warwick), а в 2005 году вернулся в Россию.
В 2006 году по инициативе прежнего директора ИПМ РАН Владимира Николаевича Перевезенцева и при поддержке нынешнего директора Владимира Ивановича Ерофеева была создана Лаборатория неразрушающего контроля и диагностики материалов и конструкций. Вначале я был единственным сотрудником лаборатории — заведующим и исполнителем в одном лице. Оборудования не было никакого, и приходилось на собственные деньги приобретать недорогую аппаратуру. Когда в лаборатории появились сотрудники, то первые несложные механические испытания мы проводили вручную, зажимая образцы в тисках. Очевидно, что сейчас достижения лаборатории объясняются не только оснащением ее качественным оборудованием, но и наличием квалифицированных научных специалистов. Хорошей кузницей кадров для нашего подразделения стал физический факультет Нижегородского государственного университета имени Лобачевского. Все сотрудники лаборатории — его выпускники. Я и сам его заканчивал. Со временем появились наши статьи в научных журналах. Горжусь, что в настоящее время лаборатория занимает в ИПМ РАН одну из лидирующих позиций. Результаты наших исследований, как правило, попадают в список важнейших научных результатов года ИПФ РАН.
Наша лаборатория успешно развивает несколько научных направлений. Константин Курашкин занимается исследованием акустоупругого эффекта, в прикладном плане — определением напряженно-деформированного состояния элементов конструкций. Вячеслав Клюшников специализируется на исследованиях деградации метастабильных сталей, он является руководителем проекта РНФ по данной проблематике. Направление исследований Александра Гончара — эволюция микроструктуры на поверхности и в объеме материала и разработка способов оценки поврежденности с помощью оптического и ультразвукового контроля. Он также является руководителем проекта РНФ по этой тематике. Под моим руководством все ребята защитили кандидатские диссертации в возрасте 27–28 лет.
У любой техники и любого механизма есть свой «срок годности», рассказывает Василий Мишакин. Детали постепенно изнашиваются в результате трения и больших нагрузок, а материалы, из которых они изготовлены, теряют прочность под воздействием внешних факторов: вибрации, ударов, эрозии, климатических условий и других. Диагностика фактического состояния и определение ресурса элементов конструкций и деталей машин для обеспечения их безопасной эксплуатации и предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера являются весьма важными задачами для объектов нефтяной, газовой, химической, морской, авиационной, космической и атомной промышленности, авария на которых может привести к экологической катастрофе, человеческим жертвам и огромным экономическим потерям.
Существующие методы и подходы для прогнозирования ресурса деталей машин и элементов конструкций, регламентируемые нормативно-технической документацией, основаны, как правило, на результатах традиционной дефектоскопии. Множество факторов, существенно влияющих на процесс разрушения и определяющих фактическое состояние материала (фазовые превращения, накопление микроповреждений, неоднородность структуры и другие), просто не учитываются. Стадия накопления микроповреждений зачастую занимает большую часть ресурса и проходит без видимых изменений геометрии изделия. На этой стадии происходит изменение плотности вакансий, дислокационной структуры, накопление микропор и микротрещин, которые в дальнейшем могут сливаться в более крупные и на последних этапах образовывать макротрещины, приводящие к катастрофическому разрушению. Прогнозирование ресурса материала на ранней стадии разрушения еще до образования трещин требует разработки новых подходов.
По словам заведующего лабораторией, для решения задачи диагностики фактического состояния и определения ресурса используются виды неразрушающего контроля, которые позволяют учесть структурное и напряженно-деформированное состояние, дефектность материала, а также их изменение в процессе эксплуатации объекта. Проведение комплекса исследований с помощью различных методов позволяет получить более полную информацию о фактическом состоянии как поверхностного слоя материала, так и его объема.
— Я хорошо помню слова профессора кафедры «Метрология и взаимозаменяемость» Московского государственного технического университета имени Баумана, известного специалиста в области прикладной физики и измерительной техники Михаила Ивановича Киселева: «Как только изделие рождается, оно начинает разрушаться», — продолжает Василий Мишакин. — Разрушение представляет собой сложный и многостадийный процесс, подверженный влиянию большого числа факторов. Например, известный американский ученый, профессор Джек Коллинз определяет вид разрушения как физический процесс или несколько взаимосвязанных между собой процессов, приводящих к разрушению. На сегодняшний день известны сотни видов разрушения. Одно из самых распространенных и коварных разрушений — усталостное.
Усталостное разрушение наблюдается, в частности, на объектах гидроэнергетики, поясняет собеседник. Одним из самых ярких и печальных примеров является крупнейшая в истории российской гидроэнергетики авария (техногенная катастрофа) на Саяно-Шушенской ГЭС, произошедшая 17 августа 2009 г. В тот день находившийся в работе гидроагрегат № 2 внезапно разрушился, и многотонный ротор, вращающийся как волчок, был выброшен напором воды в машинный зал, что привело к многочисленным разрушениям. В машинный зал ГЭС под большим напором стала поступать вода, затопив и зал, и технические помещения под ним. В момент аварии работали девять гидроагрегатов, автоматические защиты на большинстве из них не сработали. Комиссии Ростехнадзора и Государственной Думы, проводившие расследование причин аварии, пришли к выводу, что разрушение гидроагрегата произошло из-за усталостных повреждений шпилек крепления крышки турбины в результате вибрации.
— Направление исследований нашей лаборатории — это ранняя диагностика материалов машин и конструкций, подвергаемых различным видам разрушений, — отмечает Василий Мишакин. — Для обнаружения микроповреждений мы
комплексно применяем различные структурно-чувствительные виды контроля: акустический, магнитный, вихретоковый, оптический, реже рентгеноструктурный, а для наблюдения микроповреждений на уровне десятка нанометров используем растровый электронный микроскоп. По сути, мы разрабатываем комплексный подход для определения состояния материалов конструкций. Он заключается в изучении микроструктуры материала непосредственно на конструкции, определении ее соответствия нормативным требованиям, выявлении дефектности на макроуровне и оценке микроповрежденности. Ориентацию и размеры внутренних макродефектов мы определяем с помощью акустической томографии. В ряде случаев проводим расчет долговечности с учетом скорости роста трещин. Часть разработок ограничивается только фундаментальными исследованиями, другие доходят до внедрения. Если коротко: мы развиваем прикладную науку через фундаментальную — продвигаем свои научные разработки и применяем их на практике.
Кроме нашей лаборатории подобной тематикой занимаются научные коллективы в Москве, Екатеринбурге и других крупных городах России. Но наше конкурентное преимущество в том, что мы проводим комплексные исследования на стыке механики, материаловедения и физической акустики, совмещая как традиционные, так и оригинальные подходы.
По мнению Василия Мишакина, одно из преимуществ лаборатории заключается в возможности применения разработанных подходов непосредственно на промышленных объектах. Пристального внимания требуют все объекты, находящиеся в длительной эксплуатации. Особенно важно контролировать состояние сварных соединений металлоконструкций, которые обладают сильной неоднородностью структуры и свойств. Важное прикладное значение также имеет определение остаточных сварочных напряжений, поиск надежных способов определения которых ведется во всем мире.
— Проведенные нами исследования акустоупругого эффекта в сварных соединениях показали, что акустические параметры и коэффициенты акустоупругости существенно изменяются с расстоянием от сварного шва, — подчеркивает заведующий лабораторией. — Этот факт необходимо учитывать для корректного определения напряжений на различных участках сварного соединения.
Другая интересная в научном и прикладном плане задача связана с эксплуатацией элементов конструкций и деталей машин в жестких климатических условиях Арктики и Крайнего Севера. Нами проведены исследования влияния пониженных температур и поврежденности на акустические характеристики различных конструкционных сплавов. В результате был разработан метод повышения эффективности ультразвуковой дефектоскопии элементов конструкций при пониженных температурах. Эти разработки, описанные в научных статьях и защищенные патентами на изобретения, стали одними из важнейших результатов нашей лаборатории за последние годы.
В 2019 году мы получили грант на выполнение проекта РНФ по теме «Исследование микромеханики разрушения конструкционных сталей с целью разработки способа оценки поврежденности методами акустического и вихретокового контроля», в котором я являюсь руководителем. Этот проект посвящен исследованию усталости, в том числе, метастабильной аустенитной стали, широко используемой в ядерной энергетике и химической промышленности. В рамках выполнения проекта мы сотрудничали с профессором Тафтского университета (Tufts University) Марком Качановым, известным ученым в области микромеханики. Нами подана заявка на продление гранта, и мы надеемся на продолжение исследований по этой теме.
Метастабильная аустенитная сталь интересна тем, что при силовом воздействии аустенит (парамагнетик) частично превращается в мартенсит деформации (ферромагнетик). Судя по публикациям в научных журналах, диагностика состояния такого рода сплавов ограничивается применением только магнитного или вихретокового вида контроля. Такой подход с фундаментальной точки зрения неверен. На фоне сильных магнитных изменений определить накопленную микроповрежденность с применением только магнитного или вихретокового вида контроля практически невозможно. Мы предлагаем дополнительно использовать акустический вид контроля. Это позволяет получить количественное значение микроповрежденности, определить ее критическое значение, соответствующее образованию макротрещины, и оценить остаточный ресурс. Ранее в течении шести лет это научное направление нашей лаборатории курировал академик РАН Федор Михайлович Митенков. Совместные работы с АО «ОКБМ Африкантов» были посвящены разработке способов прогнозирования остаточного ресурса коррозионно-стойкой жаропрочной стали 08Х18Н10Т. Сотрудничество с Федором Михайловичем было плодотворным: мы опубликовали серию статей в высокорейтинговых научных журналах и сделали ряд докладов на всероссийских и международных конференциях. Жаль, что с его уходом из жизни интерес отечественных предприятий атомной промышленности к таким исследованиям, проводимым нашей лабораторией, значительно снизился.
По инициативе руководителей ООО «Волга — СГЭМ» — «Камспецэнерго» (Набережные Челны, Республика Татарстан) Александра Ивановича Байкова, одного из старейших гидроэнергетиков России, и Александра Леонидовича Руденко сотрудники лаборатории были привлечены к исследованиям сварных лопаток направляющего аппарата гидроагрегатов Нижнекамской ГЭС, дополняет ученый. Лопатки направляющего аппарата, регулирующие расход воды, представляют собой огромные конструкции массой более семи тонн и длиной около семи метров каждая, постоянно находящиеся в динамическом нагружении от напора воды и подверженные коррозии, но ни разу за 30 лет эксплуатации не проходившие диагностику. Естественно, в материале лопаток все это время от дефектов сварки нарастали усталостные трещины, особенно в местах концентрации напряжений, например, в сварных соединениях цапф с пером лопатки. Поэтому состояние лопаток требует пристального внимания. Наличие дефектов и динамику их развития необходимо контролировать, так как не исключен вариант разрушения конструкции, что может привести к техногенной катастрофе. По результатам исследований сотрудниками лаборатории была разработана комплексная методика оценки фактического состояния лопаток. В ее основу легли определение структурного состояния материала, его механических свойств, определение с помощью ультразвуковой томографии характеристик дефектов, а также определение методом ультразвуковой толщинометрии степени коррозионного износа. Кроме того, были даны рекомендации по увеличению ресурса лопаток при их восстановлении после продолжительной эксплуатации.
— С ООО «Волга — СГЭМ» — «Камспецэнерго» наша лаборатория сотрудничает более 12 лет, — сообщает Василий Васильевич. — Директор предприятия Александр Леонидович Руденко — выдающийся специалист и умелый руководитель, имеющий большой опыт строительства ГЭС, в том числе в Эквадоре и в Заполярье. В ИПМ РАН он выполнил кандидатскую диссертацию. Он с почтением относится к науке и убежден, что традиционной дефектоскопии при обследовании гидроагрегата недостаточно, поэтому необходимо привлекать инновационные научные разработки.
Мы участвовали также в разработке вездехода-амфибии «Русак» в рамках проекта Министерства науки и высшего образования России, занимаясь диагностикой состояния силовых элементов конструкции вездехода на стадии входного контроля металла при изготовлении и после полевых испытаний. Под руководством Александра Николаевича Блохина, доцента кафедры «Автомобили и тракторы» Института транспортных систем Нижегородского государственного технического университета имени Алексеева, было создано новое поколение транспортных средств-амфибий для работы в условиях Арктики и Антарктики. Тестирование вездехода было успешно проведено в Якутии и на Чукотке.
Наша лаборатория активно использует научные подходы при оценке фактического состояния материалов различных промышленных объектов ПАО «РусГидро», ПАО «Лукойл», ПАО «Сибур Холдинг», АО «ОКБМ Африкантов», ПАО «ОДК-Кузнецов».
Интересный факт: в период строительства стадиона «Нижний Новгород» на нем произошло локальное возгорание, и нас попросили определить прочность и ремонтопригодность некоторых ответственных элементов металлоконструкций после пожара. Выполнив исследования, наша лаборатория дала рекомендации по ремонту.
В настоящее время мы участвуем в разработке прибора для диагностики напряженного состояния бесстыковых рельсовых плетей методом акустической тензометрии в целях повышения безопасности движения поездов ОАО «РЖД». Разрабатываемый инновационный программно-аппаратный комплекс будет контролировать железнодорожные пути на наличие температурных напряжений. Общее руководство этим проектом осуществляет заведующий сектором инновационных программ ИПФ РАН Алексей Геннадиевич Кириллов, а научное направление курирует наш сотрудник Константин Курашкин.
Результаты своих исследований сотрудники лаборатории традиционно публикуют в отечественных журналах, среди которых «Журнал технической физики», «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», «Дефектоскопия», «Гидротехническое строительство». Ряд статей опубликован в высокорейтинговых зарубежных научных журналах (Q1), в том числе в издании International Journal of Engineering Science (занимает первое место из 91 в области инженерных наук, импакт-фактор 9,1 на 2020 г.).
— Необходимо отметить, что большая часть научных работ выполнена нами при финансовой поддержке Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований. Грантовая система и другие источники финансовой поддержки от государства хороши тем, что предоставляют возможность ученым сочетать фундаментальные исследования и прикладные разработки, — подытоживает разговор Василий Мишакин.
СПРАВКА. В.В. Мишакин родился 2 февраля 1952 г. в Горьком. В 1971 г. окончил Горьковский авиационный техникум им. П.И. Баранова по специальности «техник-технолог», в 1978 г. — физический факультет ГГУ им. Н.И. Лобачевского по специальности «физик». В 1991 г. защитил кандидатскую диссертацию, в 2004 г. — докторскую диссертацию по теме «Разработка акустического и ударного методов оценки прочности и пластичности металлических материалов». Работа выполнена в Нижегородском филиале Института машиноведения
им. А.А. Благонравова РАН.
В 1971-2000 гг. работал на оборонных предприятиях и в научно-исследовательских институтах страны, в 2002-2005 гг. — старшим исследователем в университетах Англии (London South Bank University и The University of Warwick). С 2004 г. — заведующий Лабораторией неразрушающего контроля и диагностики материалов и конструкций ИПМ РАН. В 2006-2013 гг. — профессор кафедры физического материаловедения ННГУ им. Н.И. Лобачевского. В 2021 г. награжден медалью «За вклад в реализацию государственной политики в области научно-технологического развития».
Область научных интересов: прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций, неразрушающие виды контроля.
Член Ученого совета ИПМ РАН, член научных диссертационных советов в НГТУ им. Р.Е. Алексеева, АО «ОКБМ Африкантов», ННГУ им. Н.И. Лобачевского. Региональный редактор (Восточная Европа) международного журнала Nondestructive Testing and Evaluation. Руководитель грантов РФФИ и РНФ. Под его руководством защищены пять кандидатских диссертации по темам, связанным с основными направлениями научно-исследовательской работы лаборатории. Автор более 150 научных статей, из них 85 в журналах, входящих в перечень ВАК, 63 — в базы данных SCOPUS и Web of Science, 19 патентов на изобретения.
Увлекается горными лыжами, любит русскую литературу. Фанат Гоголя и Достоевского.
Сын Сергей, к.ф.-м.н., и внук Вадим занимаются IT-технологиями.
Дочь Елена — специалист по адаптивной физической культуре.
