Причины аварии на Саяно-Шушенской ГЭС

От редакции: В августе исполняется 10 лет с момента самой тяжелой аварии за всю историю российской гидроэнергетики, которая случилась на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 г. Мы обратились к проф. Владимиру Владимировичу ТЕТЕЛЬМИНУ, д.т.н. по специальности «Гидротехническое строительство, с просьбой написать статью о причинах этой аварии.

В течение 20 лет как зав. сектором Сибирского филиала ВНИИ Гидротехники им. Б.Е. Веденеева, участвовал в научном обосновании проектирования, строительства и эксплуатации всех крупнейших ГЭС Сибири, включая Саяно-Шушенскую, а в 2010-2015 гг., работая по совместительству г.н.с. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, исследовал причины непроектного поведения плотины Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 г. и по результатам проведенных исследований выпустил три монографии: «Плотина Саяно-Шушенской ГЭС: состояние, процессы, прогноз»; «Сильные воздействия водохранилищ на геологическую среду и земную кору»; «Прогиб земной коры от веса водохранилищ и его последствия».

Не бывает катастроф без предпосылок. В акте Комиссии по приемке в эксплуатацию Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса говорится: «В напорной грани и скальном основании плотины происходят негативные процессы, связанные с нарушением плотности бетона и разуплотнением скального основания в масштабах, существенно превышающих проектные предположения».

В мире построены сотни арочных плотин, но среди них нет высоких плотин с предельно большим отношением длины по гребню к её высоте, равным 4,5. Эта конструктивная особенность делает плотину Саяно-Шушенской ГЭС чувствительной к малейшим деформациям основания и берегов. Особенность аварийного гидроагрегата ГА-2 и прикрывающей его от водохранилища секции 18 плотины заключается в том, что и секция, и гидроагрегат стоят на тектоническом разломе, что делает их особенно чувствительными к внешним силовым воздействиям.

Аварийный 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, 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 1788 т.

Любая катастрофа имеет стадию зарождения, когда в процессе строительства и эксплуатации сооружения накапливаются технические неисправности, повреждения и закладываются предпосылки будущей катастрофы. Авторы десятков научно-технических статей описывали процессы и называли цифры, свидетельствующие о выходе арочной плотины Саяно-Шушенской ГЭС, рассеченной сквозными трещинами, за рамки проектного режима работы. В 1997 г. нормальный подпорный уровень был снижен до отметки 539 м, однако неисправности продолжали накапливаться: развитие трещин в бетоне первого столба и необратимые перемещения плотины в сторону нижнего бьефа после этого не прекратились.

До аварии система «плотина–основание–берега» находилась в неравновесном состоянии. Вульфович Н.А., Гордон Л.А. и Стефаненко Н.И., авторы монографии «Арочно-гравитационная плотина Саяно-Шушенской ГЭС», отмечают, что «при проектировании и строительстве плотины Саяно-Шушенской ГЭС имели место факты, повлиявшие на безопасность сооружения», а также отмечают, что «не удается отразить в расчетах повышенные перемещения плотины». До аварии в створе плотины происходили следующие необратимые процессы: сближение берегов; разуплотнение основания под первым столбом плотины; угловые и радиальные перемещения плотины на всех отметках; рост арочных напряжений; рост напряжений в элементах турбинных водоводов и спиральных камер. После каждой сезонной сработки водохранилища до уровня мертвого объема плотина не возвращалась в исходное положение, а всё более «сползала» в сторону нижнего бьефа. С момента той трагедии прошло ровно 10 лет, а причины названных непроектных процессов до настоящего времени не получили официального объяснения со стороны генпроектировщика АО «Ленгидропроект».

Высокая плотина Саяно-Шушенской ГЭС сконцентрировала огромную потенциальную энергию. Многие современные потенциально опасные производства спроектированы так, что из-за неблагоприятного стечения обстоятельств возможно одно разрушение объекта за 10 тысяч лет. Авария случилась через 30 лет после пуска в эксплуатацию первого гидроагрегата. В Акте Комиссии технического расследования аварии не установлены конкретные причины сильной вибрации аварийного и остальных шести работавших в момент аварии гидроагрегатов. В Акте скупо сказано, что авария произошла «из-за совокупности различных причин».

В статье рассмотрена совокупность происходивших в створе плотины физических процессов, послуживших причиной беспрецедентной по масштабам и последствиям аварии. Автор остановился на анализе причинно-следственных связей следующей цепочки событий: перемещения плотины в сторону нижнего бьефа → рост напряжений в турбинном водоводе и спиральной камере → отклонение оси вала гидроагрегата ГА-2 от вертикали и возникновение механического дисбаланса → усталостное разрушение шпилек крепления крышки гидротурбины.

Особенность компоновки сооружений Саяно-Шушенской ГЭС такова, что радиальные и угловые перемещения арочной плотины в сторону нижнего бьефа увеличивают нагрузку на турбинные водоводы, которая передается через металлическую оболочку водоводов на спиральные камеры и турбинные блоки. Аварийный второй гидроагрегат ГА-2 находится в створе секции 18 плотины. К моменту аварии гребень этой секции получил необратимые радиальные перемещения в сторону нижнего бьефа около 50 мм, а обратимые сезонные перемещения гребня составляли 35 мм. На отметке 332 м эта секция много лет наклонялась в сторону нижнего бьефа с интенсивностью 0,5 угловых сек/год. Перемещения плотины в сторону нижнего бьефа передаются сооружениям машинного зала, могут нарушать соосность шахт турбинных блоков и роторов гидроагрегатов, изменять пространственного положения линии вала рабочего колеса, вызывать механический дисбаланс ротора и его усиленную вибрацию.

Не случайно авария произошла в середине августа: именно в этот период года напор на плотине приближается к своему сезонному максимуму, температура воды и температура металлической оболочки турбинного водовода также достигают своего сезонного максимума 14^оС. Оба сезонных фактора обеспечили в дополнение к накопившимся трендовым напряжениям силовое воздействие стальной оболочки водовода на спиральную камеру гидроагрегата, что нарушило его центровку и спровоцировало появление вынужденных гармоник радиальной вибрации турбинных подшипников с большой амплитудой. О реальности подобной версии свидетельствует аварийная ситуация, часто возникающая на гидроагрегатах после 35 лет их эксплуатации, которая сформулирована следующим образом: «нарушение центровки вследствие изменения пространственного положения гидроагрегата».

Большое биение вала вызвано наличием возмущающих сил, которых в работающем агрегате может быть несколько: механические; гидродинамические; электромагнитные силы. Совокупное действие этих возмущений обеспечило сложную по спектру гармоник вибрацию и усталостное разрушение шпилек крепления крышки гидротурбины. Далее по причине усталости металла шпилек и ослабления затяжки крепления произошел выброс ротора гидроагрегата.

Теория усталостного разрушения позволяет найти совокупное силовое воздействие всех возмущающих факторов и осредненную амплитуду циклического напряжения, которое испытывала каждая из шпилек крепления в течение 30 лет работы гидроагрегата. Расчетом определена амплитуда циклического напряжения 125 МПа в шпильках. Получено значение силы около 5000 т, вызвавшей разрушение второго гидроагрегата. Недостатками эксплуатации гидроагрегатов являлось отсутствие в технологической карте ремонта нормативов по контролю состояния узлов крепления, обеспечивающих герметичность гидротурбины.

Выводы. Следует признать (это показала авария) недостаточность знаний о масштабах воздействия крупного водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС на геологическую среду, на перемещения плотины и гидроагрегатов, а также в целом на напряженно-деформированное состояние системы «плотина – основание – берега». Абсолютные сезонные вертикальные перемещения плотины и гидроагрегатов ГЭС примерно в 3 раза превышают относительные перемещения, фиксируемые геодезической съёмкой.

Наблюдавшиеся до аварии непроектные необратимые перемещения плотины и многие другие необъясненные процессы в створе ГЭС обусловлены развитием мощных глубинных геодинамических воздействий и процессов массо- и теплопереноса в массивах оснований и береговых примыканий, а также нарушением изостатического равновесия земной коры от веса водохранилища (Тетельмин В.В. Сильные воздействия водохранилищ на геологическую среду и земную кору, 2015). К сожалению, генпроектировщик отрицает существование этих реальных и опасных процессов.

В августе-сентябре каждого года передаваемые гидроагрегатам усилия со стороны плотины получают максимальное приращение, за счет чего наступает ежегодное «осеннее обострение» вибрационного режима работающих гидроагрегатов.

Направленность не учитываемых при эксплуатации Саяно-Шушенской ГЭС глубинных геодинамических процессов в створе плотины такова, что они изменяют её запас устойчивости. Следует выполнить расчет текущего значения коэффициента запаса устойчивости плотины с учетом вышеназванных процессов.

Специалистам ПАО «Русгидро» следует признать, что не все процессы и воздействия, определяющие поведение и безопасность арочной плотины Саяно-Шушенской ГЭС, учтены при проектировании и эксплуатации крупнейшего в России гидроузла. Игнорирование глубинных геодинамических процессов в створах крупных гидроузлов приводит к неконтролируемому механическому перенапряжению системы «плотина – основание – берега», что нарушает требование ст. 9 Федерального закона ФЗ-117 «О безопасности гидротехнических сооружений» и тем самым увеличивает риск последующих аварий.

В.В. Тетельмин, д.т.н., проф.