Авария 17 августа 2009 г
Многие современные потенциально опасные производства, в том числе и СШГЭС, спроектированы так, что вероятность крупной аварии на них оцениваются величиной порядка 10-4. Это означает, что из-за Неблагоприятного стечения обстоятельств возможно одно разрушение объекта за 10 тыс. лет. Мы же видим, что на современных гидротехнических сооружениях и атомных станциях аварии происходят гораздо чаще.
Плотина СШГЭС сконцентрировала огромную потенциальную энергию. Авария на гидроузле произошла 17 августа 2009 г. Президент РФ назвал ее «беспрецендентной по масштабам и последствиям техногенной катастрофой». Самой общей причиной аварии на этой Крупнейшей в России ГЭС стала несогласованность мощных техногенных воздействий на эксплуатируемый второй гидроагрегат с его техническими возможностями.
Сильная вибрация второго гидроагрегата разрушила крепление крышки рабочего колеса турбины, что привело к разгерметизации водопроводящего тракта гидроагрегата. В результате аварии второй гидроагрегат весом 1800 т. был выброшен из шахты и полностью разрушен. Были полностью разрушены шахты агрегата и статорной обмотки, токопроводы и цепи управления. Разрушены седьмой и девятый агрегаты. Остальные агрегаты получили серьезные повреждения. Частично разрушены и повреждены опорные колонны, конструкции перекрытия машинного зала, подкрановые пути, этажи машинного зала на отметках 315, 320, 327 м. Эта авария унесла жизни 75 человек. Полностью последствия аварии устранены лишь к ноябрю 2014 г., когда был сдан в эксплуатацию гидроагрегат № 2 — последний из десяти установленных на СШГЭС.
Все радиально-осевые турбины имеют в диапазоне выхода на номинальную нагрузку зону повышенной вибрации В, которую рекомендуется проходить возможно быстрее. Зона В с недопустимо высоким уровнем вибрации гидротурбин СШГЭС располагалась в большом диапазоне мощностей от 225 до 495 МВт, что составляет 41,5 % от номинальной мощности 650 МВт. По этой причине гидротурбина Р0230/833-В-677 «обладала несовершенным рабочим процессом».
Гидроагрегат ГА-2 был запущен в эксплуатацию после среднего ремонта в марте 2009 г. К концу мая горизонтальные вибрации турбинного подшипника превзошли по амплитуде предельно допустимое значение 160 мкм и к концу июня достигли значения 250 мкм. К 15 августа максимальная величина радиальных вибраций достигла 800 мкм, что в 5 раз превосходит допустимую величину. Утром 17 августа в 8 ч 13 мин 24 с, когда второй агрегат в шестой раз за сутки переходил через запрещенную зону В на стадии снижения нагрузки, максимальные вибрации турбинного подшипника достигли 1500 мкм. Этот момент стал началом подъема рабочего колеса вместе с крышкой и ротором гидрогенератора, суммарная масса которых составляла около 1800 т.
В общем случае причиной любой вибрации является возникновение центробежной силы, которая появляется при неуравновешенности массы ротора гидроагрегата. При этом возмущающими могут быть механические, гидродинамические и электромагнитные силы. Невнимание к развитию негативных процессов в работе гидроагрегата привело к тяжелой аварии. В акте комиссии технического расследования аварии е установлены конкретные причины сильной вибрации второго гидроагрегата в предшествующие годы эксплуатации, а также накануне аварии. В Акте скупо сказано, что авария произошла «из-за совокупности различных причин».
В мире построено много арочных плотин, но среди них нет плотин с предельно большим отношением длины по гребню к ее высоте, равным 4,5. Эта конструктивная особенность делает плотину СШГЭС чувствительной к малейшим деформациям основания и берегов, а также к изменениям их физико-механических свойств. Особенность аварийного второго гидроагрегата ГА-2 и «прикрывающей» его от водохранилища секции 18 плотины заключается в том, что они стоят на тектоническом разломе, что делает их особенно чувствительными к внешним силовым воздействиям.
Основную часть гидростатической нагрузки плотина передает на берега, поэтому состояние и поведение комплекса «плотина—машинный зал ГЭС» зависит не только от состояния и поведения основания, но и поведения береговых массивов горных пород. В многочисленных публикациях специалистов отмечается, что плотина СШГЭС находится в нестационарном состоянии. По этому поводу существует большой разброс мнений. Одни гидротехники утверждают, что плотина еще молодая и не адаптировалась к внешним условиям, другие же говорят, что плотина уже не молодая и происходит «деструкция стареющего бетона».
Плотина СШГЭС — это основной объект гидроузла, однако она не является обособленным объектом, а представляет собою часть единого комплекса. Необратимые (трендовые) и сезонные (циклические) перемещения плотины влияют на напряженно-деформированное состояние сопряженных с нею сооружений. В частности, турбинные водоводы, выполненные как сталежелезобетонные конструкции, воспринимают заметную долю нагрузки на плотину, так как они вынесены на низовую грань плотины и жестко с нею связаны.
Необратимые и сезонные радиальные и угловые перемещения плотины увеличивают нагрузку на турбинные водоводы. Эта нагрузка передается на анкерные опоры, и далее через металлическую оболочку на спиральные камеры и турбинные блоки. Передача усилий на сооружения машинного зала может осуществляться также со стороны основания четвертых столбов и анкерных опор. Совокупность перечисленных деформационных процессов определяет собою «навал плотины» на сооружения машинного зала и заключает в себе потенциальную опасность для гидроагрегатов ГЭС. Как показывают натурные данные, перемещения плотины изменяют напряженно-деформированное состояние спиральной камеры, следовательно, могут нарушать соосность шахт турбинных блоков и роторов гидроагрегатов, изменять пространственное положение линии вала рабочего колеса.
Поэтому не исключено, что относительно большие необратимые и сезонные угловые и линейные перемещения секции 18 плотины могли нарушить пространственное положение линии вала и вызвать тем самым механический дебаланс ротора и его усиленную вибрацию. Эта версия была высказана в статьях, однако, до сих пор всерьез не рассматривалась.
Власть и общество требовали объективного и непредвзятого расследования причин аварии. Причины аварии анализировали многие комиссии, в том числе комиссия Ростехнадзора и Парламентская комиссия РФ. В «Акте технического расследования причин аварии» и Итоговом докладе Парламентской комиссии дается подробное описание событий 17 августа 2009 г. В большинстве заключений и публикаций на эту тему отмечается тот очевидный факт, что «авария в машинном зале практически не повлияла на техническое состояние плотины» . То есть акцент делается только на «самостоятельном» отказе оборудования и совершенно не рассматривается версия противоположного характера: «а не могло ли техническое состояние и непроектное поведение плотины стать причиной аварии второго гидроагрегата?». Последний вопрос намного более актуален, так как состояние плотины таково, что перемещающаяся в сторону НБ секция 18 плотины «наваливалась» на сооружения машинного зала, что объективно могло стать причиной повышенной вибрации второго гидроагрегата.
После аварии арочно-гравитационная плотина СШГЭС исправно держит гидростатическую нагрузку около 18 млн т, которая строго дозируется в разрезе года, но имеет в первом столбе сотни трещиноподобных дефектов, унаследованных от строительного периода. Кроме того, на протяжении всех лет эксплуатации в створе плотины наблюдается ряд непроектных необратимых процессов, о которых будет сказано далее.
Авторы пишут, что «авария в машинном зале не оказала негативного влияния на работу плотины ни во время аварии, ни после аварии».
С этим утверждением нельзя согласиться, потому что двумя страницами ниже эти же авторы пишут, что «выход из строя гидроагрегатов обусловил непроектный режим регулирования водохранилища». Тут же они отмечают, что «при быстром подъеме уровня водохранилища необходимо (приходится) открывать водосброс и сбрасывать часть прибывающей воды вхолостую». Эти же авторы, представляющие проектную, исследовательскую и эксплуатирующую организации, констатируют, что «расхождение между замерами и прогнозами радиальных перемещений объясняется аномальной температурой бетона и непроектным режимом регулирования УВБ в 2009—2011 гг. вследствие аварии».
Монолитность отремонтированной плотины зависит от того, насколько правильно в процессе эксплуатации назначается и реализуется соотношение скорости наполнения водохранилища, величины гидростатической нагрузки и температуры бетона плотины. В сложившихся условиях срабатывать и наполнять водохранилище приходится, сообразуясь не только с гидрологией Енисея и потребностями в пиковой энергии, но и с оглядкой на температуру окружающей среды. Таким образом, сегодня высокая арочно-гравитационная плотина первого класса является заложницей погодных условий.
В соответствии с существующими нормативными документами плотина находится в состоянии пониженного уровня безопасности. До сих пор отсутствует инженерное заключение, отвечающее на вопрос: какие воздействия и процессы определяют долговременное непроектное поведение плотины?
Любая катастрофа имеет стадию зарождения, когда в процессе строительства и эксплуатации сооружения накапливаются технические неисправности, повреждения и закладываются предпосылки будущей катастрофы. Продолжительность стадии зарождения аварии может измеряться годами. СШГЭС не стала исключением — все это присутствовало на ней до 17 августа 2009 г., неисправности накапливались. В обоснование данного утверждения говорит следующая цитата из акта Комиссии по приемке в эксплуатацию Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса: «В процессе освоения гидрокомплекса было выявлено, что в напорной грани и скальном основании плотины Саяно-Шушенской ГЭС происходят негативные процессы, связанные с нарушением плотности бетона и разуплотнением скального основания в масштабах, существенно превышающих проектные предположения».
В многолетнем временном разрезе система «плотина—основание—берега» находится в неравновесном состоянии. Натурные данные показывают, что часть воспринимаемого плотиной усилия пере дается через металлическую оболочку водоводов стальной оболочки спиральных камер. Этот процесс можно назвать «навалом плотины на сооружения машинного зала ГЭС.
Поведение высокой бетонной плотины СШГЭС не укладываете в существующие классические расчетные схемы. В статье отмечается: «стало очевидным, что параметры НДС плотины превосходя предусмотренные в проекте значения». Этим выводам в разных формулировках вторят авторы книги:
- «плотина работоспособна, хотя и неисправна»;
- «плотина по смелости конструкции значительно обогнала возможности расчетного обоснования ее проекта»;
- «после 2004 г. наблюдается невозврат плотины в первоначальное положение при сработке водохранилища»;
- «не удается отразить в расчетах особенности повышенных перемещений плотины»;
- «плотина имеет скрытые конструктивные особенности, которые нет возможности отразить в расчетах.
Ст. 9 Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» требует от собственника и эксплуатирующей организации «проведения анализа причин снижения промышленной безопасности сооружения с учетом вредных природных и техногенных воздействий». Однако, ни проектная, ни эксплуатирующая организации до сих пор этого не сделали. Выходит, что плотина СШГЭС много лет эксплуатируется в условиях опасной информационной неопределенности, что является прямым нарушением российского законодательства.
В свете аварии представляется необходимым провести анализ причинно-следственных связей следующей цепочки событий: учет всех техно-природных факторов воздействия на плотину → перемещения секции 18 плотины → рост напряжений в турбинном водоводе второго гидроагрегата → рост напряжений в элементах спиральной камеры → деформация статорного кольца → отклонение от вертикали оси вала ротора сверх допуска 0,1 мм/м → биение вала → разрушение шпилек крепления крышки гидротурбины.
Относительно условий работы шпилек крепления крышки можно предположить следующее. Металлическая оболочка турбинного водовода передает усилие спиральной камере по касательной к шахте турбинного блока и к статорному кольцу, на котором размещены до шпилек крепления крышки турбины и которое является посадочным местом для этой крышки. Это усилие деформирует статорное кольцо, придавая ему эллиптическую форму. Связь между крышкой и статорным кольцом осуществляется шпильками, расположенными равномерно по круговому контуру крышки. Шпильки перемещаются в соответствии с деформацией статорного кольца, на котором они размещены. Деформациям статорного кольца препятствует жесткая стальная крышка гидроагрегата. В результате силового взаимодействия между деформирующейся спиральной камерой (статорным кольцом) и жесткой стальной крышкой в шпильках возникает срезывающее усилие. Возникает «эффект гильотины»
Механизм возникновения срезающих напряжений в шпильках крепления крышки рабочего колеса
а— направление усилия, действующего со стороны металлической оболочки турбинного водовода на спиральную камеру; б—соответствующее пространственное положение эллипса деформации статорного кольца: в—диаграмма распределения усталостных разрушений шпилек по контуру их установки
На диаграмме усталостных разрушений шпилек, построенной по Данным акта расследования комиссии, четко просматривается неравномерность разрушений шпилек вдоль контура их размещения. Зоны статорного кольца с высокой долей усталостного разрушения шпилек располагаются в пределах секторов с номерами шпилек 21—41 и 61 —80. Эти сектора хорошо коррелируют с зонами сдвиговых нагружений шпилек, создаваемых турбинным водоводом и спиральной камерой. Таким образом, необратимые (трендовые) перемещения плотины, а также сезонные (циклические) перемещения плотины могут вызывать деформацию спиральной камеры, статорного кольца и конструкции всего турбинного блока.
Использование теории усталостного разрушения применительно к условиям работы гидроагрегатов СШГЭС дает следующий приблизительный результат. При средней годовой наработке гидроагрегатов 5000 ч ресурс шпилек до наступления их усталостного разрушения составляет немногим более 30 лет или 1,3 -109 циклов силового воздействия.
В первом приближении болевые точки плотины СШГЭС совпадают с теми, которые присутствовали на плотине Мальпассе и которые отмечены специальной комиссией после ее полного разрушения в 1959 г. В данном случае человек построил уникальную арочно-гравитационную плотину, состояние и поведение которой выходит за горизонт его знаний.’ Именно в такой обстановке случилась авария на СШГЭС. Для обеспечения безопасной эксплуатации СШГЭС и исключения тревожных социальных настроений следует получить заключение независимых экспертов о причинах множества необратимых процессов, происходящих в створе высокой арочно-гравитационной плотины.