Авария на Саяно-Шушенской ГЭС - это очень просто
(лабораторный практикум)
Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
13 октября 2009, Санкт-Петербург
Утром 17 августа 2009 года произошла авария на Саяно-Шушенской ГЭС. Был разрушен машинный зал, и в него хлынула вода. В результате аварии уничтожено три гидроагрегата ГЭС и повреждены остальные семь. Погибли 75 человек.
Одним из важнейших аспектов происшедшей техногенной катастрофы является необходимость выяснения ее причин. Надо сказать, что мне причина аварии предположительно была понятной с самого начала. Дело в том, что в отсутствии взрыва подобное разрушение устройств, оказывающих динамическое (вибрационное) воздействие на опору (грунт, фундамент, тело плотины), возможно только в результате резонансных процессов. Первый же вопрос, который возник у меня, и который я задавал всем, кто был хоть сколько-нибудь причастен к этой аварии, заключался в том, был ли рост вибрации непосредственно перед моментом разрушения. Потому что возникает резонанс не мгновенно, а проявляется плавным возрастанием амплитуды вибрации. Сам разрушительный момент возникает тогда, когда амплитуда вибрации превышает пределы упругих деформаций грунта или материала опоры вибрирующего механизма.
Через неделю после аварии на телевизионной передаче «Открытая студия» по 5-му каналу у Ники Стрижак я озвучил эту причину [1]. И был очень удивлен полным неприятием и непониманием моих аргументов. Далее, я несколько раз участвовал в различных обсуждениях, написал подробную статью [2], но реакция была та же. Полное неприятие и непонимание. По степени соответствия истине мое объяснение для людей было равно виновности Чубайса. Для всех это было одинаковой глупостью.
Однако, на самом деле, неприятие описанного мною механизма имеет психологическую причину. Дело в том, что понимание резонансных явлений в механике, к которому я шел много лет, не может возникнуть сразу.
Когда в 1977 году я обнаружил, что сейсмосигнал представляет собой затухающий гармонический процесс, я несколько лет укладывал в голове осознание того, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем. Ведь если при ударе по объекту (как например, в ходе сейсмоизмерений) реакция имеет вид затухающего гармонического (синусоидального) сигнала, значит, удар был нанесен по колебательной системе [3]. Эти несколько лет мое состояние было сродни состоянию ломки. Наверное, так же себя чувствовали люди, которые переходили в своем сознании от плоской Земли к круглой.
Привыкание к мысли о том, что Земля - это совокупность колебательных систем, происходило очень мучительно. За эти годы моего привыкания я начал осознавать, что наше существование в условиях, когда мы опираемся на колебательные системы, существенно отличается от современных общепринятых представлений. Отличие заключается хотя бы уж в том, что существование на колебательных системах предполагает возможность резонансных явлений.
Первым сильнейшим подтверждением правильности моих представлений послужила авария на Чернобыльской АС, когда я случайно услышал, что в последние мгновения перед аварией имел место колоссальный рост вибрации, завершившийся толчком, зарегистрированным сейсмологами. А вот взрыв реактора произошел только через полминуты после этого. К сожалению, тогда никто мои умозаключения не услышал. Затем я стал прислушиваться к сообщениям об авариях на разного рода насосных станциях и прочих объектах, оказывающих на грунт динамическое воздействие. Подтверждений правильности моего понимания было много, но, к сожалению, в открытых источниках информацию об авариях мне найти не удавалось. И, наконец, когда произошла авария на железной дороге в 2007 году с поездом №166 Москва - Петербург и удалось получить свидетельские показания переживших ее очевидцев, я дал анализ подобных аварий в статье [4].
Замечу, что если бы я не имел радиотехнического образования, то я бы всего этого не понял. Как и по сей день это не понимают ни сейсморазведчики, ни механики, ни строители. Сложилось так, что явление резонанса, которое в электротехнике и в радиотехнике рассмотрено очень глубоко, в механике, мягко говоря, не является достаточно осознанным.
Кстати, и в электротехнике это явление было воспринято далеко не сразу. Дело в том, что при подаче на колебательный контур электрического напряжения V, по частоте совпадающего с собственной частотой контура (то есть, на резонансе), как на конденсаторе, так и на катушке индуктивности возникает электрическое напряжение, в Q раз большее, чем V. Q - это добротность колебательного контура. Первоначально это увеличение напряжения было воспринято как признак наконец-то обнаруженного вечного двигателя. Электрический колебательный контур в конце XIX века воспринимался как вечный двигатель. И только позже, уже в XX веке стало понятно, что увеличение электрического напряжения нельзя расценивать как свидетельство роста энергии, и что энергетика колебательного контура должна рассматриваться на мнимой оси.
Электрическая энергия не определяется ни напряжением, ни током, а только скалярным их произведением. И поэтому не может быть оценена ни с помощью отдельно вольтметра, ни с помощью отдельно амперметра. Электрический счетчик энергии представляет собой устройство, которое измеряет ток и напряжение, и скалярно их перемножает.
К сожалению, в механике это и сейчас не понимают. В сейсморазведке и в сейсмологии и сегодня по амплитуде колебаний пытаются судить об энергии поля упругих колебаний.
Кстати, резонансные явления и в электротехнике могут приводить к катастрофическим последствиям. Так, допустим, что на колебательный контур, имеющий добротность, равную 100 (вполне для контура среднее значение), мы подаем электрическое напряжение, скажем, 100в. В таком случае, на резонансе как на конденсаторе, так и на катушке индуктивности напряжение возрастет до 10 киловольт. Понятно, что при этом и у конденсатора может произойти пробой, и обмотка катушки индуктивности может сгореть.
Независимо от того, как именно реализуется колебательная система (то есть, механическая она или электрическая), ее основные свойства определяются двояко:
Колебательная система - это устройство, которое имеет механизм преобразования ударного воздействия в гармонический (синусоидальный) отклик, и
Колебательная система - это устройство, которое на резонансе увеличивает амплитуду колебаний в Q раз.
Известно очень мало устройств, которые являются колебательными системами. Это разного рода пружины, в том числе, и камертон, разного рода маятники, электрический контур... Однако познание бесконечно, и возможно, есть и еще какие-то колебательные системы.
Когда я обнаружил наличие колебательных систем в земной толще, это произошло в точности так, как когда лорд Кельвин открыл колебательный контур. Увидев на осциллографе затухающую синусоиду, возникшую в результате подачи на конденсатор электрического импульса, он сразу объявил о наличии новой, неизвестной ранее колебательной системы. Потому что если реакция объекта на удар - синусоида, значит, объект - не что иное, как колебательная система. Даже если неизвестно, что именно играет роль этой колебательной системы. Роль индуктивности колебательного контура тогда играла обмотка амперметра, подключенного к конденсатору, и лорд Кельвин не понял, что без этой индуктивности не было бы колебательной системы, и ошибочно решил, что колебательной системой является сам конденсатор.
Когда я увидел, что сейсмосигнал представляет собой гармонический сигнал, я тоже не знал, как именно реализуется колебательная система, но то, что она есть, сомнений не вызывало. И, разумеется, первым делом было необходимо это понять. Как оказалось, в простейшем случае, когда земная толща принципиально слоиста, роль колебательных систем, залегающих в земной толще, играют плоскопараллельные породные слои.
Довольно быстро удалось выявить связь между собственной частотой такого слоя-резонатора и его толщиной (мощностью) h, которая имеет следующий вид:
h = k / f0, (1)
где k в рамках настоящей статьи будем считать коэффициентом, равным 2500.
Это тоже оказалось непростым моментом, так как, согласно существующим представлениям, плоскопараллельная структура из однородной твердой среды колебательной системой не является. Как это противоречие было разрешено, изложено в работе [5]. Здесь же важно то, что нам удалось разработать аппаратуру, с помощью которой оказалось возможным на основании спектрального анализа сейсмосигнала определять строение земной толщи, а также добротность залегающих там колебательных систем. При этом оказалось, что величина их добротности может достигать 200. Метод, с помощью которого мы с тех пор получаем информацию о строении земной толщи, получил название спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП).
Одной из особенностей метода ССП является то, что границы, выявляемые этим методом, не выявляются никаким другим геофизическим методом. Это сомкнутые трещины и микротрещины.
Далее, оказалось, что резонаторами являются не только плоскопараллельные структуры, но и другие объекты из подавляющего числа твердых сред (металлы и сплавы, керамика, стекло, горные породы, бетон). Количество собственных частот объектов-резонаторов равно количеству их размеров. Так, объект в виде параллелепипеда имеет три собственные частоты, каждая из которых связана с соответствующим размером в соответствии с выражением (1).
Однако, как оказалось, количество границ определяется не только внешней конфигурацией объекта-резонатора, но и наличием в нем скрытых трещин. В том числе, и микротрещин. Подробнее об этом - в дальнейшем, при моделировании ситуации на Саяно-Шушенской ГЭС.
Но вернемся к резонансным явлениям.
Резонанс - это ситуация, когда частота вибрирующего устройства, установленного на колебательной системе, совпадает с ее собственной частотой. При возникновении такого совпадения, то есть, резонанса, амплитуда вибрации начинает увеличиваться плавно, от периода к периоду, достигая величины, в Q раз большей, чем первоначальная, в отсутствии резонанса. Если величина Q невелика, скажем, равна 10, то возникает низкодобротный резонанс, который воспринимается просто как состояние повышенной вибрации. При Q=100 амплитуда вибрации на резонансе, скорее всего, в 100 раз не сможет увеличиться, так как при достижении какого-то значения, меньшего, чем 100, произойдет разрушение. Это разрушительный, высокодобротный резонанс.
Именно поэтому высокодобротный механический резонанс может существовать не все время, а только в режиме нарастания амплитуды. То есть, только в переходном режиме. На ЧАЭС авария произошла в момент изменения режима работы. На насосных станциях разрушения происходят при изменении частоты вибрации насосов. То же происходит при резонансных авариях на железной дороге, когда при прохождении поезда через зону, где в земной толще залегает высокодобротная колебательная система, при определенной скорости движения поезда амплитуда вибрации увеличивается от вагона к вагону, достигая предельного значения.
Существует естественное сомнение, может ли резонансное разрушение иметь такую сокрушительную силу, как это проявилось на Саяно-Шушенской ГЭС. Совершенно случайно мне довелось наблюдать явление, которое это сомнение должно снять.
Одной из сторон нашей деятельности является обследование с помощью ССП инженерных сооружений, чтобы оценить их состояние и надежность. При обследовании дома №11 по ул. Шпалерной, СПб, выяснилось, что под ним в земной толще залегает колебательная система с очень высоким значением добротности. В качестве рекомендаций по результатам выполненной работы мы сообщили, что в этом доме категорически недопустимо применение каких-либо вибрирующих устройств, и особенно, над выявленной колебательной системой.
Несмотря на это, сосед с 4-го этажа купил стиральную машину, и установил ее как раз на вертикали к центру выявленной нами колебательной системы. Когда при первой же стирке начался режим отжима с его характерной вибрацией, машина «побежала» по кухне, и при этом дом так задрожал, что жители выскочили на улицу. К счастью, машина удалилась от розетки, и кабель питания из нее выдернулся.
Если бы не это событие, трудно было бы представить себе, чтобы вибрация, вызванная 40-килограммовой машиной, могла привести к разрушению 6-этажного, постройки 1900-го года, дома.
Дом этот находится в таком жутком состоянии (в значительной степени, под влиянием находящейся под ним высокодобротной колебательной системы), что проживание в нем стало небезопасным. По-хорошему, его бы расселить, и тогда можно было бы этот эксперимент довести до конца, то есть разрушить этот дом с помощью такого вот легкого источника вибрации.
Понятно, что если источник вибрации - многотонная турбина, то разрушительное действие ее при наличии высокодобротного резонанса будет колоссально.
При эксплуатации турбин вообще-то известна проблема возникновения запрещенных скоростей вращения, на которых имеет место появление вибрации. При балансировке на заводе-изготовителе вибрация минимальна и более или мене одинакова во всем диапазоне скоростей вращения. При установке же непосредственно в машинном зале вибрация на некоторых скоростях вращения усиливается. Сейчас понятно, что вибрация усиливается в результате наличия под машинным залом залегающих в земной толще колебательных систем.
Смоделировать механизм возникновения резонансных явлений при установке вибрирующего устройства на грунте в деталях было бы возможно с помощью излучателя «вибросейс», из тех, что находятся в поселке Быстровка, под Новосибирском, и принадлежат институту Геофизики СО АН РФ.
Излучатели этого типа представляют собой установленные на стальных плитах мощные тяжелые электродвигатели с сильным эксцентриситетом. При вращении такого двигателя возникает вибрация, которая тем сильнее, чем больше масса излучателя. Частота излучения (вибрации) определяется скоростью двигателя. Низшая частота излучателей «вибросейс» составляет единицы Гц, а высшая - десятки Гц. При этом интенсивность излучаемого поля во всем частотном диапазоне должна быть более или менее одинаковой. Масса излучателей «вибросейс» - от единиц до нескольких сотен тонн.
Обычно, при измерениях сейсмоприемник удаляют от излучателя, и при этом иногда весьма значительно (до сотен километров). Плавно изменяя скорость вращения двигателя, а стало быть, частоту излучения, определяют параметры прохождения поля упругих колебаний в земной толще по трассе между излучателем и приемником.
Как оказалось, не все излучатели, находящиеся в Быстровке, пригодны для излучения одинакового по интенсивности поля упругих колебаний во всем частотном диапазоне. Один из них, относительно небольшой, массой в несколько тонн, на частоте около 10Гц начинает прыгать на своем железобетонном основании. За это его назвали Кузнечиком.
Здесь мы имеем в чистом виде резонансное явление, которое возникло при приближении излучаемой частоты к собственной частоте залегающей в данном месте колебательной системы. И если бы в земной толще не было колебательных систем, то и никаких резонансов не было бы при любой конструкции излучателя.
Мне не удалось доказать сотрудникам этого института, что наблюдаемое явление определяется не свойствами излучателя, а особенностью места, где установлен его фундамент. И что если переместить его в другое место, то свойства его станут такими же, как и других излучателей.
Представляется, что на этой базе можно было бы поставить демонстрационно-исследовательское моделирование события, происшедшего на Саяно-Шушенской ГЭС.
На рис.1 приведена схема моделируемого объекта.
Рис. 1
Схема очень упрощенная. Она плоская и не учитывает рельеф местности. Гидроагрегат ГА установлен на теле плотины, имеющем размеры 1 и 2. 3 и 4 - расстояния от гидроагрегата до границ, залегающих в земной толще. Пересчет каждого из этих размеров по формуле (1) дает собственные частоты этих объектов-резонаторов, а следовательно, запретные скорости вращения гидроагрегата. Допустим, что объект, имеющий размер 4 (показан толстой линией), имеет высокую добротность. Это значит, что скорость вращения, соответствующая этому размеру, должна проскакиваться при разгоне и торможении особенно быстро, чтобы не успел разогнаться высокодобротный резонанс.
Размер 5 - это расстояние от основания гидроагрегата до трещины в теле плотины. Трещина эта - отнюдь не плоскость, и к тому же имеет оперения из микротрещин. Поэтому 5 - это не одно число, а диапазон чисел. Наличие такой трещины определяет не единичную запрещенную скорость вращения, а диапазон запрещенных скоростей. Наличие системы микротрещин расширяет диапазон запрещенных скоростей вращения и может привести к тому, что усиление вибрации будет и на рабочей скорости вращения.
Схема моделирования выглядит следующим образом:
С помощью аппаратуры ССП осуществляется исследование площадки, на которой проводятся измерения. При этом выявляются зоны, в которых залегающие там колебательные системы имеют повышенные значения добротности. На плане площадки следует указать величины собственных частот этих колебательных систем и их добротности.
Перемещая излучатель «вибросейс» от одной такой зоны к другой, следует изменять частоту излучения таким образом, чтобы приближаться к возможным резонансам.
Установив акселерометр на корпус излучателя «вибросейс», отмечать увеличение амплитуды его вибрации вблизи резонанса. При этом в случае высокодобротного резонанса следует контролировать рост амплитуды, чтобы не вызвать разрушения. Один из наиболее вероятных типов разрушения при отсутствии железобетонного фундамента - мгновенный провал грунта (как это происходит под поездом).
Выводы по моделированию
Эксцентриситет двигателей излучателя «вибросейс» является моделью несбалансированной вращающейся части гидроагрегата. Измерения при моделировании должны показать, что в отсутствии залегающей в земной толще колебательной системы этот дисбаланс мог бы разрушить саму вращающуюся часть гидроагрегата, но не мог бы вызвать увеличение вибрации всего машинного зала.
Основой заключения по причинам аварии на Саяно-Шушенской ГЭС является предположение о том, что вращающаяся часть 2-го гидроагрегата была некачественно отбалансирована в ходе последнего ремонта. Даже если бы это было так, то это могло бы привести к разрушению вращающейся части, но не к таким разрушениям, которые произошли в результате аварии. И, кроме этого, события не носили бы столь выраженного резонансного характера.
Дисбаланс гидроагрегата не может вызвать усиления вибрации всего машинного зала.
Даже идеально отбалансированный во время ремонта гидроагрегат-2, установленный на то же самое место, где он стоял до ремонта, обязательно даст повышенную вибрацию.
Характерное для резонансного явления нарастание вибрации непосредственно в момент аварии свидетельствует о том, что это был именно резонанс. Вхождение в резонанс произошло в результате слишком плавного замедления агрегата при его остановке и слишком медленного прохождения зоны запрещенных скоростей вращения агрегата.
Усиление постоянной вибрации агрегата происходило в результате низкодобротных резонансов, которые возникли вследствие увеличения нарушенности тела плотины. Увеличение нарушенности тела плотины - это увеличение количества границ внутри тела плотины, а следовательно, увеличение количества собственных частот тела плотины или, иначе говоря, увеличение количества запрещенных скоростей оборотов.
Ремонт тела плотины, направленный на то, чтобы ликвидировать проницаемость его для воды, не уменьшит вибраций. Чтобы уменьшить вибрации, следует так ликвидировать образовавшиеся в теле плотины трещины и микротрещины, чтобы в этих местах восстановилась монолитность тела.
Основные выводы по проблеме аварийности сооружений, оказывающих динамическое воздействие на земную толщу.
Разрушение инженерных сооружений, оказывающих динамическое воздействие на земную толщу, начинается не с разрушения (разбалансировки) вибрирующих механизмов, а с разрушения фундамента, на котором они установлены. Разрушение фундамента может происходить по различным сценариям. На Саяно-Шушенской ГЭС возникла трещина в теле плотины, а затем стали развиваться микротрещины. Разрушение тела плотины привело к увеличению количества скоростей вращения гидроагрегата, при которых возникает вибрация.
На некоторой стадии разрушения тела плотины рабочая скорость гидроагрегата оказалась в числе запрещенных скоростей, и вибрация стала постоянной. Эта вибрация ускорила разрушение тела плотины, что еще больше усилило вибрацию. Это своего рода цепная реакция.
Повышенная вибрация и разрушения происходят на тех гидроагрегатах, в районе которых разрушение тела плотины наибольшее.
Взрывоподобное разрушение, происшедшее на Саяно-Шушинской ГЭС, могло возникнуть и без предварительной длительной повышенной вибрации. Наличие постоянной вибрации деморализовало обслуживающий персонал, в результате чего была допущена катастрофическая ошибка - медленное прохождение запрещенной скорости, соответствующей высокодобротному резонансу.
Рассмотрение причин, по которым начинает разрушаться фундамент, еще до начала работы турбин, выходит за пределы настоящей работы и приведено в статьях [6].
