?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Причины аварии на СШГЭС, технический анализ.
pic1
vetovlad
  Краткий технический анализ причин аварии на СШГЭС 17.08.2009 г.


  1. Суть произошедшей аварии.

  В процессе эксплуатации, в штатном режиме регулирования мощности ГЭС, от опорного кольца (ОК) агрегатной шахты оторвалась крышка турбины гидроагрегата №2 (ГА-2), являющаяся жестким несущим корпусом ГА и, одновременно, герметичной заглушкой отдельного агрегатного гидроканала.
  У данного ГА усиленный ребрами фланец турбинной крышки, диаметром около 8-ми метров, прижимается к ОК шахты 80-тью анкерными шпильками диаметром 80 мм из высокопрочной углеродистой стали 35. Следует отметить, что при двукратном запасе прочности по пределу текучести, каждая такая шпилька имеет допустимую нагрузку 80 тонн, а все вместе - 6400 тонн. Болтовое крепление крышки турбины должно обеспечивать жесткую фиксацию, прочность и герметичность разъема ГА при любых проектных эксплуатационных нагрузках, в том числе вибрационных, а также при всех видах проектных аварий в течение всего срока службы агрегата. По отношению к эксплуатационным нагрузкам, самой опасной из которых является избыточная, сверх веса ГА (примерно равного 2000 тонн), подъемная сила гидростатического давления около 1000 тонн, шпильки имеют почти 6-ти кратный запас прочности по допускаемым напряжениям и 12-ти кратный – по пределу текучести.  
  Согласно акту «Ростехнадзора» от 03.10.09 никакой аварийной ситуации на ГА-2 до момента отрыва крышки не было. Была чрезмерная вибрация, которая нарушала нормальные условия его эксплуатации, но никаким образом не могла быть источником нагрузок, способных оторвать 80 цельных и кондиционных шпилек крышки турбины (будь они таковыми). Не был поврежден турбинный подшипник, не была нарушена цельность роторных элементов агрегата. Он сильно вибрировал, и в какой-то момент на крышке турбины лопнули (оторвались под действием растягивающих сил) шпильки. В итоге ГА-2 резко пошел вверх. От инерционной перегрузки, перекоса и заклинивания с ротора сорвался обод генератора. Почти наполовину облегченный агрегат пошел дальше наверх, а из гидроканала, лишенного заглушки, под давлением почти 20 атм. через спиральную камеру и открытую агрегатную шахту, разбиваемую спицами еще вращающегося ротора ГА, в машинный зал хлынул всёсокрушающий поток воды ….


  2. Состояние шпилек и фланцевого разъема крышки ГА-2.

  Из акта «Ростехнадзора» следует:  
- на ОК шахты были обнаружены остатки 49 из 80 анкерных шпилек; остальные (31 шт.) были с корнем вырваны из основания (из ОК), утрачены и потому не могли быть обследованы;
- 6 из 49 обследованных шпилек остались целыми, без каких-либо следов навинчивания на них гаек и рабочего применения; остальные шпильки (43 шт.) были разрушены;
- разрушение 2-х шпилек носило характер осевого разрыва по полному поперечному сечению, а остальных (41 шт.) - по остаточному сечению, доломанному после приобретения ими поперечных усталостных трещин, составивших в среднем 65% от полного сечения.  
   
  В акте не изложены технические требования к эксплуатационному состоянию шпилек, к условиям их обслуживания и рабочей затяжке. Там вообще нет никакой информации (описательной, схематической) о фланцевом разъеме крышки ГА – конструкции, разрыв которой и привел к катастрофе; отсутствуют даже данные о диаметрах шпилек и их общем количестве, при этом указана высота шпильки (245 мм) – весьма мало значащий параметр. Получается, что этому относительно простому, но важнейшему для обеспечения безопасности и надежности элементу конструкции ГА уделялось крайне мало внимания. И не только эксплуатационным персоналом, но и проектировщиками, надзорными органами и даже экспертной комиссией.  

  3. Особенности функционирования фланцевого разъёма.
 
  Правильно сконструированный фланцевый разъем крышки гидротурбины должен обеспечивать, прежде всего, неизменную за весь срок службы несущую способность шпилек при условиях неизбежных вибраций, имеющих сложное происхождение и нестационарный характер. Добиться этого можно только с помощью нормированной затяжки шпилек на общую нагрузку, значительно превышающую любые раскрывающие этот разъём силы, которые могут возникать при эксплуатации ГА. В этом случае жесткость (усилие при единичной деформации) фланцевого разъёма при любых видах деформирования будет равна жесткости его деталей, сжимаемых по плоскости сопряжения, и эта жесткость, по крайней мере, будет на 2 порядка превосходить жесткость самих шпилек при их растяжении. Таким простым и доступным способом достигаются три важнейших условия.  

1) Раскрывающие разъём нагрузки не передаются на шпильки, а лишь вызывают снятие определенной доли деформации фланца, которая на порядки меньше осевой деформации затянутой шпильки. При этом полностью исключаются циклические нагружения шпилек и их усталостное повреждение (развитие трещин). Шпильки находятся в стационарном статическом нагруженном состоянии затяга, а их срок службы будет определяться лишь коррозионной стойкостью металла и условиями обслуживания.  
2) Податливость шпилек (величина обратная их жесткости) исключается из податливостей колебательной системы гидроагрегата, а во фланцевом разъёме реализуются условия жесткой фиксации (защемления) корпуса ГА на ОК шахты (в теле платины). Следовательно, из реальной колебательной системы ГА будет исключен корпус турбины, а вертикальные (осевые) и поперечные колебания будут совершаться только ротором ГА относительно неподвижного жесткого корпуса, взаимодействующего с ротором через уплотнения и турбинный подшипник.
3) Становится возможным достоверный расчетный анализ собственных колебаний ротора (частот, форм), а также его вынужденных колебаний при различных эксплуатационных режимах. Собственные частоты отдельной роторной системы, всегда выше частот колебаний, в которых вместе с ней будет участвовать и корпус ГА (при незатянутых шпильках). Отдельная колебательная система ротора легче отстраивается от резонансных режимов, ей присущи меньшие амплитуды вибрации и вибрационные (инерционные) нагрузки.

  Напротив, несоблюдение требований нормированной затяжки шпилек может привести к их неравномерному рабочему включению и циклическим нагрузкам. Не исключены вибрационные ослабления гаек и выключение из работы отдельных шпилек. Жесткость фланцевого разъёма снизится до жесткости включенных в работу шпилек и станет некой случайной величиной. Собственные частоты ГА понизятся, изменятся формы колебаний, уровни вибрации, динамика системы в целом. Слабо прижатая, жестко не зафиксированная крышка турбины будет вовлечена в горизонтальные и вертикальные колебания ГА – первые могут нагружать отдельные шпильки поперечным изгибом, создавая большие циклические напряжения в их основании и способствуя повреждению резьбы шпилек. Такие колебания из-за ряда изменяющихся факторов могут носить нестационарный характер, с всплесками интенсивности вибрации в переходных режимах.  
  Как можно заметить, ничего позитивного здесь ожидать не приходится. Скорее наоборот. Вибрационное состояние ГА дестабилизируется, шпильки крышки турбины в процессе циклической усталости постепенно утрачивают свою несущую способность. Повреждения резьбы могут не позволить заменить шпильку или полноценно выполнить ее затяжку после ремонта ГА. Ситуация со временем будет только ухудшаться. Чрезмерные вибрации могут стать причиной ускоренного износа подшипников, сверхрегламентных ремонтов и балансировок агрегата. При этом каждый его срочный внеплановый демонтаж и монтаж чреват повышенной опасностью повреждения концевой резьбы шпилек, что не позволит в дальнейшем их полноценно использовать. Надо отметить, что шпильки ОК шахты ГА устанавливаются один раз и на весь срок службы. Их не так-то просто заменить, а чаще всего и невозможно (попробуй, выверни такую шпильку из металлического, заармированного в бетон кольца, когда ее основная резьба в нем намертво «закисла»). Поэтому нет ничего удивительного в том, что количество работоспособных шпилек со временем может сокращаться.  

  4. Обобщения и выводы.

  На тему шпилек можно рассуждать еще  много, но основное уже сказано: их состояние чрезвычайно важно для надежной, устойчивой и безопасной работы гидроагрегата.  А теперь попробуем ответить на вопрос: могли ли при работе ГА-2 возникнуть некие непредвиденные силы (нагрузки), способные сорвать крышку турбины при нормальных неповрежденных шпильках? Не стоит вспоминать вольные фантазии о каком-то необычайном гидроударе или взрывчатке, заложенной террористами – это были первые версии причин аварии, технически неправдоподобные, отклоненные задолго до опубликования акта «Ростехнадзора» и в нем даже не упомянутые. Не стоит напрягать воображение, строить догадки, как это делали многие комментаторы в СМИ и на форумах в Интернете. Не было таких нагрузок и не могло быть. Ведь грош цена была бы проектировщикам (а это люди с огромным опытом и знаниями), упусти они даже гипотетическую возможность их возникновения. Нагрузки соответствовали вполне практической ситуации нарушения нормальных условий эксплуатации и повышенной вибрации. Это, как раз, отмечено в акте, как и то, что оборвавшиеся шпильки были просто в ужасном состоянии. Поэтому, как не крути, катастрофа произошла из-за крайней степени запущенности (снижения несущей способности) шпилек, а не от каких-то особенных нагрузок.  

  Подведём итоги. Исходя из сказанного выше, сформулируем простые вопросы и дадим на них очевидные теперь ответы.

1) Мог бы произойти отрыв крышки турбины ГА-2, если бы ее шпильки сохраняли первоначальную или близкую к ней несущую способность? Нет!

2) Могли бы возникнуть усталостные трещины в шпильках, если хотя бы половина из них в рабочих условиях была постоянно затянута на номинальное усилие (80 тонн)? Нет!  

3) Могло ли отсутствие нормального затяга шпилек крышки стать причиной повышенной вибрации гидроагрегата, ускоренного повреждения элементов уплотнений, подшипника, и самих шпилек? Да, именно так оно и есть!  

  А теперь рассмотрим более сложные вопросы. Кто-нибудь из экспертов доказал возможность накопления выявленного усталостного повреждения шпилек ГА-2 хотя бы за срок в один год (нельзя же серьезно полагать, что все это произошло за девять последних часов его работы перед аварией, как указывается в акте)? Какие при этом должны быть амплитуды циклических напряжений, и при каком количестве циклов? Какими нагрузками эти напряжения могли быть вызваны?…
  Можно ли ответить на эти вопросы? Конечно. С разной степенью достоверности это может сделать любой квалифицированный специалист в области механики, прочности, металловедения, но это, почему-то, не было сделано экспертной комиссией «Ростехнадзора».
  Исходной предпосылкой для такого анализа могут стать простые ориентировочные цифры: при амплитуде циклических напряжений порядка 50 МПа, действующих с частотой 2.3 Гц в течение года, шпильки не получили бы циклических повреждений (по графику усталости для резьбовых участков стальных шпилек и болтов АЭС). Снизив эти напряжения до 40 МПа, мы вообще выходим за рамки какой-либо оценки усталости (под предел выносливости) стали, что указывает на практическую невозможность повреждения шпилек.  
  Какой же нагрузкой в такой шпильке можно вызвать напряжения 40 МПа? Если брать равную нагрузку на все 80 шпилек, то амплитуда их циклического нагружения должна составить примерно 1600 тонн, а его размах от максимума до минимума – 3200 тонн. Такой нагрузки в реальности на ГА быть не может, ведь средний опытно-расчетный уровень избыточной силы от давления на крышку турбины составляет около 1000 тонн, а возможная амплитуда ее пульсаций вряд ли превышает 3 – 4 десятка процентов от ее величины.  
  Однако шпильки ГА-2 все же получили сильные повреждёния. Объяснение этому может быть только одно: многие годы они эксплуатировались без должного обслуживания, контроля и затяга. Реально задействованной оказывалась их меньшая часть (например, 1/4 или 1/5) с попеременным включением в работу разных шпилек. При этом все негативные условия работы не зажатого разъёма крышки ГА реализовались в полной мере (см. п. 3).  

  Тот факт, что крышка ГА-2 сорвалась именно 17.08.09, является случайностью. Не будучи экстренно введенным в работу за 9 часов до аварии, он сорвался бы с ОК шахты позднее – через день, неделю или месяц после начала эксплуатации, в зависимости от условий своей работы. Даже если бы его успели остановить на очередной ремонт, все только отодвинулось бы на неопределенный срок. Ведь никто не стал бы заменять шпильки на этом агрегате. Это и невозможно. А то, вдруг бы его опередил с отрывом другой ГА. Где гарантии, что на других агрегатах шпильки в лучшем состоянии. В общем, гадать можно сколько угодно, но то, что случилось, то случилось. Очень важно, чтобы после заявленного руководством страны и «РусГидро» скорого восстановления СШГЭС, подобная авария не повторилась снова.  


  Владимир Ветошкин.
  К.т.н., специалист в области динамики и прочности конструкций.  
 18.10.2009 г. 
 

  • 1
С интересом прочитал. Оставлю свой комментарий:
В 2009 году на СШ ГЭС "Промавтоматика" ставит новую версию ГРАРМ. В марте ГА2 с новой системой выводится из ремонта и начинает работать, как основной агрегат (а какой же еще, если именно он только что из ремонта). Естественно, все шпильки на гидроагрегате были закручены - я не верю в халатность ремонтников (они живут в Черемушках и они не самоубийцы). За 29 лет работы ГА2 гайки на шпильках ни разу не раскручивались и всего один раз подтягивались (это подтверждено актом Ростехнадзора). Это означает, что усталость металла там была незначительной.
Важная деталь, никаких сил, которые толкали бы крышку турбины вертикально вверх нет. Наоборот, равнодействующая всех сил направлена четко вниз и скорее прижимает крышку турбины к основнанию.
И вот в августе усталостный износ шпилек достигает 90%, часть шпилек ломается, часть остается без гаек, с остальных - срывает резьбу. Такое возможно только в силу нестандартных (не возникавших до этого в течение 29 лет) новых условий. Основным новым условием была новая ГРАРМ (стоит учитывать огромную частоту ее использования - десятки раз за сутки). Дополнительным новым условием могли бы быть повреждения лопаток турбины или направляющего аппарата, других деталей гидроагрегата, а также стенок спиральной камеры, возникшие после ремонта. Но и в том и в другом случае должна была появиться дополнительная вибрация на частоте не менее 200 герц (а не 2-3, о которых пишете Вы), которая могла бы привести к самопроизвольному ослаблению гаек на шпильках, либо к усиленному износу самих шпилек. Причем зона этих вибраций должна была бы проходиться достаточно часто, для того, чтобы за несколько месяцев свернуть(!!!) 6 гаек. Виноваты ли в раскручивании гаек особенности ГРАРМ (все же 30 МВт/сек - это не самая удобная скорость изменения мощности для агрегатов такого типа) или повреждения агрегата и спиральной камеры - мне не ясно.
В момент очередного прохождения агрегата под командованием ГРАРМ через зону нерекомендованной работы (а значит, повышенной вибрации) в силу неравномерной (в силу раскрученности гаек и возникших усталостных трещин на шпильках) затяжки крышки турбины, произошло смещение трубины агрегата относительно основания в котором он был установлен, что привело к заклиниванию и разрушению цапфы лопатки направляющего аппарата. Электроника пытается увеличить выдаваемую мощность (до верхнего предела нерекомендованной зоны ближе), что в силу разрущения лопатки направляющего аппарта приводит к гидроудару, выбивающему крышку турбины и вылетанию гидроагрегата под давлением воды.

Спасибо за комментарий и разъяснения, многие из которых для меня не новость.
Про ГРАРМ читал. Да, он, наверно, вносит негативные возмущения в работу ГА, которые выражаются, главным образом, в моментных (вокруг вертикальной оси ГА) нагрузках на ротор, возбуждении его крутильных колебаний, и, при резком изменении скорости вращения, вертикальных реакций(пульсаций) от торможения-разгона потока. Но вообще я в этом не специалист.
Насчет закрутки гаек... А Вы никогда не встречали водителей, "летающих" на "ведрах", на которых половина болтов не затянута, тормоза на "соплях"? Они самоубийцы? Подобных примеров много. А в данном случае не все зависит от механиков - не всегда можно затянуть гайки, которые не тянутся (забита резьба, ржавчина). Что гайка не тянет шпильку, а просто встала "насмерть", - можно просто не заметить. Особенно, когда их так много. Я пишу сейчас комментарии к статье "На черной частоте" из Эксперта http://expert.ru/printissues/expert/2009/39/na_chernoi_chastote/, там выскажусь подробнее.
Насчет результирующей нагрузки вниз, - это Вы у БИКОЛа прочитали? Если бы не было подъемных сил, не нужны были бы мощные шпильки и их нормированная затяжка (защита от циклики). Стоял бы ГА как скала, под своим немалым весом, и не взлетел бы, когда эти шпильки кончились. Сами посудите, крышка турбины сверху закрывает гидроканал в зоне с давлением почти 20 атм. Это давление, конечно, сбрасывается при раскрутке турбины, но реактивная составляющая вверх все равно остается и она значительная. А о каких тогда запасах прочности шпилек говорят специалисты (например, Ю.Петреня в вышеназванной статье), если нет подъемных сил при эксплуатации? Что тогда нагружает шпильки?
Такие нагрузки, как гидроудары, не вызывают циклических повреждений (для этого нужны сотни тысяч циклов, которые ох, как бы почувствовали на ГЭС), а разрушают конструкцию сразу, однократным динамическим действием. О гидроударах в акте ничего нет, а Ю.Петреня отрицает возможность пульсаций нагрузки на крышку более 30% от некой проектной величины.
Вы, как я вижу, сторонник версии гидроудара, коллапса регулирования, высокочастотного свинчивания гаек. Это Ваше право. Но здесь много неувязок и домыслов. Ну, например, как можно сместить фланец, посаженный на 80 шпилек. Его установить-то на них проблема из-за размерных отклонений, насаживают с "мылом", а потом с ужасом думают, как это все при необходимости снимать. А Вы на этом смещении (на какую величину?) строите всю логическую схему аварии с очень сложным взаимодействием факторов, что в принципе нельзя никак проверить - ни расчетом, ни экспериментом. Ну и еще. Ржавые болтовые соединения, а они там такие и есть, через годы после последней затяжки (в 2000 году) не "распустит" никакая вибрация - гайки стоят намертво (поэтому их и не контрят). Частот в сотни Гц полно на любой турбине (это звук). Для этого не нужен ГРАРМ. Интенсивность этих гармоник может возрастать, но это уже скорее под влиянием плохой работы подшипников и балансировки ротора. 6 шпилек без гаек (и их следов) и без трещин! Да не работали они очень давно. А те, что работали, - были сломаны.

Причины аварии на СШГЭС, технический анализ.

Цитата:"Насчет результирующей нагрузки вниз, - это Вы у БИКОЛа прочитали?"
БИКОЛ предлагает прочитать дополнительно:
http://zhurnal.lib.ru/b/boris_i_k/prichinyrazruschenijagidroagregata2sschges.shtml
и http://zhurnal.lib.ru/b/boris_i_k/perwoprichinakatastrofysschges.shtm

  • 1