Тепловые двигатели, преобразующие паровую энергию в механическую, являются сложными устройствами. Их дефекты и неисправности могут привести к необратимым процессам: техническим инцидентам и чрезвычайным ситуациям, связанных, с несчастными случаями, в том числе гибелью людей, а также с серьезными финансовыми убытками. Особо уязвимыми являются роторы. Повреждение этих частей паровой турбины - одна из основных причин аварий при эксплуатации подобного оборудования. Так, например, по этой причине случилась авария на ТЭС в 1974 году в штате Теннеси (США). В России в 2002 году на Каширской гидроэлектростанции (ГРЭС4) из-за полного износа третьего энергоблока произошел мощный взрыв. Впоследствии его демонтировали. Серьезное происшествие было и на Приднепровской ТЭС (Украина) в 2007 году.

Таких прецедентов, связанных с опасными чрезвычайными происшествиями при эксплуатации паровых турбин, на территории стран СНГ произошло немало. Все они, как правило, происходили из-за неисправностей роторов. Именно поэтому за ними необходим постоянный контроль.

Основными причинами дефектов этих элементов тепловых двигателей (паровых) при диагностическом обследовании являются:

• износ (абразивный), происшедший под воздействием различных частей песка, металла, окалины и т.д.;


• износ (эрозионный), происшедший под воздействием частей пара, движущегося с большой скоростью;


• износ усталостный, происшедший из-за планомерных нагрузок на роторные отверстия и диски, с появлением на них трещин и отверстий;


• растрескивание в осях роторных каналов (высокого и среднего давления).

Вывод следующий - основной причиной, приводящей к неисправности ротора и, как следствие, к возможным авариям, является физическое усталостное повреждение устройства по причине постоянных колебательных движений. Металл исчерпывает свои возможности и на поверхности расточек, ободов дисков и галтелей (придисковых) возникают трещины, которые, если их вовремя не заметить, разрастаются и становятся причинами серьезных аварий. Так, их появление на концевых и диафрагменных уплотнениях турбинных цилиндров, а также в зоне галтелей (придисковых), случаются, как правило, из-за постоянных высокотемпературных нагрузок. А коррозия провоцирует появление мелких продолговатых отверстий на расточках, ободьях, галтелях, а также отверстиях дисков (насадных).

Если проанализировать причины чрезвычайного происшествия на Каширской ГРЭС, происшедшей в октябре 2002 года, то можно уверено сказать, что тепловой двигатель к моменту аварии был практически полностью изношен. При плановом ресурсе в 250 тыс. часов турбина отработала почти 230 тыс. часов. Тем не менее, капитальный ремонт в том же 2002 году был проведен. Все необходимые для этого случая ремонтные работы, как паровой турбины, так и генератора, были осуществлены в полном объеме. Все эксплуатационные показатели оборудования были в норме. Но все это не предотвратило аварию - она произошла через 11 суток после капремонта. Последствия были катастрофическими - турбина, генератор и конденсатор разрушены полностью. Имеются повреждения фундамента теплового двигателя, практически обрушились все несущие стены, колонны в направлении генераторной установки. На объекте начался сильный пожар, который затронул четыре пролета машинного зала. Произошел обвал крыши и кровли.

Проведенное техническое расследования причин аварии привело к однозначному выводу - изломы механизмов и различных технических элементов, которые передают крутящий момент, имеют признаки силового скручивания. Оно было вызвано торможением вращающего хода с отрицательным ускорением. Ротор был полностью разрушен.

Другой инцидент, в котором ротор пришел в абсолютную непригодность, произошел в ОАО «Западно-Сибирский Металлургический Комбинат». При исследовании излома обеих его частей было обнаружено большое количество продолговатых отверстий и трещин. Кроме того, визуально можно было наблюдать следы ударов на всех частях, выступающих за границу ротора, происшедших после его разрушения. Вывод в этом случае также однозначен - причина аварии в длительной усталости роторных частей.

Комиссия по расследованию причин этой аварии определила, что процесс разрушения ротора начался и длился определенное время в зоне перпендикулярной его продольной оси. Этот факт говорит о том, что ротор испытывал силовое давления соответственно изгибу. Слабым звеном в этом процессе разрушения стала неисправность концентратора, расположенного рядом с шпоночным пазом (15 ступень). Продолговатые отверстия, вызванные усталостным износом, появились не сразу. Это процесс прошел две стадии. Первая из них длилась достаточно долго, медленно вызывая разрастание трещины. Анализируя излом, эксперты обнаружили окисленную площадь вокруг него. Она занимала две трети этой поверхности, которая условно разделена на две части: сам очаг и противоположная зона. Последний завершающий этап динамического роста трещины происходил в центре роторного сечения, непосредственно у отверстия осей. Здесь наблюдается сложный поверхностный слой и разрушения вязкого характера. Последняя разрушительная стадия заключалась в окончательном разломе роторной установки (хрупкого характера). Продолговатое отверстие(трещина) от сечения ротора формируется в визуально видимую каверну.

Из всего вышесказанного, очевидно, что именно растрескивание (коррозионное) под давлением, и усталостное, также коррозионное в роторных отверстиях и дисковых ступицах, являются наиболее частыми дефектами роторных установок паровых турбин. Кроме них причинами подобных аварий являются эрозионный и абразивный износ.

Комиссия по расследованию полного разрушения роторной установки теплового двигателя, (паровой турбины) расположенного на объекте, принадлежащего компании «Западно-Сибирский Металлургический Комбинат», установила, что причиной происшествия стала длительная (многоцикловая) усталость ее элементов и частей. Процесс разрушения имел три последовательных стадии: начальное зарождение, стабильный рост образования трещин и быстрое их распространение.

Алексеева Екатерина Леонидовна – Директор управления промышленной
безопасности ООО «ВЕЛД», г. Магнитогорск, Челябинская область,
кандидат технических наук

Кунин Юрий Саулович – Заведующий кафедрой «Испытания сооружений» МГСУ,
профессор, доктор технических наук

Предприятия энергетики являются стратегически важными объектами.

Возникновение аварий и аварийных ситуаций на данных объектах может носить не только локальный, но и глобальный характер. Очень сложно, а порой и невозможно в полной мере спрогнозировать экономический ущерб и последствия аварий на данных предприятиях.

Сфера энергетики является закрытой и, соответственно, мало изученной. На данный момент отсутствуют обобщенные данные по повреждаемости элементов каркасов эксплуатируемых зданий главных корпусов предприятий энергетики с учетом длительности их эксплуатации.

Знакомство с небольшим количеством зданий главных корпусов предприятий энергетики показало, что здания находятся в удовлетворительном состоянии, а состояние многих несущих конструкций оценено, как ограниченно работоспособное.

Главным корпусом тепловой электростанции называется здание или комплекс зданий, в которых размещается основное и вспомогательное оборудование, непосредственно участвующее в процессе выработки тепловой и электрической энергии .

В главный корпус подаются топливо, подлежащее сжиганию, холодная вода для охлаждения отработавшего пара и других целей. Из него отводятся теплая вода после конденсаторов, дымовые газы, шлак, зола, а также тепловая и электрическая энергия. В главном корпусе сосредоточено наиболее сложное и дорогостоящее оборудование, стоимость которого, как правило, составляет более половины стоимости всего комплекса объектов ТЭЦ.

Компоновка главного корпуса должна удовлетворять требованиям по размещению технологического оборудования, что способствует надежному, бесперебойному энергоснабжению потребителей, эффективности работы электростанции в целом, ее высоким технико-экономическим показателям.

Компоновка должна обеспечивать:

• условия для ревизии, ремонта, монтажа и демонтажа оборудования;
• необходимые санитарно-гигиенические условия труда для ремонтного и эксплуатационного персонала;
• пожаро- и взрывобезопасность;
• безопасность персонала, защиту окружающей среды при авариях на электростанции и при экстремальных природных воздействиях;
• высокие технико-экономические показатели главного корпуса;
• возможность реконструкции по завершении проектного срока службы оборудования, а также полного демонтажа с восстановлением на площадке начальных природных условий.

Анализ выполнен по восьми главным корпусам предприятия ОАО «Фортум», которое является частной электро- и теплогенерирующей компанией. Предприятие создано на базе бывшего ОАО «ТГК-10», выделенного из состава РАО ЕЭС России в 2008 году. Основным видом деятельности ОАО «Фортум» является выработка и реализация тепловой и электрической энергии. Установленная мощность Фортум составляет по электроэнергии более 2785 МВт, по тепловой энергии – 11862 Гкал/ч.

Предприятия ОАО «Фортум» расположены на Урале и в Западной Сибири. В структуре компании работают восемь теплоэлектростанций: 5 из них – в Челябинской, 3 – в Тюменской областях.

Главные корпуса предприятий ОАО «Фортум» вводились в эксплуатацию в разное время, начиная с 1931 года (Челябинская ГРЭС) и заканчивая 1996 годом (Челябинская ТЭЦ-3).

На основании анализа конструктивных решений главных корпусов предприятий теплоэнергетики, установлено следующее: в основу конструктивного решения главных корпусов заложена многопролетная рама, включающая в себя не менее трех пролетов. Конструктивная схема всего главного корпуса определяется конструктивной схемой отдельных его пролетов. Пролеты выполняются полностью в железобетонном, металлическом каркасе или смешанными с железобетонными колоннами и металлическими конструкциями покрытия. Каркас состоит из колонн, балок и ферм, образующих в поперечном направлении раму с жесткими или шарнирными узлами. Жесткость и устойчивость каркаса и отдельных его элементов обеспечиваются системой связей: вертикальными связями по колоннам, воспринимающими продольные усилия от действия ветра на торец здания и сил продольного торможения кранов, горизонтальными и вертикальными связями по шатру здания, обеспечивающими устойчивость конструкций покрытия.

Выполненный анализ охватывает здания пролетом от 6,5 до 45,0 м. Ширина пролетов главных корпусов различна и зависит от назначения. Минимальная ширина пролета 6,5 м (бункерное отделение), максимальная ширина – 45,0 м (машинное и турбинное отделения). Шаг колонн по главным корпусам различен и находится в пределах от 6,0 до 13,0 м.

Здания главных корпусов оснащены мостовыми кранами грузоподъемностью до 100 т, работающими на высоте до 60,0 м.

Особенности конструктивного решения главных корпусов Челябинской ГРЭС (год постройки 1930) и Челябинской ТЭЦ-3 (года постройки 1996-2006) и сравнение основных параметров главных корпусов представлены в табл.1.

В табл.2 представлен анализ основных несущих конструкции главных корпусов.

На основании приведенных конструктивных схем двух главных корпусов ГРЭС и ТЭЦ, построенных в начале и в конце прошлого века соответственно, наблюдается переход от использования железобетонных конструкций в каркасе здания к металлическим. В настоящее время кровля преимущественно выполняется облегченной из профилированного листа или панелей типа «Сэндвич», что в значительной мере уменьшает нагрузку, передаваемую на несущие конструкции здания. Габаритные размеры здания главного корпуса Челябинской ТЭЦ-3, возведенного в более поздний период, значительно превосходят по ширине пролетов и по высоте основных пролетов габаритные размеры здания главного корпуса Челябинской ГРЭС, возведенной в начале прошлого столетия.

В настоящее время с распадом крупных исследовательских, проектных и строительно-монтажных организаций наметилась тенденция к снижению качества строительства. Из-за отсутствия должного контроля за зданиями, не своевременного проведения ремонтов резко ухудшилось состояние уже построенных строительных объектов .

При эксплуатации строительных конструкций сооружения его надежность с течением времени падает. Возникает необходимость в ремонте. В связи с этим для обеспечения надежности сооружения играет роль его ремонтопригодность, представляющая собой приспособленность конструкций к периодическим осмотрам и ремонтам .

Со временем происходит постепенный износ зданий и сооружений от возникающих в них в процессе эксплуатации различных дефектов и повреждений.

Основными причинами дефектов и повреждений конструкций являются:

• ошибки при проектировании, в том числе неудачные конструктивные решения;
• низкое качество изготовления и монтажа конструкций;
• неправильная эксплуатация зданий и сооружений.

Целью обследования конструктивных элементов зданий главных корпусов является выявление дефектов, повреждений и причин, вызывающих их.

По результатам обследования в зданиях главных корпусов наиболее повреждаемыми конструкциями являются железобетонные балки покрытия, колонны и конструкции монолитных рабочих площадок. В табл.3 представлен анализ основных дефектов и повреждений по несущим конструкциям зданий.

В результате обобщения материалов обследования зданий главных корпусов установлено, что значительная часть конструкций эксплуатируется с повреждениями, наиболее опасными из которых являются разрушение бетона с оголением и коррозией арматуры, коррозия по металлическим конструкциям, общие погибы по элементам стропильных ферм. На рис.1 и 2 представлены диаграммы характерных дефектов и повреждений по стропильным фермам и по конструкциям монолитных рабочих площадок.

Рис.1. Диаграмма характерных дефектов и повреждений по стропильным фермам: 1 – местные погибы по элементам ферм; 2 – общие погибы по элементам ферм; 3 – скопление технологической пыли по конструкциям покрытия; 4 – разрушение защитного антикоррозионного покрытия, поверхностная коррозия; 5 – внеузловое опирание конструкций покрытия на верхний пояс стропильной фермы

Рис.2. Диаграмма характерных дефектов и повреждений по конструкциям монолитных рабочих площадок: 1 – сколы защитного слоя бетона с оголением и коррозией арматуры по главным балкам перекрытия; 2 – подвешивание технологических трубопроводов к продольной арматуре по главным балкам перекрытия; 3 – сколы защитного слоя бетона с оголением и коррозией арматуры по второстепенным балкам; 4 – разрушение защитного слоя бетона в полках плит; 5 – сквозные отверстия в полках плит с оголением и коррозией арматуры

На рис.3 представлены диаграммы повреждаемости несущих конструкций зданий главных корпусов, в которых учитывается срок эксплуатации здания. За единицу повреждаемости принято отношение дефектных (поврежденных) конструкций к общему количеству однотипных конструкций.

Рис.3. Диаграммы повреждаемости несущих конструкций зданий главных корпусов предприятий энергетики

В результате анализа данных, полученных при обследовании, выявлены основные наиболее значимые причины появления дефектов и повреждений, к которым относятся:

• повреждение конструкций в результате динамического воздействия;
• повышенная влажность;
• низкое качество изготовления конструкций;
• неправильная эксплуатация;
• отсутствие постоянного должного контроля за состоянием конструкций.

Основная часть дефектов и повреждений по строительным конструкциям образуется и накапливается в результате неправильной эксплуатации.

Учет вышеперечисленных причин позволит в дальнейшем значительно снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации и планировании ремонтно-восстановительных работ и повысить безопасность зданий главных корпусов предприятий энергетики.

Библиографический список

1. Кузнецов И.П., Иоффе Ю.Р. Проектирование и строительство тепловых электростанций. – 3 изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1985.
2. Добромыслов А.Н. Диагностика повреждений зданий и инженерных сооружений. – М.: МГСУ. 2008.
3. Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сборник научных трудов / Под ред.К.И. Ерёмина. – М.: МГСУ, 2009. №8.
4. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений / Электронный справочник нормативных документов «Строй Инфо — ЭКСПЕРТ (Москва)».