Un abonnement JoVE est requis pour visualiser ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre période d'essai gratuite.

Article de méthode

In Situ Haute pression hydrogène tribologique, essais des matériaux polymères communs utilisés dans l’Infrastructure de prestation d’hydrogène

7.4K vues

⸱

DOI :

10.3791/56884

⸱

31 mars 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Energy and Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory

Dans cet article

Résumé

Une méthodologie de test pour quantifier les propriétés tribologiques des polymères utilisés dans le service d’infrastructure de l’hydrogène est démontrée et on discute des résultats caractéristiques d’un élastomère commun.

Résumé

Gaz d’hydrogène à haute pression est connu pour affecter les composants métalliques de compresseurs, vannes, tuyaux et actionneurs. Toutefois, relativement peu est connu sur les effets de l’hydrogène à haute pression sur les matériaux d’étanchéité et barrière de polymère trouvés également au sein de ces composants. Étude plus approfondie est nécessaire afin de déterminer la compatibilité des matériaux polymères communs trouvés dans les composants de l’infrastructure de livraison de carburant d’hydrogène avec de l’hydrogène à haute pression. En conséquence, il est important d’examiner les modifications des propriétés physiques comme la friction et porter sur place alors que le polymère est exposé à l’hydrogène à haute pression. Dans ce protocole, nous présentons une méthode pour tester la friction et porter des propriétés des échantillons d’élastomère éthylène propylène diène monomère (EPDM) dans un environnement 28 de hydrogène à haute pression de MPa en utilisant un custom-built in situ pin-on-flat linéaire alternatif tribomètre. Des résultats représentatifs de ce test sont présentés qui indiquent que le coefficient de frottement entre l’EPDM échantillon coupon et la surface du comptoir en acier est augmentée dans l’hydrogène à haute pression contre le coefficient de frottement, elle est mesurée en air ambiant.

Introduction

Ces dernières années, il a été beaucoup d’intérêt dans l’hydrogène comme une émission potentiel zéro ou carburant des émissions proches de zéro dans les véhicules et les sources d’alimentation stationnaires. Étant donné que l’hydrogène existe sous forme d’un gaz de densité faible à température ambiante, la plupart des applications utilisent une forme quelconque de l’hydrogène comprimé pour le carburant. 1 , 2 un inconvénient potentiel de l’utilisation de comprimé, gaz d’hydrogène à haute pression est incompatibilité avec beaucoup de matériaux trouvés dans les infrastructures2,3,4 et applications véhiculaires5 où problèmes de compatibilité sont combinés avec des pressions répétées et température cyclisme. Un environnement d’hydrogène pur est connu pour endommager des composants métalliques, y compris certains aciers et titane par différents mécanismes, y compris la formation de l’hydrure, gonflement, surface de cloquage et fragilisation. 2 , 6 , 7 , Composants de 8 Non métalliques tels que plomb zirconate titanate (PZT) utilisé dans les céramiques piézoélectriques se sont également révélés sensibles à la dégradation due à l’effet incompatibilité d’hydrogène comme surface de cloquage et de migration de plomb. 9 , 10 , 11 , 12 alors que ces exemples de dommages dus à l’exposition d’hydrogène ont été étudiés précédemment, la compatibilité des composants polymères dans les environnements de l’hydrogène est devenu que récemment d’intérêt. 13 , 14 , 15 , 16 c’est en grande partie un résultat de composants métalliques offrant intégrité structurale dans le nucléaire et les applications de pétrole et de gaz, tandis que les composants de polymère agissent habituellement comme des obstacles ou des joints. 17 , 18 , 19 , 20 en conséquence, les propriétés de frottement et l’usure des matériaux polymères au sein des composants tels que le polytétrafluoroéthylène (PTFE) sièges et soupapes nitrile butadiène en caoutchouc (NBR) joints toriques devenus des facteurs importants dans leur capacité de fonctionner.

Dans le cas de l’infrastructure de l’hydrogène, les composants tels que vannes, compresseurs et réservoirs de stockage contiennent des matériaux polymères qui sont en contact avec les surfaces métalliques. L’interaction de frottement entre le polymère et les surfaces métalliques se traduit par une usure de chacune des surfaces. La science de la relation entre le frottement et l’usure de deux surfaces d’interactions est connue comme la tribologie. Polymères ont tendance à être inférieurs d’élasticité et de résistance que métalliques, donc les propriétés tribologiques de matériaux polymères diffèrent grandement des matériaux métalliques. Ainsi, les surfaces polymères ont tendance à exposer une plus grande usure et dommages après frottement contact avec une surface métallique. 21 , 22 dans une demande d’infrastructure de l’hydrogène, le rapide de la pression et la température cyclisme causes répétées interaction entre les polymères et les surfaces métalliques, augmente le risque de frottement et l’usure le composant polymère. Peut être difficile de quantifier ce dommage ex situ en raison de la possible décompression explosive de l’échantillon de polymère après dépressurisation qui peut causer des dommages non-tribologiques. 23 en outre, beaucoup de produits commerciaux polymères contiennent beaucoup de charges et d’additifs tels que l’oxyde de magnésium (MgO) qui peuvent interagir négativement avec l’hydrogène gazeux à travers hydriding, ce qui complique ex-situ analyse d’usure dans ces matériaux. 24 , 25

En raison de la complexité de différencier les dommages au matériel polymère causé pendant la dépressurisation et dommages causés par l’usure tribologiques ex-situ, il est nécessaire d’étudier directement les propriétés de frottement de matériaux non métalliques in situ dans un environnement à haute pression d’hydrogène susceptibles d’exister au sein de l’infrastructure de prestation d’hydrogène. Dans ce protocole, nous démontrons un test de la méthodologie développée pour quantifier le frottement et usure des propriétés des matériaux polymères dans un environnement à haute pression d’hydrogène utilisant un tribomètre construite à cet effet sur place . 26 nous présentons aussi des données représentatives acquises à l’aide de la tribomètre in situ et caoutchouc éthylène propylène diène monomère (EPDM), une commune Joint polymère et matériau barrière. Le matériau EPDM pour lequel représentant données ont été générées en utilisant le protocole ci-dessous a été achetée en feuilles de forme carrée de 60,96 cm avec une épaisseur de 0,3175 cm et a été signalé par le vendeur pour avoir un indice de dureté de 60 a.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Protocole

L’expérience décrite ici nécessite l’utilisation d’hydrogène gazeux, qui est inodore, incolore et donc indétectable par les sens humains. L’hydrogène est hautement inflammable et brûle avec un bleu presque invisible flamme et peut former des mélanges explosifs en présence d’oxygène. Haute pression supérieure à 6,9 MPa ajoute les risques d’explosion supplémentaire qui doivent être planifiés de manière appropriée pour en préparation pour les tests. Cette quantité d’énergie stockée représente un danger sérieux pour la sécurité et donc due diligence, une planification et une sécurité évaluation doit être effectuée avant de procéder à une telle expérience pour s’assurer que ces risques sont atténués. L’expérience présentée ici est effectuée conformément aux précautions de sécurité appropriées dans un appareil à pression certifié American Society of Mechanical Engineers (ASME) avec un disque de rupture la valeur 34,5 MPa avec une ventilation adéquate.

1. préparer le Stock de feuille de polymère

  1. Appliquer le détergent pour le stock de feuille de polymère EPDM à l’aide d’une éponge non abrasive et rincer sous l’eau pendant environ 3 min enlever huiles et talc poudre appliquée au cours de la fabrication et le processus de livraison.
  2. Feuille de polymère dans une étuve à 85 % de la température du matériau, environ 75 ° C pour l’EPDM, laisser sécher pendant environ 72 heures à conduire du tout restant de l’eau de lavage.
  3. Éteindre le four et laisser matériel polymère feuille refroidir à température ambiante à l’intérieur du four.
  4. Marquer un coin de la crosse de la feuille avec une flèche pointant vers le haut de la feuille de polymère. Cette flèche aidera à déterminer l’orientation de la feuille lors de la génération de coupon d’échantillon, s’assurer que les échantillons prélevés à la feuille de polymère sera toujours de la même orientation.
  5. Stocker le stock feuille de polymère dans une température ambiante, humidité contrôlée environnement près de 25 % d’humidité relative avant les essais tribologiques.

2. production et montage échantillon Coupons

  1. Si vous portez la poudre libre gants, marquer le stock de feuille de polymère avec une flèche dans la zone de coupon prévu près de la flèche marquée au cours de la préparation de l’action de feuille de polymère tel que les deux flèches ont la même orientation.
  2. En utilisant un moule circulaire de 2,222 cm de diamètre et d’un maillet, éradiquer un bon échantillon autour de la barre de flèche.
  3. Desserrer les vis hexagonale fixant la pince de l’échantillon sur le tribomètre in situ , enlever la vis à tête hexagonale et la précision du printemps du coin plus facilement accessible de l’étau de l’échantillon.
  4. Diapositive échantillon coupon dans mors de l’échantillon, en prenant soin de s’assurer que l’échantillon est orientée avec la flèche fait face vers le bas et vers l’arrière de la pince du côté le plus proche de la plaque arrière de la tribomètre.
  5. Remplacer le ressort de précision vis hexagonale dans le coin vide de l’échantillon le fixer et procéder à la main serrer tous les quatre des vis d’assemblage du collier telle que l’échantillon de l’élastomère est compressé de 10 % de sa hauteur d’origine. En supposant une taille d’échantillon 0,318 cm, compression de 10 % est possible en utilisant un bloc de jauge de 0,287 cm entre les deux plaques de la pince.

3. préparer la tribomètre In Situ

  1. Place un 2,413 cm calibre cale entre le mur de la tribomètre et le traîneau de l’échantillon, à l’aplomb de la vis d’entraînement. Assurez-vous que la zone de collecte de données est désactivée, puis tourner la chaîne d’entraînement dans un mouvement vers la droite vers l’arrière le traîneau de l’échantillon telle que le bord du traîneau est 2,413 cm du mur tribomètre.
  2. Essuyez délicatement la bille d’acier de la surface de comptoir avec un chiffon doux ou une serviette en papier sans charpie et un solvant approprié, tels que l’acétone pendant environ 30 secondes jusqu'à ce que la surface de la surface du comptoir apparaisse libre de tout débris.
  3. Faites glisser le support surface compteur bronze et bronze poids, une charge normale totale de 7,5 N, sur le rail perpendiculaire à la luge d’échantillon, ce qui permet à la balle de compteur glisser entre dans le trou de la serrure et se reposer sur l’échantillon de polymère.
  4. À l’aide d’une clé hexagonale et deux vis bronze, rattacher le bras de mesure de transformateur différentiel à variable linéaire (LVDT) au titulaire bronze comptoir surface telle que le cylindre flottant librement de la LVDT repose sur le bras.
  5. Mettre le clamp brandissant le LVDT en place ou vers le bas tel que le LVDT est mesurant près de son point zéro puis serrer le collier pour garantir le LVDT en place.
  6. Abaisser l’Assemblée tribomètre dans la cuve sous pression, veiller à ce que le doigt de gant dans le rebord supérieur du bateau fera baisser dans l’écart entre le tribomètre et la paroi du vaisseau.
  7. Envelopper l’étanchéité joint torique avec un total de deux couches de ruban PTFE. Ceci est accompli en enroulant la bande PTFE telle que chaque enveloppe supplémentaire recouvre environ la moitié du tour instance jusqu'à deux fois autour du diamètre du joint torique. Puis enveloppez le diamètre du joint torique une dernière fois sans aucun chevauchement. Une fois que le joint torique est encapsulé, placez-le dans l’encoche dans le rebord de la cuve sous pression.
  8. Prenant en compte les étiquettes de câblage, rebrancher les fils de cinq alimentation pour le moteur tribomètre, quatre câbles de données pour la cellule de pesage et cinq câbles de données pour le LVDT.

4. étanchéité du récipient à pression

  1. Abaisser le rebord supérieur de la cuve sous pression pour le fermer, en prenant soin de baisser la bride supérieure doucement sur le PTFE encapsulée joint torique d’étanchéité.
  2. Insérez les boulons dans les trous numérotés sur la bride supérieure indiquée par le fabricant dans l’ordre croissant jusqu'à ce qu’ils soient en serrant.
  3. À l’aide d’une clé hexagonale manuelle, serrez les boulons de la bride dans l’ordre croissant à main serré et répétez jusqu'à ce que les boulons peuvent ne plus être serrées.
  4. À partir de 120 Nm et augmente par incréments ~ 40 Nm, utiliser une clé dynamométrique au couple de serrage des boulons de la bride dans l’ordre croissant pour chaque incrément de ~ 40 Nm jusqu'à ce qu’ils sont serrés à 280 Nm.

5. remplissage du récipient à pression

  1. Maintenant que le navire de pression est scellé, les raccords de gaz au couvercle autoclave et rincer la cuve sous pression avec le gaz argon basse pression (~0.55 MPa) pendant environ 1 h jusqu'à ce que la teneur en oxygène du navire est inférieure à 10 ppm à l’aide d’une sonde à oxygène sondée dans la sortie de la cuve sous pression.
  2. Lentement (< 0,25 MPa/s) rincer le réservoir avec du gaz d’hydrogène jusqu'à 6,9 MPa, puis écouler lentement le gaz à la pression atmosphérique. Répétez le processus de purge deux fois plus.
  3. Après le rinçage de la cuve sous pression, lentement (< 0,25 MPa/s) remplir la cuve sous pression d’hydrogène gazeux jusqu'à MPa 13.75 et que le bateau se reposer pendant 10 min, telle que la température du gaz à bord du navire s’équilibre à la température ambiante.
  4. Remplir le navire à 20,7 MPa et attendre encore 10 min.
  5. Ramener le navire jusqu'à la cible 27,6 MPa et fermer toutes les vannes au large.
  6. Laisser l’échantillon de polymère à tremper pendant au moins 12 h dans le gaz d’hydrogène avant de commencer l’expérience permettant de perméation complete.

6. Exécutez Experiment

  1. Vérifier que tous les câbles de transmission abandonné le navire de pression sont correctement raccordés au câblage électrique marquée associée à la zone de contrôle tribomètre et puis allumez le tribomètre.
  2. Dans le tribomètre logiciel configuré le temps de l’expérience pour 1 heure à la vitesse 0,1 cm/s avec une longueur de chemin d’accès de 0,140 cm. Cela correspond à une distance d’environ 3,5 m.
  3. Tarer le peson et faire en sorte que le LVDT rapporte une profondeur appropriée dans le logiciel tribomètre qui devrait être proche de 0 mm.
  4. Lancer le test.

7. après expérience

  1. Une fois l’expérience terminée, lentement aérer la cuve sous pression d’hydrogène gazeux à environ 0,35 MPa/s, en veillant à ce que la température de navire de pression ne descend pas au-dessous de 0 ° C.
  2. Enfin, rincer le volume de navire de pression avec le gaz argon à la pression atmosphérique pendant 10 minutes pour s’assurer qu’il n’y a aucun hydrogène restant à bord du navire.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Résultats

À l’aide de la méthodologie présentée, le coefficient du facteur cinétique de frottement et l’usure pour un échantillon en élastomère peut être mesuré tandis que dans un environnement à haute pression d’hydrogène. Les données représentatives présentées dans la Figure 1 montrent que dans un environnement à haute pression d’hydrogène, une plus grande force est nécessaire pour déplacer des échantillons de polymère EPDM sous la surface du comptoir en acier. En ut...

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Discussion

Techniques actuelles de ex situ pour l’essai tribologique des matériaux polymères nécessitent d’être exposé à l’hydrogène à haute pression des échantillons qui sont alors faire chuter la pression avant d’être testé à l’aide d’un tribomètre commercial. 15 , 24 , 25 la méthodologie d’essai dans le présent protocole a été conçue pour permettre à l’épreuve des propriétés tribologiques des échantillons de polymère dans un en...

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Cette recherche a été effectuée à la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), qui est exploité par Battelle Memorial Institute pour le Department of Energy (DOE) sous le contrat no. DE-AC05-76RL01830.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Feuille de papier polymère EPDMMcMaster-Carr8525T6824 » x 24 », 1/8 » Réservoir sous pression d’épaisseur
, AutoclaveFluitron Inc.8308-1788-U5" de diamètre, 1' de hauteur
Hydrogène gazeux de haute puretéPraxairHY4.5Grade 4.5, 5ppm O2, 5 ppm H20
Capteur O2Advanced Micro InstrumentsT20-5ppm plage min., 10,0000ppm max.
Gaz argon pré-purifiéOxarcLCCO-HP818Haute pureté, 99,998 %
détergent à vaisselle liquideMcMaster-Carr98365T89Bouteille de 32 oz,
éponge résistante à la moisissureMcMaster-Carr7309T16 po de long x 3 -1/2 po de large x 1 po de haut,
jaune Ruban d’étanchéité pour fil de tuyau en PTFEMcMaster-Carr4591K121/2 po de large, blanc couleur
Raccords pour tubes de gazSwagelokSS-400-1-41/4 » OD, acier inoxydable, filetage NPT mâle
Matrice entraînée par marteauMcMaster-Carr3427A227/8 » Perforatrice perforatrice Marteau
Transformateur différentiel variable linéaireOmegaLD320-2.5  ;2,5 mm, sortie CA, guidée avec ressort
Joint torique d’autoclaveFluitron Inc.A-4511Hastelloy C-276, 5-3/4 » OD x 5 » ID x 3/8
Clé dynamométriqueMcMaster-Carr85555A422Clé à limitation de couple réglable, à dégagement rapide, 1/2 » à entraînement carré, 50-250 pi-lb Torque
MalletMcMaster-Carr5939A11Marteau en caoutchouc dur et extra-dur, 2-1/4 lb
Capteur de charge capacitif iLoad MiniLoadstar SensorsMFM-050-050-S*C0350 lb, étalonnage U, précision de 0,5 %, acier
parfumée au citron  »

Références

  1. Schlapbach, L. Technology: Hydrogen-fuelled vehicles. Nature. 460 (7257), 809-811 (2009).
  2. Jones, R., Thomas, G. Materials for the Hydrogen Economy. , CRC Press. Boca Raton. (2007).
  3. Barth, R., Simons, K. L., San Marchi, C. Polymers for Hydrogen Infrastructure and Vehicle Fuel Systems: Applications, Properties, and Gap Analysis. , October 23-34 (2013).
  4. Marchi, C., Somerday, B. P. Technical Reference on Hydrogen Compatibility of Materials. Ref, M. T. , No. code 8100 (2008).
  5. Welch, A., et al. Challenges in developing hydrogen direct injection technology for internal combustion engines. , SAE International, Paper No. 2008-01-2379 (2008).
  6. Fukai, Y. The Metal-Hydrogen System. , Springer: Verlag. Berlin Heidelberg. (2005).
  7. Lu, G., Kaxiras, E. Hydrogen embrittlement of aluminum: The crucial role of vacancies. Phys. Rev. Lett. 94 (15), 155501(2005).
  8. Zhao, Z., Carpenter, M. A. Annealing enhanced hydrogen absorption in nanocrystalline Pd∕AuPd∕Au sensing films. J. Appl. Phys. 97 (12), 124301(2005).
  9. Alvine, K. J., et al. High-pressure hydrogen materials compatibility of piezoelectric films. Appl. Phys. Lett. 97 (22), 221911(2010).
  10. Alvine, K. J., et al. Hydrogen species motion in piezoelectrics: A quasi-elastic neutron scattering study. J. Appl. Phys. 111 (5), 53505(2012).
  11. Aggarwal, S., et al. Effect of hydrogen on Pb(Zr,Ti)O3Pb(Zr,Ti)O3-based ferroelectric capacitors. Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).
  12. Ikarashi, N. Analytical transmission electron microscopy of hydrogen-induced degradation in ferroelectric Pb(Zr, Ti)O3Pb(Zr, Ti)O3 on a Pt electrod. Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).
  13. Castagnet, S., Grandidier, J., Comyn, M., Benoı, G. Hydrogen influence on the tensile properties of mono and multi-layer polymers for gas distribution. Int. J. Hydrog. Energy. 35, 7633-7640 (2010).
  14. Theiler, G., Gradt, T. Tribological characteristics of polyimide composites in Hydrogen environment. Tribol. Int. 92, 162-171 (2015).
  15. Sawae, Y., et al. Friction and wear of bronze filled PTFE and graphite filled PTFE in 40 MPA hydrogen gas. Proceed. , IJTC2011 249-251 (2011).
  16. Fujiwara, H., Ono, H., Nishimura, S. Degradation behavior of acrylonitrile butadiene rubber after cyclic high-pressure hydrogen exposure. Int. J. Hydrogen Energy. 40 (4), 2025-2034 (2015).
  17. Zhang, L., et al. Influence of low temperature prestrain on hydrogen gas embrittlement of metastable austenitic stainless steels. Int. J. Hydrogen Energy. 38 (25), 11181-11187 (2013).
  18. Weber, S., Theisen, W., Martı, M. Development of a stable high-aluminum austenitic stainless steel for hydrogen applications. Int. J. Hydrogen Energy. 38 (14), 5989-6001 (2013).
  19. Papavinasam, S. Corrosion control in the oil and gas industry. , Elsevier. (2013).
  20. Yamamoto, S. Hydrogen Embrittlement of Nuclear Power Plant Materials. Mat. Trans. 45 (8), 2647-2649 (2004).
  21. Rymuza, Z. Tribology of polymers. Arch. Civ. Mech. Eng. 7 (4), 177-184 (2007).
  22. Mckeen, L. W. 1 Introduction to Fatigue and Tribology of Plastics and Elastomers. , Second, Elsevier Inc. (2010).
  23. Lorge, O., Briscoe, B. J., Dang, P. Gas induced damage in poly(vinylidene fluoride) exposed to decompression. Polymer. 40, 2981-2991 (1999).
  24. Sawae, Y., Yamaguchi, A., Nakashima, K., Murakami, T., Sugimura, J. Effects of Hydrogen Atmosphere on Wear Behavior of PTFE Sliding Against Austenitic Stainless Steel. Proceed. , IJTC2007 1-3 (2008).
  25. Sawae, Y., Nakashima, K., Doi, S., Murakami, T., Sugimura, J. Effects of high pressure hydrogen on wear of PTFE and PTFE composite. Proceed. , IJTC2009 233-235 (2010).
  26. Duranty, E., et al. An in situ tribometer for measuring friction and wear of polymers in a high pressure hydrogen environment. Rev. Sci. Instrum. 88 (9), (2017).

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Réimpressions et autorisations

Mots-clés

Tribologie des polym resessais in situanalyse de la friction et de l usuretribom tre lin aire mouvement alternatiflastom re EPDMcompatibilit avec l hydrog neessais en enceinte pressuris emesure par cellule de chargep n tration par LVDT
In Situ Haute pression hydrogène tribologique, essais des matériaux polymères communs utilisés dans l’Infrastructure de prestation d’hydrogène
Contactez-nous
Recommander à la bibliothèque

Confidentialité

Conditions d'utilisation

Politiques

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Tous droits réservés.