Авария на СШГЭС: действительно ли усталость металла шпилек стала причиной катастрофы?

В очередную годовищину страшной аварии на Саяно-Шушенской ГЭС «Плотина.Нет!» дает слово почетному энергетику России Геннадию Рассохину, который подвергает сомнению официальную версию причины катастрофы на СШГЭС:

По заключению комиссии Ростехнадзора и парламентского расследования причиной техногенной катастрофы 17 августа 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС явилась усталость металла шпилек крепления крышки турбины станционного гидроагрегата № 2. Эту злополучную усталость в шпильках выявили учёные из Центрального научно-исследовательского института технологии машиностроения (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ») [1].

«Полторы тысячи весом летательный аппарат вопреки законам физики поднялся в воздух и летал. Мы побили РЕКОРД ГИННЕСА, и ученые теперь испытывают внутренний ужас оттого, что законы физики были нарушены» (Николай Кутьин – российский государственный деятель конца ХХ – начала ХХI веков, доктор юридических наук, член-корреспондент РАЕН, в августе – октябре 2009 года возглавлял комиссию по научно-техническому расследованию причин аварии на СШГЭС)

Итак, из-за «усталости» шпилек погибли 75 человек персонала СШГЭС и была выведена из строя самая мощная в стране гидроэлектростанция. После такого заключения экспертов уже не только ученые, но и неученые граждане «испытывают внутренний ужас» от того, что любая крышка на любой из нескольких тысяч установленных турбин вдруг, ни с того, ни с сего, в один миг вознесет свой гидроагрегат к небу. И попутно опять унесет с собой несколько десятков безвинных жертв.

Лабораторные исследования фрагментов разрушенных деталей являются первичной операцией в расследовании причин аварий. На них обосновываются окончательные выводы и заключения комиссии. Ошибки, допущенные в заключениях металловедов, влекут за собой последующие ошибки других экспертов, участвующих в расследовании. И не исключено, что эксперты ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», «испытывая внутренний ужас», с перепуга могли и ошибиться в своём заключении. Поэтому после обнародования таких выводов комиссии по научно-техническому расследованию причин аварии на СШГЭС у большой части инженерного сообщества зародилось сомнение в подобном примитивном представлении причин национальной трагедии.

Непосредственное техническое обслуживание и ремонт агрегата, в том числе и узла крепления крышки турбины, выполнял тот персонал Саяно-Шушенской ГЭС, который был заживо утоплен после аварии агрегата. И при таком заключении высочайших комиссий выходит, что именно эти работники виновны в произошедшем, поскольку именно они допустили развитие усталостных трещин в шпильках на глубину до 98% площади их сечения. Ведь гайки на шпильках необходимо не только накручивать, но и закручивать до получения в шпильках тех напряжений (150 МПа » 1500 кгс/см²), которые обеспечивают создание усилий, компенсирующих усилия от гидростатического давления воды снизу на крышку турбины. И понятно, что при наличии на шпильке трещины глубиной хотя бы до 5% площади сечения, получить напряжения затяга даже только для уплотнения, а не для компенсации усилий от давления, невозможно. При первой же попытке закрутить гайку до нужной величины напряжений на такой шпильке она развалится, так как напряжения растяжения в вершине любой трещины на порядок выше напряжений по сечению шпильки (1500 МПа ~ 15000 кгс/см²).

Следовательно, в течение почти тридцати лет шпильки на узле крепления крышки якобы не обслуживались должным образом. И потому процесс усталости в шпильках развивался незамеченным до полной потери их несущей способности.

Кроме того, среди обслуживающего и ремонтного персонала СШГЭС якобы нашлись последователи того чеховского мужика, который на железной дороге откручивал на грузила гайки, крепившие рельсы. Из ростехнадзоровского акта расследования весь мир узнал, что на шести шпильках при аварии агрегата гаек не было:

«Остальные 6 шпилек имеют полную длину, резьба не сорвана, что может свидетельствовать об отсутствии на них гаек в момент срыва турбины» [2].

В инженерной практике явление усталости металла металлических конструкций известно с сороковых годов позапрошлого столетия. Усталость металла – это постепенное и длительное разрушение металла в результате многократного (циклического) приложения переменной нагрузки. Детали, работающие в условиях переменных напряжений при достаточном числе колебаний нагрузок, разрушаются при напряжениях, меньших предела прочности и даже предела упругости.

Рассмотрим, как учеными определялась усталость в этих 80 шпильках, вошедших в историю мировой гидроэнергетики.

В «Акте …» [2] отмечено, что усталостные повреждения шпилек возникли и развились вследствие радиальной (горизонтальной) вибрации направляющего турбинного подшипника.

Надо понимать, имелось в виду то, что такая вибрация могла передаваться по телу крышки турбины на шпильки, и они могли, испытывая многократный знакопеременный изгиб, накапливать повреждения от усталости. Но это было бы справедливо только при условии, когда фланец крышки имел бы свободу сдвигаться по опорному кольцу. Фактически же конструкция узла крепления этого не позволяет (cм. чертёж ниже).

Сдвигающие нагрузки, вызванные вибрацией турбинного подшипника, воспринимаются специальными силовыми установочными элементами – припасованными штифтами (поз. 50 на чертеже), размещенными между шпильками равномерно по периметру установочного кольца. Они фиксируют взаимное положение опорного кольца и фланца крышки с точностью до 0,8 мкм (Ra 0,8 по ГОСТ 2789-73). Ввод в конструкцию данных элементов разгружает крепёжные шпильки от изгиба при вибрации подшипника. Крышка и опорное кольцо статора турбины колеблются при вибрации как одно целое.

Следовательно, шпильки если и «устали», то только не от радиальной (горизонтальной) вибрации турбинного подшипника.

Разрушение шпилек по периметру опорного статорного кольца выглядело следующим образом:

1. 24 шпильки (№№ 9, 10, 15, 16, 17, 29, 33, 36, 37, 40, 46, 49, 50, 51, 52, 55, 56, 58, 59, 61, 63, 77, 78, 79 по формуляру) оборваны ниже фланца крышки на выходе нижней резьбы из опорного кольца;

2. 46 шпилек (1, 2, 3, 4, 11, 12, 14, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 30, 31, 32, 34, 35, 38, 39, 41, 42, 44, 45, 48, 57, 60, 62, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 72, 73, 74, 75, 76, 80 по формуляру) оборваны по верхней резьбе под гайкой;

3. 4 шпильки (№№ 5, 6, 7, 8 по формуляру) вырваны вместе с фрагментом опорного кольца длиной »1400 мм;

4. 6 шпилек (№№ 13, 43, 47, 53, 54,71 по формуляру) не оборваны, но срезана верхняя резьба на высоту гайки.

ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» делал заключение об усталости металла только по 49 шпилькам. В эту группу вошли 43 из 46 шпилек, оборванных по верхней резьбе под гайкой и 6 необорванных шпилек, на которых якобы не было гаек.

Обрыв шпилек не по нижней, а по верхней резьбе под гайкой свидетельствует о том, что разрушение произошло не от напряжений изгиба, а от напряжений растяжения. И это дополнительное свидетельство того, что вибрация турбинного подшипника в процессе повреждения шпилек не участвовала. Заключение экспертов об усталости металла шпилек вследствие горизонтальной (радиальной) вибрации турбинного подшипника ошибочно.

На фото выше, взятое из [1], представлены две из тех 6 шпилек, на которых по заключению комиссии якобы не было гаек.

Видно, что на шпильках резьба сорвана на высоту гайки. Из [1]: «6 шпилек не разрушены и имеют сглаженный профиль резьбы по вершинам витков в верхней части шпильки на длине » 70 мм».

Как видно, на всех 6 названных шпильках гайки были. При аварии агрегата их «сняло чулком». Здесь надо учитывать, что твердость металла гаек на 15 единиц по Бринеллю (15 НВ) меньше твердости металла шпилек, и если посмотреть на те «снятые чулком» гайки, то вполне вероятно, на них профиль резьбы сглажен на всю высоту витков.

Следовательно, «чеховских мужиков» среди ремонтного персонала СШГЭС не было. Заключение об отсутствии на узле гаек в момент аварии также ложное.

Кроме сорванной резьбы на шпильках имеется сетка трещин. Учёные из «ЦНИИТМАШ» определили их как «вторичные усталостные трещины в резьбе шпилек».

Но действительно ли от усталости металла возникли эти трещины?

Во-первых, как уже было сказано, трещины образовались не от напряжений изгиба (от вибрации), а от напряжений растяжения. От тех нагрузок, которые «чулком» снимали гайки.

Во-вторых, при сравнительно малой протяженности трещины имеют большую глубину и большое раскрытие. Витки резьбы разорваны, и концы разрывов изогнуты. По этим признакам видно, что металл, примыкающий к берегам трещин, при растягивающих нагрузках получил остаточную деформацию. При остаточной деформации получается наклёп (нагартовка) металла. Наклёпанный металл наиболее сильно подвержен окислению (коррозии), и на фото явно видно, что металл на берегах трещин более окислен по сравнению с окисленностью металла вдали от трещин. А наличие остаточной деформации и наклёпа свидетельствует о том, что при разрыве металл испытывал напряжения больше предела текучести и больше предела прочности. «Усталый» же металл начинает разрушаться при напряжениях значительно меньших предела текучести и даже меньших предела упругости при достаточно большом числе колебаний нагрузок.

В-третьих, на фото выше представлены шпильки с сорванными вершинками.

Обращает на себя внимание наличие на поверхности изломов и прилегающих к изломам участках цилиндрической поверхности шпилек цветов побежалости.

Цвета побежалости стали – 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 химсоединение с железом. Следовательно, поверхность излома была «чистой» – поверхность только что образовавшейся трещины. Старых трещин – трещин усталости на поверхности не было.

Какая была температура нагрева при реакции окисления железа? Толщина пленки зависит от температуры, а 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 – ~250^°С.

В-четвертых, (см. фото выше) трещины берут начало на образующей со стороны направления вращения и распространяются с подъёмом на 3-6 витков резьбы. Зона долома на образующей со стороны противоположной направлению вращения.

Все эти факты, каждый по отдельности и в совокупности, указывают на то, что это не «усталостные трещины», а силовые надрывы при напряжениях выше пределов текучести и прочности.

Факты указывают и на природу сил, разорвавших шпильки, снявших гайки и вырвавших фрагмент опорного статорного кольца. Это силы, возникшие при задевании вращающегося массивного ротора агрегата за неподвижные части крышки турбины в зонах расположения крепежа.

С учетом вышеприведенных фактов заключение учёных ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» об усталости металла шпилек как причине аварии на СШГЭС нельзя признать достоверным.

И, конечно, надо реабилитировать память всех погибших, очернённую этим фейковым экспертным заключением. Все погибшие на своих рабочих местах 17 августа 2009 года в холодной воде Енисея должны быть посмертно названы героями.

Геннадий Рассохин,
специально для «Плотина.Нет!»

Ссылки:

1. В.Н. Скоробогатых, к.т.н., Н.Б. Шепилов, инженер, С.А.Кунавин, к.т.н., В.М. Ушаков, д.т.н. ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». «Исследование состояния металла и характера повреждений шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата № 2 Саяно-Шушенской ГЭС» (доклад на научно-практической конференции «Повышение эффективности систем управления безопасностью ГЭС», г. Москва, 19-20 мая 2011 года).

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