Геннадий Рассохин, Почетный энергетик России
Заключение Государственной комиссии о причинах аварии на Саяно-Шушенской ГЭС 17.08.2009 г. сводится к потере прочности крепления крышки турбины гидроагрегата № 2 вследствие накопления усталости металла шпилек. По версии комиссии при накопленной усталости от давления воды (напора) в один миг (в тысячную долю секунды) обрываются все восемьдесят стальных шпилек (Ø80 мм). Без всяких признаков усталости разом обламываются все двадцать цапф лопаток направляющего аппарата (Ø300 мм).
Тысячетонный агрегат не просто «выбрасывается» из своей шахты, а взлетает над ней (следы полета видны …).
Состояние усталости очень опасное состояние. 93 года назад некий матрос объявил: «Караул устал!» и было разогнано Учредительное собрание. Страна вступила в величайшую трагедию.
В августе 2009-го комиссия инспекторов Ростехнадзора первопричиной разрушения крупнейшей электростанции с гибелью людей объявила усталость шпилек.
Выводы комиссии утверждены Государственной Думой и Академией наук.
В те далекие времена матросы были злы и грубы, у них не было никакого почтения к мандатам. Поэтому никто не проверил, почему и насколько устал караул.
Но в наши дни, благодаря Интернету, достоверность выводов комиссии инспекторов относительно усталости шпилек можно проверить, не отходя от окошка домашнего монитора.
Учитывая большую опасность последствий усталости, проверяем:
I. Признаки усталости металла шпилек:
1. Экспертами рассчитана степень усталости металла шпилек с точностью до десятых долей процента:
Табл. на стр. 78 [1]:
№ п./п | № шпильки
| % усталостного
излома | № п/п
| № шпильки
| % усталостного
излома | № п/п
| № шпильки
| % усталостного
излома
|
1
| 1
| 5
| 18
| 28
| 20 | 35
| 57
| 5
|
2
| 2
| 80
| 19
| 30
| 50
| 36
| 60
| 60
|
3
| 3
| 95
| 20
| 31
| 90
| 37
| 62
| 70
|
4
| 4
| 7
| 21
| 32
| 95
| 38
| 64
| 98
|
5
| 5
| 55
| 22
| 34
| 65
| 39
| 65
| 85
|
6
| 6
| не разрушен
| 23
| 35
| 60
| 40
| 66
| 20
|
7
| 11
| 4
| 24
| 38
| 35
| 41
| 68
| 70
|
8
| 14
| 55
| 25
| 39
| 35
| 42
| 69
| 97
|
9
| 18
| 98
| 26
| 41
| 35
| 43
| 70
| 55
|
10
| 19
| 95
| 27
| 42
| 35
| 44
| 71
| не разрушен
|
11
| 20
| 85
| 28
| 43
| не разрушен
| 45
| 73
| 40
|
12
| 21
| 5
| 29
| 44
| 95
| 46
| 74
| 0 (трещин нет)
|
13
| 22
| 35
| 30
| 45
| 35
| 47
| 75
| 70
|
14
| 23
| 0 (трещин пет)
| 31
| 47
| не разрушен
| 48
| 76
| 25
|
15
| 24
| 50
| 32
| 48
| 95
| 49
| 80
| 60
|
16
| 25
| 40
| 33
| 53
| не разрушен
|
|
|
|
17
| 27
| 50
| 34
| 54
| не разрушен
|
|
|
|
Среднее состояние площадей усталостного излома шпилек
| 64,9%
|
Средняя величина из суммы указанных площадей, поделенной на количество шпилек, получается не 64,9 %, а 52,5%. Зачем надо было «набрасывать» 12,4 %? И величина 64,9% ни о чем не говорит. Шпилек было не 49, а 80 шт., и эту цифру (64,9%) ни в какую формулу, ни в какой коэффициент ослабления прочности крепежа крышки турбины не вставишь.
2. Стр. 79 [1]:
«- по результатам капиллярной дефектоскопии обнаружены протяженные несплошности в виде трещин на витках резьбы. Обнаруженные дефекты являются недопустимыми.
- по результатам ультразвуковой дефектоскопии обнаружены недопустимые дефекты на витках резьбы шпилек (дефектов в металле шпилек вне резьбовой зоны не выявлено)». Обнаруженные трещиноподобные дефекты характеризуются как недопустимые, поскольку являются очагами развития разрушения шпилек, ограничивают прочность и несущую способность этих деталей, а также конструкции разъемного соединения в целом».
Очень странным было бы, если на разорванных шпильках не было дефектов, обнаруживаемых не визуально, а такими тонкими и точными методами, как ультразвуковая и капиллярная дефектоскопия. При разрыве шпилек наряду с магистральными трещинами должны быть и мелкие надрывы - трещиноподобные дефекты.
3. Стр. 79 [1]:
«- макрорельеф поверхности излома шпилек является характерным
для области развития усталостной трещины. Зарождение усталостной трещины (многоочаговое) происходило от внешнего концентратора - кольцевой резьбовой канавки. На поверхности усталостного разрушения выделяется ряд макрообластей, границы которых идентифицируются как следы продвижения фронта усталостной трещины».
В этом заключении не говорится о главном: в течение какого времени трещины развивались (росли): - в течение тридцати лет, или в течение считанных секунд после первого удара поднимающегося ротора в крышку турбины. И какие силы разрывали шпильки: - штатные от давления воды (напора), или нештатные при упоре вращающегося ротора в крышку турбины при его подъеме.
Специалист по фрактографическому анализу изломов должен был показать эти характерные признаки длительно развивающейся трещины. (Или трещины, вдруг зародившейся и развившейся до критической величины в течение нескольких секунд). И хотя бы косвенно указать величину и характер разрывающих усилий.
II. Причина усталости металла шпилек крепления крышки турбины:
Заключение экспертов: стр. 80 [1]:
«
Авария на гидроагрегате № 2 (разрушение конкретного технического устройства) произошла в момент срыва крышки турбины вследствие излома шпилек крепления крышки.
По результатам комплексных исследований основной причиной разрушения шпилек является развитие усталостных трещин, зарождение которых происходило с внутренней поверхности резьбовой канавки. Одним из факторов, способствующих развитию дефекта в шпильках крепления крышки турбины на ГА-2, является значительное количество переходных режимов работы гидроагрегата в не рекомендуемых
для эксплуатации зонах с повышенными динамическими характеристиками (вибрациями), в зависимости от мощности при участии гидроэлектростанции (и гидроагрегатов) в системном регулировании активной мощности и частоты. Установленный заводом-изготовителем срок службы крепежа (шпилек) совпадает со сроком службы самого оборудования (30 лет)».
Короче: по версии комиссии причиной усталостного износа шпилек крепления крышки турбины ГА-2, повлекшего за собой аварию, является повышенная вибрация при штатных переходных процессах.
Вибрация чего?
Экспертами-инспекторами дана ссылка на нормы вибрации: стр. 50 [1]: «
размах горизонтальной вибрации (двойная амплитуда) корпуса турбинного подшипника, а также размах горизонтальной вибрации верхней и нижней крестовин генератора, если на них расположены направляющие подшипники, в зависимости от частоты вращения ротора гидроагрегата не должен превышать следующих значений:
Частота вращения ротора гидроагрегата, об./мин.
| 60 и менее 150 300 428 600
|
Допустимое значение вибрации, мм
|
0,6 0,16 0,12 0,10 0,08
|
На стр. 62 и 63 [1] указано, что амплитуда горизонтальной вибрации корпуса турбинного подшипника по состоянию на 8 час. 00 мин. 17.08.2009 г. была 600 мкм, а по состоянию на 8 час. 13 мин. 17.08.2009 г. составляла 840 мкм.
Именно высокие значения горизонтальной вибрации турбинного подшипника расценены комиссией причиной усталости шпилек крепления крышки. А ее повышение на
240 мкм перед аварией как «последнюю каплю», ослабившую прочность шпилек крепления крышки турбины до критической величины.
Но вибрация корпуса направляющего турбинного подшипника и вибрация крышки турбины – это не одно и то же.
Крышка турбины – это сложная пространственная объемная массивная конструкция. На крышке установлена опора (опорный конус), на которой «висит» весь ротор агрегата. И амплитуда вибрации подшипника в центре крышки доходит ли до шпилек, установленных на ее периферии?
Так как речь идет о состоянии крепежа крышки турбины, расследователи должны были сослаться (но не сослались) на следующую таблицу этих норм: «размах вертикальной вибрации крышки турбины, опорного конуса или грузонесущей крестовины генератора в зависимости от частоты вибрации не должен превышать следующих значений (в зависимости от частоты вибрации):
Частота вибрации, Гц
| 1 и менее
| 3
| 6
| 10
| 16
| 30 и более
|
Допустимый размах вибрации, мм.
| 0,18
| 0,15
| 0,12
| 0,08
| 0,06
| 0,04
|
Обратимся к эксперту – В.И. Брызгалову [2]. (Эксперт - exspertus (лат.)- опытный).
Конструкция направляющего подшипника турбины ГА-2 (стр. 227 [2]).
Подшипник резиновый на водяной смазке. Корпус подшипника крепится к крышке турбины шпильками.
Как известно, основным достоинством подшипников с резиновыми вкладышами является их способность поглощать вибрацию и удары.
Стр. 232 [2].
Кроме того, на пути распространения колебаний от подшипника до шпилек крепления крышки имеются два фланцевых разъема, на которых происходит демпфирование колебаний за счет трения: разъем крепления подшипника к крышке и разъем крепления самой крышки.
С учетом всего этого при вибрации турбинного подшипника величина вибрации крышки турбины составляет (стр. 228 [2]):
Как видим, при большой горизонтальной вибрации корпуса турбинного подшипника величина горизонтальной вибрации крышки турбины меньше в 7,5÷8,5 раз, а вертикальной - меньше на порядок.
Следовательно, при зафиксированной инспекторами величине горизонтальной вибрации корпуса турбинного подшипника в 600 мкм и 840 мкм величина горизонтальной вибрации крышки турбины не могла быть выше нормативной (160 мкм): (600/7,5=80 мкм, 840/7,5=112 мкм).
А вертикальная вибрация крышки турбины перед первым ударом в нее поднимающегося ротора (до 08 часов, 13 минут, 24,727 секунды) была на уровне 60÷120 мкм (при норме 150÷180 мкм). (См. Рис. 1)
Таким образом, назначать причиной аварии повышенную вибрацию направляющего подшипника турбины, когда вибрация крышки турбины не превышает нормативную, не корректно. Не корректно и констатировать наличие усталости металла шпилек при таком поверхностном, небрежно проведенном фрактографическом анализе изломов шпилек.
Возмущающие усилия, вызывающие вибрацию корпуса турбинного подшипника, после их демпфирования на резиновых вкладышах передаются непосредственно на шпильки его крепления к крышке турбины. Как видно на рис. 3.17 [2] этих шпилек в пять раз меньше чем шпилек крепления самой крышки. А их диаметр в три раза меньше диаметра шпилек крышки. Поэтому эти шпильки являются как бы «предохранительными срезными болтами» для шпилек крепления крышки. При высокой вибрации корпуса турбинного подшипника они разрушаются первыми.
В качестве выводов:
Есть все основания полагать, что причина разрушения крупнейшей электростанции не связана с усталостью металла шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата № 2.
Ссылки:
1. «Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 года в филиале Открытого Акционерного Общества «РусГидро» - «Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего»
2. Брызгалов В.И. «Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций». Сибирский ИД «Суриков», 1999, 560 с.
