Пятидесятилетний опыт эксплуатации атомного ледокольного флота России
Дата: 03/09/2009
Тема: Атомный флот


А.Т.Данилов, к.т.н., доцент, ГМА им. адм. С.О. Макарова, Санкт-Петербург

Атомному ледокольному флоту России исполнилось полвека. С точки зрения математической статистики срок вполне достаточный, чтобы провести ретроспективный анализ проектных решений, дать оценку надежности оборудования, составить прогноз на будущее, так как ничто не убеждает нас в обоснованности принятых решений лучше, чем исторический опыт, результат внедрения его в производство.


Реализовалась мечта выдающихся русских людей (в том числе, адмирала С.О.Макарова) покорить суровый северный край, подчинить его интересам России. Как всегда, наша страна пошла своим путем и создала атомный ледокольный флот, первой утвердила свои порядки и приоритет в этом направлении.  Ни одно государство мира не имеет такого длительного опыта в использовании гражданских атомных судов.

Сегодня, когда атомные ледоколы, введенные в строй в 1970-1980 гг. уже выработали свой ресурс, а атомный ледокольный флот стали исторической реальностью, можно с уверенностью ответить на вопрос - выдержал ли он испытание временем, дать оценку пройденного пути, определить  цену, которую пришлось заплатить за его создание и эксплуатацию.

Атомный ледокольный флот и Северный Ледовитый океан не могут существовать отдельно друг от друга. Население не беспокоится по поводу существования атомного флота, как будто он существовал всегда. не заслуживающим внимания. В свой первый рейс на север атомному лихтеровозу "Севморпуть" не разрешили зайти во Владивосток, а теперь жи­тели Мурманска и Дудинки атомных судов не боятся.

За время эксплуатации атомных ледоколов не произошло ни одной аварии, связанной с радио­активным загрязнением окружающей среды, что доказало высокую надежность реакторной установки (РУ) и ее радиационную безопасность. Это главный вопрос, который интересует общественность, когда речь заходит об использовании атомной энергии в мирных целях. Любая авария механической установки на атомном ледоколе не представляет никакой  опасности для внешней среды. Не было и других серьезных аварий и катастроф, угрожающих жизни экипажа и судна в целом, по сравнению с теми, которые имели место на атомных подводных лодках. Меньше было и других отказов, хотя оборудование на надводных и подводных кораблях почти одно и то же. По-видимому, это объясняется более грамотным отношением к эксплуатации со стороны экипажей, более высоким уровнем подготовки, чем в военно-морском флоте (?)
Развитие атомного флота шло не без трудностей. Как и в любой новой области науки и техники, в развитии судовой атомной энергетики не все было гладко, особенно, в первые десять лет,  в период приработки и притирки механизмов друг к другу. Период становления как военного, так и гражданского атомного флота был нелегким. Приходилось двигаться поэтапно. Многое было впервые, на острие наук. Проектные решения принимались большей частью интуитивно, компромиссно. Ученым и конструкторам пришлось приложить немало усилий при доведении узлов и агрегатов атомной силовой установки до высокого уровня надежности и совершенства, несмотря на то, что часть оборудования хорошо зарекомендовала себя в условиях стационарной работы на Обнинской атомной электростанции. Большую роль в конструктивно-тех­но­ло­гической доработке оборудования сыграли экипажи ледоколов, приспосабливавшие его к судовым условиям, "притиравшие" его по месту, совершенствовавшие и упрощавшие обслуживание и ремонт.

Только к концу 1980-ых гг. все узлы атомной энергетической установки (АЭУ) ледоколов были доведены до высокой степени ядерной безопасности. Оборудование могло длительно работать на полной нагрузке, но требовало постоянного контроля, регламентного профилактического обслуживания. Оборудование, создаваемое для ледоколов, было уникальным.  Как оно поведет себя в судовых условиях в течение длительного времени, трудно было предугадать.  Особенно большие сомнения вызывали прямоточные парогенераторы, лопатки главных турбин и насосов, которым впервые предстояло работать в условиях влажного пара и глубокого вакуума, больших скоростей и умеренных температур. Поэтому их первоначальный ресурс назначался меньше срока службы судна. Все было отдано на  волю случая, по принципу: поживем – увидим, подправим, доработаем.

Многие технические решения оказались удачными сразу. Так, компоновка тепловой схемы АЭУ в составе реактора, четырех парогенераторов и главного турбоагрегата обеспечила генерацию больших объемов (до 240 т/ч одном агрегате АППУ) сухого насыщенного пара температурой 3100С и срабатывание его теплоперепада в двух уникальных влажнопаровых турбинах, подводивших к трем винтам суммарную мощность 50 - 75 МВт (в зависимости от проекта судна). Другим удачным конструктивным решением было создание мощной системы электрического генератора и гребных электродвигателей – основных агрегатов гребной движительной установки.

Третьим успешным решением была разработка ЦНИИ "Аврора" автоматизированной системы управления АЭУ, выдержавшая испытание временем, особенно при выполнении многочисленных маневро-реверсов -- наиболее важном моменте эксплуатации ледоколов.

Управление производится одной рукояткой с ходового мостика путем изменения тяги винта. Получив сигнал, система перестраивает режимы работы расположенных друг за другом агрегатов и механизмов, обеспечивая реверсирование судна за 10-15 сек (традиционное для морских судов время) согласно требованиям правил Регистра. Если для дизеля реверс - дело обычное, то для не реверсируемых роторных механизмов это дело отнюдь не простое. Коллективу разработчиков ЦНИИ "Аврора" удалось создать многоуровневую систему автоматизированного управления  разно­пла­новыми агрегатами. Между собой были согласованы две трудно поддающиеся управлению инерционные характеристики - тепловая характеристика атомного парового котла  в составе "реактор-парогенератор" и характеристика автоматизирован­ной системы управления электродвижением в составе "главный турбоагрегат - главный генератор - гребной электродвигатель". Задаваемое штурманом изменение режима работы ЯЭУ по запаздыванию сигнала не должно было превышать 10 сек  для любых условий эксплуатации ледокола для  обеспечения высокой маневренности атомного ледокола. Этот показатель оказался лучше, чем у обычной паротурбинной установки, работающей на жидком топливе.

Особенности работы и управления АЭУ ледокола

Никакие проектные решения не могут предвосхитить стихию – образование ледовых полей в Арктике. Основным методом управления ледоколом при преодолении ледовых полей в зимний период становится работа "набегами". Чтобы продвинуть ледокол на полкорпуса, энергетическую установку буквально заставляют "вставать на дыбы". Работа набегами в проекте ледокола предусматривалась как кратковременная. Чтобы управлять судном по фактическому состоянию льда, не ускоряя изнашивание реакторной части, АЭУ переводят на режим постоянной нагрузки по паропро­изводительности, а управляют мощностью на винтах, изменяя их тягу (упор). С этой целью система автоматики АЭУ была разделена на два блока: реакторную установку и электромеханическую движительную часть. В этом состоит основное различие  систем управлении атомной подводной лодки (АПЛ) и ледокола. Если для АЭУ АПЛ характерен стационарно-дли­те­ль­ный режим совместный работы реактора и винта, то ледокольная АЭУ работает на раздельном режиме, нагрузка которого задается льдом.

Капитану ледокола гораздо сложнее управлять АЭУ, так как необходимо постоянно поддерживать баланс подводимой к винтам и расходуемой ими мощности, что при отсутствии опыта сделать трудно. Признаком разбалансировки является изменение скорости движения ледокола вплоть до полной его остановки. Поэтому вахтенный штурман на ледоколе утомляется быстрее, в результате чего возможны промахи в управлении, приводящие к аварийным ситуациям, например, поломке лопастей винта. Но это происходит достаточно редко в отличие от аварий на лодках, носящих систематический характер.

Оценка проектной надежности оборудования АЭУ ледоколов

Оценка надежности оборудования АЭУ должна исходить из расчетного ресурса, проектного жизненного цикла безаварийной работы основных видов оборудования. Обычно ресурс назначается равным сроку непрерывной работы судна, который принимался (как и везде в мире) равным 20 годам, с обязательным проведением нескольких средних и одного капитального ремонтов по отдельным узлам и блокам АЭУ.

Первые же экспедиции ледоколов в западный сектор Арктики показали, что расчетная мощность силовой установки, принятая на этапе проектирования, для суровых арктических условий оказалась недостаточной: в реальности лед был в два раза толще, высота снежного покрова также больше расчетной, а подвижка ледовых полей образовывала ещё и мощные торосы. Для преодоления этих сверх расчетных сопротивлений силовую часть энергетической установки, состоящую из главных турбоагрегатов и гребных электродвигателей, пришлось эксплуатировать на режимах максимальных нагрузок, что приводило к преждевременной выработке ресурса АЭУ.

Проектная надежность оборудования и широкой номенклатуры деталей как главных, так и вспомогательных механизмов для таких нагрузок оказалась недостаточной. В целях экономии не везде были использованы более дорогие износостойкие материалы, особенно в арматуре, центробежных насосах, трубопроводах. Недооценили негативное влияние на долговечность отдельных деталей (лопаточного аппарата турбин, крылаток и лопастей насосов, штока и седла распределительной и регулирующей арматуры, трубных досок парогенераторов и теплообменных аппаратов) таких физико-химических явлений, как кавитационно-коррозионно-эрозионные процессы, явление образования паров в условиях вакуума при низкой температуре, завихрение потока при резких перепадах давления. Многие  узлы оказались неремон­топригодными или труднодоступными для  ремонта. Их приходилось  заменялись после полного израсходования ресурса с выводом ледокола из эксплуатации. Другие узлы: механизмы привода систем защиты реакторов, трубные системы парогенераторов и теплообменных аппаратов, рабочие лопатки турбин и центробежных насосов, подшипники турбо- и электрогенераторов и насосов, ремонтировались на ходу с большой трудоемкостью. Их выход из строя приводил к аварийным ситуациям с остановкой ледоколов. Экипажи вместо усовершенствования мастерства в управлении сложной энерге­тической установкой занимались (и занимаются до сих пор) саморемонтом, отнимающим до 15 часов в сутки, приводя к физическим перегрузкам и потере бдительности на вахте.

Алгоритмы управления  системой “реактор-паро­ге­не­ра­тор-турбина", разработанные ЦНИИ "Аврора", не совсем удачны, по сравнению с алгоритмами фирмы "Сименс", используемыми на ледоколах финской постройки ("Таймыр", "Вайгач"). Они не удовлетворяют требованиям оптимизации тепловых процессов по расходу ядерного горючего при работе ледокола в различных ледовых условиях. Кроме того, недостаточен уровень компьютеризации технологических процессов и поддержки операторов, эргономически не оптимально размещение контрольно-изме­рите­ль­ных приборов и датчиков съема информации, отсутствует диагностический контроль технического состояния оборудования.

Но несмотря на недочёты проектантов, среднестатистические данные по отказам ледоколов находятся в пределах нормы. При её обосновании принимались во внимание сложность проекта, несовместимость друг с другом многих элементов оборудования, многочисленность проектных организаций (до 400 единиц), участвовавших в разработке компонентов АЭУ. Проектанту судна (ЦКБ "Айсберг") стоило большого труда свести этот конгломерат разработок к единому знаменателю, обеспечивающему работоспособность АЭУ с вероятностью отказа 0,001.

Методы сведения разнородных систем управления в единую многоуровневую систему автоматического управления (САУ) различны. Наилучший результат достигается при использовании теории графов, которая в данном случае, по-видимому, не применялась. Большинство проектантов при созданий сложных энергетических систем, таких как судовая АППУ и ПТУ, используют логику компромиссных решений -- достижение главного результата в ущерб вспомогательным, что  и было положено в основу эксплуатации атомных ледоколов. Главной задачей было достижение безотказной работы АЭУ при эксплуатации ледокола в тяжелых льдах. Несомненно, был проведен многофакторный анализ, приняты во внимание все промахи, допущенные на предыдущих этапах проектирования и строи­тельства элементов ледокола в результате несовершенства технологии производства, конструктивных просчетов, ошибочного выбора соответствующих материалов и т. д. Короче, проектант сделал все, что мог. Затем требуется проведение работы над ошибками, играющей колоссальную роль в совершенствовании конструкции будущих ледоколов. Но для этого необходима плановость в работе, наличие финансов и квалифицированных кадров.

Предельный срок эксплуатации атомных ледоколов
При работе в тяжелых ледовых условиях поддерживать постоянный расход ресурса оборудования ледоколов не просто. Для этого надо соблюдать правила эксплуатации, не перегружать механизмы, не выходить за рамки ограничительных характеристик, своевременно производить профилактику оборудования. Но эти правила писаны не для ледоколов.

При прокладке канала во льдах толщиной до 2  и более метров ледоколу требуется совершить не менее 40-50 маневро-реверсов в час. Ломка льда сопровождается сильной вибрацией корпуса, передающейся фундаментам и вращающимся валам механизмов, вызывая знакопеременные нагрузки, полусухое трение в подшипниках, приводящее к увеличению зазоров, смещению осей спаренных валов и их расцентровке. Сильнее всего наведенные вибрации сказываются на роторных механизмах, приводя к резонансной вибрации в результате суммирования с собственной частотой коле­баний, что зачастую является причиной зарождения многих дефектов, приводящих к поломке валов.

Длительная работа на не рекомендуемых проектантом знакопеременных нагрузках, с частыми заклиниваниями винтов и остановками валопровода, внезапной разгрузкой турбин по моменту и переходом их на режим холостого хода, усиливают износ. Такие режимы приводят к усиленному износу пар трения, забиванию маслоподводящих каналов в системах смазки и регулирования продуктами износа, зависанию золотников в системах регулирования и отказу паротурбинной установки по аварийной защите I рода. Но другого выхода нет, механическая часть вынуждена работать на этих режимах.

Преждевременная выработка ресурса оборудования АЭУ привела к обвальному увеличению объемов ремонтных работ и необходимости их проведения в рейсе, не считаясь с затратами физического труда экипажей. Поддержание работоспособности ледоколов любой ценой вынуждает эксплуатирующую организацию налаживать производство кустарного ЗИПа для их ремонта, а отсутствие четкой политики государства в строительстве нового ледокольного флота заставляет продлевать сроки службы изношенных ледоколов. В мировой практике такое встретишь не часто.

Имеющие место случаи продления сроков службы старых судов требуют подтверждения со стороны классификационных обществ под солидную страховку. Но и в этом вопросе Россия идет своим путем, вызывая скрытую неприязнь со стороны международных надзорных организаций. Хорошо, что нам нечего бояться. Наша техника никогда нас не подводила, мы гордимся ею, так как она способна работать на последнем издыхании. А заслугой экипажей ледоколов является то, что они до сих пор не допустили второго Чернобыля. Но этот героический труд никем не оценен. Ледокольщиков, вообще, не жалуют наградами.

Учитывая отмеченные негативные факторы, встает вопрос о выборе предельного срока эксплуатации ледоколов, когда ремонтировать их становится невыгодно. Этот срок был установлен исходя из опыта эксплуатации ледокола "Арктика". Проработав первые 20 лет без особых замечаний со стороны контролирующих организаций, ему назначили новый срок - до 25 лет, а затем (после модернизации паропроизводящей установки) его продлили еще на 5 лет, то есть до 30 лет. Можно ли считать этот срок обоснованным для принятия его за основу и  распространения на другие ледоколы? Дальнейший опыт показал, что нельзя.

АЛ "Арктика" был головным судном второго поколения ледоколов, на нем были установлены головные образцы оборудования АЭУ, которые тщательно отрабатывались на стендах и принимались государственной комиссией. К сожалению, качество и надежность оборудования, поставленного на  серийные ледоколы ("Россия", "Ямал", "Сибирь", "Советский Союз") такой проверке не подвергались и оказались гораздо хуже. Ресурс этого оборудования по причинам организационно-технологического характера, связанного со снижением контроля над технологией изготовления, сборкой и стендовыми испытаниями оборудования был выработан гораздо раньше 20 лет. Для поддержания работоспособности ледоколов на срок до 30 лет потребуется затратить на ремонт оборудования сумму, равную стоимости нового ледокола.

На этих ледоколах установлено последнее поколение оборудования, начавшего поступать на комплектацию с 1975 г. После развала СССР это производство не возобновлялось, а с начала 1990-х гг. большинство ледокольного оборудования вообще было снято с производства (почему и исчез ЗИП).

Согласно теории износа  за 20-летний период нормальной эксплуатации судна его главная силовая установка накапливает 1012 циклов знакопеременных нагрузок, что является критическим показателем срока службы металла блоков цилиндров дизелей, корпусов и роторов турбин, корпусов реакторов и парогенераторов, парообразующих трубчатых систем, валов насосов. В узлах и деталях этих механизмов накапливаются усталостные напряжения, приводящие к перестройке кристаллической структуры металла, возникновению трещин и их поломке.

Показатель усталости особенно характерен для оборудования ледоколов, у которых велик маневренный режим эксплуатации. Почему же оно до сих пор еще работает? Это объясняется особым подходом к его проектированию. Русским свойственен разумный запас во всем, в том числе, и в прочности механизмов. И в конце срока службы они должны развивать номинальные проектные нагрузки, а в критический момент от них потребуется и  максимальная отдача энергии. В этом и состоит отличие отечественных расчетов от западных стандартов проектирования. Западный рационализм в технике не обеспечил бы ее работу в наших суровых климатических условиях.

Тем не менее, идеология в проектировании должна ориентироваться не только на тяжелые условия эксплуатации техники, но и на приоритеты технического развития страны на ближайшую перспективу, которые обычно вырабатываются директивно правительством. Хуже всего, что на этапе перехода от одного общественного строя к другому эти приоритеты оказываются вне поля зрения верховной власти. А проектанты судовой техники не знают, куда им двигаться, на что ориентироваться: на атомный или на дизельный флот, и вынуждены распылять скудные силы и средства на два фронта.

Техника в своем развитии не терпит паузы. Циклы ее обновления следуют один за другим. Мы уже потеряли много времени, отстав на 15-20 лет в развитии транспортно-ледокольного флота и судового оборудования. Эту паузу мгновенно заполнили ведущие в области судостроения страны, такие как Южная Корея, Япония, Финляндия и др., поставляющие нашим пароходствам современные суда.

Мы же вынуждены констатировать, что эпоха развития атомного ледоколо­строения осталась в прошлом. Новых приоритетов в освоении Арктики официально не выдвинуто.(?) Чтобы восполнить задел в строительстве нового поколения ледоколов, придумываются наукообразные обоснования волюнтаристских решений о продлении сроков службы советских ледоколов до 30 лет. Это удорожает содержание атомных ледоколов, поскольку латание дыр в одном месте, приводит к появлению их в другом. Живем по принципу "не до жиру – быть бы живу". При этом грубо нарушаются существовавшие нормы и правила эксплуатации судов с необходимыми циклами ремонтно-восстановительных работ, которые позволяли возобновлять ресурс основного оборудования в пределах ранее назначенного и согласованного с Регистром срока службы судна.

  Прикрываясь авторитетом заслуженных конструкторов-разработчиков техники советского периода, власть пытается отменить физические и теоретико-вероятностные законы теории надежности, повернуть вспять ход развития науки и техники. Задача кардинального повышения надежности АЭУ будущих ледоколов на основе опыта эксплуатации существующего атомного флота не ставится.

На проведение солидных научных исследований нет ни времени, ни Складывается парадоксальная ситуация – ледоколы еще работают, но кто и когда придет им на смену - неизвестно. В советские времена цикл "исследование – проектирование – строительство - опытная проверка - натурные испытания" занимал не менее 10-15 лет при четком финансировании и наличии необходимой научно-производ­ственной базы и рабочей силы. Сегодня ничего этого нет. А есть опасение, что в будущем нам не под силу будет строительство сложных кораблей и судов из-за отсутствия отечественной комплектующей техники и профессионально подготовленных рабочих.

Какой нам нужен ледокол

Альтернативы атомным ледоколам ни сегодня, ни в будущем нет. Только благодаря им стала возможной круглогодичная навигация в западном секторе Арктики, а в восточном секторе она по-прежнему нуждается в разрешении на основе создания более мощного ледокола. Освоение наших северных богатств без атомных ледоколов невозможно. Дизель-электрические ледоколы обладают существенным недостатком: их мощность ограничена крутящим моментом по раскепу (расстоянию между щеками коленвала, показывающему перегрузку дизеля по мощности или моменту) коленчатого вала. Когда требуется увеличить мощность на винтах, "напрячь" все лошадиные силы, на дизеле это сделать не возможно. Для этого нужно нарастить агрегатную мощность самого дизеля, а не впрыскивать в его цилиндры больше топлива. Из-за ограничителя хода рейки топливных насосов это сделать нельзя. Наращивать агрегатную мощность  дизеля в пределах заданного объема машинного отделения из-за отсутствия лишнего места при заданной ширине и длине ледокола также невозможно.

Сегодня дохаживает последний срок дизель-электрический ледокол "Драницын" мощностью 22 тыс. л.с. с шириной борта 25,6 м, который не способен преодолевать лед в Карском море даже в апреле, не говоря о проводках в январе. У турбинного двигателя подобных ограничений нет. Его крутящий момент может быть увеличен в 1,7 раза при возрастании в 2-3 раза ледовой нагрузки на лопасти винтов. Кроме того, турбина занимает малый объем машинного отделения. Компоновка ее вспомогательных агрегатов существенно отличается от размещения агрегатов дизельных ледоколов.

Заменить атомные ледоколы на дизельные не удастся, так как для создания  дизель-элект­рического ледокола мощностью 75 МВт (как у атомного ледокола "Россия") потребуется значительно увеличить габариты ледокола ввысь и вширь для размещения в машинном отделении 7-8, а то и 10 среднеоборотных или высокооборотных дизель-генераторов. При размещении их вдоль судна, длину ледокола придётся увеличить, как минимум, до 200 м. Если размещать поперек судна, ширина корпуса возрастет, как минимум, до 40 м. Самым широким судном в Арктике сегодня является атомный лихтеровоз длиной 260,3 м и шириной 32,2 м. АЛ "Россия" имеет длину 150 м, ширину 30 м. Такой проект дизель-элект­рического ледокола неприемлем  с конструктивной и с эконо­мической (нужна база дозаправки топливом) точек зрения. Вся выгода от увеличения мощности при подобных габаритах ледокола будет "съедена" ростом  ледового сопротивления.

Канада, у берегов которой скапливаются самые толстые в Арктике льды (до 4 м),  построила дизель-электрический ледокол мощностью 40 тыс. л.с. Но его эффективность оказалась низкой. Ледокол с трудом преодолевает лед толщиной до 2,5 м.  Финляндия строит дизельные арктические ледоколы мощностью не выше 20 тыс.л.с. для работы во льдах толщиной до 1,0 -1,5 м. На излете советского периода был разработан проект атомного ледокола "Лидер" (ПК-110Я) с мощностью на валах 110 МВт, длиной 206 м, шириной 40 м, осадкой 13 м, водоизмещением 55600 т, ледопроходимостью до 3,5 м. Но он так и не  был доведен до рабочих чертежей из-за отсутствия государственной политики в области ледоколостроения.

Чем большая мощность подводится к винтам, тем больше должен быть диаметр самого винта, тем труднее его разместить в кормовом подзоре, размеры которого зависят от осадки судна. При малых осадках судов, плавающих по Северному морскому пути (СМП), где глубина у побережья не превышает 9 м, большой проблемой является размещение винта в малом кормовом подзоре. Это ювелирная работа, требующая соблюдения многих противоречивых требований.

При мощности 55 МВт на трех валах АЛ "Россия", диаметр тяглового ледокольного винта равнялся 5,6 м при осадке 11 м. Ледоколы этого проекта 10521 работают вдали от берегов и не могут входить в Енисейскую губу, куда только-только проходят маленькие ледоколы "Таймыр" и "Вайгач" с осадкой не больше 8,5 м. Мощность на одном валу АЛ "Севморпуть" составляет 30 тыс. л.с., а  диаметр винта (ВРШ) – 7, 5 м при осадке 10,65 м. Это судно не предназначено для плавания по СМП, но так как нигде больше в России его применить нельзя, оно эксплуатируется на линии Мурманск – Дудинка с меньшим количеством груза, для того чтобы войти в мелководный порт Дудинки. Этот "пароход" проектировался в СССР для использования на линии Черное море - Вьетнам, Индия, Индонезия и т.д.

Специфика атомного флота требует от его владельца больших расходов на содержание береговой инфраструктуры, необходимой для поддержания эксплуатационной готовности атомоходов, не нужной для дизельных ледоколов. В сложившейся ситуации вопрос с самоокупаемостью атомных ледоколов в масштабах отдельного предприятия проблематичен. Их эффективность следует оценивать в масштабах всего народного хозяйства, которого в настоящее время нет. Поэтому затраты на содержание атомных ледоколов тяжелым бременем  ложатся на  бюджет пароходства (государства). Чтобы ледокол был прибыльным, требуется новая методика расчета его экономической эффективности, успешно работавшая в СССР.

Альтернативы атомным ледоколам нет. Решением этого вопроса должно заняться государство. Надежды на софинансирование строительства атомного ледокольного флота со стороны частных минерало- и нефтегазодобывающих компаний не оправдались. Они проводят политику строительства дизельных ледоколов, с помощью которых в летнее время собираются вывозить из Дудинки всю накопившуюся за зиму продукцию. Но кто будет пробивать дорогу к нефтяным и газовым морским месторождениям,  чтобы они не простаивали зимой? Ответа на этот вопрос пока нет. Скоро на ходу останется один атомный ледокол "5О лет Победы", вступивший в строй в 2008 г. В одиночку с этой проблемой ему не справится. Вместо атомных ледоколов мы начали строить плавучие атомные электростанции, особой нужды в которых  в настоящее время нет. А как будет обеспечиваться северный завоз в течение всего года?

Надежность работы реакторной установки

 В продлении ресурса реакторной установки (РУ) также существуют свои проблемы. Охрупчивание материала корпуса реактора вследствие нейт­ронной бомбардировки создает потенциальную  опасность образования в нем трещин. Решающее влияние на структуру металла оказывает плотность потока нейтронов, вызывающего радиационный гамма-отжиг металла. Экспериментально установлено, что охрупчивание и потеря прочности металла начинается при накоплении в нем 1022 см–2 флюэнса (плотности потока нейтронов). Предельный срок жизни металла реакторов при их расчетной толщине составляет 30 лет.
Но помимо радиационного облучения, корпуса реакторов, насосов I контура, ионообменных фильтров, теплообменных аппаратов и трубопроводов подвергаются давлению свыше 200 кг/см2. продолжительность работы металл в таких условиях зависит от его толщины. Чтобы продлить ресурс оборудования РУ до 35-40 лет, необходимо утяжелить реактор и сделать его  заведомо неремон­то­пригодным. Необходим поиск новых путей развития судовой атомной энергетики, в том числе, и создание металлов с модифицированной структурой.

Тяжелым испытаниям подвергается и металл корпуса ледокола. Давление разрезания и ломки льда форштевнем и передней частью корпуса превышает 450 т/м2 при температуре наружного воздуха до – 400С. Силовое воздействие ледокола на лед носит ударный, знакопеременный характер, но никаких последствий его пока не обнаружено, что указывает либо на высокое качество корпусной стали, либо на 3-кратный запас ее прочности, т. е. на утяжеление корпуса ледокола. По-видимому, такие меры следует считать оправданными, поскольку за 25-30-летний период эксплуатации ледокола происходит изнашивание его корпуса в результате трения о лед и потери металла от электрохимической коррозии. Влияние первого фактора достоверно неиз­вестно, а убыль металла за счет второго фактора для углеродистой стали составляет 0,23 мг×м2/год.

В период 1975 - 1985 гг. на ледоколы поступили главные турбины типа ГТ–642, турбопитательные насосы, вспомогательные турбогенераторы ОК-3С с улучшенными характеристиками, адиабатные испарительные установки МС, дейдвудные подшипники на полиуретановой основе с водо-водяной  смазкой (вместо резинометаллических наборных планок). Однако «выхаживание» и конструктивно–техно­ло­гическая доработка этого оборудования осуществлялась проектными организациями, в основном, в судовых условиях.

Поагрегатная, поузловая оценка надежности оборудования АЭУ

Такая оценка возможна  на основе рассмотрения структурной схемы АЭУ и взаимодействия ее блоков друг с другом  (рис.1). При анализе схемы видно, что оборудование АЭУ принадлежит к различным энергетическим системам: реакторной установке (РУ), паротурбинной установке (ПТУ), электроэнергетической установке (ЭЭУ) и движи­тельной установке (ДУ). Поэтому оценивать надежность АЭУ необходимо с учетом особенностей процессов, протекающих  в каждом из составляющих блоков.

В РУ происходит преобразование ядерной энергии в тепловую энергию пара. В ПТУ тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины. В ЭЭУ механическая энергия вращения преобразуется сначала в электрическую энергию генератора, которая в гребном электродвигателе снова превращается в механи­ческую энергию вращения гребного вала. В ДУ механическая энергия преобразуется в гидравлическую энергию гребного винта, выражаемую полезной тягой или упором винта.

Гребной винт, работая в паре с корпусом судна, реализует программу управления АЭУ, задавая нагрузку всем составным элементам. Гибкая электрическая и гидроме­ханическая связь между элементами ЭЭУ и ДУ  выражается в равенстве сопротивления движения судна R, суммарной тяги гребных винтов Ре и эффективной мощности глав­ных турбин Nе. Задающим элементом в этой системе является корпус судна, который через гребной винт определяет нагрузку ЯЭУ в целом (рис.1).

Надежность РУ определяется параметрами элементов, входящих в ее состав: целостностью тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), работоспособностью механизма привода стержней, управляющих мощностью реактора, центробежных насосов I контура (ЦНПК), ионно-обменных фильтров и теплообменных аппаратов I контура.

Надежность ПТУ зависит от работоспособности главных турбин, конденсатора, деаэратора,  насосов и арматуры паровой, конденсатно-питательной, охлаждающей и масляной систем.

Надежность ЭЭС определяется работоспособностью подшипников, (?) сопротивлением проводников генераторов и гребных электродвигателей.

Надежность ДУ определяется целостностью винтов,  работоспособностью главных упорных подшипников и подшипников  дейдвудного устройства.

Оценка надежности реакторной установки

 Наибольшую проблему в эксплуатации этого блока АЭУ представляют не сами реакторы, а парогенераторы (ПГ). Они являются связующим звеном между теплоносителем, циркулирующим между ТВЭЛами, и питательной водой, циркулирующей в трубной системе. Слабым узлом в них является трубная система, течь которой выводит РУ из строя.  Потеря герметичности  II контура происходит в результате:

- недостаточно надежного крепления труб в трубных досках на парообразующих участках из-за отсутствия надлежащей технологии;

- образования в наружных слоях металла труб микротрещин и изломов со стороны входа питательной воды вследствие усталости металла.

Эти причины были следствием уровня развития науки и техники, достигнутого к середине 1970-х гг. При постройке ледоколов все технологические новшества внедрялись буквально "с колес". Времени на проверку даже ускоренными методами испытаний не хватало. Особенно ненадежным оказался узел соединения парообразующих труб с корпусом парогенератора, работающего под высоким давлением. Непригодная для таких соединений сварка была заменена пайкой серебряным припоем, успешно зарекомендовавшей  себя на первой  АЭС. Но в морских условиях пайка проверена не была, поэтому первоначальный ресурс парогенераторов был ограничен 25-30 тыс.ч. Низкий ресурс РУ был вызван также водно-химическим режимом парогенераторов, не отработанным к тому времени должным образом, что приводило к большому отложению солей (накипи) на внутренней стороне труб, сокращая паропроизводительность АЭУ.

Опытное наблюдение за узлами с пайкой проводилось на ПГ-18 АЛ "Ленин", имевшего паропроизводительность 55 т/час, а после его модернизации - на  ОК-900. Отработав более 100 тыс. часов при только одной заглушенной секции, проектант решил, что найдено необходимое технологическое решение. Модернизи­рованный ПГ-18т под индексом ПГ-28 (типа ОК-900А) паропроизводительностью 60 т/ч с такой же пайкой был установлен на ледоколе «Арктика», продемонстрировав хорошую надежность, что явилось дополнительным подтверждением проектанту в правильности выбранной технологии.

Но АЛ"Арктика" -- головное судно в серии (второе после АЛ "Ленин") был построен с соблюдением всех требований технологии  входного контроля (ТВК) на этапах приемки, монтажа и наладки. Поэтому и ресурс пароге­не­раторов был установлен по достигнутому на АЛ "Ленин" уровню в  90 тыс.ч. Но все последующие ледоколы строились с нарушением требований ТВК. И та же технология пайки труб  не выдержала испытания временем.

Даже сокращение параллельно включенных трубных ветвей со 100 до 20 в результате модернизации не уменьшило проблемы с их эксплуатацией. Конструктивное решение по модернизации оказалось неудачным. До назначенного ресурса 90 тыс.ч. практически не доработал ни один парогенератор ПГ-28 на всех последующих ледоколах. Признаки негерметичности появлялись на всех РУ после выработки ресурса около 60 тыс. ч. В правила эксплуатации АЭУ внесли изменения: допускалось отключение "потекших" секций на неполной паропроиз­во­дительности до  полной смены трубной системы парогенератора. Были вводены ограничения на количество вырабатываемого пара. При глушении, например, двух секций в каждом парогенераторе паропроизводительность РУ уменьшалась на 7-9% при сохранении его спецификационных параметров. При глушении большего количества секций требовалось согласование с проектантом. Чтобы сберечь ресурс парогенераторов, судовладелец настоял на изменении эксплуатационных требований АППУ,  в частности, на перевод РУ на более щадящие режимы работы, т.е. на ограничение ее тепловой нагрузки.

При реконструкции ПГ-28 было внесено еще одно конструктивное изменение: фланцевое соединение крышки с корпусом было заменено на сварное. Предполагалось, что оно будет подвергаться меньшим деформациям при гидравлических испытаниях парогенератора на прочность. В расчет прочности сварного шва был заложен гипоте­ти­ческий дефект в виде микротрещины, которая должна появиться в крышке не ранее, чем через 90 тыс.ч. работы.  Этим и был ограничен ресурс ПГ-28 без учета меньшего ресурса трубной системы. При отсутствии течи в крышке предполагалось производить поэтапную корректировку ресурса пароге­не­раторов ступенями по 10 -15 тыс. ч., с доведением его до 120 тыс. ч. с учетом фактического технического состояния.

Согласно сложившейся конъю­н­ктуре в атомном судостроении, проектантом в 2000 г. была разработана комп­лексная программа "Продление ресурса систем и оборудования АППУ атомных судов до 150 тыс. ч. и срока службы ледоколов до 30 лет". Проблема течи трубных систем парогенераторов оставалась нерешенной, так как требовала детальных исследований натурных образцов в стендовых условиях, демонтажа их из действующих пароге­не­раторов. Только после этого можно было установить истинные причины образования трещин в трубах.

Пока же решением научно-техни­чес­кого совещания по проблемам надежности парогенераторов от 17.04.2001 г. был  разрешен переход на щадящие режимы эксплуатации ПГ, допускавший снижение нагрузок РУ и регламентных проверок, смягчение требований к водно-химическим режимам. Это решение меняло ранее установленные приоритеты. Вместо экономии энергозапаса активной зоны на первый план выдвигалась задача шпарогенераторов на заключительном отрезке их жизненного цикла.  Но решение о переходе на щадящие режимы затруднило эксплуатацию ледоколов в сложных ледовых условиях западного сектора Арктики, не говоря уже о восточном секторе (за проливом Вилькицкого). Этим решением все заинтересованные организации снимали с себя ответственность за сложившуюся ситуацию с эксплуатацией атомного флота. Они потребовали от государства выделения ассиг­нований на проведение НИОКР для решения вопроса повышения надежности атомных ледоколов. Но объемы ассиг­нований были явно завышены, и все закончилось удовлетворением минимальных запросов, т. е. практически ничем.

Но определенные результаты все же были получены. Демонтированные отработавшие свой срок трубные системы поступили на стендовые испытания, подтвердившие теорию усталости металла. Рекомендаций по допустимому количеству циклов (108 или 1010) сделано не было.  Но был установлен срок проведения капитального ремонта парогенераторов. Износившийся лопаточный аппарат главных турбин во время ремонта заменен не был. Поэтому говорить об увеличении ресурса ледоколов после такого ремонта нельзя. Очередное латание дыр вместо капитального ремонта проблему не решает. Тема капитального ремонта ледоколов вообще требует отдельного разговора.

Устранение течи труб в ПГ при эксплуатации АЭУ производится выключением соответствующей секции из термодинамического цикла, чему предшествует трудоемкая операция поиска течи. Глушение потекшего змеевика ухудшает энергетические параметры АЭУ. При 6-8 заглушенных секциях турбина может развивать только часть номинальной мощности. В этом случае требуется замена трубной системы второго контура.

Потеря герметичности II контура из-за течи труб парогенератора приводит к насыщению рабочего пара продуктами радиоактивного распада, содержащимися в циркулирующем между трубами теплоносителе первого контура. Такая ситуация требует немедленного глушения реакторной установки до устранения дефекта.

Различие эксплуатации оборудования РУ на АЭС и на морских судах

 Прямое перенесение технологического опыта эксплуатации оборудования РУ на АЭС  на морские суда невозможно. Особенно это касается паяных соединений, водно-химических режимов и применения одних и тех же марок материалов для труб I и II контуров. Оборудование на морских судах  работает не на твердом, а на "зыбком" фундаменте, подвергающемся вибрации корпуса судна. Влияние этого вида вибрации среди других причин, вызывающих образование трещин, не изучено до сих пор. Возможно, именно они создают особые условия работы, вызывая в металлах малоцикловую усталость. Такого эксперимента на трубах парогенератора никто не ставил, хотя малоцикловая усталость на вращающихся валах, передающих большие крутящие моменты, исследована достаточно хорошо. Проблема поломки гребных валов транспортных судов хорошо изучена и решена на рубеже 1960-х и 1970-х гг. Теперь она возникла для труб парогенераторов АЭУ, хотя для труб обычных водотрубных котлов паротурбинных установок судов, строившихся    до 1985 г, она не характерна.

Согласно теории малоцикловой усталости, трещины в материале вала начинают возникать в результате действия повторно-переменной нагрузок (циклов) и накопления металлом 102–5×104 циклов. Но трубы парогенераторов АЭУ работают в несколько других условиях. Под напором (давлением) теплоносителя  (с внешней стороны) и питательной воды (с внутренней стороны) на них действуют напряжения растяжения и сжатия. Кроме того, трубы из аустенитной стали подвержены коррозионному растрескиванию из-за работы в высокощелочной среде.

В понятие "щадящего режима" эксплуатации РУ входит и число термоциклов, то есть количество вводов-выводов установки за весь ресурс работы. Этот параметр также влияет на усталость металла. Данный параметр был скорректирован проектантом РУ следующим образом: при скорости разогрева 1000С в час количество циклов не должно превышать 25, а при скорости 200С  – 150.

Размещение ПГ внутри реакторного помещения уменьшает его ремонтопригодность.  Операция замены трубной системы сопряжена с большой трудоемкостью, необходимостью расхола­живания РУ, на длительный срок выводя ледокол из эксплуатации.

При оценке надежности механического оборудования РУ, проектанту стоит  также обратить внимание на приводы управления нейтронной мощностью реактора и систему компенсации давления теплоносителя, нуждающимся  в дальнейшем усовершенствовании из-за частых отказов. Приводы управления часто заклинивают.

Оценка общей надежности АЭУ

В проектировании и разработке технологии изготовления элементов АЭУ принимали участие многие проектные и научно-исследовательские организации. Каждая из них отслеживала свое направление, а в комплексе за проблему надежности всей АЭУ или ПГ в составе РУ не отвечал никто. При расчете АЭУ не было проведено обосно­вание многоуровневого влияния на общую надежность АЭУ всех последовательно и параллельно соединенных агрегатов с точки зрения работы пропульсивного комплекса "РУ - главная турбина - система электродвижения - гребной винт- корпус судна". Каждый агрегат занимает определенное место в иерархии управления установкой, образуя единый энергетический комплекс, управление которым осуществляется одной рукояткой с поста в рулевой рубке. Принятые проектантом приоритеты в расстановке агрегатов АЭУ по уровням иерархии управления не обеспечивают поддержания надлежащего теплового и энергетического балансов на отдельных режимах нагрузки в связи с недостаточно полным учетом всего спектра внешних условий, особенно сезонных изменений климатических условий в Арктике.

Задающим элементом в системе управления пропульсивным комплексом, первым в иерархии подчиненности в структурной схеме (рис.1) должен являться корпус судна, а не силовая установка, так как целью использования АЭУ в качестве силовой установки было обеспечение движения корпуса судна заданных размеров в ледовой среде определенной толщины. Поэтому и появились соответствующие просчеты. В реакторную установку была заложена повышенная тепловая мощность, которая до конца никогда не использовалась, в результате чего отдельные ее узлы подвергаются неоправданной тепловой перегрузке.

С точки зрения тепловой схемы, паровой котел (парогенератор) традиционно считался неотъемлемой частью ПТУ. Но из-за специфики АЭУ парогенерирующая установка в состав ПТУ не вошла, хотя термодинамический цикл "пар-конденсат" является общим для РУ и ПТУ и его нельзя разрывать. Обеспечению эффективного протекания этого цикла (т.е. более высокого термического КПД) и должна быть подчинена расстановка приоритетов в иерархии подчиненности элементов структурной схемы управления судном. Взаимная увязка элементов пропульсивного комплекса играет главную роль в обеспечении высокой надежности всей установки. А использование в этом анализе характеристик взаимодействия корпуса и винта на каждом режиме работы ледокола (для разной толщины льда) является непременным условием правильной расстановки сложноподчиненных связей в функционально-структурной схеме комплекса.

За проблему комплексной надежности АЭУ и судна в целом – как единого комплекса, ни одна из проектных организаций не отвечает. По-видимому, за неё должна нести ответ­ственность организация, разрабатывающая комплексную систему автомати­зированного управления АЭУ. Может быть, в своё время не нашлось соответствующих специалистов.

Учитывая опыт эксплуатации АЛ "Ленин", соответствующие организации должны были сформулировать требования к выбору особо ответственного оборудования, к взаимной увязке его на основе многофакторного анализа и расчета надежности. К этим расчетам обязательно должны привлекаться ЦНИИ МФ, ЦНИИ им. ­акад.­ А.Н.Крылова, ГМА им. адм. С.О.Макарова и ряд других институтов и КБ.  Но на протяжении 40 лет этого сделано не было.

Поэтому, наряду с решением традиционных задач по повышению надежности: разработке новых материалов, улучшению конструкции и совершен­ство­ванию технологии, должна ставиться и другая важнейшая задача - выбор опти­мальных алгоритмов управления судном на каждом иерархическом уровне расположения составных элементов пропульсивного комплекса с точки зрения экономного расходования их ресурса.

Присущая судовой АЭУ сложность и взаимосвязанность оборудования обостряет проблему обеспечения надежности, укорачивая его ресурс, усложняет и удоро­жает процесс поддержания должного технического состояния оборудования, вынуждая экипаж заниматься дополнительной, несвойственной ему работой - ремонтом отказавшей техники. Тяжелые условия эксплуатации судна, отсутствие на нем необходимого технологического оборудования для производства ремонтных работ в море не способствуют обеспечению надлежащей надежности АЭУ. В итоге затраты на возмещение физических износов обо­­­­рудования при проведении  внеплановых ремонтно-восстанови­тель­­ных работ в общей стоимости заводского ремонта ледокола достигают 30-40%, а  в период технического обслуживания оборудования на судне – до 80%. ­­­­­­­

По мере выработки ресурса оборудования и увеличения «возраста» ледокола затраты на восстановление работоспособности оборудования возрастают еще больше. После пяти лет эксплуатации ледокола затраты на его ремонт возрастают ежегодно в среднем в 1,3 раза, а после десяти лет – в 2-3 раза. По данным статистики 60- 65% трудозатрат судовых команд на саморемонтных работах вызваны восстановлением изношенного обо­ру­­дования из-за выработки ресурса отдельных деталей и узлов.

Таким образом, для повышения надежности оборудования ПТУ необходимо повысить его долговечность, безотказность и ремонтопригодность, обеспечить возможность агрегатной замены или восстановление в процессе ремонта, т. е. повысить технологичность конструкций деталей и узлов, приспособить их к оснащению средствами контроля и диагностики технического состояния. Это позволит значительно снизить количество отказов и уменьшить затраты на поддержание его технического состояния.

Оценка надежности основных элементов ПТУ

В качестве главного турбоагрегата (ГТА) на ледоколах проекта 10521 использована влажнопаровая турбина ГТА-642 в составе: главного конденсатора, электромасляных  (ЭМН–100/II–ОМ5), турбопитательных (ПТН-14А) и турбоциркуляционных насосов (ТЦН 6800/12,8), а также ряд других вспомо­га­тельных агрегатов, обслуживающих турбину (блок паровых клапанов, главные ПЭЖ–85/16 и вспомогательные ПЭЖ–880/16-ОМ5 эжекторы и маслоохладители МОД 65/80).

Главная турбина ГТА-642 (однокорпусная, двухпоточная, с дроссельным регу­лиро­ва­нием, одной радиальной активной ступенью и 15 реактивными ступенями в каждом потоке с номинальной мощностью на фланце 27,7 Мвт) работает на влажном паре давлением 26 кг/см2 , температурой 2950С.  Согласно технической документации жизненный цикл ГТА-642  рассчитан не менее, чем на 100 тыс. часов. Однако все другие агрегаты, навешенные на турбину, имеют значительно меньший ресурс из-за больших механических и кавитаци­онно-эрози­он­ных износов и разрушений в узлах трения, местах истечения пара, входа и выхода охлаждающей воды.

Надежность оборудования ПТУ, в которую входит более широкий комплекс механизмов, систем и агрегатов, нежели в РУ, носит и более всеобъемлющий характер. В ПТУ осущест­в­ляется термодинамический цикл "пар-конденсат". На неё работают главная турбина, главный конденсатор, деаэратор, конденсатный, питательный и охлаждающий  насосы, система забора охлаждающей воды с ледовыми ящиками. Кроме того, турбина обслу­живает гидромеханическую часть пропульсивного комплекса, куда входят линии валопроводов, дейдвудные и винто-рулевые устройства вместе со своими системами и оборудованием. Главная турбина, с одной стороны, является задающим элементом в тепловой системе РУ, с другой, подчиненным элементом в гидромеханической системе, что затрудняет определение причинно-следственных связей при разработке многоуровневой системы управления и выявлении причин отказов.

Режимы нагрузок оборудования ПТУ зависят от условий эксплуатации ледокола, которые в зимнее время характеризуются сплоченными торосистыми и заснеженными льдами толщиной более 2-3 м. При пробивке канала (работе ледокола набегами) происходит быстрая (за 60-90 сек) перестройка термоди­нами­ческого цикла  "пар-конденсат". так

В этот момент до 80% объемов пара, минуя турбину, сбрасывается в главный конденсатор (ГК). При этом резко перестраивается работа охлаждающей системы. Главный конденсатор требует большего количества забортной воды, которой часто не хватает в ледовых ящиках из-за сильного обмерзания. Это является одной из причин потери вакуума в главном конденсаторе и срабатывания аварийной защиты, принудительной остановки турбины. Данная проблема до конца не решена до сих пор.

Оставаясь с малым количеством пара, ГТ переохлаждается, подвергаясь  резким тепловым деформациям в дополнение к большим динамическим нагрузкам при очередных набросах пара на турбоагрегаты, происходящих при ударе форштевнем в ледовый барьер. Резкая термодинамическая встряска турбины создает ненормальные условия  работы ее корпуса, ротора и подшипников. При частоте таких встрясок до нескольких десятков в час, можно представить себе их последствия, приводящие к уменьшению ресурса механического оборудо­вания  ГТА в течение 5, 10 и более лет.

(Окончание здесь)






Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=1947