Крупнейшая авария, произошедшая 17 августа 2009 на Саяно-Шушенской ГЭС, привела к гибели 75 человек и полному выходу из строя мощнейшей в России ГЭС и огромным убыткам.
Главнейшая причина аварии — отсутствие мониторинга и систематического наблюдения за состоянием машиностроительных и строительных конструкций гидроэлектростанции первой категории по ответственности (коэффициент надёжности по ответственности gn =1,2) [1..3].
Правительством была создана комиссии, а в начале октября 2009 г в интернете были опубликованные выводы комиссии о причинах крупнейшей аварии.
Комиссия установила, что крупнейшая авария развивалась от турбины № 2, вибрация которой была недопустимой. Высота плотины — 240 м, и в турбине создаётся давление 24 атмосферы.
Крышка турбины № 2 имеет фланец, который по проекту прикреплён восьмьюдесятью анкерными шпильками М 80 [4] из углеродистой стали Ст 35 [5] с термообработкой к анкерному стальному кольцу, неподвижно замоноличенному в теле плотины.
Комиссия установила факт отсутствия крепёжных гаек на шести шпильках! То есть в работе участвовали 74 шпильки, а не 80. Из 74 шпилек гайки на многих не были затянуты должным образом, так как из выводов комиссии и по опубликованным снимкам следует, что первоначально из щели под крышкой выбивала (фонтанировала) вода. Крышка же вибрировала, колебалась до полного её отрыва!
Плохая затяжка шпилек стимулировала циклические колебания напряжений в шпильках [6]. В акте обследования опубликовано, что в найденных обломках разрушенных шпилек наблюдается большая глубина развития усталостных трещин. Следовательно, шпильки разрушились от усталости стали.
В отдельных шпильках площадь характерного усталостного развития трещины (поверхность гладкая) достигала 95 % от всей площади сечения шпильки.
Произведённый анализ катастрофы позволяет сделать следующие выводы:
1. Надёжность крепления крышек турбин шпильками должна быть гарантирована.
2. Ресурс шпилек должен быть повышен, а выносливость узла крепления крышек турбин — гарантирована.
3. Для исключения одновременного выхода из строя всех турбин, турбинный зал должен быть разделён на отдельные отсеки по числу турбин.
4. Аварийная систему должна быть снабжена автономной системой электрического питания, например от аккумуляторов.
5. Высоковольтные трансформаторы должны быть установлены на высотных отметках исключающих затопление их водой.
На рисунке [6] произведено сравнение выносливости шпилек с нарезанной и накатанной резьбой. Шпильки с накатанной резьбой примерно в два раза выносливее шпилек, у которых резьба образована с использованием резца!
Хейвуд Р. Б. отмечает, что [6] «для нарезанной резьбы во всех случаях установлено некоторое уменьшение усталостной прочности болта с увеличением его диаметра». В нашем случае диаметр велик (Æ 80 мм). Масштабный фактор всегда влияет отрицательно. Увеличение жёсткости болта или шпильки всегда влияет отрицательно на выносливость соединения. Особенно опасен переход от нарезки к стержню шпильки.
«Резьба с углом профиля 90о в 10 и более раз» повышает выносливость по сравнению со стандартной резьбой! [6] Хейвуд Р. Б. рекомендует применять «резьбу с углом профиля 90о в случаях, когда необходима особо высокая усталостная прочность как для нарезанной, так и накатанной резьбы». Следует отметить, что накатывать резьбу с углом профиля 90о проще, чем стандартную. Ни один из этих приёмов в рассматриевом случае применён не был.
Очевидно, что при реконструкции или плановом ремонте аналогичных сооружений необходимо повысить ресурс, выносливость винтовых соединений, а так же технологичности формирования винтовых шпилек прокатом их в горячем (600…900°С) пластическом состоянии поперечно-винтовой (косой) накаткой на прокатном стане.
Способ реализован в следующей технологической последовательности:
Цилиндрическую заготовку непрерывно обрабатывают, обжимают податливую заготовку в клети сдавливанием несколькими валками, деформируют и превращают её в периодический винтовой, зубчатый профиль.
Причём его внешние гребни накатывают (обкатывают) в горячем, пластическом состоянии поперечно-винтовой (косой) накаткой на прокатном стане, пластически выдавливают непрерывные гребни (рифты) с профилем синусоиды трубной цилиндрической накатки (резьбы) по правой или левой винтовой спирали однозаходной или многозаходной.
Непрерывные гребни (рифы) прокатывают с плавными, закруглёнными по синусоиде впадинами и выступами [7], получают винтовую спиральную арматуру.
Непрерывно закаливают её охлаждением по известной технологии c прокатного нагрева [8], а после закаливания, повторно обкатывают и упрочняют впадины и выступы синусоидального профиля гребней в холодном состоянии валками на прокатном стане и создают на их поверхности остаточные сжимающие напряжения, повышающие на выносливость винтовой спиральной арматуры. Этим упрочняют закруглённые по синусоиде впадины и выступы синусоидального профиля рифов винтовой спиральной арматуры, получают высоко ресурсную винтовую арматуру, с гарантией высокой выносливости.
Автоматизировано режут её на мерные длины, получают высоко ресурсные винтовые шпильки, снабжают их тарельчатыми, упругими шайбами и гайками и отправляют готовые изделия с высокой выносливостью и эксплуатационным ресурсом потребителю для применения в высоко ресурсных винтовых соединениях.
В настоящее время на данный способ улучшения винтовых соединений подана заявка на изобретение.
Литература:
1. Гарькин И. Н., Гарькина И. А. Системные исследования при технической экспертизе строительных конструкций зданий и сооружений // Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 3; URL: http://www.science-education.ru/117–13139 (дата обращения: 19.05.2014).
2. Гарькин И. Н., Гарькина И.А Анализ причин обрушения строительных конструкций промышленных зданий с позиций системного подхода // Альманах современной науки и образования. Тамбов: Грамота, 2014. № 5–6 (84) С.48–51
3. Фадеева Г. Д., Гарькин И. Н., Забиров А. И. Экспертиза промышленной безопасности зданий и сооружений: характерные проблемы [Текст] // Молодой ученый. — 2014. — № 4. — С. 285–286.
4. Справочник техника конструктора, Изд. 3-е. Самохвалов ЯА., Левицкий М. Я., Григораш В. Д. Киев, «Технiка», 1978. 592 с.
5. Справочник по кранам: В 2т. Т. I. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчёта кранов, их приводов и металлических конструкций // В. И. Брауде, М. М. Гохберг, И. Е. Звягин и др.: Ред. М. М. Гохберг — М.: Машиностроение, 1988 –536 с.
6. Хейвуд Р. Б. (Heywood R. B.) Проектирование с учётом усталости (designing against fatigue. london. 1962). Перевод с английского докторов техн. наук В. П. Григорьева и В. А. Марьина, кандидатов техн. наук Б. В. Заславского и Э. Д. Скурлатова, инж. И. Н. Землянских. Под редакцией чл. корр. АН СССР И. Ф. Образцова. Издательство «Машиностроение», Москва, 1969. 504 с.
7. Резьбы. Государственные стандарты. Сборник. Резьба трубная цилиндрическая. ГОСТ 6357–52. Введён 01.07.1954.
8. Соколовский П. И. Малоуглеродистые и низколегированные стали. Издательство «Металлургия», М. 1956, с.216.
