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

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.