Ремонт треснутых колоколов

Если вы на слух услышали изменение звучания колокола (например, звук стал глуше, неблагозвучным, иногда дребезжащим или длительность звучания резко уменьшилась), необходимо сразу произвести тщательный осмотр с использованием лупы с увеличением 3-5 раз, начиная, прежде всего с ударного кольца. При обнаружении трещины это место очищают от патины как снаружи, так и изнутри и проводят более тщательный осмотр с целью определения границ трещины с обеих сторон и, если это надо, специальные исследования с использованием технических средств неразрушающего контроля.  

В настоящее время на базе деятельности московского Колокольного центра разработана методика диагностики (т.е. выявления характера, места и размеров дефектов) бронзовых колоколов любого размера с любыми дефектами как на месте их подвески, так и в стационарных условиях. Данная методика проверена на десятках колоколов различных размеров и возраста и позволяет, в конечном счете, решить вопрос о целесообразности дальнейшего использования колокола для звона, его ремонта, переплавки или оставления на хранении (в храме, музее и т.д.).

Данная методика предполагает комплексное использование современных технических средств неразрушающего контроля и включает в себя 5 этапов:

-   акустический анализ звучания колокола;

-   визуальный осмотр;

-   капиллярная (цветная) дефектоскопия;

-   ультразвуковая диагностика;

-   рентгенография.

Первый способ является сравнительно новым, разработан нами с учетом особенностей звучания колоколов и в печати подробно нигде не описан. В чем его суть? Собственные колебания колокола после удара происходят в трехмерном пространстве и очень сложны. Как мы говорили выше (см. главу о музыкальной акустике), конечное его звучание зависит как от внутренних факторов, так и внешних (т.е. окружающей среды).

К внутренним факторам относятся: механические свойства материала (плотность, модуль упругости  и коэффициент затухания звука), состояния материала (структура и пористость) и геометрические параметры (профиль колокола, отклонения от идеальной формы и место удара). Все эти параметры влияют, в конечном счете, на звучание колокола и любые изменения в нем могут говорить о внутреннем состоянии колокола.

Здесь возможны как статические методы исследования (анализа), так и динамические. Но оба они не возможны без проведения паспортизации колокола, включая его акустику, которая отличается своей индивидуальностью. В числе наиболее важных акустических диаграмм, которые можно получить с помощью многочисленных компьютерных программ (например: «Спектралаб», «Спектра-плюс» и др.) считаются:

- частотная диаграмма в момент удара;

- частотная диаграмма при установившемся основном тоне;

- диаграмма затухания звука;

- трехмерная частотно-временная диаграмма затухания звука.

Анализ этих диаграмм позволяет оценить качество литья, особенности музыкальной организации звучания, правильность веса языка, целостность колокола, геометрические отклонения и т.д.

Если мы знаем исходные данные по звучанию колокола, то мы можем уже отслеживать его состояние в динамике (что особенно важно для исторически ценных колоколов). Анализ изменения в вышеуказанных диаграммах уже на первом этапе (без использования других технических средств неразрушающего контроля) может выявить такие дефекты как: начало раскола колокола, изменение подвески языка, появление наклепа, старение материала и т.д. Ясно, чем своевременнее мы обнаружим эти изменения, тем раньше мы можем принять меры по их устранению или «лечению».

Последние четыре технологии достаточно хорошо известны в промышленности, хотя они и имеют некоторые особенности при диагностике состояния колоколов.

Чем старее колокол, тем больше вероятность того, что он пронизан целой сетью микротрещин, часто внутренних, не видимых глазом, которые проявятся при сварке или неравномерном нагревании колокола. Эти микротрещины присутствуют в колокольной бронзе всегда ввиду её кристаллической природы и их количество и размеры увеличиваются в результате процесса “старения” независимо от того, бьёте вы в колокол или нет.

На звучание и срок службы колокола могут также существенно влиять производственные дефекты (раковины, пористость, внутренние трещины, шлаковые включения, неоднородность сплава и другие несплошности), которые ослабляют прочность колокола или являются концентратами напряжений и которые могут быть причиной образования сперва внутренних, а затем и наружных трещин. При этом надо иметь в виду, что, пока трещина находится внутри тела колокола, она менее опасна и легче излечима. С выходом трещины наружу рост ее резко ускоряется и колокол быстро приходит в негодность.

При наличии только внутренних дефектов их можно успешно «лечить» методом термообработки в газостате в нейтральной среде при температурах пластической деформации и давлениях 1000 - 2000 атмосфер. При этом колокол не изменяет свои форму и размеры, а звук становится практически идеальным.

Проанализировав характер и границы трещины (трещин) с обеих сторон, необходимо принять решение о ремонтопригодности колокола. Из опыта работы Колокольного центра колокол считается не пригодным к ремонту в случаях:

- если трещина идет по вертикали более половины высоты колокола;

- если трещина идет по окружности более половины диаметра колокола;

- если она представляет собой разветвленную структуру;

- если имеется несколько трещин.

На сегодняшний день известны следующие способы ремонта треснувших колоколов.

1. Самый старинный и простой, но несовершенный способ ремонта (исправления) колокола - это засверловка конца (концов), перегибов и мест разветвления трещины, чтобы она не распространялась дальше. Сверление проводят сверлом 5-12 мм и с учетом выхода трещины как снаружи, так и изнутри. Такую операцию рекомендуется проводить при всех видах последующего ремонта.

2. Если трещина идёт таким образом, что допускает откол незначительной части колокола (обычно в ударной его части), то лучше сделать это, не забыв просверлить отверстия.

3. Другим простейшим ремонтом трещины, если она не слишком длинная, может быть ее механическая разделка до щели шириной 1-3 мм, чтобы стенки при ударе не соприкасались. Расширение трещины выполняется всеми имеющимися средствами: отрезными кругами, пилкой по металлу, алмазной струной, напильниками и т.д. При этом следят, чтобы щель затронула бы следы трещины как снаружи, так и изнутри. По окончании разделки края трещины заглаживают наждачной бумагой.

При таких механических исправлениях звук становится чище, но негармоничным и зависит от места удара; длительность звучания его заметно увеличивается. При этом необходимо изменить место удара языка (желательно под углом 45 или 135 градусов к месту дефекта).

4. Ввиду дороговизны переливки треснувших колоколов, начиная с давних времен, делались многочисленные попытки их паять расплавленной бронзой или твердыми припоями, но безуспешно. При неравномерном нагреве бронза начинала в прямом смысле трещать и существующие трещины начинали разрастаться или образовываться в других местах. Остроту проблемы снижал предварительный нагрев колокола, но возникали другие проблемы с подбором материала припоя и процессом рекристаллизации шва.

Метод пайки твердыми припоями пытались использовать во многих странах, как для починки ушей, так и трещин на теле колокола. Наилучшие результаты к началу ХХ века были получены на холодных припоях с температурой плавления до 100 0С. Но потом началась эра сварки, и о пайке забыли. В последнее время в Колокольном центре были проведены эксперименты с металлоэпоксидными смолами и припоями с повышенной диффузией. Однако метод пайки так и не нашел широкого распространения, так как он хотя и давал достаточную прочность соединению, но при этом ухудшался тембр колокола, который зависел от места удара, а иногда и длительность звучания была недостаточной. Это и понятно – паяльный слой имел совершенно другие физико-механические характеристики и служил своеобразной преградой для распространения звуковых колебаний.

5. Со временем специалисты пришли к твердому убеждению, что исправить колокол со стопроцентной гарантией можно только путем сварки. Поэтому, когда по просьбе храмов и музеев московский Колокольный центр в середине 1990-х годов занялся проблемой реставрации и ремонта треснутых колоколов, то его усилия были направлены, в первую очередь, на их исправление  путем сварки.

В результате проведенных исследований, разработан и опробован на конкретных колоколах (весом пока до 100 кг) процесс гелиодуговой сварки треснутых бронзовых колоколов с гарантированным качеством звучания и прочности. Этот процесс условно включает в себя следующие технологические этапы:

·         дефектоскопия с использованием средств неразрушающего контроля (внешний осмотр, цветная дефектоскопия, ультразвуковая диагностика, рентгенография), разметка швов и определение ремонтопригодности колокола;

·         засверловка трещины и разделка кромок (V - образный или X - образный шов в зависимости от толщины);

·         определение химического состава;

·         термообработка (снятие напряжений) в печи или газостате;

·         сварка (подготовка присадочной проволоки и оборудования, подогрев колокола, нанесение сварных швов по слоям, проковка, контроль шва);

·         зачистка швов после сварки;

·         дефектоскопия с использованием средств неразрушающего контроля;

·         термообработка в печи или газостате с целью рекристаллизации колокольной бронзы и восстановления звучания колокола.

Таким образом, можно видеть, что процесс качественного ремонта колоколов с гарантированным качеством звучания и прочности довольно трудоемкий и дорогостоящий. По ориентировочным оценкам на сентябрь 2007 года заварка 1 погонного сантиметра шва (т.е. длиной и глубиной  1 см) обойдется примерно 2500-3000 рублей без учета стоимости накладных расходов (аренда помещений и оборудования, электроэнергия, налоги и т.д.), которые могут увеличить эту сумму в 3-5 раз. Исходя из этого, вопрос о целесообразности ремонта колокола, видимо, следует решать в зависимости от исторической ценности колокола, состояния его дефектов и с учетом критерия “стоимость-эффективность”.

В.Г.Шариков