Дефектоскопия и диагностика памятников городской скульптуры
Об авторе:
узПавлов Игорь Валерьевич
Заведующий проблемной лабораторией системных исследований окружающей среды Северо-Западного региона России, к. т. н., профессор кафедры приборов контроля и систем экологической безопасности СЗТУ (Санкт-Петербург).
1. Постановка задачи исследования
Методология исследования памятников скульптуры и архитектуры является очень интересной трудоемкой работой, приносящей часто неожиданные результаты, так как практически все памятники не имеют технической документации, изготавливались в единичном экземпляре и отражают уровень технических достижений как авторских коллективов, так и эпохи, которую они представляют. Методология контроля памятников скульптуры и архитектуры может разительно отличаться от методологии в машиностроении и приборостроении, но имеет также и много общего в применяемых методах, способах их реализации, обработки и представления результатов.
В статье приводятся результаты исследования памятника Александру III в Санкт-Петербурге, целью которых являлось установление внутренней конструкции, дефектного состояния, возможности транспортировки на новое место экспонирования, а также накопление фактического материала о конструкции и материале памятника и выработка рекомендаций для дальнейшей реставрации. Предыдущие перемещения привели к образованию большой трещины в плинте длиной около метра, что могло в случае ее развития привести к разрушению памятника при подъёме.
Памятник является сравнительно молодым произведением литой монументальной скульптуры Санкт-Петербурга. Скульптор П. П. Трубецкой (1866 -1938) учел опыт эксплуатации бронзовых скульптур в условиях влажной сернистой атмосферы города с резкими перепадами температур. В конструкции нет стального каркаса, присутствующего в аналогичных по массе памятниках Петру I и Николаю I, и поэтому памятник не имеет значительных дефектов, типичных для памятника Петру I Растрелли.
Исследования показали, что памятник (здесь и далее под этим понимается бронзовая литая фигура без постамента и утраченных деталей) состоит из пяти частей: всадник с седлом, передняя часть коня, задняя часть коня, голова коня и плинт.
Скульптор не мог, естественно, предположить, что памятник в сборе будет многократно перемещаться, использоваться при съемках фильма в виде декорации, проведет несколько лет, лежа на боку в Михайловском саду; будучи засыпанным песком, подвергнется прямому попаданию фугасной бомбы и даже в Русском музее будет стоять на заднем дворе несколько десятилетий без фундамента.
Когда встал вопрос об очередном переносе памятника из Русского музея во двор Мраморного дворца, потребовалось серьезное исследование памятника как составной инженерной конструкции, имеющей сложную, малоизвестную предысторию нагружения.
Требовалось выяснить жесткость и прочность всей конструкции, для чего было необходимо определить конструкцию памятника, материал, его структуру, дефектное состояние и на основании этих данных спрогнозировать поведение конструкции при строповке, подъеме, перемещении автомобильным транспортом и предложить методику перемещения, исключающую разрушение и необратимые деформации.
2. Контроль материала и конструкции памятника
Памятник Александру III отлит из так называемой зеленой художественной бронзы (8 т). Химический состав был определен рентгенофлуоресцентным методом с использованием сканирующего спектрометра "Филипс PW-1220C" по методике СТП 90.208-83 с помощью ассоциации "Центро- лаб": олова и цинка - по 8 %, свинца - 1 %, остальное - медь. Предел прочности металла памятника составляет примерно 1S0-200 МПа, а относительное удлинение - 8-12 %.
Металлографическое исследование позволило установить, что материал памятника имеет развитую дендритную ликвацию и представляет собой а-твердый раствор меди + эвтектоид (Cu31Sn8 + α). Материал заделки дефектов - цинк (Zn - 98,6 %, Pb - 1,2 %).
Для выяснения возможности приложения к памятнику нагрузок в ходе строповки и транспортировки, с учетом выявленных дефектов материала, физико- механических характеристик, толщины в опасных сечениях и несущей способности соединений отдельных элементов был предложен комплекс методов НК:
- визуально-оптический для определения внешних дефектов металла, а также внутренней конструкции памятника, соединения его отдельных частей и их технического состояния;
- капиллярный для выявления микротрещин в напряженных местах, их действительных размеров и ориентации;
- ультразвуковой для определения наличия внутренних дефектов, толщины и физико-механических свойств металла в местах воздействия наибольших нагрузок при подъеме и перемещении памятника;
- тепловизионный для определения монолитности соединений отдельных частей памятника.
Проведенные исследования и анализ опыта, имеющегося в нашей стране (исследование памятников Петру I и Николаю I) и за рубежом (исследование фигуры, венчающей Капитолий в Вашингтоне), показали правильность произведенного выбора.
3. Исследование конструкции памятника и соединения его частей
Никаких документов о конструкции не сохранилось. Поэтому даже неясно было, имеет ли памятник стальной каркас внутри пустотелой конструкции (как у памятника Николаю I) или стальной каркас в отдельных несущих элементах (как у памятника Петру I).
С помощью специального эндоскопа было проведено обследование внутренней конструкции и состояния крепежных элементов.
Было установлено, что голова коня соединена с телом болтами (15 штук), головки которых после монтажа срезались. Верхняя часть сопряжения имеет зазор 2 мм. В нижней части сопряжения видны продукты коррозии и следы какой-то заделки. Болтовые соединения в брюхе коня оказались хорошего качества. Копыта коня вставлены в углубления плинта. Через нижнюю часть копыт просверлены отверстия, куда вставлены штыри (предположительно диаметром 12 мм). Копыта, кроме того, по периметру заварены (запаяны).
УЗК выявил значительные неоднородности и непровары, были определены значительные зазоры (до З5 %) по линии сопряжения головы коня (масса более тонн, длина 1,7 м).
На памятнике имеется несколько сквозных отверстий: технологических и от пуль и осколков. Технологические отверстия диаметром 25 мм имеются на плинте и в нижней части живота коня. Металл вокруг отверстия плотный.
Памятник имеет несколько дефектов литья. На голове коня между ушами имеется отверстие неправильной формы размером 50 х 60 мм, оно частично заплавлено цинком. Бронза вокруг отверстия утонена до 5-10 мм. Также имеются отверстия на сапоге всадника (∅ 6 мм), в правом бедре всадника (овальное 12 х 7 мм), на наружной стороне сапога (25 х 15 мм), в верхней части кулака (80 х 20 мм). Металл вокруг последнего отверстия утонен. В указательном пальце руки есть резьбовое отверстие М10.
Обнаружена одна ужимина (литейный дефект, вызванный попаданием кусков формовочной смеси в металл в процессе твердения) размером 70 х 40 мм и глубиной 30 мм в нижней части руки всадника.
В отдельных местах поверхности памятника имеются небольшие раковины. Наибольшее их количество (длиной 5-15 мм и глубиной 5-10 мм) - на передней части груди коня. Имеются также микроскопические трещины. Глубокая трещина на плинте начинается на расстоянии 215 см от передней части с левой стороны и выходит на правую сторону на расстоянии 230 см от передней части. Она была заварена (или заплавлена) и зачеканена на расстоянии 580 мм от правой стороны. УЗК показал отсутствие в некоторых местах сплошности между материалом заделки и основным металлом.
Заделка отверстия диаметром 85 мм в пасти коня сплавом на основе цинка имеет хорошее состояние. Большое количество заделок имеется на фигуре всадника. В верхней части седла, очевидно, припаян фрагмент размером 100 х 200 мм. С правой части седла имеется заделка бронзой размером 130 х 120 мм. Имеются заделки на плинте.
Обследование всей внутренней конструкции производилось визуально с помощью специального трубчатого галогенного осветителя и системы зеркал.
Специальных отверстий для осмотра памятника в его конструкции не предусмотрено (как, например, на памятнике Николаю I, где есть специальный люк), поэтому пришлось использовать имеющиеся незначительные отверстия - сквозные дефекты. Осмотр и фотосъемка внутренней полости памятника производились через расположенное рядом аналогичное отверстие в левом сапоге всадника и через отверстие в верхней части левой руки, держащей поводья. Внутри поверхность памятника очень темная, покрыта слоем окислов и пыли, и поэтому сильно поглощает свет. Таким образом удалось установить отсутствие в памятнике внутренней металлической арматуры и наличие болтовых соединений между элементами и их количество. Для более детального обследования конструкции памятника было решено применить галогенную лампу КГ 220-1300-3 мощностью 1300 Вт, отличительной особенностью которой является конструктивное исполнение в виде стержня диаметром 8 мм, что позволило ввести ее внутрь памятника через отверстие в левом кулаке всадника. Была детально изучена внутренняя конструкция памятника, способ соединения отдельных частей и наличие дефектов, имеющих выход на поверхность (рис. 4-6). Не удалось только полностью обследовать внутреннюю поверхность ног коня. Даже применение специальных зеркал и объективов не позволило через имеющиеся отверстия заглянуть внутрь ног коня, в район скакательного сустава, т. е. в то место, где снаружи было выявлено большое скопление пористости.
Рис. 4. Коррозия между составными частями памятника (снимок сделан с помощью оптоволоконного эндоскопа)
Рис. 5. Трещина между частями памятника (головой и телом коня)
Рис. 6. Трещина в плинте (основании памятника)
Микроскопические дефекты (чаще всего трещины) не могут быть обнаружены визуально, но могут являться концентраторами напряжений. Наибольшее скопление микротрещин было выявлено методом микроскопии вокруг заклепок (или ввертышей), крепящих голову коня к телу. Так как голова коня представляет собой консоль массой около т, место соединения подвергалось наиболее тщательному контролю капиллярным методом. Трещины с раскрытием порядка 10 мкм и больше выявлялись надежно. Микроскопические трещины были обнаружены вокруг отверстий вдоль мартингала, в которых находятся ввертыши, скрепляющие голову коня с телом. Это явилось еще одним основанием для рекомендации подкрепления головы коня в процессе транспортировки. Очень мелкие трещины выявлялись с применением аэрозольных пенетрантов фирмы "Намикон", когда состояние поверхности позволяло произвести тщательную очистку. В других случаях использовался "метод керосиновых проб", при котором пенетрантом служил керосин, а проявляющим веществом - мел. Метод обладает гораздо меньшей чувствительностью, но хорошо работает по грубой, необработанной поверхности, какой является почти вся поверхность памятника.
Чтобы определить толщину металла и убедиться в отсутствии внутренних дефектов - пор, пустот, шлаковых и земляных включений и т. д. применялся ультразвуковой метод дефектоскопии.
В металлах с резко выраженной анизотропией (медь, цинк) ультразвук сильно рассеивается. Значение коэффициента затухания для этих металлов в десятки раз выше, чем для сплавов с небольшой степенью упругой анизотропии. Как правило, прозвучивание таких металлов сопровождается структурной реверберацией УЗК за счет многократных повторных отражений волн от границ зерен металла. В нашем случае наилучшие результаты были получены при применении пьезопреобразователей с рабочей частотой 0,6 МГц.
В соответствии с предложенной и согласованной с заказчиком схемой строповки, требовалось определить толщину металла в местах приложения распределенной нагрузки от мягких строп к брюху коня (для гарантии от продавлива- ния) и в наиболее утоненных сечениях ног (для гарантии от отрыва под массой плинта и ног). С помощью толщиномера УТ-93П с преобразователем П112-10-62-АВТ15, разработанным для грубо обработанной, шероховатой поверхности, с контактной площадкой диаметром 6 мм были определены наиболее утоненные места памятника и по ним рассчитаны действующие нагрузки. УЗ толщинометрия не выявила каких-либо опасных дефектов.
УЗК сварных швов плинта и крепления ног коня, проведенный с помощью дефектоскопов УД2-12 и УД 12-22 по специально разработанной методике, дал неутешительные результаты. Как уже отмечалось, надежно определить способ создания соединения не удалось, однако установлено, что соединение не равнопрочно с остальным материалом. Практически по всему сечению швов прослеживаются непровары, существует четкая граница между основным и наплавленным металлом. Соединение к конструкционным отнести нельзя - оно носит чисто декоративный характер и при подъеме памятника должно было быть подкреплено, как и указано в схеме строповки.
Измеренное среднее значение скорости ультразвуковых волн во всех пяти частях памятника составило 5120 м/с. Каких-либо опасных аномалий, указывающих на изменение структуры материала памятника, значительную микрокрис-таллитную коррозию, трещиноватость не обнаружено. Металл во всех местах достаточно однороден.
По разработанным рекомендациям памятник был поднят автокраном и на автомобильной платформе перевезен на новое место экспонирования без повреждений.