Дефектоскопия и диагностика памятников городской скульптуры



Об авторе:

Павлов Игорь Валерьевич

 

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).

памятник Николаю I

памятник Николаю I

памятник Николаю I

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.

 Коррозия между составными частями памятника (снимок сделан с помощью оптоволоконного эндоскопа)

Рис. 4. Коррозия между составными частями памятника (снимок сделан с помощью оптоволоконного эндоскопа) 

 

 Трещина между частями памятника (головой и телом коня)

Рис. 5. Трещина между частями памятника (головой и телом коня) 

 Трещина в плинте (основании памятника)

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.

Благодарим журнал "В Мире НК" за любезно предоставленную информацию http://www.ndtworld.com

Возврат к списку