О расследовании технических причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС

Расследование катастрофы 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС было проведено безобразно. Фактически это было профанацией расследования. Из каждого пункта заключения комиссии торчат уши прогульщиков не только институтских лекций, но и школьных уроков по физике. Такое мнение высказывает инженер Геннадий Рассохин в своей новой статье, любезно предоставленной им редакции "Плотина.Нет!":

В память об обслуживающем и ремонтном персонале Саяно-Шушенской ГЭС, погибшем на своих рабочих местах 17.08.2009 г.

Аварии, подобные аварии на СШГЭС, случались и ранее, но за последнее время они, к великому сожалению, участились.

В 1983 году на Нурекской ГЭС произошла авария на гидроагрегате № 1 с частичным затоплением помещений станции. [1]

В 1992 году случилась авария на ГЭС «Гранд Рэпидс» (Канада, штат Минитоба) на гидроагрегате № 1 с полным затоплением машинного зала станции до уровня нижнего бьефа. [2].

В 2007 году случилась авария на ГЭС «Памир-1» (Таджикистан) на гидроагрегате № 2 с полным затоплением машинного зала и всех агрегатов станции. [3].

И сразу же за этой аварией катастрофа в 2009 году – авария на гидроагрегате № 2 СШГЭС с полным внезапным затоплением машинного зала, разрушением соседних агрегатов и гибелью почти всего персонала дежурной смены станции. [4].

В этот перечень можно занести и аварию на турбоагрегате № 3 Каширской ГРЭС пятого октября 2002 [5]. Несмотря на то, что этот турбоагрегат не гидравлический, а паровой, основные причины его аварии схожи с причинами аварий на вышеперечисленных гидроагрегатах.

Повторение таких аварий – аварий века с периодичностью в два года недопустимо, и, разумеется, требует сосредоточения усилий общества на их предупреждение и предотвращение.

Главным в предупреждении аварий является качественное профессиональное расследование их причин. Результаты расследования должны указать и показать, что должен делать, а что категорически не делать персонал электростанции, занятый управлением, обслуживанием и ремонтом оборудования, чтобы, как минимум, не разрушить станцию, и, как максимум, вернуться с работы живым, а не на портрете в чёрной рамке. Таковым и должно было быть расследование аварии на СШГЭС.

Расследование проводили официально самые высокие специалисты. Комиссия состояла из высших чинов аппарата «Ростехнадзора» РФ – официально самых высоких специалистов в стране по вопросам промышленной безопасности. Председателем комиссии был сам руководитель «Ростехнадзора». К расследованию были привлечены «шесть докторов, 14 кандидатов. Есть пять заключений от Академии (наук)» [6]. Параллельно расследование вела и парламентская комиссия.

Такой высокий статус комиссии должен был гарантировать и высокий уровень компетентности, наибольшую глубину проникновения в проблему.

Однако насколько был высок статус комиссии и величина ученых степеней ее участников, настолько низкими по убедительности оказались выводы по результатам расследования. Более того, с инженерной точки зрения заключение комиссии выглядит полностью абсурдным.

Каждое расследование аварии агрегата на электростанции начинается с исследования металла разрушенных деталей. По результатам этих исследований определяются пути поиска причин аварии. При расследовании аварии на СШГЭС именно с результатов исследования металла разрушенных шпилек крепления крышки турбины начался абсурд в выводах комиссии.

Исследование металла разрушенных шпилек проводили специалисты Центрального института технологии машиностроения «ЦНИИТмаш». По заключению «ЦНИИТмаш» причиной разрушения шпилек явилась усталость металла вследствие повышенной радиальной вибрации турбинного подшипника при работе агрегата в не рекомендованной зоне II.

На рис. 1 приведены чертеж шпильки и конструкция узла крепления крышки турбины к ее статору.

На рис. 2 показаны разрушенные шпильки.

В нижней нарезанной части шпильки имеют 20 витков резьбы, в верхней части – 25 витков. Нижней частью шпильки ввернуты в опорное статорное кольцо.

Вибрацией или колебаниями тела называют его небольшие перемещения во времени относительно положения равновесия. При радиальной вибрации турбинного подшипника шпильки должны были колебаться вдоль радиуса крышки. (Если колебания турбинного подшипника действительно полностью не гасятся на пути от подшипника к шпилькам). При этом колеблется только верхняя часть шпильки.

Разрыв шпилек произошел не в нижней части на выходе из статорного опорного кольца, а в верхней части по виткам, расположенным в гайке. Абсурдно полагать, что при таких колебаниях шпильки могут разрушаться в верхней части под гайками.

Как видно на чертеже (сечение «Е-Е»), отверстия во фланце крышки турбины под шпильки рассверлены на диаметр больший диаметра шпильки. Это делается для того, чтобы при монтаже обеспечить передвижку крышки в концентричное с валом положение. После окончательного центрирования и раскрепления крышки ее штифтуют несколькими припасованными штифтами, поставляемыми вместе с турбиной (позиция 50 в сечении «Ж-Ж»).

Таким образом, усилия при горизонтальном (радиальном) перемещении крышки на шпильки не передаются. Они передаются на эти самые штифты. В заключении «ЦНИИТмаш» не приведены сведения ни об этих штифтах, ни о степени (проценте) их «усталости».

Крышка турбины и весь агрегат собраны на болтах и шпильках. Сама крышка состоит из четырех секторов. Сектора имеют фланцевые разъемы, скрепленные болтами. Корпус турбинного подшипника состоит из двух половин, также собранных на болтах. Корпус подшипника крепится к самой крышке тоже болтами.

От вибрации турбинного подшипника должны повреждаться, прежде всего, болты крепления корпуса самого подшипника к крышке турбины. Также первыми испытывают нагрузки от вибрации подшипника ближайшие к нему элементы крепления фланцевых разъемов секторов крышки. Абсурдно полагать, что от вибрации подшипника, установленного в центре крышки (диаметр крышки почти девять метров), разрушаются только самые дальние от него и самые прочные (по сравнению с другими) элементы крепления (скрепы), а все ближние и менее прочные остаются целыми.

Нельзя согласиться и с выводами «ЦНИИТмаш» о накопленной усталости металла шпилек.

«Усталость», в том числе «усталость металла» – это «процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению» (ГОСТ 23207-78). И сам термин, и его определение предусматривают какую-то историю, при которой последовательно происходят какие-то события на протяжении сравнительно длительного времени.

Но, как видно на фото шпилек, на поверхности их изломов просматриваются участки с цветами побежалости. Цвета побежалости стали – это радужная окраска, появляющаяся на чистой поверхности нагретой стали в результате образования на ней тончайшей окисной плёнки. На поверхности старой трещины всегда имеется толстый слой окислов, и кислороду трудно «добраться» до железа в составе стали. На фото видно, что он (кислород) все-таки вошел в химическое соединение с железом. Следовательно, поверхность излома была «чистой» – поверхность только что образовавшейся трещины. Старых трещин – трещин накопленной усталости на поверхности не было.

Какая была температура нагрева при реакции окисления железа? Толщина пленки зависит от температуры. В свою очередь толщина обуславливает цвет. На фото цвет пленки из светло-синего переходит в синий. Для углеродистой стали это температура порядка трёхсот градусов. В синих участках просматриваются коричневые участки – » 250^°С.

Обращает на себя внимание и траектория продвижения трещин. На всех шпильках трещины распространялись не по направлению вдоль радиуса (радиальное направление), а по касательной к диаметру установки шпилек (тангенциальное направление). По направлению вращения ротора. Причем трещина, проходя от своего начала до конца (зоны долома), и поднимаясь, пересекает 5?6 витков резьбы.

Итак: место разрушения по высоте шпильки, траектория продвижения трещин, наличие участков с цветами побежалости, повышенная температура при разрушении – все эти факты, и каждый сам по себе, и в совокупности говорят о том, что шпильки разрушались отнюдь не от усталости металла. И не от вибрации. Они разрушались от биений и усилий трения при задевании вращающихся частей ротора за неподвижные части статора.

На место задевания (Рис. 3) указал инженер Борис Колесников (в Интернете – «bikol»). Это место – зазор между подвижными (на рабочем колесе) и неподвижными (на крышке турбины) элементами верхнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса турбины.

На Рис. 4 видно к чему привело задевание (с последующим заклиниванием) вращающегося ротора за элементы статора турбины К-300-240 ЛМЗ на турбоагрегате № 3 Каширской ГРЭС пятого октября 2002 года. Справедливо ли здесь обвинять в усталости шпильки крепления крышки турбины, если и вал ротора ЦСД (ЦСД – цилиндр среднего давления) ?600 мм из легированной высокопрочной роторной стали, изогнут, скручен и разорван подобно спичке.

Что могло привести к задеванию (Рис. 3)? На этот вопрос специалистами получен ответ ещё в середине прошлого века. Это подъем ротора агрегата при его вращении. Режимы работы агрегата, при которых подъемная сила превышает вес ротора и ротор «всплывает», описан в [7], [8], [9]. Подъём роторов гидроагрегатов с конкретно радиально-осевыми турбинами (каковой является турбина на ГА-2 СШГЭС) описан в [10]. Видно, ни с одной из этих работ ни члены комиссии, ни привлеченные академики, ни до расследования, ни при полуторамесячном расследовании так и не ознакомились.

Между тем, есть все основания полагать, что режимы, приводящие к подъему ротора агрегата, утром 17.08.2009 г. на ГА-2 СШГЭС были смоделированы и реализованы. Об этом свидетельствуют тренды параметров работы агрегата в то злополучное утро.

На Рис. 5:

AI_Y1 – открытие направляющего аппарата;
AI_PG_R – групповое задание мощности;
XG1 – частота вращения турбины по сигналу датчика тахогенератора;
XG2 – частота вращения турбины по сигналу частоты напряжения генератора;
AI_PG – активная мощность агрегата.

В 08:13:20 групповой регулятор активной мощности (ГРАМ) дает команду на снижение мощности ГА-2 (AI_PG_R – зелёная линия). Строго выполняя его команду, на ГА-2 закрываются лопатки направляющего аппарата (AI_Y1 – красная линия). Расход воды через турбину уменьшается. Как сказано в [7], [8], [9], при малых раскрытиях лопаток направляющего аппарата на турбине появляется подъемная сила. Нижняя часть турбины с 16-ю лопастями винтовой формы при прикрытии лопаток НА из реактивной турбины частично обращается в гребной винт.

В соответствии со снижением момента на турбине должен снижаться и электромагнитный момент – активная мощность агрегата (AI_PG – фиолетовая линия). Но по каким-то причинам активная мощность агрегата не следует команде ГРАМ. Вместо снижения мощности идет её увеличение. В период времени 08.13.22 – 08.13.23 мощность повышается до 100% (640 МВт). В конце этого периода она начинает снижаться, а около 08.13.24 обвально падает. В один миг мощность падает почти на 100 МВт.

Такой маневр в регулировании мощности гидроагрегата не может быть безопасным.

В любой момент работы гидроагрегата неукоснительно соблюдается следующее равенство:

,

где – момент на валу, создаваемый потоком воды; – полезная нагрузка генератора; – момент инерции ротора агрегата; – угловая скорость вращения ротора агрегата.

Если в процессе работы агрегата под нагрузкой произошло уменьшение полезной нагрузки, то равенство сразу же нарушается. Избыток движущего момента над моментом сопротивления пойдет на увеличение составляющей . Но так как момент инерции ротора есть величина постоянная, то произойдет увеличение только . А – это импульс на увеличение скорости вращения, следовательно, импульс на увеличение подъемной силы.

Но нижняя часть турбины уже из реактивной турбины частично обратилась в гребной винт. В таком состоянии резкий скачок подъемной силы приводит к тому, что она (подъемная сила) может сравняться с весом ротора.

Энергия в 100 МВт не может исчезнуть бесследно, не перейдя из одного вида в другой. Это закон природы. Вспомним: «если леди покидает авто, авто прибавляет скорость». Для гребцов на веслах эти моменты понимаются так: прикрытие лопаток НА – это команда «Вёсла на воду!», а моментальный сброс нагрузки на 100 МВт – это команда «Навались!!». После этой команды шлюпка (лодка, баркас, галера) делает рывок вперед, а гидроагрегат, который уже обратился в гидровертолёт, делает рывок вверх.

Достаточно ротору подняться всего на 2 мм, зазор между подвижными и неподвижными элементами верхнего лабиринтного уплотнения выбирается, и происходит задевание.

На Рис. 6 зафиксирован момент касания вращающегося ротора за неподвижные элементы статора. Датчик вертикальной вибрации «зашкалил». Ротор при подъеме ударно коснулся крышки. Касание ротора произошло через полторы секунды после сброса нагрузки (в 08.13.24.717), после двух с половиной оборотов рабочего колеса.

На Рис. 7 тренды параметров агрегата не при аварии, а до неё. Красная линия – это та же активная мощность агрегата. Провал её почти до самой оси абсцисс – это тот же сброс нагрузки более чем на 100 МВт. Очевидно, на станции это было системой.

Разрушение шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата № 1 на Нурекской ГЭС в 1983 году тоже было обусловлено «… аварийным износом верхнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса». [11].

И в заключение о шпилечно-гаечной версии причин аварии: «если ваш автомобиль начал наезжать на столбы, это не значит, что он устал и состарился».

Комиссия не разобралась с причинами аварии (разрушения агрегата). Но более прискорбно то, что она даже не попыталась установить, по каким причинам авария переросла в катастрофу с гибелью такого количества людей.

Люди погибли оттого, что вода из шахты агрегата затапливала машинный зал и остальные помещения не прибывая медленно снизу (как должно было быть), а фонтанируя, заливала станцию сверху.

Почему фонтан, почему он имеет такую высоту, такую разрушительную силу, что выламывает часть железобетонной стены машзала СШГЭС со стороны верхнего бьефа и полностью вскрывает перекрытие машзала над агрегатом? За считанные минуты вода полностью заполняет помещение машзала выше отметки нижнего бьефа Саяно-Шушенской ГЭС – до отметки 335 м – и, выливаясь с этой высоты из машзала, с такой скоростью затапливает прилегающую территорию, что смывает припаркованные автомобили.

(К сравнению, при полном срыве крышки турбины гидроагрегата № 1 на ГЭС Grand Rapids вода, затопив машзал, не поднялась выше уровня нижнего бьефа). [2].

Комиссия причиной всех этих происшествий определила действие высокого давления воды.

Вот заявление председателя комиссии:

«После изучения расчетных величин давления и условий возникновения этих сил, все эксперты пришли к выводу, что действительно на момент аварии создались усилия, равные подъемной силе от 4,7 до 6 тысяч тонн. Гидроагрегат сам весит 1,5 тысячи тонн. В условиях, когда крепление было ослаблено, или шпильки уже имелись усталостные, и такое давление сдержать уже это крепление не могло, первоначальным усилием в 6 тысяч, максимально от 4,7 до 6 тысяч тонн, гидроагрегат пошел вверх. Вверх он шел очень равномерно, потому что шпильки у нас не срезаны, а сорваны вверх, и стакан, в котором находился гидроагрегат, практически на 2 метра сохранил заводскую покраску, и только потом начинаются зацепы, задиры, потом уже слом металла. Это тот момент, когда усилие перешло в усилие 20 тысяч тонн. Потому что площадь изменилась резко, давление воды резко возросло, это все происходило в доли секунды, подчеркиваю. Не то что он там медленно поднимался, как обычно показывают на Байконуре ракеты стартуют, она медленно поднимается со стола, нет. Здесь происходило все в доли секунды буквально. И гидроагрегат, раскрыв большую площадь давления, получил подъемную силу в 20 тысяч тонн и вылетел практически мгновенно». [6].

За такое высказывание инженеру надо стыдиться. Но председатель не инженер. Хотя в этом своем качестве «юристом мог бы он не быть, а инженером быть обязан».

При делении этих тонн на площадь крышки получается давление в 19 кгс/см². Выходит, когда ротор поднялся (повторимся: ротор поднялся «своим ходом» как гидровертолет) на 2 метра, и ничто уже не стало препятствовать свободному выходу воды из спиральной камеры через отсасывающую трубу в нижний бьеф, давление под турбиной было 19 кгс/см²? Абсурдно полагать, что при свободной отсасывающей трубе под турбиной может когда-либо создаться давление в 19 кгс/см². Отсасывающая труба была «засорена, закупорена». Это и было причиной катастрофы. Но комиссия об этом умолчала.

С этим согласится каждый гражданин, проживающий на нижнем этаже многоэтажного дома, у которого хоть один раз за 30 лет затопило квартиру через канализационный стояк. Причиной затопления наверняка было засорение стояка на выходе в уличный коллектор.

Выводы

Расследование было проведено безобразно. Фактически это было профанацией расследования. Из каждого пункта заключения комиссии торчат уши прогульщиков не только институтских лекций, но и школьных уроков по физике.

В одной из телепередач сказано, что фрагменты самолета, на котором совершали свой последний полет Гагарин и Сиротин, до сего времени хранятся в специальных контейнерах в Звездном городке. Вероятно есть какие-то сомнения в выводах по причинам падения самолета. И очевидно цель хранения фрагментов не музейная, а та, чтобы со временем окончательно разобраться в причинах той катастрофы.

На СШГЭС погибли не два, а 75 человек, разрушена самая мощная в стране электростанция. И, безусловно, после такого расследования должно последовать настоящее расследование причин катастрофы. С тем, чтобы принять действенные меры по предотвращению подобного.

Литература:

1. Обзор аварий и других нарушений в работе на электростанциях и в электрических сетях энергосистем за 1983 год М, СПО «Союзтехэнерго», 1984

2. Авария на ГЭС Grand Rapids (http://blog.rushydro.ru/?p=6738)

3. Авария на ГЭС «Памир-1» Таджикистан. http://news.mail.ru/incident/1250746/

4. «Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 года в филиале Открытого Акционерного Общества «РусГидро» – «Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего».

5. Авария на Каширской ГРЭС http://rutube.ru/video/71a5162a48b0fb4ba91cd6b93a80f216/

6. Пресс-конференция руководителя Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору Н.Г. Кутьина по итогам расследования технических причин аварии на СШГЭС http://www.gosnadzor.ru/publikazii/press-konferentsiya-ng-kutina-po-itogam-rassledovaniya-tehnicheskih-prichin-avarii-na-sshges/

7. Г.И. Кривченко, Н.Н. Аршеневский, Е.В. Квятковская, В.М. Клабуков «Гидродинамические переходные процессы в гидроэнергетических установках». «Энергия», М. 1975 г.

8. Владиславлев Л.А. Вибрация гидроагрегатов гидроэлектрических станций М., «Энергия», 1972, 176 с.

9. Кривченко Г.И. Гидравлические машины. Турбины и насосы М., «Энергия», 1978, 320 с.

10. Орахелашвили М.М. О случаях самопроизвольного подъема роторов радиально-осевых гидротурбин – «Электрические станции», 1958, № 7

11. http://www.centrasia.ru/newsA.php?st=1256446860

Геннадий Рассохин,
инженер,
специально для "Плотина.Нет!"