Ремонт колокола методом взрывного обжатия Российский патент 2024 года по МПК B23P6/00 B21D26/08 G10K1/28 

Изобретение относится к способам ремонта трещин в церковных колоколах с помощью высоких давлений и температур.

Способ заварки трещин в колоколе методом взрывного обжатия на внутреннюю болванку предложен впервые и аналогов в современной технике не имеет. Этот способ был специально разработан для ремонта Царь-колокола и впервые был описан в общей заявке 2022109759, в которой было рассмотрено несколько вариантов его ремонта, а также способы его подвески.

Одним из лучших способов ремонта церковных колоколов, на сегодняшний день, считается их обработка в газостате по технологии горячего изостатического прессования (ГИП). По этому методу колокол помещают в камеру газостата, где в атмосфере инертного газа его подвергают высокому давлению, в пределах 100-200 МПа, при температуре 600-650°С, в течении нескольких часов, согласно техническому регламенту. При этом его размеры после обработки и остывания остаются неизменными.

Если бы Царь-колокол решили ремонтировать таким способом, то пришлось бы построить газостат размером с десятиэтажный дом и весом до 20000 тонн, цена которого приблизилась бы к миллиарду долларов. Понятно, что такой дорогостоящий проект, если бы его захотели осуществить, больно ударил бы по российскому бюджету. Поэтому автором была разработана и описана (в предыдущей заявке на изобретение) другая разновидность ремонта Царь-колокола в газостате под названием горячее динамическое прессование (ГДП). Его отличие от ГИП заключается в том, что колокол подвергают обжатию на внутреннюю болванку, в результате которого его размеры уменьшаются на несколько миллиметров. Благодарю такому способу давление в газостате можно уменьшить в 4-7 раз, что значительно снизило бы его стоимость и сделало бы проект осуществимым на практике. Но из-за пониженного давления инертного газа, обработка изделий в таком газостате была бы возможна только по технологии ГДП, и при том для тел, имеющих большую внутреннюю полость, подобно колокольной. А использовать технологию ГИП (с высоким давлением) для обработки обычных изделий на таком газостате было бы уже невозможно, и поэтому такая установка фактически стала бы одноразовой. Вот поэтому автором был разработан еще один вариант ремонта Царь-колокола без использования газостата, при котором его обжатие происходит с помощью взрыва.

Перед использованием этой технологии с колоколом проводят предварительную подготовку, которая включает в себя:

- дефектоскопию его поверхности, при которой находят все открытые (имеющие выход наружу) трещины;

- очистку выявленных трещин от пыли с обработкой их растворителем;

- изоляцию сквозных трещин от внешней среды путем их запайки медным припоем по всей длине как снаружи, так и внутри колокола.

Также проводят реставрацию отколотого куска бронзы, путем его тщательного подгона по размерам и форме для получения минимального зазора, при этом саму трещину не заваривают, а только прихватывают сваркой. Следует добавить, что расположенные на голове Царь-колокола корона вместе с державой, во избежание их повреждения при взрыве, должны быть временно демонтированы.

Подготовленный таким способом колокол размещают на стальной платформе, предварительно установив на нее болван, наружный профиль которого совпадает с внутренним профилем колокола, но при этом между ними оставляют технологический зазор, шириной 3-5 мм. Также на болване должны быть размещены теплонагревательные элементы электрического типа, утопленные в его поверхность, которую необходимо будет покрыть слоем графитовой смазки. Место соединения колокола с платформой должно быть загерметизировано, а из под него откачан воздух до состояния вакуума. Далее наружную поверхность колокола покрывают толстым слоем взрывчатого вещества (ВВ), отделенного от него слоем теплоизоляции. Поскольку колокол перед взрывом будут нагревать, используемая взрывчатка должна быть термоустойчивой, способной выдержать температуру нагрева до 700°С. Но можно применить и обычное ВВ, но тогда на границе колокол-взрывчатка необходимо будет установить систему охлаждения.

При подрыве ВВ, в результате его детонации, на всей поверхности колокола кратковременно развивается сверхвысокое давление, достигающее порядка 10000-20000 МПа (что в 50-100 раз превосходит давление газа в газостате), под действием которого он сожмется до размеров болвана. Такое давление будет действовать на трещины, плоскость которых параллельна поверхности колокола. На другие же трещины, плоскость которых расположена под углом к поверхности колокола, будут действовать силы давления в разы большие чем снаружи (максимум в 4-7 раз), за счет эффекта усиления напряжения, такого же как и при его обработке в газостате по технологии ГДП.

Понятно, что после обжатия колокола под таким колоссальным давлением, все трещины и внутренние дефекты должны в нем полностью исчезнуть, при условии, что время воздействия давлением будет не меньше минимального порога, необходимого для сварки его частей. Его значение предварительно рассчитывают сначала теоретически, а потом уточняют экспериментальным путем на моделях.

Может получится так, что количество ВВ для его достижения окажется слишком большим. Тогда, чтобы снизить расходы взрывчатки, необходимо перейти от открытого способа подрыва к закрытому, когда колокол с ВВ дополнительно покрывают (обсыпают) толстым слоем инертной массы, в качестве которой подойдут грунт, песок, щебень, а также бетон. Это позволит уменьшить скорость разлета продуктов взрыва и увеличит время воздействия на колокол сверхвысоким давлением. Эффективность такого способа будет напрямую зависеть от массы и плотности материала прилегающего непосредственно к слою ВВ. Поэтому целесообразно сделать его максимально плотным, применив для его изготовления тяжелые марки бетона. А по мере удаления от бетонного слоя плотность материала можно уменьшать, используя сначала песок со щебнем, а потом дополнительно обсыпать его грунтом.

Сам процесс взрывного обжатия колокола будет выглядеть так. На военном полигоне, предварительно подготовленный колокол со слоем ВВ, вместе с внутренним болваном, электронагревателем и платформой, на которой они расположены, размещают на твердом основании. Далее его заливают бетоном и когда он затвердеет, полученный саркофаг обсыпают толстым слоем песка (с добавлением щебня) и грунтом, все это тщательно утрамбовывают, пока не получится холм высотой в десятки метров. Эффективность воздействия давления при взрыве можно повысить, если колокол расположить не на поверхности земли, а внутри глубокого котлована, благодаря чему сопротивление расширению газов в горизонтальной плоскости будет увеличена.

По окончании подготовки колокол разогревают до расчетной температуры (примерно 620°С) и подрывают. После разрушения холма, на его месте образуется кратер с колоколом в центре, который, во избежание быстрого остывания, изолируют от окружающей среды слоем теплоизоляции.

Следует уточнить, что из-за кратковременности процесса взрывного обжатия, окислы, изнутри покрывающие трещины, не успеют раствориться в бронзовом расплаве и поэтому их необходимо в обязательном порядке удалить еще на предварительном этапе подготовки колокола, используя химические способы травления металлов.

Технический результат изобретения заключается в возможности отремонтировать Царь-колокол без использования дорогостоящего газостата, что сэкономит значительную сумму денег.

Изобретение относится к ремонту трещин в церковных колоколах с помощью высоких давлений и температур. Осуществляют обжатие колокола на внутренний болван с использованием в качестве силы громадное давление, образуемое при взрыве. После предварительной подготовки колокола внутрь него устанавливают болван, оснащенный системой подогрева, наружная и внутренняя поверхность которых должна совпадать, но при этом между ними должен оставаться зазор шириной 3-5 мм. Снаружи колокол покрывают слоем взрывчатых веществ (ВВ) и вместе с болваном устанавливают на стальную платформу. Далее их размещают внутри бетонного саркофага, который снаружи обсыпают слоем песка и грунта. После прогрева колокола до 620°С ВВ подрывают и далее уже обжатый колокол укрывают теплоизоляцией. Изобретение позволяет отремонтировать церковный колокол без использования дорогостоящего газостата.

Способ ремонта колокола методом его обжатия на внутренний болван с помощью давления, создаваемого при подрыве взрывчатого вещества (ВВ), расположенного на наружной поверхности колокола, при этом между болваном и колоколом устанавливают зазор шириной 3-5 мм и далее, в процессе подготовки к обжатию, колокол с ВВ и болван, оснащенный системой подогрева, устанавливают на платформу, которую размещают на твердом основании, после чего их заливают слоем бетона, который после отвердевания последовательно обсыпают слоем песка и грунта, далее колокол нагревают до температуры 620°С, подрывают ВВ, после чего уже свободный и обжатый колокол накрывают теплоизоляцией и дают медленно остыть.