Основные причины аварий на электростанциях при эксплуатации паровых турбин

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, — ред.). В России в 2002 году на Каширской гидроэлектростанции (ГРЭС4, — ред.) из-за полного износа третьего энергоблока произошел мощный взрыв. Впоследствии его демонтировали. Серьезное происшествие было и на Приднепровской ТЭС (Украина, — ред.) 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.