Саяно-Шушенская ГЭС и закон о промышленной безопасности (часть 3)

4 марта 2013 году президент РФ подписал новую редакцию Закона о промышленной безопасности. Как и в прежних поправках к Закону, в новой редакции не учтены технические устройства, вырабатывающие для страны киловатты и мегаватты. Органы, компетентные в вопросах общепромышленной безопасности, упорно не желают видеть конкретную техническую опасность при эксплуатации турбоагрегатов. Очевидно, логика такая: потенциальная энергия, заключенная в сосуде, работающем под давлением (баллоне), — это потенциальная опасность. А кинетическая энергия вращающегося огромного ротора турбоагрегата – это, естественно, не потенциальная опасность. Поэтому, как и прежде, по новому закону Саяно-Шушенская ГЭС считается опасным производственным объектом (ОПО) не по факту наличия на ней 10-и гидроагрегатов, один из которых ее недавно разрушил, а по факту наличия 24 баллонов, «…сосудов воздушных и масловоздушных…».

Напомним, в первых двух частях данного материала (часть 1 и часть 2) говорилось о том, что шпильки крепления крышки турбины при аварии 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС были разрушены не по механизму накопления усталости в металле, а были сорваны (сбиты) при задевании в верхнем лабиринтном уплотнении. Что переменные нагрузки на шпильки, вызвавшие их разрушение, были направлены не радиально, а тангенциально (по направлению вращения ротора). Что это было не вибрацией, а биением. Не биением вала, а биением при задевании отставшего сегмента неподвижного верхнего лабиринтного уплотнения, застрявшего в зазоре.

И что в аварии на СШГЭС виноват не только Чубайс, принявший станцию в эксплуатацию, но и Джеймс Френсис, разработавший такую турбину, что она в считанные мгновения перевоплощается из турбины в гидровертолет.

К сказанному выше необходимо добавить следующее:

Узел уплотнения – один из самых слабых мест в турбине. Уплотнения должны обеспечивать минимум утечек. При заданном перепаде давления утечка определяется зазорами в уплотнении и количеством уплотняющих гребешков. Она прямо пропорциональна зазору, и поэтому чем он меньше, тем меньше утечка. Однако зазоры нельзя выполнять слишком малыми, так как при переходных процессах возможны задевания, срабатывания гребешков и рост утечки. При этом следует подчеркнуть, что при неудачной конструкции уплотнения задевания могут вызвать серьезную аварию. Например, на паровых турбинах самой серьезной аварией, связанной с задеваниями в уплотнениях, является остаточный прогиб ротора, возникающий вследствие задеваний по части окружности вала и перегрева этой его части.

В связи с этим для обеспечения безопасности в конструкциях уплотнений турбин детали, которые могут участвовать в задевании, должны быть как можно более тонкостенными. В последнее время на паровых турбинах зачастую стали применять сотовые уплотнения, изготовленные из тончайших листов нержавеющей стали.

Аналогичная с аварией на СШГЭС авария с разрушением шпилек крепления крышки турбины по причине неисправности верхнего лабиринта была на гидроагрегате № 1 Нурекской ГЭС в 1983 году.

«… в 1983 году после отключения гидроагрегата № 1 из-за ударов и появления большого количества воды на крышке турбины при осушении и обследовании проточной части и крышки турбины обнаружено:

— срыв 50 шпилек из 72, крепящих крышку турбины…» [11].

«При аварии на Нурекской ГЭС в 1983 г. „отрыв“ крышки турбины был обусловлен ослаблением крепления крышки и аварийным износом верхнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса…» [12].

Итак, по состоянию шпилек крепления крышки турбины после аварии, можно понять, почему и от чего они разрушились.

Однако самым главным (основным) вопросом является вопрос о механизмах процессов развития аварии на Саяно-Шушенской ГЭС до масштабов катастрофы с внезапным полным затоплением машинного зала и гибелью людей.

Ответ на него можно найти также в результатах расследования комиссии Ростехнадзора. Но при этом (как и со шпильками) надо помнить, что все, что изложено в этих результатах, фактически все было «наоборот». Надо рассуждать «методом от противного».

Председатель комиссии:

«После изучения расчетных величин давления и условий возникновения этих сил, все эксперты пришли к выводу, что действительно на момент аварии создались усилия, равные подъемной силе от 4,7 до 6 тысяч тонн. Гидроагрегат сам весит 1,5 тысячи тонн. В условиях, когда крепление было ослаблено, или шпильки уже имелись усталостные, и такое давление сдержать уже это крепление не могло, первоначальным усилием в 6 тысяч, максимально от 4,7 до 6 тысяч тонн, гидроагрегат пошел вверх. Вверх он шел очень равномерно, потому что шпильки у нас не срезаны, а сорваны вверх, и стакан, в котором находился гидроагрегат, практически на 2 метра сохранил заводскую покраску, и только потом начинаются зацепы, задиры, потом уже слом металла. Это тот момент, когда усилие перешло в усилие 20 тысяч тонн. Потому что площадь изменилась резко, давление воды резко возросло, это все происходило в доли секунды, подчеркиваю. Не то что он там медленно поднимался, как обычно показывают на Байконуре ракеты стартуют, она медленно поднимается со стола, нет. Здесь происходило все в доли секунды буквально. И гидроагрегат, раскрыв большую площадь давления, получил подъемную силу в 20 тысяч тонн и вылетел практически мгновенно» [6].

Околотехнические и совершенно не научные фантазии Руководителя российского технического надзора. Оказывается, ГА-2 СШГЭС в отличие от ракеты «со стола» на Байконуре по выходе турбины из спиральной камеры уже имел первую космическую скорость.

Кому верить, – Ньютону и Бернулли, или этим «всем экспертам»?

«…получил подъемную силу в 20 тысяч тонн и вылетел практически мгновенно».

Двадцать тысяч тонн, когда турбина уже покинула спиральную камеру. Двадцать тысяч тонн делим на площадь крышки турбины (62,9 м²), получаем давление в 31,8 кгс/см². Оказывается, давление под турбиной (нижний бьеф) при аварии было на 10,6 кгс/см² больше давления напора. И что вода при аварии не падала с высоты 212,04 м, а поднималась на эту высоту из нижнего бьефа в верхний бьеф.

Выходит не яблоко падало на голову Ньютона, а наоборот.

Да, действительно перед срывом шпилек усилие на крышку было равно 6511,5 тонн:

За вычетом общего веса узлов агрегата (1687 т) подъемная сила на момент полного срыва верхушек шпилек составляла 4824,5 т.

Но с момента начала подъема ротора скорость воды на выходе из спиральной камеры непрерывно увеличивается вследствие прохода воды не только через раскрытые лопатки НА, но и под ними. При увеличении скорости соответственно уменьшается и подъемная сила. И когда турбина поднимется настолько, что площадь «живого сечения» слива воды в нижний бьеф через отсасывающую трубу сравняется с площадью «живого сечения» выхода воды из спиральной камеры, скорость воды при выходе из спиральной камеры увеличится до величины своего максимального значения: =64,5 м/сек (без учета потерь на сопротивление). А давление «обнуляется» (см. уравнение Бернулли), и подъемная сила исчезает. Откуда может возникнуть усилие в 20 тыс. тонн?

Выше ротор поднимается «своим ходом», так как он уже раньше перевоплотился в гидровертолет.

Турбина полностью вышла из спиральной камеры и поднялась до отметки уровня воды на нижнем бьефе. Скорость воды на выходе из спиральной камеры увеличилась до 64,5 м/сек. Скорость воды на входе в отсасывающую трубу стала равной 60,3 м³/сек (площадь «живого сечения» на входе в отсасывающую трубу = 33,16 м²). Расход воды, падающей из верхнего бьефа в нижний, стал равен 1999,5 м³/сек (31 м²х64,5 м/сек). Под турбиной образовалась «река».

И не дай бог эту «реку» внезапно «запрудить»!

Без формул Бернулли и Торричелли обратимся к бытовой интуиции.

По выходе турбины из спиральной камеры гидравлическая схема гидроагрегата (профиль проточной части) становится очень схожей со схемой (профилем) сети «водоотведения, предназначенной для удаления твердых и жидких продуктов жизнедеятельности человека» в многоэтажном доме. Короче, со схемой сети канализационных стоков. (Да простят меня коллеги за такое сравнение).

В нашей квартире санитарно-технические приборы соединены со стояком через гидрозатвор – U-образную трубу. И никаких крышек со шпильками. Назначение гидрозатвора — только предотвращение проникновения запаха.

Из стояка в ванну или в раковину вода не идет. Наоборот, мы спокойно спускаем в стояк и жидкие и твердые отходы. Но когда сосед снизу умудряется закупорить стояк, спустив в него варежку или валенок, мы испытываем дискомфорт.

Вот картина утра 17 августа 2009 г. на СШГЭС.

Вода «из стояка» — водовода устремляется «в ванну» — машинный зал, вместо нормального — «из ванны в стояк». Причем устремляется с таким напором, что выламывает часть задней стены зала, сносит несколько проемов перекрытия и фонтанирует на высоту в несколько десятков метров. Заполнив «ванну» до отметки 335 м., поток воды не уменьшается, и переливается через края «ванны», разливаясь по прилегающей территории так, что сносит припаркованные автомобили.

И по уравнению Бернулли, и по бытовой интуиции видно, что это — внезапная «запруда реки», внезапная «закупорка стояка» внизу.

Что могло внезапно «закупорить стояк»? Что могло внезапно «запрудить реку»?

Обратимся к другому сравнению.

При нахождении турбины на отметке уровня воды на нижнем бьефе гидравлическая схема агрегата внизу становится схожей со схемой водоструйного насоса – эжектора.

Здесь есть все, что имеет водоструйный насос (эжектор). Выход воды из спиральной камеры со скоростью 64,5 м/сек – это рабочее сопло. Отсасывающая труба – она и по основному своему назначению — диффузор. Шахта и освободившийся от турбины объем статора турбины – это приемная (всасывающая) камера.

Когда такая схема сформировалась в отсеке (ячейке) агрегата на отметке 319,8 м в результате разрушительного действия вращающегося ротора уже накопилось много материала (разрушенных элементов и деталей статора электрогенератора, фундаментных тумб статора, железобетонных плит, обломанных лопаток направляющего аппарата и т. д.), могущего упасть в «реку», (засосаться в приемную камеру) и перекрыть горловину отсасывающей трубы.

Во второй части данной статьи приведен промежуток времени, в течение которого авария развивалась по такому сценарию – 2 минуты, 8 секунд.

Совершенно непростительно было комиссии Ростехнадзора не обследовать проточную часть турбины после аварии.

Почему и зачем написана эта статья, почему она не одна на эту тему?

Потому и затем, что авария на СШГЭС повторила уже не одну подобную аварию с энергоагрегатами на электростанциях. 17 августа 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС мы «наступили на грабли». Разница с предыдущими авариями только в том, что эти «грабли» оказались уж очень большими – Россия!

Расследованием, которое провел Ростехнадзор, «грабли» поставлены на прежнее место. Это тревожит.

Геннадий Рассохин,
специально для "Плотина.Нет!"

Ссылки – см. часть I

Дополнительно:

11. Обзор аварий и других нарушений в работе на электростанциях и в электрических сетях энергосистем за 1983 год М, СПО «Союзтехэнерго», 1984.

12. Бахром Сирожев. Опасные турбины