Name: In Situ Hochdruck-Wasserstoff tribologischen Tests der gemeinsamen Polymerwerkstoffe in Lieferung Wasserstoffinfrastruktur (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-03-31T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 1 s
Description: Erfahren Sie die tribologischen Eigenschaften von Polymeren unter Hochdruckwasserstoff mit einer in-situ-Testmethodik. Diese Technik unterstützt die Entwicklung dynamischer Dichtungen für Wasserstoffinfrastrukturen.

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Diese Forschung erfolgte am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), die von Battelle Memorial Institute für Department of Energy (DOE) unter Vertrag Nr. betrieben wird DE-AC05-76RL01830.

Das hier beschriebene Experiment erfordert den Einsatz von Wasserstoffgas ist geruchlos, farblos und somit nicht nachweisbar durch menschliche Sinne. Wasserstoff ist leicht entzündlich und Verbrennungen mit einem fast unsichtbaren blauen Flamme und Form können explosionsfähige Gemische in Gegenwart von Sauerstoff. Hohe Drücke von mehr als 6,9 MPa hinzufügen zusätzliche Explosionsgefahren, die entsprechend geplant werden müssen, für die Vorbereitung auf eine Prüfung. Diese Menge an gespeicherter Energie stellt eine ernste Gefahr und daher due Diligence, Planung und eine Sicherheit Bewertung vor der Durchführung solcher ein Experiment, um sicherzustellen, dass diese Gefahren gemindert werden durchgeführt werden muss. Das Experiment hier vorgestellten erfolgt im Einklang mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen in einem American Society of Mechanical Engineers (ASME) zertifizierte Druckbehälter mit einer Burst-Datenträgersatz bis 34,5 MPa mit Belüftung.
1. Vorbereitung Polymer Blatt Lager
<ol><li>Reinigungsmittel auf die EDPM Polymer Blatt Lager mit einem nicht scheuernden Schwamm anwenden und abspülen unter Wasser für ca. 3 min entfernt Öle und Talkum Puder während der Herstellung und Versandprozess angewendet.</li>
	<li>Trocknen Sie Polymer-Blatt in einem Trockenschrank bei 85 % der Arbeitstemperatur des Materials, etwa 75 ° C für EPDM, etwa 72 Stunden zu fahren der verbleibende Wasser vom waschen.</li>
	<li>Schalten Sie den Backofen und lassen Sie Polymer Blatt Lagermaterial auf Raumtemperatur im Ofen abkühlen.</li>
	<li>Markieren Sie eine Ecke des Blatt-Lager mit einem Pfeil an die Spitze des Blattes Polymer. Dieser Pfeil hilft bei der Ausrichtung des Blattes während der Probe-Coupon-Generation, um sicherzustellen, dass Proben aus dem Polymer-Blatt geschnitten konsequent die gleiche Ausrichtung werden zu identifizieren.</li>
	<li>Speichern Sie die Polymer Lager Blatt in einer Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit-kontrollierten Umgebung in der Nähe von 25 % relativer Luftfeuchtigkeit vor den tribologischen Tests.</li>
</ol>2. Erzeugung und Montage Probe Gutscheine
<ol><li>Während des Tragens Pulver frei Handschuhe, markieren Sie die Polymer-Blatt-Aktie mit einem Pfeil im Bereich vorgesehenen Coupon in der Nähe der Pfeil während der Vorbereitung der Polymer-Blatt-Lager, so dass beide Pfeile die gleiche Ausrichtung haben.</li>
	<li>Mit einem 2,222 cm Durchmesser kreisförmige sterben und ein Holzhammer, auszumerzen Sie einen Probe-Gutschein um die Pfeilmarkierung.</li>
	<li>Schrauben Sie die hex Cap Sicherung der Probe Klammer auf der in Situ -Tribometer, hex Sechskantschraube und Präzision der am leichtesten zugängliche Ecke der Probe Klammer entspringen, entfernen.</li>
	<li>Folie Probe Coupon in Probe Klemme, kümmert sich um sicherzustellen, dass die Stichprobe orientiert sich mit dem Pfeil wies Gesicht nach unten und hinten die Klammer, die die Seite am nächsten an der Backplate die Tribometer ist.</li>
	<li>Ersetzen die Präzision Frühling und hex Sechskantschraube in die leere Ecke der Probe einspannen und zur hand gehen ziehen Sie alle vier hex Kopfschrauben der Schelle bis Snug, derart, dass die Elastomer-Probe um 10 % seiner ursprünglichen Höhe gestaucht wird. Unter der Annahme einer 0,318 cm Beispielhöhe, 10 % Komprimierung lässt sich mithilfe einer 0,287 cm Endmaß zwischen den beiden Platten der Klammer.</li>
</ol>3. Vorbereitung der In Situ -Tribometer
<ol><li>Ort eine 2,413 cm Spurweite Block zwischen der Wand von der Tribometer und Probe-Schlitten, direkt unterhalb der Antriebsspindel. Stellen Sie sicher die Sammelkiste Daten ausgeschaltet ist, biegen Sie die Antriebskette im Uhrzeigersinn um den Probe-Schlitten zurück, so dass die Kante des Schlittens 2,413 cm Wandabstand Tribometer ist.</li>
	<li>Wischen Sie die Stahlkugel die Gegenfläche mit einem weichen Tuch oder Fussel-weniger Papierhandtuch und einem geeigneten Lösungsmittel wie Aceton für ca. 30 Sekunden, bis die Oberfläche der Theke frei von jeglichen Schmutz erscheint.</li>
	<li>Schieben Sie die Bronze Zähler Oberfläche Träger und Bronze Gewicht, eine normale Gesamtlast von 7,5 N, auf die Schiene senkrecht auf die Probe-Schlitten, so dass der Zähler Ball schieben zwischen in das Schlüsselloch und ruhen auf der Polymer-Probe.</li>
	<li>Mit einem Inbusschlüssel und zwei Bronze Schrauben, linear Variable differential Transformer (LVDT) Messung Arm an den Bronze-Zähler Oberfläche Halter befestigen Sie so, dass die frei schwebende Zylinder die LVDT am Arm ruht.</li>
	<li>Passen Sie die Klemme hält die LVDT in Ort oder nach unten so, dass die LVDT in der Nähe seiner Messung ist Nullpunkt ziehen Sie die Klammer um die LVDT im Ort zu sichern.</li>
	<li>Senken Sie die Tribometer Assembly in den Druckbehälter, um sicherzustellen, dass das Schutzrohr im Obergurt des Schiffes in den Spalt zwischen den Tribometer und der Wand des Behälters senken wird.</li>
	<li>Wickeln Sie die Dichtung o-Ring mit einer Gesamtfläche von zwei und eine Hälfte Schichten von PTFE-Band. Dies wird erreicht durch die PTFE-Band umwickeln, so dass jede weitere Packung ca. die Hälfte der Verfahren Runde überschneidet sich bis zweimal den Durchmesser des o-rings herum. Wickeln Sie den Durchmesser des o-rings dann ein letztes Mal ohne Überschneidungen. Sobald der o-Ring umschlossen ist, legen Sie sie in die Nut in die Lippe des Druckbehälters.</li>
	<li>Unter Berücksichtigung der Verdrahtung Etiketten, verbinden Sie die fünf Stromkabel für den Tribometer-Motor, vier Datenleitungen für die Wägezelle und fünf Datenleitungen für die LVDT.</li>
</ol>4. Abdichtung des Druckbehälters
<ol><li>Niedriger gewickelt Obergurt des Druckbehälters zu schließen, kümmert sich um den Obergurt sanft auf die PTFE zu senken, o-Ring-Abdichtung.</li>
	<li>Bolzen Sie die in die nummerierten Löcher auf dem Obergurt angegeben vom Hersteller in aufsteigender Reihenfolge, bis sie Finger dicht sind.</li>
	<li>Mit einem manuellen hex Schlüssel, Drehmoment der Flansch-Schrauben in aufsteigender Reihenfolge zur hand fest und wiederholen Sie, bis die Schrauben nicht mehr.</li>
	<li>Ab 120 Nm und steigt in ~ 40-Nm-Schritten, verwenden einen Drehmomentschlüssel Drehmoment der Flansch Schrauben in aufsteigender Reihenfolge für jedes Inkrement ~ 40 Nm bis sie angedreht werden auf 280 Nm.</li>
</ol>5. füllen den Druckbehälter
<ol><li>Nun, dass der Druckbehälter versiegelt ist, verbinden Sie die Gasarmaturen im Autoklaven Deckel und spülen Sie die Druckbehälter mit niedrigem Druck (~0.55 MPa) Argon-Gas für ca. 1 h bis 10 ppm mit einem Sauerstoffsensor ausgelotet in der Sauerstoffgehalt des Schiffes unterschreitet die Ausgabe des Druckbehälters.</li>
	<li>Langsam (< 0,25 MPa/s) Spülen Sie das Gefäß mit Wasserstoffgas bis 6,9 MPa, dann langsam das Gas auf den atmosphärischen Druck zu entlüften. Wiederholen Sie den Spülvorgang noch zweimal.</li>
	<li>Nach dem Spülen des Druckbehälters langsam (< 0,25 MPa/s) füllen Sie den Druckbehälter mit Wasserstoffgas bis zu 13,75 MPa und lassen Sie das Schiff für 10 min. ruhen, so dass die Temperatur des Gases innerhalb des Schiffes auf Raumtemperatur gestalten.</li>
	<li>Befüllen Sie den Behälter auf 20,7 MPa und warten Sie weitere 10 Minuten.</li>
	<li>Bringen Sie das Schiff bis zu dem Ziel 27,6 MPa und schließen Sie alle Ventile ausgeschaltet.</li>
	<li>Lassen Sie die Polymer-Probe für mindestens 12 h in das Wasserstoffgas einweichen, bevor Sie beginnen das Experiment, um vollständige Durchdringung zu ermöglichen.</li>
</ol>6. Durchführung des Experiments
<ol><li>Überprüfen, die die Pass-Through-Kabel aus dem Druckbehälter der gekennzeichneten Kabelbaum angeschlossen an die Steuereinheit Tribometer korrekt verbunden sind, und schalten Sie dann die Tribometer.</li>
	<li>In der Tribometer stellen Software Experiment 1 Stunde bei 0,1 cm/s Geschwindigkeit mit einer Weglänge von 0,140 cm. Dies entspricht einer Entfernung von ca. 3,5 m.</li>
	<li>Tarieren Sie die Wägezelle, und sicherzustellen Sie, dass die LVDT eine geeignete Tiefe in der Tribometer Software meldet die in der Nähe von 0 mm sein sollte.</li>
	<li>Das Experiment zu starten.</li>
</ol>7. Post-Experiment
<ol><li>Nach Abschluss des Experiments langsam Entlüften des Druckbehälters Wasserstoffgas bei ca. 0,35 MPa/s, um sicherzustellen, dass der Druck Behälter Temperatur nicht unter 0 ° c sinkt</li>
	<li>Zu guter Letzt spülen Sie Druck-Behälter-Volumen mit Argon-Gas mit atmosphärischem Druck für 10 Minuten, um sicherzustellen, dass es keine verbleibenden Wasserstoff innerhalb des Schiffes.</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Aktuellen ex-Situ -Techniken für tribologische Prüfung von Polymerwerkstoffen erfordern Proben Hochdruck-Wasserstoff ausgesetzt werden, bevor er dann drucklos sind, mit einem kommerziellen Tribometer getestet. 15 , 24 , 25 die Testmethodik in diesem Protokoll wurde entwickelt, um Tests der tribologischen Eigenschaften der Polymerproben in einem Hochdruck-Umgebung in Situzu ermöglichen. Durch die Prüfung Polymer...

In den letzten Jahren gab es großes Interesse an Wasserstoff als ein Potenzial Null-Emission oder nahe Null Emission Kraftstoff in Fahrzeugen und stationären Stromquellen. Da Wasserstoff als Gas bei Raumtemperatur niedriger Dichte vorhanden ist, verwenden die meisten Anwendungen irgendeine Form von komprimiertem Wasserstoff als Brennstoff. 1 , Ein potenzieller Nachteil der Verwendung von komprimiert, Hochdruck-Wasserstoff-Gas 2ist Inkompatibilität mit vielen Materialien innerhalb Infrastruktur2,3,4 und Fahrzeugverkehr Anwendungen5 gefunden wo Kompatibilitätsprobleme sind kombiniert mit wiederholten Druck und Temperatur Radfahren. Eine reinen Wasserstoff-Umgebung ist bekanntermaßen Metallkomponenten einschließlich bestimmter Stähle zu beschädigen und Titan durch verschiedene Mechanismen, einschließlich Hydrid Bildung, Schwellung, Blasenbildung und Versprödung der Oberfläche. 2 , 6 , 7 , 8 nicht-metallische Komponenten wie Lead Zirconate Titanat (PZT) verwendet in Piezokeramik haben auch anfällig für Degradation durch Wasserstoff Inkompatibilität Effekt wie Oberfläche Blasenbildung und Blei Migration bewiesen. 9 , 10 , 11 , 12 während diese Beispiele für Schäden, die durch Wasserstoff Exposition bisher untersucht worden sind, ist die Kompatibilität der Polymerkomponenten in Wasserstoff-Umgebungen erst vor kurzem von Interesse geworden. 13 , 14 , 15 , 16 Dies ist weitgehend eine Folge der metallischen Komponenten bietet strukturelle Integrität in Kern- und Öl- und Gas-Anwendungen, während die Polymerkomponenten in der Regel als Barrieren oder Dichtungen handeln. 17 , 18 , 19 , 20 Ventil dadurch die Reibung und Verschleiß Eigenschaften von Polymerwerkstoffen innerhalb von Komponenten wie Polytetrafluorethylen (PTFE) Sitze und Nitril Butadien-Kautschuk (NBR) O-Ringe werden wichtige Faktoren in ihre Funktionsfähigkeit.
Im Falle der Wasserstoff-Infrastruktur enthalten Komponenten wie Ventile, Kompressoren und Lagertanks Polymermaterialien, die in Kontakt mit metallischen Oberflächen. Die kraftschlüssige Wechselwirkung zwischen Polymer und metallischen Oberflächen führt zu Verschleiß aller Oberflächen. Tribologie ist die Wissenschaft von der Beziehung zwischen Reibung und Verschleiß von zwei wechselwirkenden Oberflächen bekannt. Polymere sind in der Regel niedriger elastischen Moduli und Festigkeit als metallische haben, daher die tribologischen Eigenschaften polymerer Werkstoffe unterscheiden sich stark von metallischen Werkstoffen. Infolgedessen tendenziell Polymeroberflächen höheren Verschleiß und Schäden nach Reibungskontakt mit einer metallischen Oberfläche aufweisen. 21 , 22 in einer Wasserstoff-Infrastruktur Anwendung, schnellen Druck und Temperaturwechsel Ursachen wiederholte Wechselwirkung zwischen Polymer und metallischen Oberflächen, erhöht die Wahrscheinlichkeit von Reibung und Verschleiß an die Polymerkomponente. Quantifizierung dieser Schaden kann ex-Situ aufgrund möglich explosive Dekompression der Polymer-Probe nach Druckentlastung schwierig sein die nicht tribologischen Schäden verursachen kann. 23 darüber hinaus enthalten viele kommerzielle Polymerprodukte viele Füll- und Zusatzstoffen wie Magnesiumoxid (MgO), die negativ mit Wasserstoffgas durch Hydriding, noch komplizierter wird ex-Situ -Analyse der Verschleiß in diesen interagieren kann Materialien. 24 , 25
Aufgrund der Komplexität der Unterscheidung zwischen Schäden an, die bei Druckentlastung und Schäden durch tribologische Verschleiß ex-SituPolymer-Material gibt es eine Notwendigkeit, die Reibeigenschaften von nichtmetallischen Werkstoffen an Ort und Stelle direkt zu studieren in einem Hochdruck-Wasserstoff-Umfeld, die wahrscheinlich innerhalb der Wasserstoff-Lieferung-Infrastruktur vorhanden ist. In diesem Protokoll zeigen wir einen Test Methodik entwickelt, um die Reibung zu quantifizieren und Eigenschaften von Polymerwerkstoffen in einer Hochdruck-Wasserstoff-Umgebung mit Hilfe einer speziell angefertigten in Situ -Tribometer tragen. 26 wir präsentieren auch repräsentative Daten erworben mit der in Situ -Tribometer und Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, einen gemeinsamen Polymer Versiegelung und Barrierematerial. Das EPDM-Material für das repräsentativen Daten generiert wurde unter Verwendung des Protokolls unten wurde mit einer 0,3175 cm Dicke im quadratischen Blatt 60,96 cm gekauft und wurde vom Hersteller mit einem 60A Härte Rating berichtet.

<table><tbody><tr><td>EPDM Polymer Lagerblatt</td><td>McMaster-Carr</td><td>8525T68</td><td>24" x 24", 1/8" dickes</td></tr><tr><td>Druckgefäß, Autoklav</td><td>Fluitron Inc.</td><td>8308-1788-U</td><td>5" Durchmesser, 1' Höhe</td></tr><tr><td>Hochreines Wasserstoffgas</td><td>Praxair</td><td>HY4.5</td><td>Klasse 4.5, 5 ppm O2, 5 ppm H20</td></tr><tr><td>O2 Sensor</td><td>Advanced Micro Instruments</td><td>T2</td><td>0-5 ppm min. Bereich, max. 10.0000 ppm</td></tr><tr><td>Vorgereinigtes Argongas</td><td>Oxarc</td><td>LCCO-HP818</td><td>Hochreines, 99,998%</td></tr><tr><td>iges flüssiges Geschirrspülmittel</td><td>McMaster-Carr</td><td>98365T89</td><td>32 oz Gießflasche, nach Zitrone duftender</td></tr><tr><td>schimmelresistenter Schwamm</td><td>McMaster-Carr</td><td>7309T1</td><td>6" lang x 3 -1/2" breit x 1" hoch, gelbes</td></tr><tr><td>PTFE-Rohrgewinde-Dichtband</td><td>McMaster-Carr</td><td>4591K12</td><td>1/2" breit, weiß Farbe</td></tr><tr><td>Gasrohrverschraubungen</td><td>Swagelok</td><td>SS-400-1-4</td><td>1/4" OD, Edelstahl, Außengewinde NPT Gewinde</td></tr><tr><td>Hammer Driven Matrize</td><td>McMaster-Carr</td><td>3427A22</td><td>7/8" Hammer Driven Hole Punch</td></tr><tr><td>Linear Variable Differential Transformer</td><td>Omega</td><td>LD320-2.5&nbsp;</td><td>2,5 mm, AC-Ausgang, geführt mit Feder</td></tr><tr><td>O-Ring-Dichtung für Autoklaven</td><td>Fluitron Inc.</td><td>A-4511</td><td>Hastelloy C-276, 5-3/4" AD x 5" ID x 3/8"</td></tr> <tr><td>Drehmomentschlüssel</td><td>McMaster-Carr</td><td>85555A422</td><td>Einstellbarer Drehmoment-Begrenzungsschlüssel, Schnellspanner, 1/2" Vierkantantrieb, 50-250 ft.-lbs. Torque</td></tr><tr><td>Mallet</td><td>McMaster-Carr</td><td>5939A11</td><td>Hart- und Extraharter Gummihammer, 2-1/4 lbs.</td></tr><tr><td>iLoad Mini Kapazitiver Lastsensor</td><td>Loadstar Sensoren</td><td>MFM-050-050-S*C03</td><td>50 lb, U-Kalibrierung, 0,5 % Genauigkeit, Stahl</td></tr></tbody></table>

in situ hochdruck-wasserstoff tribologischen tests der gemeinsamen polymerwerkstoffe in lieferung wasserstoffinfrastruktur

In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

Hochdruck-Wasserstoff-Gas ist bekannt, metallische Komponenten von Kompressoren, Ventile, Schläuche und Aktoren beeinträchtigen. Jedoch ist relativ wenig bekannt über die Auswirkungen von Hochdruck-Wasserstoff auf die Abdichtung und Barriere Polymermaterialien auch innerhalb dieser Komponenten gefunden. Weitere Studie ist erforderlich, um die Kompatibilität gemeinsamer polymerer Werkstoffe in die Komponenten mit hohem Druck Wasserstoff Kraftstoff Lieferung Wasserstoffinfrastruktur gefunden. Infolgedessen ist es wichtig, zu prüfen, die Änderungen in den physikalischen Eigenschaften wie Reibung und in Situ zu tragen, während das Polymer Hochdruck-Wasserstoff ausgesetzt ist. In diesem Protokoll wir stellen eine Methode zur Prüfung der Reibung und Verschleißeigenschaften von Ethylen Propylen Dien Monomer (EPDM) Elastomer Proben in einer 28 MPa Hochdruck-Wasserstoff-Umgebung mit ein Custom-Built in Situ Pin auf flachen linearen erwidern Tribometer. Repräsentative Ergebnisse aus diesen Tests sind vorgestellt, die zeigen, dass der Reibungskoeffizient zwischen der EPDM-Probe-Coupon und Stahl Gegenfläche in Hochdruck-Wasserstoff im Vergleich zu den Reibungskoeffizienten in ähnlicher Weise gemessen erhöht wird Umgebungsluft.

Mit Hilfe der Methodik vorgestellt, kann der Koeffizient kinetische Reibung und Verschleiß Faktor für eine Elastomere Probe in einer Hochdruck-Wasserstoff-Umgebung gemessen werden. Die repräsentativen Daten in Abbildung 1 zeigen, dass in einer Hochdruck-Wasserstoff-Umgebung größerer Kraft EPDM Polymerproben unter den Stahl Gegenfläche bewegen muss. Unter Zugrundelegung der Beziehung zwischen der normalen Kraft FN und die Reibungskraft FK...

Eine Test-Methodik zur Quantifizierung der tribologischer Eigenschaften von Polymeren in Wasserstoff-Infrastruktur-Dienst verwendet wird demonstriert und Merkmalsergebnisse für eine gemeinsame Elastomer werden diskutiert.

In Situ Hochdruck-Wasserstoff tribologischen Tests der gemeinsamen Polymerwerkstoffe in Lieferung Wasserstoffinfrastruktur

High pressure hydrogen gas is known to adversely affect metallic components of compressors, valves, hoses, and actuators. However, relatively little is ...

Wasserstoffgas ist ein vielversprechender potenzieller Kraftstoff für den Einsatz in nahezu emissionsfreien Fahrzeugen. Um die Wasserstoffwirtschaft zu realisieren, wird eine Betankungsinfrastruktur benötigt. Zu den typischen Komponenten in der Infrastruktur gehören Kompressoren, Aktuatoren, Ventile, Regler und Schläuche.Viele von ihnen enthalten eine Kombination aus Metall- und Polymermaterialien. Während die Mehrheit der in diesen Komponenten verwendeten Metalle intensiv auf ihre Verträglichkeit und Hochdruckwasserstoffumgebungen untersucht wurde, gab es relativ wenig Arbeit, um die Auswirkungen von Hochdruckwasserstoff auf die Polymerkompatibilität zu untersuchen. Die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Polymeren unter hohem Druck Wasserstoff sind potenziell sehr wichtig für das Verständnis bei der Konstruktion dynamischer Dichtungen und Komponenten.Die Auswirkungen von Wasserstoff können aufgrund der geringeren Dichte und Anfälligkeit eines Polymers für die Diffusion kleiner Moleküle größer sein als die von Metallen. In diesem Video beschreiben wir eine In-situ-Testmethodik, die wir entwickelt haben, um die Verschleiß- und Reibungseigenschaften von Polymeren unter hohem Druck mit Wasserstoffgas bis zu 4000 psi zu messen. Ein Hinweis zur Warnung.Dieses Experiment erfordert den Einsatz von Wasserstoffgas unter hohem Druck und erfordert äußerste Vorsicht. Wasserstoffgas ist geruchlos, farblos und daher für die menschlichen Sinne nicht wahrnehmbar. Wasserstoff ist leicht entzündlich und verbrennt mit einer nahezu unsichtbaren blauen Flamme und kann in Gegenwart von Sauerstoff explosive Gemische bilden.Hohe Drücke von mehr als 1.000 psi stellen zusätzliche Explosionsgefahren dar, die in Vorbereitung auf alle Tests angemessen eingeplant werden müssen. Diese Menge an gespeicherter Energie stellt ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Daher müssen vor Beginn eines solchen Versuchs eine Sorgfaltspflicht, Planung und Sicherheitsbewertung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass diese Gefahren gemindert werden.Das hier vorgestellte Experiment wird in Übereinstimmung mit den entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen in einem ASME-zertifizierten Druckbehälter mit einer auf 5.000 psi eingestellten Berstscheibe mit ordnungsgemäßer Belüftung durchgeführt. Um die Reibung und den Verschleiß der Elastomere in einer Hochdruck-Wasserstoffumgebung zu analysieren, haben wir ein einzigartiges In-situ-Tribometer entwickelt, das in einem abgedichteten Druckbehälter bei 4.000 psi betrieben werden kann. Das Tribometer misst die In-situ-Reibungskraft, die erforderlich ist, um die Elastomerprobe in einer linearen reziproken Weise gegen einen vertikal belasteten Stahlstift in Kontakt mit der Probe zu bewegen.Zusätzlich misst ein linearer variabler Differentialtransformator (LVDT) das Ausmaß des In-situ-Eindrucks der Stahlkugel in die Polymeroberfläche während des Tests. Zur Vorbereitung der Elastomerproben reinigen wir die Polymerplatte, indem wir Öle und Talkumpulver entfernen, die während des Herstellungsprozesses aufgetragen wurden. Waschen Sie dann die Polymerplatte mit Wasser und Seife mit einem nicht scheuernden Schwamm.Um das restliche Wasser aus dem Waschprozess zu entfernen, trocknen Sie den Polymerstreifen in einem Trockenofen, der ca. 72 Stunden lang auf ca. 85 % der maximalen Arbeitstemperatur des Materials eingestellt ist. Lassen Sie die Probe dann auf Raumtemperatur abkühlen. Lagern Sie die gewaschenen und getrockneten Polymerstreifen vor der tribologischen Prüfung in einer feuchtigkeitskontrollierten Umgebung nahe 25 % relativer Luftfeuchtigkeit.Nachdem der Polymerstreifen vorbereitet ist, markieren Sie mit puderfreien Handschuhen ein Ende des Polymerstreifens mit einem einseitigen Pfeil. Mache in einem Raum, der etwa einen Zoll von der ersten Markierung entfernt ist, einen zweiten Pfeil in die gleiche Richtung wie der erste. Diese Markierungen sorgen für eine gleichmäßige Ausrichtung der Probe während des Einbettungsprozesses.Platzieren Sie nun einen 7/8 Zoll kreisförmigen Farbstoff um den zweiten Pfeil und schneiden Sie mit dem Farbstoff einen Probencoupon aus dem Polymerstreifen aus. Lösen Sie die Sechskantschrauben und befestigen Sie die Probenklemme am In-situ-Tribometer. Entfernen Sie die Schraube und die Präzisionsfeder aus der nahen Ecke der Probenklemme.Achten Sie darauf, dass der auf dem Probenschein markierte Pfeil auf die Rückseite des In-situ-Tribometers zeigt, und schieben Sie den Probenschein in die Probenklemme. Setzen Sie die Präzisionsfeder und die Sechskantschraube wieder in den nahen Eckschlitz ein. Setzen Sie einen 0,113-Zoll-Endmaß in den Spalt zwischen der Ober- und Unterseite der Probenklemme ein und ziehen Sie die Sechskantschrauben fest, bis die Klemme um den Messblock angezogen ist, um eine 10%ige Kompression der Probe mit dem Endmaß zu gewährleisten.Nachdem Sie sichergestellt haben, dass das Tribometer ausgeschaltet ist, platzieren Sie zum Festlegen der Ausgangsposition des Probentisches einen 0,95-Zoll-Endmaßblock entlang der Wand des In-situ-Tribometers unter der Antriebsschraube. Schieben Sie den Probentisch mit der Antriebskette entlang der Antriebsschraube zurück, bis der Tisch eng mit dem Endmaß anliegt. Um das In-situ-Tribometer für das Experiment vorzubereiten, reinigen Sie zunächst die Oberfläche der Stahlkugel mit einem weichen Tuch und einem geeigneten und geeigneten Lösungsmittel, in diesem Fall Aceton, um einen möglichen Polymertransferfilm von der Kugel zu entfernen.Schieben Sie den Bronzekugelträger senkrecht zum Probenschlitten auf die Schiene, so dass die Gegenkugel in das Schlüsselloch gleitet und auf der Polymerprobe aufliegt. Platzieren Sie das stationäre Kupfergewicht auf dem Bronzeträger. Befestigen Sie den LVDT-Messarm mit einem Inbusschlüssel und zwei Bronzeschrauben wieder auf dem Bronzeträger, so dass der frei schwebende Zylinder des LVDT auf dem Arm aufliegt.Stellen Sie die Klemme, mit der das LVDT an Ort und Stelle hält, so ein, dass das LVDT nahe am Nullpunkt misst. Senken Sie die Tribometerbaugruppe in den Druckbehälter ab und stellen Sie sicher, dass sich die thermische Vertiefung am oberen Flansch des Behälters in den Spalt zwischen dem Tribometer und der Behälterwand absenkt. Wickeln Sie den Hastelloy-O-Ring mit zweieinhalb Lagen PTFE-Band ein und platzieren Sie den O-Ring in der Nut in der Lippe des Druckbehälters.Schließen Sie die fünf Stromkabel für den Tribometermotor, die vier Datenkabel für die Wägezelle und die fünf Datenkabel für den LVDT wieder an. Um den Druckbehälter abzudichten, senken Sie nun den oberen Flansch des Druckbehälters ab, um ihn zu schließen, und achten Sie darauf, den Deckel vorsichtig auf den PTFE-umwickelten O-Ring abzusenken. Achten Sie beim Absenken auf die Position der Daten- und Stromkabel, damit sie nicht zwischen dem Deckel und dem Objektivring eingeklemmt werden.Stecken Sie die Schrauben in aufsteigender Reihenfolge in die nummerierten Löcher am oberen Flansch, bis sie fingerfest sind. Mit einem Inbusschlüssel die Flanschschrauben in aufsteigender Reihenfolge anziehen und wiederholen, bis die Schrauben nicht mehr festgezogen werden können. Beginnen Sie bei 90 Fuß Pfund und steigen Sie in Schritten von dreißig Fuß Pfund, verwenden Sie einen Drehmomentschlüssel, um die Flanschschrauben in aufsteigender Reihenfolge anzuziehen, bis sie auf 200 Fuß Pfund angezogen sind.Dieser Teil des Experiments erfordert den Einsatz von Hochdruckwasserstoff. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass bei der Verwendung von brennbarem Gas und Hochdruckgas die vollständige Sicherheitsbewertung und die entsprechenden Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden. Schließen Sie die Swagelok-Gasarmaturen an den Autoklavendeckel an und spülen Sie den Druckbehälter etwa eine Stunde lang mit niedrigem Druck von etwa 80 psi Argongas, bis der Sauerstoffgehalt des Behälters unter 10 ppm fällt.Sobald der Sauerstoffgehalt sicher ist, spülen Sie das Gefäß langsam mit weniger als 40 psi pro Sekunde mit 99,995 % reinem Wasserstoffgas auf bis zu 1000 psi und lassen Sie das Gas dann langsam ab. Wiederholen Sie den Spülvorgang noch zwei weitere Male. Füllen Sie den Druckbehälter nach dem Spülen des Druckbehälters langsam mit Wasserstoffgas bis zu 2.000 psi und lassen Sie den Behälter 10 Minuten ruhen, so dass sich die Temperatur des Gases im Behälter auf Raumtemperatur ausgleicht.Füllen Sie das Gefäß weiter mit Hochdruck-Wasserstoffgas, diesmal bis zu 3.000 psi, und warten Sie dann weitere 10 Minuten. Bringen Sie das Gefäß schließlich mit Wasserstoffgas auf den Zielwert von 4.000 psi und schließen Sie alle Ventile. Lassen Sie die Polymerprobe etwa 12 Stunden lang im Wasserstoffgas einweichen, bevor Sie mit dem Experiment beginnen.Das Experiment wird für eine Stunde linearer Bewegung durchgeführt, was 120 linearen reziproken Zyklen des Probentisches entspricht. Während des Experiments misst die Wägezelle die Kraft, die erforderlich ist, um die Oberfläche des Elastomer-Probencoupons über die geladene Stahlkugel zu schieben. Zusätzlich misst das LVDT die Eindringtiefe der Stahlkugel in die Elastomerprobe in Abhängigkeit von der Zeit.Sobald das Experiment abgeschlossen ist, wird das System langsam mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50 psi pro Sekunde drucklosgemacht, um eine mögliche explosive Dekompression und dadurch eine Beschädigung der Polymerprobenoberfläche zu verhindern, die nicht repräsentativ für Reibungs- oder Verschleißmechanismen ist. Aus der von der Wägezelle gemessenen Reibungskraft, die als F von k bezeichnet wird, und der von der Stahlkugel ausgeübten Normalkraft, F von n, kann der kinetische Reibungskoeffizient mu berechnet werden. Anhand der LVDT-Eindringtiefe x sowie des Drucks, des Volumens und der Zeit kann der Verschleißfaktor, also die Verschleißfestigkeit des Materials, berechnet werden.Diese Diagramme enthalten repräsentative Daten, die mit der in diesem Video beschriebenen Testmethodik gesammelt wurden, während EPDM-Gummi und Hochdruckwasserstoffgas (die blauen Daten) und Umgebungsluft (schwarze Daten) getestet wurden. In dem hier gezeigten Datensatz war der Reibungskoeffizient für die Stahlkugel auf der EPDM-Polymerprobe in Hochdruck-Wasserstoffgas im Vergleich zur Umgebungsluft erhöht. Die Verschleißfestigkeit der EPDM-Probe war jedoch bei Hochdruckwasserstoff geringer als bei Umgebungsdruckluft.Dies ist höchstwahrscheinlich auf die erhöhte Dichte der unter Druck stehenden Proben zurückzuführen. Die Infrastruktur für die Lieferung von Wasserstoffkraftstoffen wird schnell erweitert, um den Anforderungen neuer Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen gerecht zu werden. Die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser Infrastruktur wird vom Verständnis der Kompatibilität von weichem Material mit Hochdruckwasserstoff abhängen.Hier haben wir eine Testmethodik zur Messung der tribologischen Eigenschaften von Polymermaterialien in einer Hochdruck-Wasserstoffumgebung mit einem einzigartigen In-situ-Tribometer demonstriert. Diese Testmethodik kann verwendet werden, um die Eignung von Polymermaterialien für den Einsatz in der Wasserstoffinfrastruktur zu bewerten.

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