ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Методы прогнозирования опасной техногенной ситуации

123

Прогнозирование чрезвычайных ситуаций осуществляется на основании данных анализа, проведенного при исследовании различных видов чрезвычайных ситуаций при осуществлении хозяйственной деятельности. Анализ обычно осуществляется с идентификации причин возможных чрезвычайных ситуаций и механизма вероятного воздействия их на различные группы населения.

К настоящему времени создан обширный арсенал методов прогноза (оценки на определенный момент или интервал времени в будущем) рисков чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. По назначению они делятся на два вида:

методы прогнозирования возникновения чрезвычайных ситуаций;

методы прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций.

Методы прогнозирования чрезвычайных ситуаций по прогнозируемым параметрам делятся на методы прогноза, места, силы, времени наступления или частоты (повторяемости) чрезвычайных ситуаций. По времени упреждения методы прогноза времени наступления чрезвычайной ситуации, в свою очередь, можно разделить на несколько видов: долгосрочного, среднесрочного и краткосрочного прогнозирования. В зависимости от используемых исходных данных различают вероятностно-статистический, вероятностно - детерминированный и детерминированно - вероятностный подходы к прогнозированию возникновения чрезвычайной ситуации (инициирующих событий для чрезвычайной ситуации).

Вероятностно-статистический метод основан на представлении природных явлений на рассматриваемой территории или аварийных ситуаций на совокупности однотипных объектов, проходящих потоком случайных событий. Данный подход используется для оценивания частот опасных природных явлений и аварийных ситуаций определенного вида, а также их распределений по силе на основе данных многолетних наблюдений.

Вероятностно - детерминированный метод основан на установлении законов и закономерностей развития природных процессов во времени и пространстве, цикличности природных явлений, что можно использовать для целей их долго- и среднесрочного прогнозирования. Применительно к объектам техносферы вероятностно-детерминированный подход основан на установлении закономерностей развития деградационных процессов, накопления повреждений, образования и распространения трещин, приводящих к авариям и чрезвычайным ситуациям. Исходной информацией для расчета долгосрочных прогнозов являются данные многолетних наблюдений, а для расчета среднесрочных прогнозов - данные мониторинга.

Детерминированно-вероятностный метод используется для краткосрочного (дни, часы) прогнозирования по предвестникам и оперативной информации времени наступления, места и силы экстремального природного явления. Подход применим и для прогнозов аварийных ситуаций на технических объектах с непрерывным контролем технического состояния. Для своевремен-ного прогнозирования и обнаружения опасного природного или техногенного процесса ни стадии его зарождения необходимо установление предвестников стихийных бедствий, аварий и катастроф, на основе изучения которых строятся модели прогнозов этих процессов.

Рассмотрим предпосылки возникновения исследуемой техногенной аварии и возможность ее прогнозирования.

На протяжении всей эксплуатации гидроагрегата №2 из-за систематических колебаний, вызванных вращением ротора (рис. 2 сверху), а также рабочего колеса турбины (см. рис.2 внизу), установленных пусть даже с допустимой погрешностью, и связанных с этим циклических нагружений, происходил естественный длительный процесс зарождения и развития усталостных трещин в опорных элементах конструкции.

Развитие трещин, наряду с износом подшипников, особенно нижнего направляющего подшипника турбины из-за недостатков его конструкции [4], приводило, в свою очередь, к возрастанию радиальных вибраций корпуса турбинного подшипника и биению вала (до 0,6-0,7 мм).

Рис. 2 - Гидроагрегат СШГЭС (сверху - генератор; внизу - турбина)

(8 - направляющий подшипник; 12 - лопатки направляющего аппарата;

3 - рабочее колесо; 16 - шпилька крышки крепления турбины)

В последний месяц работы отмечались и более значительные вибрации. Нередко биение вала турбины составляло 2,0 мм [4]. Подобные отклонения вала (оси вращения) приводят к прецессии и возникновению гироскопических сил, вызывающих так называемые колебания «шимми». Постепенно усталостные трещины достигали критической длины, и происходил долом отдельных шпилек. Причем долом при усталостном разрушении никак не связан с максимальной нагрузкой.

Такие усталостные разрушения происходили, в том числе, и в Удивительно, что, наблюдая такой характер работы гидроагрегата, на станции не производилась предремонтная диагностика несущих элементов конструкции и выбраковка тех элементов, которые достигли своего предельного состояния [6]. А иначе как можно было допустить столь значительные усталостные трещины. Например, из приведенного в Акте [1] анализа сорока девяти шпилек, из восьмидесяти установленных на крышке турбины, в двадцати четырех из них усталостные разрушения составляли более половины площади сечения. (Еще одиннадцать шпилек имели усталостные трещины, которые привели к раскрытию сечения не менее чем на 20 %). Принимая во внимание, что на шести шпильках отсутствовали гайки [1], понимаешь не только степень безответственности, но и оцениваешь тот запас прочности конструкции, который был заложен при проектировании гидротурбины.

Важно отметить, что усталостные разрушения шпилек несомненно повлияли на прочность крепления гидроагрегата, но механизм разрушения

шпилек нельзя объяснить только усталостью без анализа пластичного разрушения шпилек крепления. Тем более что вибрация гидроагрегата не могла не передаваться на двухсотметровый столб воды, что при определенных условиях могло привести к резонансу, который мог вызвать пластическое разрушение шпилек.

Можно предположить, что 17.08.2009 «в 08.13 при очередном снижении мощности гидроагрегата № 2 и входе в зону его эксплуатационной характеристики, не рекомендованной к работе» [1], произошло разрушение направляющего подшипника и последовавшее затем полное разрушение большой части шпилек крышки турбины. Эти разрушения могут быть связаны с ростом гироскопического момента сил, и возрастанием автоколебаний «вобблинг». Это явление хорошо известно авиаторам, так как часто приводило к разрушению колес и стоек шасси. Знакомы с этим и мотоциклисты, называя неуправляемые колебания руля: кто - «пошел в разнос», кто - «расколбасом». Отличие последних примеров от рассматриваемого нами заключается лишь в том, что моменты инерции «маховиков» несопоставимы да плоскости вращения различны. Но законы физики остаются неизменными для всех подобных случаев.

Оценим возможность влияния момента гироскопических сил на разрушение крепления крышки турбины и разгерметизацию водовода. Для этого найдем усилия, возникающие в подшипниках вала турбины при биении последнего А = 2 мм, а также усилия, возникающие при вынужденной прецессии вала (рис. 3). Вал будем рассматривать как 3-х опорную неразрезную балку с внешней нагрузкой в виде сосредоточенного момента М на второй опоре, возникающего из-за смещения оси вала (М) и гироскопического

** -.–ж-

момента (М ) вследствие вынужденной прецессии. Приняв расстояние между подшипниками равным 6 м, составим уравнение трех моментов. Тогда получим

М₁-6 + 2-М₂$ + 6'}гМ₃-6 = 6-М-3/2.

Так как пролёты не нагружены, то М\ =0, М₃= 0. Тогда, решая это уравнение, получаем усилия на нижней и верхней опорах = Я₃ = М/12 Н.

Момент силы веса, М, возникающий при биении вала турбины А = 2 мм, составит

М* = 0.5-т-£-А = 0.5-900-10³ - 9.81-2-10^_3 =8829Н-м,

где т- масса ротора ГА-2 (т = 900-10 кг).

Усилия, возникающие на верхней и нижней опорах, составят всего Я₁=Я₃& 750 Н.

Рис. 3 - Расчетная схема

Гироскоп имеет свойство сохранять направление оси своего вращения. При изменении положения оси в пространстве возникает момент гироскопической реакции. Если учесть, что вал турбины вместе с ротором представляет собой гироскоп, то биение вала можно рассматривать как вынужденную прецессию с угловой скоростью ю₂ = 0,2 с^-1. Угловая скорость собственного вращения гироскопа ю₁ = 15 с^-1.

Момент гироскопических сил не способен вызвать подъем всего гидроагрегата на уровень пола машзала станции (рис. 4). Значит, прецессию нельзя считать основной причиной рассматриваемой аварии.

Рис. 4 - ГА-2 после аварии

Вибрация подшипника турбины гидроагрегата № 2 Саяно-Шушенской ГЭС, являясь результатом целого ряда техногенных процессов, может служить индикационным показателем опасности. Подтверждением этого является то, что именно вибрация по гидроагрегату № 2 резко отличалась от вибрации других агрегатов (табл. на стр. 62-63 [1]), по сравнению с рядом других показателей, таких, например, как количество переходов гидроагрегатами нерекомендуемой зоны II, время нахождения агрегатов в этой зоне, а также время работы гидроагрегатов в сети. К сожалению, за вибрацией турбины гидроагрегата № 2 наблюдения велись эпизодически. Несмотря на то, что прибор виброконтроля был установлен на турбине, он не был включен, поэтому оперативный анализ наблюдений за развитием вибрации не проводился.

Как представляется, если бы при эксплуатации гидроагрегата № 2 проводился оперативный анализ результатов наблюдений за вибрацией с учетом критериев безопасности, экстремального развития вибрации с катастрофическими последствиями можно было бы избежать.

После 23.06.2009 г. произошла дестабилизация процесса вибрации с возможным переходом в экстремальный лавинообразный режим развития. Для предотвращения этого следовало гидроагрегат вывести из работы для серьезного ремонта с последующими испытаниями.

В качестве норматива для вибрации подшипника турбины была принята допустимая величина ее амплитуды 160 мкр (стр. 50 и 75 [1]), но при эксплуатации Саяно-Шушенской ГЭС эта величина вибрации превышалась кроме гидроагрегата № 2 еще на четырех гидроагрегатах: № 1, № 5, № 8 и № 9, где амплитуда вибрации составляла 175-275 мкр. Это обстоятельство способствовало пренебрежению персоналом наблюдений за вибрацией, хотя в инструкции указывалось, что при превышении амплитудой вибрации величины 160 мкр турбина должна была быть выведена из работы.

Рис. 5 График изменения вибрации подшипника турбины гидрогрегата № 2

Судя по графику на рис. 5, после 14.08.2009 г. гидроагрегат находился в резерве, но 16.08.2009 г. в 23 часа 14 минут он снова был введен в работу. После ввода в работу гидроагрегата № 2 вибрация увеличивалась в экстремальном режиме лавинообразно, в том числе за период с 8:00 до 8:13 17.08.2009 г. величина амплитуды вибрации возросла с 600 до 840 мкм (таблицы на стр. 62-63 [1]), и достигла к моменту аварии 1500 мкм, что привело к аварийной ситуации.

Таким образом, становится очевидным, что одной из основных причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС явилось экстремальное развитие вибрации турбины гидроагрегата № 2. Этому способствовало отсутствие постоянных наблюдений за вибрацией и критериев безопасности ее развития.

Наличие в качестве официальных нормативов критериев безопасности развития вибрации КД и КЭ на турбинах гидроагрегатов могло бы привлечь внимание персонала к наблюдениям за вибрацией для оперативного учета их результатов и предотвращения аварии.

Методика определения и применения критериев дестабилизации КД и экстремального развития КЭ опасных процессов, разработанная на основе синергетического подхода, успешно используется в течение нескольких лет для природных и техноприродных процессов [3, 4, 6].

В целях обеспечения безопасной эксплуатации ответственных объектов и предотвращения аварий, подобных Саяно-Шушенской ГЭС, представляется необходимым официально регламентировать применение критериев безопасности КД и КЭ не только для природных и техноприродных процессов, но и для опасных техногенных процессов. Это подтверждается трагическим опытом аварии на Саяно-Шушенской ГЭС.

123