О возможности применения соединительных муфт ГОСТ 26455-97 во взрывоопасных зонах

Соединительные муфты вращающихся валов, компенсирующие их относительные смещения за счет упругих деформаций тонких металлических пластин, получили широкое распространение в промышленно развитых странах около 40 лет назад.

На предприятиях бывшего СССР их внедрение по разным причинам затянулось. В 1985 году появился ГОСТ 26455-85 на муфты этого типа. Через 12 лет появилась новая редакция в виде ГОСТ 26455-97, которая должна была исправить недостатки предыдущего ГОСТа. К сожалению, этого не произошло.

В статье анализируются некоторые положения ГОСТ 26455-97 с позиции 12-летнего опыта разработки, исследований, изготовления и эксплуатации упомянутых муфт.

1. О названии

Начнем не с самого важного - с названия.

Муфты по ГОСТ [2] – «муфты дисковые полужесткие».

Применение слова «дисковая» непонятно, потому что основные детали определенно имеют форму кольца, а не диска.

Слово «полужесткая» не вызывает адекватных ассоциаций, помогающих понять принцип действия муфты. Скорее подошло бы слово «упругая», в крайнем случае «гибкая».

Нежелание использовать слово «упругая» можно объяснить. В советской технической литературе упругими называли муфты, обладающие упругостью на кручение (например, всем известные МУВП), а рассматриваемые муфты являются жесткими на кручение. Но ведь раньше и не было у нас таких муфт, компенсирующих радиальные и угловые отклонения осей валов за счет упругих деформаций металлических элементов, но остающихся жесткими именно на кручение.

Кроме того, необходимо учесть, что мировой технической литературе прочно укрепилось наименование "flexible" ("упругий", "гибкий"), присутствует оно и в названиях крупнейших производителей данной продукции, например, ”FLEXIBOX” или ”AMERIFLEX”.

Поэтому предлагается сохранить емкое и содержательное наименование “муфты упругие пластинчатые”, которое, к тому же, в одностороннем порядке уже давно используется предприятиями СНГ, выпускающими такие муфты.

2. О потенциальной опасности “дисковых полужестких” муфт по ГОСТ 26455-97.

В разделе 1 рассматриваемого ГОСТа [2] область применения обозначена фразой «муфты общемашиностроительного применения». Таким образом, использование рассматриваемых муфт в центробежных насосных агрегатах химической, нефтехимической и нефтедобывающей промышленности, работающих во взрывоопасных зонах, является, скорее всего, нелегальным (будем благодарны всем, кто поможет уточнить этот вопрос). Впрочем, та же практика сложилась и с зубчатыми муфтами по ГОСТ 5006-94, которые также «для общемашиностроительного применения». Однако особенности конструкции упругих пластинчатых муфт не позволяют, по аналогии с зубчатыми, не обращать внимания на «общемашиностроительное исполнение».

Все дело в том, что зубчатые муфты снимают и списывают из-за износа зацепления, вызывающего большие вибрации агрегата, когда они еще сохраняют механическую целостность и работоспособность. В этом состоянии они не могут быть опасными в плане инициирования взрыва или пожара.

Упругие пластинчатые муфты можно разделить на «безопасные» и «опасные». «Дисковые полужесткие» муфты по ГОСТ [2] относятся к «опасным». Опасность возникает в момент разрушения упругих элементов, которое происходит внезапно, поскольку в период развития и накопления повреждений муфты никаких заметных изменений в работе агрегата не происходит и не помогает даже вибродиагностика. Единственным эффективным средством диагностики являются периодические осмотры состояния упругих элементов, но, например, при расцентровках в 3-5 мм (случай крайне редкий, но примеры есть) разрушение может произойти за несколько часов работы (без шума и вибраций!). Вероятность разрушения муфты мала, но когда их парк составляет несколько сотен штук, на протяжении года-двух без этого никак не обойдется.


Рис. 1. Муфта дисковая полужесткая по ГОСТ [2].

На рис. 1 приведен фрагмент конструкции из рассматриваемого ГОСТа [2]. Проанализируем поведение наиболее распространенного варианта «тип 2» (рисунок 2 и рисунок А.1 или А.2 из [2]) при разрушении одного из пакетов упругих элементов. Очевидно, после первоначального относительного проворота деталей 1 и 4 произойдет удар гаек 6, крепящих упругий элемент 2, по боковым поверхностям одной из полумуфт 1 и втулки промежуточной 4 (рис. 2), муфта будет продолжать передавать вращение.


Рис. 2. Муфта по ГОСТ [2] с разрушенным упругим элементом опасна в плане искрообразования.

Можно с уверенностью предположить, что передача крутящего момента таким нештатным способом (при отсутствии элементов центровки!) будет сопровождаться интенсивным трением и соударениями стальных деталей с открытым искрообразованием. Кроме того, при деформации силового крепежа от удара существует даже вероятность выхода со стороны поврежденного упругого элемента деталей этого импровизированного соединения из зацепления с вылетом втулки промежуточной 4 (особенно в варианте по рис. А.1 из ГОСТа [2]).

В таком случае болтающаяся проставка даже на выбеге двигателя успеет причинить ущерб агрегату. Известен случай, когда таким путем был согнут вал двигателя 800 квт, а сам он - сорван с фундамента.

3. О конструктивных недостатках муфт по ГОСТ 26455-97, которые ведут к снижению надежности и проблемам в эксплуатации.

3.1. О жесткой регламентации ГОСТом конструкции и параметров.

Проанализируем конструкцию “дисковых полужестких” муфт по ГОСТ [2]. Ключевой момент: согласно п. 3.3 [2], «конструкция и размеры муфт должны соответствовать указанным». Такой жесткий подход не позволяет в полной мере проводить далеко еще не законченную работу по совершенствованию муфт с целью удовлетворения требований эксплуатации и требований по качественным характеристикам того же ГОСТа. К примеру, действующие в настоящее время (в странах, где упругие пластинчатые муфты широко распространены уже 40 лет!) стандарты [13],[14],[15] не накладывают ограничений на конструкцию и габаритные размеры.

Приведем характерные выдержки из немецкого стандарта [15], поясняющие такой либерализм: «Муфты не обязательно должны соответствовать изображенным на рисунках», «от идеи стандартизовать определенную конструкцию муфт отказались, чтобы у большинства изготовителей была возможность выполнять требования, изложенные в настоящем стандарте», «из-за различия конструкций не определялись числовые значения … диаметра (наружного)». Документ устанавливает типоразмерный ряд по передаваемым моментам (он, за некоторыми изъятиями, соответствует ряду нашего ГОСТ [3]), диаметры валов и длины полумуфт, осевые расстояния между концами валов.

В стандартах [14] и [13] отсутствуют требования к конструкциям, каким – бы то ни было размерам, нет даже типоразмерных рядов или ссылок на документы, их содержащие [14]. Прямо сказано, что «данный стандарт охватывает минимальные требования к муфтам».

Очевидно, сторонники будут и у одного, и у другого подхода. Однако первый, «жесткий», предполагает, очевидно, что стандартизованная конструкция должна быть если не самой совершенной, то достаточно качественной, коль предусмотрено ее безальтернативное применение. К сожалению о предлагаемой конструкции этого сказать нельзя.

3.2. Конструкция глазами слесаря.

Поскольку муфта является необслуживаемой, эксплуатация сводится к монтажам – демонтажам при ремонтах агрегата. Будем считать, что полумуфты уже находятся на валах. Тогда одна из процедур монтажа сводится к следующему.

…Проставка (втулка промежуточная) 4 с закрепленными на ней пакетами упругих элементов 2 (рис. 1) вводится в проем между полумуфтами… Стоп! В муфтах по ГОСТ [2] это не получается - мешают выступающие концы болтов 5 с гайками 6! Тогда как? Вводится и поддерживается на весу только втулка промежуточная 4 (рис. 3), а затем один пакет 2 и вставляются 4 или 6 призонных болтов 5. Затем то же – с другой стороны.


Рис. 3. Монтаж "муфты дисковой полужесткой" по ГОСТ [2] вызывает неудобства.

Двух рук для этих операций уже не хватит, даже если муфта – малого типоразмера и массы. Если учесть, что посадка деталей в этом соединении должна быть хотя – бы Н7/h6 (посадки по рекомендациям, правда, необязательного приложения А – это недоразумение, с которым мы разберемся ниже), а пластины толщиной в десятые доли миллиметра в пакете соединены змееподобной полоской только символически и вначале очень подвижны, а болт вставляется в каждую пластинку, которая, естественно, отгибается – можно заранее не обижаться за те слова, которые произнесут монтажники (даже если это будет происходить без спешки и не на морозе).

Демонтаж муфты проще, если только пакет элементов куда-нибудь не упадет (опять двух рук не хватает!).

3.3. Конструкция глазами механика и конструктора.

Приложение А (Конструкция и размеры деталей муфт) – только рекомендуемое, однако выглядит оно почти как комплект рабочих чертежей, а поэтому соблазн брать и просто «точить» муфты возникает у многих. Повторять п. 3.2. не будем - в Приложении А есть и свои «изюминки».

Например, посадки деталей муфты по призонным болтам (рисунки А.1 – А.6 и таблиц А.1 – А.6 [2]). Сначала бросаются в глаза допуски на расположение отверстий под силовой крепеж порядка 0,1 мм. Для обеспечения собираемости и равномерного нагружения всех ветвей упругого элемента порядок допусков должен составлять, в самом плохом случае, 0,01 мм! Однако после изучения самих отверстий все становится на свои места. Обеспечив по ГОСТу [2], таблица А.3, диаметральный зазор между болтом и элементом 0,5 мм (рис. 4), мы обеспечиваем и собираемость муфты. А также радиальное смещение оси (и центра масс) втулки промежуточной относительно оси соединяемых валов на те же 0,5 мм (рис. 5)!


Рис. 4. ГОСТ [2] предусматривает зазоры в 0,5 мм по силовому крепежу (американский стандарт [14] - 0...0,038 мм).


Рис. 5. Муфта по ГОСТ [2] из-за повышенных зазоров имеет дисбаланс, в 25 раз превышающий допустимый.

При массе втулки по чертежу от 0,77 до 16,64 кг дисбаланс собранной муфты (даже без учета других деталей) может составить от 380 до 8 300 (!) г*мм, а соответствующие динамические усилия при частоте вращения 3000 об/мин – до 820 Н! Они вызывают вибрации агрегата с оборотной частотой, разумеется, очень большие, поскольку этот дисбаланс в 25 раз превышает допускаемый для деталей центробежных насосов, например, по [11] или [12]. Не зря зазоры в силовых соединениях для тихоходных упругих пластинчатых муфт по стандарту [14], например, составляют от 0 до 0,038 мм. (Обратите внимание - этот важный показатель нормирован в "либеральном" американском стандарте [14], где нет ни конструкции, ни габаритов, ни даже типоразмеров! А в нашем "жестком" [2] - нет!!!)

А как передается крутящий момент между упругими элементами и проставкой или полумуфтой? Расчеты муфт по приложению А [2] показывают, что за счет контакта с чистой поверхностью призонного болта, потому что сил трения в окружном направлении от затяжки болтов не хватает. Это означает, что в момент пуска по каждому из упругих пакетов полумуфта и втулка промежуточная провернутся до положения, когда выберутся зазоры по болтам в окружном направлении. С теми допусками на расположение отверстий, которые приведены в Приложении А [2], можно уверенно говорить о том, что работать на передачу крутящего момента будет в основном только одно звено в каждом пакете, что ведет к недопустимо высоким напряжения в упругих элементах (проверено расчетом).

Пройдемся также по обидным "мелочам". Почему в СНГ должны (т.е., обязаны, см. п.2.2) мучиться с непонятного назначения «насадкой» 3 (рис. 1), которая делит пакеты пополам, снижая стойкость к осевым колебаниям, привлекая грязь и снижая способность муфты сопротивляться ненормативному монтажу? Ведь производители испробовали все и в подавляющем большинстве применяют пакеты без зазоров между элементами.

Почему из трех рядов крутящих моментов механических муфт по ГОСТ [3] включен только первый, с довольно крупным шагом по передаваемому моменту? Муфты эти дорогие, цена зависит от размера, можно было добавить часть второго ряда хотя бы для крупных муфт и избежать в каждом втором случае недогруза и соответствующего повышения цены? Иначе зачем же существует ГОСТ [3] с ТРЕМЯ рядами моментов?

К счастью, перечисленные качества свойственны не всем упругим пластинчатым муфтам, а только «дисковым полужестким» по ГОСТ [2].

4. Нормативные документы, касающиеся безопасности муфт для химической и нефтехимической отрасли.

Вопросы безопасности муфт трактуются отечественными нормативными документами от [4] до [10] трактуются только в плане необходимости механического ограждения "открытого вращающегося элемента". Это и понятно, принимая во внимание доводы раздела 2.1: по зубчатым муфтам других прецедентов не было (почти не было). Однако из ГОСТа [4] можно процитировать следующие подходящие нам общие положения безопасности оборудования в рассматриваемом контексте:

  • из 2.1. «Для предупреждения взрыва необходимо исключить: …возникновение источника инициирования взрыва»;
  • из 2.3. «Источниками инициирования взрыва являются: …искры от удара и трения…»;
  • из 2.6. «Предотвращение возникновения источника инициирования взрыва должно быть обеспечено: …применением материалов, не создающих при соударении искр, способных инициировать взрыв…».

Таким образом, нормативная база высшего уровня существует и может (вернее, должна) быть применена.

Относительно отраслевых документов.

В стандарте на насосы общепромышленного применения [8] есть раздел "Требования безопасности к насосам, устанавливаемым во взрыво-пожароопасных зонах...". В этом разделе содержится требование "В подвижных соединениях насоса (вал, крышка уплотнения, отбойник и пр.), к которым возможен доступ внешней (окружающей) среды, зазор или подбор материалов должен исключить возможность возникновения искры...". По нашему мнению, соединительная муфта входит в это "пр.", а также является "подвижным соединением".

В [9] требования безопасности сводятся к ссылке на [8].

В [5] (касается оборудования для транспорта нефти) требование «выполняться из материалов, не дающих искрения при трении» содержится для деталей уплотнений вала.

Из [7] и [10] вопросы исключения искрообразования выпали, но, разумеется, содержатся ссылки на «вышестоящий» [4].

Таким образом, органам надзора, выдающим в соответствии с [7] разрешение на применение муфт в агрегатах во взрыво-пожароопасных зонах, можно руководствоваться общими приведенными положениями из [4] и [8]. Выдача таких разрешений на муфты дисковые полужесткие по ГОСТ [2] нам представляется необоснованной.

В упоминавшихся выше стандартах «дальнего зарубежья» среди обширных требований по обеспечению качества также не удалось найти конкретных указаний на предотвращение искрообразования в муфтах. В стандарте ISO/CD 13709/API 610 [13] сказано лишь, что «в случае муфт с упругими элементами к рассмотрению следует принимать конструкции, которые обеспечивают удержание проставки при разрушении упругого элемента». Зато в материалах фирм – производителей эти вопросы представлены широко, типичные примеры приведены в следующем разделе.

Кстати, не следует считать, что все сказанное об искрообразовании касается исключительно оборудования, устанавливаемого во взрывоопасных зонах. Известны случаи возникновения пожаров в некатегорийных помещениях насосных станций, перекачивающих воду, из-за возгорания накопившихся протечек масла из системы смазки подшипников.

5. Удобные и безопасные упругие пластинчатые муфты существуют!

Чтобы избежать рекламы собственной продукции или обвинений в предвзятости, рассмотрим конструктивное исполнение муфт наиболее известного у нас производителя - фирмы «John Crane» (точнее той ее части, которая ранее была британской фирмой «Flexibox»). Муфта для общепромышленного применения серии "LS" [16] (рис. 6) с точки зрения эксплуатации отличается от «дисковой полужесткой» тремя важными вещами.


Рис. 6. Муфта серии "LS" фирмы "Flexibox" имеет защиту от искрообразования (втулки 9).

Первое. Пакет упругих элементов благодаря втулкам 3 представляет собой цельную конструкцию и при монтаже проставки призонный болт 5 не приходится протискивать через каждую пластину, которая оказывает посильное сопротивление и, естественно, в неравной борьбе с нештатным инструментом может быть повреждена.

Второе. Втулки 3 центруются в заточках полумуфт 1 и проставки 4 (естественно, без упоминавшихся зазоров в 0,5 мм). «Вскочив» в заточки, втулки фиксируют проставку и процедура дальнейшей сборки будет приятной в любых условиях.

Третье. При разрушении упругих элементов муфта «штатным» образом передает вращение за счет других втулок 9, расположенных в отверстиях ответных деталей (до аварии – с зазором). Проставка никуда не вылетает, искр нет, поскольку для втулок 9 применен неискрящий материал.

Для оборудования перерабатывающей промышленности та же фирма рекомендует применять муфты более сложной и совершенной серии "Т" [17] по стандарту API 671 [14] (рис. 7), так называемые «картриджные».


Рис. 7. Муфта серии "Т" фирмы "John Crane", рекомендуемая для перерабатывающей промышленности, безопасна и удобна в монтаже.

В таких муфтах пакеты упругих элементов 2 составляют часть неразборной проставки. При монтаже проставка в сборе обжимается приспособлениями 10, целиком вводится в проем между полумуфтами, центрируется и фиксируется по пояскам при демонтаже приспособления. Затем производится крепление уже зафиксированной проставки болтами 5 по обоим полумуфтам. Болты 5 – обычные (не призонные), крутящий момент передается за счет трения. Несмотря на необходимость применения приспособлений, такой монтаж зарекомендовал себя как более удобный, а муфты – как более надежные. При разрушении упругого элемента крутящий момент передается втулками 9 из материала, обеспечивающего искробезопасность. Предусмотрен и дополнительный конструктивный элемент предохранения от вылета проставки А (рис. 7), он же защищает упругие элементы от повышенных деформаций при монтаже.

Для нефтегазовой промышленности "John Crane" предлагает муфты серии "М" [18] с дисковой формой упругого элемента (рис. 8).


Рис. 8. Муфта серии "М" фирмы "John Crane" для нефтегазовой промышленности, отключающая привод в случае аварии.

Различия муфт становятся принципиальными в случае аварии. Муфты серий "LS" и "Т" при повреждении упругих элементов передают крутящий момент, утратив свойство эффективной компенсации отклонений валов. При этом резко возрастают вибрации и шум агрегата, но он продолжает свою работу до ручной или автоматической остановки по превышению уровня вибраций. В отличие от муфт серий "LS" и "Т", муфта серии "М" при разрушении отключает насос от привода, а ее детали со стороны повреждения находятся в относительном вращении. В этом режиме она может находиться меньшее время, чем муфта серии "Т", однако при прекращении работы насоса автоматическая защита должна немедленно отключить двигатель.

Выбирать тип муфт с учетом этих особенностей должен производитель насосного оборудования или механик эксплуатации, знающий режим и особенности работы персонала, а также систему автоматики и ее состояние.

6. Отечественная нормативная база нуждается в модернизации.

Итак, удобные и безопасные муфты существуют. Для их беспрепятственного внедрения необходимо разобраться с нормативной базой. Очевидно, что пока существует ГОСТ [2] для муфт «общемашиностроительного применения» и отсутствует нормативный документ для муфт оборудования, работающего во взрывоопасных зонах, применение муфт по [2] в этом оборудовании (прежде всего имеем в виду вновь вводимое в эксплуатацию) будет продолжаться. Таким образом, представляется необходимым создание и введение соответствующего нормативного документа. Он может быть, например, отраслевым (межотраслевым) стандартом на технические условия. Его содержание должно включать как вопросы обеспечения безопасности оборудования, так и вопросы качества и унификации. Но в таких разумных пределах, которые позволят совершенствовать конструкции и не исключат полезную для всех конкуренцию производителей не только в плане качества изготовления и цен, но и в конструировании безопасных, надежных и удобных в эксплуатации изделий.

Относительно [2]. Стандарт для упругих пластинчатых муфт общемашиностроительного применения, безусловно, нужен. Однако, учитывая доводы, которые приведены в пользу «либеральной» формы нормативных документов для упругих пластинчатых муфт в части конструкций, мы считаем целесообразным существование этого документа в виде, свободном от «обязательных» чертежей и жесткого нормирования всех параметров. И только тогда, когда вследствие исследований, поиска оптимальных конструктивных решений, конкуренции производителей, накопленного опыта появятся отточенные и совершенные конструкции, к которым «ничего не добавить и не отнять», можно будет унифицировать упругие пластинчатые муфты подобно зубчатым или втулочно – пальцевым. А сейчас жесткая регламентация конструкций и размеров препятствует развитию и ставит отечественных производителей в невыгодное положение по отношению к «дальним» зарубежным.

Список использованных источников.

  1. ГОСТ 26455-85. Муфты дисковые полужесткие. Основные параметры и размеры. (Отменен).
  2. ГОСТ 26455-97. Муфты дисковые полужесткие. Параметры, конструкция и размеры.
  3. ГОСТ 19107-73. Муфты механические. Ряды номинальных крутящих моментов.
  4. ГОСТ 12.1.010-76. Взрывобезопасность. Общие требования.
  5. ГОСТ 12.2.044-80. Машины и оборудование для транспортирования нефти. Требования безопасности.
  6. ПУЭ. Правила устройства электроустановок.
  7. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. ПБ 09-170-97. Москва. ПИО ОБТ. 1999.
  8. ОСТ 26-06-2028-96. ССБТ. Насосы общепромышленного назначения. Требования безопасности.
  9. ОСТ 26-06-2023-97. Насосы центробежные для химических производств. Общие технические условия.
  10. ТУ 26-02-455-82. Насосы центробежные нефтяные консольные и агрегаты насосные на их базе. Технические условия.
  11. ГОСТ 22061-76 Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки. Основные положения.
  12. ОСТ по балансировке насосов.
  13. ISO/CD 13709/API 610. Центробежные насосы для нефтяной, химической с тяжелыми условиями работы и газовой промышленности. Международный стандарт. 8-е издание. 1995.
  14. Стандарт 671 API. Муфты специального назначения для применения в нефтеперерабатывающей промышленности. Издание первое. Американский нефтяной институт. 1979.
  15. Стандарт DIN 740. Упругие муфты валов. Основные размеры. Номинальные крутящие моменты. 1975.
  16. Flexible Couplings. Metastream. Type LS for general industrial drives. Flexibox Limited. Leaflet reference F129/1192. (Рекламный проспект).
  17. John Crane. Power Transmission Couplings. TLK Membrane Coupling for High Power Applications in the Process Industry. www.johncrane.co.uk.
  18. John Crane. Power Transmission Couplings. M Series Membrane Coupling for the Oil & Gas. Www.johncrane.co.uk.