Dėl konstrukcijų korozijos įvykusi „Ponte Morandi“ tilto griūtis, Genujos mieste, Italijoje, 2018 metais, šiemet dėl defektų konstrukcijose įvykusi „Xinjia Express Hotel“ viešbučio, naudoto kaip koronaviruso karantino centras, griūtis Quanzhou mieste, Kinijoje, dėl metalinės atraminės konstrukcijos suvirinimo siūlėse atsiradusių defektų įvykusi Alexander L. Kielland naftos platformos avarija 1980 metais.
Katastrofos, kurių buvo galima išvengti
Tai tik keletas pastarųjų kelių dešimtmečių pasaulinių katastrofų pavyzdžių, kurių buvo galima išvengti arba bent jau ženkliai sumažinti šių avarijų pasekmes laiku aptikus besiformuojančius struktūrų vidinius defektus ir perspėjus, kad įrenginį arba infrastruktūros dalį eksploatuoti toliau yra jau nesaugu.
Šios ir daugelis kitų laivų, lėktuvų, tiltų, traukinių, elektrinių, atsinaujinančių energijos šaltinių – vėjo jėgainių, įvairių talpyklų avarijų, pareikalavusių didžiulių žmonių aukų ir milijardus siekiančių tiesioginių bei netiesioginių finansinių nuostolių, tampa „varomąja jėga“ siekiant užtikrinti saugų strateginių energetikos, transporto, aviacijos pramonės sektorių eksploatavimą.
Taip atsiranda poreikis nuolat kurti ir diegti bei tobulinti specializuotus technologinius sprendimus, skirtus strateginių pramonės sektorių objektų ir konstrukcijų būsenos stebėsenai atlikti.
Saugumas svarbu visada, pandemijos metu – ypač
Įprastas tikrinimo procedūras neardomųjų bandymų ir diagnostikos metodais periodiškai, nustatytu intervalu, atlieka specialiai apmokytas personalas. Kadangi nuo vieno iki kito tikrinimo gali praeiti nuo 1 iki 10 metų, atsiranda rizika, kad vieno tikrinimo metu nepastebėtas nedidelis defektas iki sekančio tikrinimo jau tampa pavojingu ir gali sukelti skaudžią avariją.
Dabar, kai pasaulinės koronaviruso (SARS-CoV-2) pandemijos ir visuotinio karantino sąlygomis ribojamas žmonių ir tuo pačiu tikrinimus turinčio atlikti techninio personalo mobilumas, nevyksta tarptautiniai skrydžiai, taikomas personalo karantinas įvairiose institucijose ir neįmanomas patekimas prie tikrinamųjų objektų, daugelis svarbių objektų lieka nepatikrinti dėl galimų defektų.
Mokslo pasiekimai jau yra pakankamai pažengę, kad šios rizikos būtų sumažintos pasitelkiant autonomines, nepertraukiamai veikiančias struktūrų būsenos stebėsenos (angl. structure health monitoring arba SHM) sistemas.
Tokios sistemos turi užtikrinti saugų ir patikimą inžinierinių konstrukcijų veikimą, įvertinant jų esamą būklę ir likusį dar „saugų“ eksploatacijos laiką. SHM tyrimų metu tiriamieji objektai yra eksploatuojami, pilnai funkcionuojantys ir leidžia išvengti objekto prastovos nepatiriant jokių finansinių nuostolių.
Energetikos objektų 1 valandos prastovos kaštai gali svyruoti nuo keliasdešimt tūkst. eurų iki šimtų tūkstančių ir daugiau eurų. Orlaivio dienos prastovos kaštai gali svyruoti nuo keliasdešimt tūkst. iki šimto tūkst. eurų.
SHM gali būti atliekamos optinio pluošto jutikliais, mechaninių deformacijų jutikliais, akustinės emisijos jutikliais, vibracijų jutikliais ir ultragarsines bangas žadinančiais bei priimančiais jutikliais. Didžiausias privalumas SHM sistemose naudoti ultragarsą yra didelis pritaikomumas neapribotas objektų ar infrastruktūros mąsto, dydžio ar didelio ultragarso bangų nusklidimo atstumo.
Galima stebėti nuotoliniu būdu
Taikant SHM ultragarsines nukreiptąsias bangas, galima nepertraukiamai stebėti įvairias infrastruktūras ar jų elementus, pavyzdžiui, elektrinių komponentus, įvairių vamzdynų sieneles ir siūles, vėjo jėgainių sparnuotes, transporto ir aeronautikos kompozitinių medžiagų konstrukcijas. Sklindančios žemo dažnio nukreiptosios ultragarso bangos sklisdamos konstrukcija reaguoja į jos struktūros nehomogeniškumus ir atsirandančius defektus.
SHM sistemų sukaupiami ir pirminiame etape apdorojami duomenys ir signalai perduodami įvairiais ryšio kanalais bei automatizuotai apdorojami sekančiame etape, taikant specializuotus duomenų ir signalų apdorojimo algoritmus.
Pasitelkus dirbtinio intelekto algoritmais bei atliepiant Pramonė 4.0 poreikius, konkretaus objekto operatorius gauna automatizuotą patariamąjį atsakymą: struktūra ar objektas yra saugus tolimesnei eksploatacijai arba jau nebe.
Grįžtant prie pandemijos keliamų iššūkių, svarbu tai, kad nebereikia siųsti techninio personalo į įrenginio eksploatacijos vietą periodiniams tikrinimams atlikti, o atsakingas operatorius gali detaliai įvertinti SHM sistemos pateikiamus rezultatus nuotoliniu būdu.
Iš mokslinių laboratorijų – į pramonę
Nepaisant technologinio progreso taikant ultragarso ir kitus metodus SHM sistemose, egzistuojančios SHM sistemos dažniausiai įgyvendinamos tik mokslinėse laboratorinėse. Kodėl? Nes sistemas taikant praktiškai reikalingos specifinės mokslinės žinios apie ultragarsinių nukreiptųjų bangų sklidimą ir sąveiką su tiriamųjų objektų struktūra, galimais besiformuojančiais vidiniais defektais.
Siekiant šį mokslinį progresą iš laboratorijų perkelti į pramonę, Kauno technologijos universiteto (KTU) prof. K. Baršausko ultragarso mokslo institute su tarptautiniais partneriais šiais metais pradėtas vykdyti 4 metų trukmės Europos Komisijos Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie Actions Innovative Training Networks (MSCA-ITN) programos finansuojamas projektas.
Projekto „Nukreiptosios bangos struktūrų būsenos stebėsenai (GW4SHM)“ tikslas – pirmą kartą apjungti efektyvius ultragarso bangų sklidimo modeliavimo ir signalų apdorojimo metodus, bei įvertinti struktūrų būsenos stebėsenos sistemų patikimumą.
Jis vienija akademinės bendruomenės ir pramonės partnerius, rengiami jaunieji tyrėjai ir doktorantai, jiems suteikiamos su SHM susijusios tarpdisciplininės kompetencijos. Juk jie ateinanti mokslininkų karta, galinti kurti dalykus kurių vis dar nėra ir mokslinės fantastikos akiratyje, tačiau tai jau kita tema.
Projekte skiriamas dėmesys konstrukcijų vientisumui įvertinti aeronautikos, naftos pramonės ir transporto sektoriuose. Glaudus matematikos, fizikos, informatikos, elektronikos ir matavimų žinias turinčių ekspertų bendradarbiavimas leidžia praplėsti SHM metodų taikymo galimybes ir atliktų tyrimų pritaikomumą praktikoje.
Šio projekto rezultatais suinteresuotos energetikos, aviacijos ir transporto pramonės sektorių įmonės, tokios kaip SHELL, AIRBUS, „Dalara Automobili S.p.A“., lėktuvų komponentų ir variklių tiekimo įmonė „Safran“ iš Prancūzijos ir kt.
Naudojama unikali įranga
KTU Prof. K. Baršausko ultragarso mokslo instituto 60 veiklos metų sukaupta vykdytų ir vykdomų fundamentinių bei taikomųjų mokslinių tyrimų patirtis. Instituto veikla apima tarpsritinius ultragarso taikymus nestandartinėse ir ekstremaliose sąlygose, naujų sprendimų kūrimą technologiniams matavimams ir jų pramoniniam taikymui.
Daugiau nei 30 tarptautinių Europos Komisijos Bendrosios programos (5,6,7 Framework), „Eurostars“, „Horizon“ projektų, įgyvendintų MTEP darbų su tarptautinėmis ir nacionalinėmis verslo įmonėmis, panaudojama projekte.
Taip pat projekte bus panaudojama unikali tarptautiniame kontekste ir specializuota mokslinių tyrimų infrastruktūros „Ultratest“ įranga. Institute mokslinius tyrimus vykdo elektros ir elektronikos, bei matavimų inžinerijos mokslo krypčių doktorantai, taip pat ir magistrantai.
Palinkėjimas karantino metu
Kadangi optimizmo ir pozityvių minčių niekada nebūna per daug, o pandemijos metu ypač, norisi visada prisiminti, kad pandemijos ateina ir praeina, o mokslo rezultatai, kurių siekiame visuomet, buvo, yra ir bus.
Norėkime, galėkime ir gebėkime kurti bei vystyti įvairius inovatyvius sprendimus bei technologijas saugesnei mūsų visų dabarčiai ir ateičiai užtikrinti, įprastomis ir pandemijos sąlygomis.
Tačiau kokie bebūtų aukšto lygmens ar išbaigtumo sprendimai ar technologijos, joms kurti, funkcionalumui palaikyti ir vystyti vis dar reikia ir reikės gabių, kūrybingų ir bendradarbiaujančių akademinės bendruomenės narių – būsimųjų ir esamų studentų, dėstytojų ir mokslininkų, pramonės atstovų ir visuomenės įsitraukimo.
Kol kas tik žmonės gali „matyti“ toliau už esamų žinių ar pasiekimų horizontus. Kantrybės, bendrystės, visapusiško pasitikėjimo ir būkime sveiki.
Renaldas Raišutis yra KTU Elektros ir elektronikos fakulteto profesorius, Prof. K. Baršausko ultragarso mokslo instituto vyriausias mokslo darbuotojas ir Skaitmeninio modeliavimo laboratorijos vadovas.
