В предыдущем номере «Троицкого варианта» опубликована объемная подборка материалов по поводу аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. Напомним, что основная информация была почерпнута с форума Drom.ru (форум автомобилистов), где в региональном разделе Хакасии была открыта ветка, посвященная аварии.
Уже в момент, когда материал верстался, стало ясно, что он устарел в некоторых аспектах, прежде всего в части версий причин катастрофы. Появились новые свидетельства, стали известны новые факты, несколько меняющие картину. Излагаем новые сведения и возможные выводы из них, по-прежнему основываясь на материалах форума.
Новые факты
1. Появились фотографии обода спиральной камеры, к которому крепилась крышка турбины. На снимке 1 — остатки шпилек. Совершенно точно, что они не срезаны, а порваны вертикальным усилием. Более того, есть шпилька, на которой гайка либо изначально отсутствовала, либо лопнула перед аварией. Так она и стоит неповрежденной с нетронутой ржавчиной на резьбе. Это значит, что крышка с гидроагрегатом поднималась аккуратно вверх, без больших вращательных или боковых усилий.
2. Стало известным сообщение сейсмологов о том, что за два с лишним дня до аварии в сейсмическом «голосе» ГЭС появились новые тона — вибрации в диапазоне частот 14-18 Гц. То, что указан диапазон, а не конкретные частоты, говорит за то, что они, скорее всего, видели просто широкий горб в частотном спектре мощности сейсмограммы. То есть не гармонику частоты вращения генератора, не какой-либо резонанс, а квазипериодические автоколебания. Вероятно, для опытного гидроэнергетика подобная сейсмограмма является однозначным указанием на то, что источник вибрации связан с гидравликой, а не с механикой гидроагрегата. Об этом — ниже.
3. На форуме появились данные (тренды) по активной мощности и вибрации аварийного гидроагрегата (ГА2) за большой промежуток времени (рис. 2). Эти данные достаточно достоверны, поскольку переданы сотрудником фирмы «Ракурс», ставившей автоматизированную систему управления на ГЭС. Следует заметить, что публикация недостоверных данных самоубийственна для «Ракурса», поскольку эта фирма является первым кандидатом в козлы отпущения и легко выявляемый подлог стал бы для нее приговором.
4. Датчик давления в проточной части ГА2 непосредственно перед катастрофой не показал никакого роста давления, что отметает многочисленные версии прямых и обратных гидроударов, обсуждаемые по сей день.
Напомним, что к моменту подготовки предыдущей публикации на форуме самым популярным был сценарий аварии, в котором фатальная цепь событий начиналась сверху — с разбалансировки генератора, растущих колебаний, срезания шпилек, крепящих крышку турбины, и т.п. Теперь этот сценарий кажется малоправдоподобным.
Шпильки
Во-первых, трудно представить, как при катастрофическом росте колебаний в верхней части гидроагрегата внизу остались несрезанные шпильки, к тому же неповрежденные, торчащие на всю свою высоту (сантиметров 30). Скорее можно предположить, что гидроагрегат выдавило вверх давлением воды. Возможно ли это?
Основная сила, действующая на крышку гидроагрегата снизу — гидростатическое давление. На краю крышки (вне лопаток направляющего аппарата) оно — около 20 атмосфер, а в момент плавного закрытия лопаток — до 25 атмосфер из-за торможения потока воды в водоводах. Между лопатками оно падает по мере того, как вода набирает скорость. Сила давления зависит от режима работы, но, по разным независимым оценкам участников форума, она в среднем превышает вес гидроагрегата примерно на тысячу тонн. Эту тысячу тонн должны держать шпильки. Изначально они держали во много раз большую нагрузку.
Их диаметр — 80 мм, они сделаны из стали ст45, хорошо держащей статические усилия, но сравнительно хрупкой. Шпилек — 80 штук, суммарная сила их затяжки гайками — 6000 тонн, статическое усилие, которое они способны держать, — десятки тысяч тонн. Однако на снимках видны косвенные следы механической усталости шпилек: некоторые плоскости отрыва ржавые — значит, отрыв произошел по уже давно существовавшим и уже проржавевшим трещинам.
Некоторые шпильки оборваны в самом основании, даже глубже, так что на их месте образовались лунки. Другие шпильки оборваны у гаек, так что от них остались пеньки. Они расположены не случайным образом, картина зеркально симметрична: лунки против лунок (вдоль оси реки) и пеньки против пеньков (вдоль оси плотины).
На этом многие готовы остановиться и заключить, что причина ясна: не выдержали шпильки, ослабленные многолетней эксплуатацией без должного контроля. Однако усталость шпилек была лишь предпосылкой к аварии. В статическом режиме усталые шпильки наверняка выдержали бы силу порядка тысячи тонн. Другое дело, что режим был отнюдь не статическим, и не только в последние секунды перед катастрофой.
Последние часы перед аварией
В предыдущей публикации мы приводили тренды показателей датчиков второго гидроагрегата в последние секунды перед аварией. На рисунке 2 — тренды мощности агрегата и уровень вертикальной вибрации за последние 12 часов перед аварией. Время — московское. До 19.20 воскресенья гидроагрегат какое-то время был выключен, по крайней мере с раннего утра (известно, что серьезные проблемы начались еще раньше — в пятницу). Примерно в 19.20 ГА2 включили, сначала на небольшую нагрузку (зона I, в которой эксплуатация разрешена, но не рекомендована из-за низкого КПД). При включении был сильный всплеск вибрации. Затем агрегат вывели на номинальную мощность (разрешенная зона III), как и положено, быстро пройдя запрещенную зону II (230-470 МВт). Однако на номинальной мощности вибрация стала недопустимо высокой. Менее чем через час агрегат снова перевели в зону I и поставили в режим регулирования мощности в сети: пляшущая кривая мощности отражает меняющуюся нагрузку по огромному региону, эти же колебания видны на графике ГА5.
Однако и на низкой мощности вибрации время от времени возрастали до недопустимого уровня.
Около 2.40 по московскому времени на ГЭС прибыл главный инженер (этому есть несколько свидетельств). Вскоре агрегат перевели в зону III, затем назад в зону I, потом снова подняли мощность, через полчаса снова стали опускать, и тут, при входе в запрещенную зону, произошла авария. Непосредственно перед аварией уровень вертикальной вибрации зашкалил, как видно из графика, — не в первый раз.
Итак, виноваты, конечно, не шпильки, а аварийный уровень вибрации, в котором агрегат проработал много часов перед аварией. Вибрация очень хорошо умеет ослаблять гайки и даже откручивать их. Шпильки при этом должны держать уже динамическую нагрузку и могут рваться по очереди. Мы оставляем в стороне вопрос, почему аварийный агрегат мучили в неурочное время, поскольку ограничили себя чисто технической стороной дела. А с этой стороной еще не все ясно, и следующий вопрос: откуда взялись запредельные вибрации.
Вибрации
Вибрации — проклятие гидроэнергетики с давних пор. Их исследование и борьба с ними в процессе эксплуатации Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС описаны в книге В.И.Брызгалова. Там целый букет вибраций разной природы.
Во-первых, есть периодические вибрации, связанные с механикой: частота вращения агрегата — 2,38 Гц и «лопаточная» — 33 Гц. Лопаточная — это частота, с которой мелькают лопатки рабочего колеса мимо лопаток направляющего аппарата. Остальные вибрации — автоколебательные. Простейший пример автоколебаний — флаг, полощущийся на ветру. В данном случае это нелинейный процесс, не имеющий точной частоты, однако имеющий тенденцию «работать» в определенном небольшом частотном диапазоне, производя квазипериодические колебания. Аналогично, автоколебания возникают при взаимодействии потока воды с элементами гидротурбины.
Перечислим автоколебательные моды, упомянутые в книге Брызгалова, в порядке возрастания частоты.
Самый низкочастотный источник — кавитационный жгут, образующийся под рабочим колесом при неблагоприятных режимах. По сути это сильный квазистационарный турбулентный вихрь, «дышащий» и «бьющийся» в частотном интервале 0,3-1,2 Гц. Он иногда выдает резкие удары снизу на рабочее колесо и тем особенно неприятен. При работе в зоне III и при достаточно высоком напоре, как правило, не образуется. Образовывался ли он перед аварией, неизвестно.
Следующая по частоте мода автоколебаний возникает от взаимодействия потока воды с лопатками направляющего аппарата и колоннами спиральной камеры. Она лежит в диапазоне 12-25 Гц. Именно в этом диапазоне находится мода вибраций, зарегистрированная сейсмологами как новая.
Наконец, есть еще высокочастотные колебания, связанные со срывом турбулентных вихрей с кромок лопаток рабочего колеса. Это уже частоты в сотни герц. На весь агрегат они влияния не оказывают, но производят локальные разрушения лопаток.
Итак, судя по данным сейсмологов, подозрение падает на автоколебания потока у лопаток направляющего аппарата. Остается не ясным, была ли эта новая мода основной по мощности — ей ли обусловлена запредельная амплитуда вибраций, зарегистрированная датчиками гидроагрегата?
Следующий вопрос — отчего незадолго до катастрофы появилась сильная вибрация с модами, характерными для автоколебаний в районе направляющего аппарата.
Лопатки
Вполне естественное умозаключение состоит в том, что причиной трагедии стало неправильное положение лопаток направляющего аппарата. Об этом говорили с самого начала, в частности о том, что в последний момент автоматика зафиксировала рассогласование в положении лопаток. Кроме того, в начале этого года модернизировалась система управления лопатками — это дополнительный довод в пользу сценария, исходящего от неисправности НА. Однако сильная вибрация возникла лишь незадолго до аварии и достаточно внезапно. Что произошло? Срыв лопатки? Заклинивание лопатки? Один из участников форума разрабатывает аргументированную версию срыва лопатки с управляющего привода. Вал (цапфа) лопатки поворачивается серьгой (рис. 3,5), при этом цапфа фиксирована шпонками. На фотографиях одной из обломанных цапф (рис.6) видно, что пазы шпонок замяты, причем не на полную глубину, как будто в тот момент, когда шпонка частично вылезла. Если это так, то сорвавшаяся лопатка могла внести существенный вклад в усиление автоколебаний и привести к последовавшей трагической цепи событий.
Промежуточное заключение
Пока наиболее вероятным кажется следующий сценарий катастрофы: по какой-то причине через несколько месяцев после модернизации направляющего аппарата в нем происходит поломка, например срыв одной из лопаток. Это ведет к сильному росту автоколебательных вибраций. Из-за эксплуатации агрегата при сильных вибрациях в течение многих часов ослабляется крепление крышки турбины, разрушаются шпильки, и агрегат выталкивается вверх гидростатическим давлением. В условиях недостатка детальной информации, этот сценарий является всего лишь версией и еще может существенно измениться.
У межведомственной комиссии по расследованию аварии данных, конечно, больше, там хорошие профессионалы и наверняка есть более проработанный сценарий. Обещано, что официальная версия будет вскоре объявлена, возможно уже к моменту выхода этого номера газеты. Проблема в том, что мало кто верит, что официальная версия будет достаточно полной и беспристрастной: это не в нынешних традициях.
Есть подозрение, что вердикт комиссии будет лишь слегка конкретней, чем сакраментальное «она утонула», и что детальные данные об аварии так и останутся под сукном. Хотелось бы ошибиться… Конечно, публикация подробных материалов может оказаться весьма «чувствительной» для многих ответственных лиц как в «Русгидро», так и в других организациях, и вообще может нанести дополнительный ущерб престижу «Русгидро».
И здесь, повторюсь, очень важно эти данные потребовать — всем миром и жестко. Материалы об аварии не являются чьей-то корпоративной принадлежностью, они являются общественным достоянием — они оплачены сполна жизнями десятков людей. Они нужны в открытом доступе, чтобы избежать новых катастроф, они должны войти в учебники и курсы лекций. Причем нужны именно в исходном виде, а не в пересказе комиссий и составителей инструкций, — для того, чтобы люди осмысливали их самостоятельно и учились.
Борис Штерн