בחיי עיר מימן בלחץ גבוה Tribological בדיקה של חומרים פולימריים המשמשים תשתית משלוח של מימן

סיכום

מתודולוגיה מבחן לכימות המאפיינים tribological של פולימרים המשמשים מימן תשתית שירות הוכח ואת תוצאות אופיינית אלסטומר נפוצים הם דנו.

תקציר

גז מימן בלחץ גבוה ידוע להשפיע לרעה על רכיבים מתכתיים של מדחסים, שסתומים, משאבות, מפעילים. עם זאת, יחסית מעט מאוד ידוע על ההשפעות של מימן בלחץ גבוה-פולימר ואטימות מכשול החומרים המצויים גם רכיבים אלה. מחקר נוסף נדרש כדי לבדוק את התאימות של חומרים פולימריים נמצאו מרכיבי התשתית אספקת דלק מימן עם מימן בלחץ גבוה. כתוצאה מכך, חשוב לקחת בחשבון את השינויים מאפיינים פיזיים כגון חיכוך וללבוש בחיי עיר בזמן הפולימר חשופים מימן בלחץ גבוה. ב פרוטוקול זה, אנו להציג שיטה לבדיקת החיכוך, ללבוש את המאפיינים של-אתילן פרופילן diene מונומר (EPDM) אלסטומר דגימות סביבה 28 של מימן בלחץ גבוה MPa באמצעות לפי הזמנה בחיי עיר ליניארי pin-בשטוח reciprocating tribometer. נציג נובע הן בדיקה זו הציג אשר מציינים כי החיכוך של מקדם בין EPDM מדגם קופון מונה פלדה השטח גדל במימן בלחץ גבוה לעומת של מקדם החיכוך באופן דומה נמדד אויר.

מבוא

בשנים האחרונות, חלה התעניינות רבה מימן כמו פליטה פוטנציאל אפס או דלק ליד אפס פליטה רכב ומקורות הכוח נייח. מאחר מימן קיים גז בצפיפות נמוכה בטמפרטורת החדר, מרבית היישומים משתמשים צורה כלשהי של מימן דחוס עבור הדלק. ^{1 , 2} חיסרון פוטנציאל השימוש דחוס, גז מימן בלחץ גבוה הוא תאימות עם חומרים רבים המצויים תשתית-^2,-^3,-⁴ ויישומים לרכבים⁵ איפה בעיות תאימות משולבים עם חוזרות בלחץ וטמפרטורה רכיבה על אופניים. סביבה מימן טהור ידוע נזק רכיבי מתכת כולל פלדות מסוימים, טיטניום באמצעות מנגנונים שונים כולל היווצרות הידריד, נפיחות, פני השטח שלפוחיות, הפרכת חומרים. ^{2 , 6 , 7 , 8} Non-מתכתי רכיבים כגון עופרת zirconate חומצה טיטנית (PZT) המשמש בקרמיקה פיזואלקטריים הוכיחו גם רגישים השפלה עקב מימן אפקט אי התאמה כגון שלפוחיות משטח והעברה עופרת. ^{9 , 10 , 11 , 12} בעוד דוגמאות אלה של נזק עקב חשיפה מימן נחקרו בעבר, התאימות של פולימר רכיבים בתוך סביבות מימן רק לאחרונה הפך להיות עניין. ^{13 , 14 , 15 , 16} זה במידה רבה תוצאה של רכיבים מתכתיים מתן המבנית גרעינית ויישומים נפט וגז ואילו הרכיבים הפולימר בדרך כלל לשמש מחסומים או חותמות. ^{17 , 18 , 19 , 20} כתוצאה מכך, חיכוך, לובשים המאפיינים של חומרים פולימריים בתוך רכיבים כגון טפלון (PTFE) שסתום המושבים, nitrile טבעי גומי (NBR) O-טבעות הופכים גורמים חשובים ביכולתם לתפקד.

במקרה של התשתית מימן, מכילים רכיבים כגון שסתומים, מדחסים, מיכלי אחסון חומרים פולימריים בקשר עם משטחים מתכתיים. האינטראקציה חיכוך בין פולימר מתכת משטחים תוצאות ללבוש מכל סוג של המשטחים. המדע של הקשר בין שחיקה של שני משטחים שמעצבת חיכוך ידוע בשם tribology. פולימרים נוטים להיות בעלי מודולים אלסטי נמוך וכוח מאשר מתכתיים, ולכן המאפיינים tribological של חומרים פולימריים שונים מאוד אלה מאלה חומרים מתכתיים. כתוצאה מכך, פולימר משטחים נוטים להפגין נזק בלאי גדול לאחר מגע חיכוך עם משטח מתכתי. ^{21 , 22} מימן תשתית יישומים, מהירה לחץ, טמפרטורה רכיבה על אופניים גורם אינטראקציה חוזרות ונשנות בין פולימר מתכת משטחים, ומגדילה את הסיכוי של חיכוך וללבוש על רכיב פולימר. לכימות הנזק הזה עשויה להיות מאתגרת באתרו לשעבר בשל אפשרי נפיצה של המדגם פולימר לאחר שיחרור הלחץ אשר עלול לגרום נזק בלתי-tribological. ²³ . בנוסף, מוצרים פולימריים מסחריים רבים מכילים חומרי מילוי ותוספים רבים כגון תחמוצת מגנזיום (MgO) כי ייתכן אינטראקציה שלילית עם גז מימן דרך hydriding, שמסבך עוד יותר את ניתוח באתרו לשעבר של ללבוש אלה חומרים. ^{24 , 25}

בשל המורכבות של הבחנה בין נזק לחומר פולימרי שנגרם במהלך ירידת ונזק עקב בלאי tribological באתרו לשעבר, יש צורך ללמוד ישירות את המאפיינים חיכוך של חומרים מתכתיים סיטו בתוך סביבה מימן בלחץ גבוה שסביר קיימים בתוך התשתית משלוח מימן. ב פרוטוקול זה, נדגים מבחן מתודולוגיה שפותחה כדי לכמת את החיכוך וללבוש מאפיינים של חומרים פולימריים בסביבה מימן בלחץ גבוה ניצול של tribometer בנוי למטרה בחיי עיר . ²⁶ אנו מציגים גם נציג נתונים רכשה באמצעות tribometer בחיי עיר , אתילן פרופילן diene מונומר (EPDM) גומי, איטום פולימר נפוץ והחומרים מכשול. החומר EPDM אשר נציג הנתונים נוצר באמצעות פרוטוקול להלן נרכש ב גיליונות רבועים 60.96 ס מ עם 0.3175 ס"מ עובי ו שדווח על ידי הספק יש דירוג קושי 60A.

פרוטוקול

הניסוי המתואר כאן מחייב השימוש של גז מימן, אשר הוא חסר ריח, חסר צבע, ובכך ניתן לגילוי על ידי החושים האנושי. מימן הוא דליק, שנשרף כמעט בלתי נראה כחול להבה, יכולים להיווצר תערובת נפיצה בנוכחות חמצן. בלחצים גבוהים מעל MPa. 6.9 להוסיף מפגעים פיצוץ נוסף אשר חייב להיות מתוכנן כראוי כהכנה שום בדיקה. כמות זו של אנרגיה האצורה מייצג בטיחותי רציני, לכן בשל התמדה, תכנון, וביטחון הערכה חייב להתבצע לפני ביצוע ניסוי כזה על מנת להבטיח כי מפגעים אלו הן התמודדות עימם. הניסוי המוצג כאן מתבצע על פי זהירות מתאימים בתוך כלי קיבול מוסמך לחץ אמריקני בחברה של מהנדסי מכונות (ASME) עם דיסק פרץ מוגדר 34.5 MPa עם אוורור נאות.

1. הכנת פולימרים גיליון מניות

1. חלות אבקת פולימר EDPM גיליון המניה באמצעות ספוג שאינם שוחקים ולשטוף מתחת למים במשך כ 3 דקות להסיר שמנים טלק חלה במהלך תהליך הייצור והמשלוח.
2. יבש פולימר גיליון בתנור ייבוש ב 85% טמפרטורת של החומר, בערך 75 ° C עבור EPDM, במשך כ- 72 שעות לכונן של כל המים הנותרים של כביסה.
3. לכבות את התנור ומאפשרים גיליון חומרים פולימריים במלאי להתקרר לטמפרטורת החדר בתוך התנור.
4. סמן פינה אחת של המניה גיליון עם חץ מצביע על החלק העליון של הגיליון פולימר. חץ זה יסייע עם זיהוי הכיוון של הגיליון במהלך הדור קופון לדוגמה, המבטיח כי דגימות מפיסות הסדין פולימר יהיה בעקביות באותו כיוון.
5. אחסן את הפולימר גיליון מניות ב טמפרטורת חדר, והלחות מבוקרים סביבת ליד 25% לחות יחסית לפני בדיקות tribological.

2. ייצור והרכבה קופונים לדוגמא

1. כשאתה לובש אבקת חינם כפפות, לסמן את המניה גיליון פולימר עם חץ באזור המיועד קופון ליד החץ המסומן במהלך ההכנה של המניה גיליון הפולימר כך שני חצים יש באותו הכיוון.
2. באמצעות קוביה עגול בקוטר ס מ 2.222 ומקבת, לרמוס את קופון מדגם מסביב לסימן החצים.
3. שחרר את hex קאפ הברגים המחברים את המלחציים מדגם על בחיי עיר tribometer, הסר בורג מכסה hex ואת דיוק באביב מן הפינה הכי נגיש של המלחציים הדגימה.
4. שקופית קופון מדגם לתוך הדגימה קלאמפ, מקפיד לוודא המדגם מכוון עם החץ הצביע הפנים למטה, לכיוון החלק האחורי של המלחציים וזה הכי קרוב לצלחת האחורי של tribometer הצד.
5. החלף דיוק האביב, hex בורג כובע בפינה ריק של המדגם מלחציים והמשך למסור הדק כל ארבעת הברגים קאפ hex של המלחציים עד סנוג כזה כי המדגם elastomer נדחס על ידי 10% מהדרו המקורי. בהנחה לגובה מדגם 0.318 ס מ, 10% דחיסה יכולה להיות מושגת באמצעות בלוק מד ס מ 0.287 בין שתי צלחות של המלחציים.

3. מכינים את Tribometer בחיי עיר

1. המקום 2.413 ס מ כיול בלוק בין הקיר של tribometer המזחלת לדוגמה, ישירות מתחת הבורג נסיעה. ודא בתיבת אוסף נתונים כבוי, ופנו את השרשרת נסיעה בכיוון סיבוב השעון כדי לגבות את המזחלת מדגם כך הקצה של המזחלת הוא 2.413 ס מ מהקיר tribometer.
2. נגב בעדינות כדור פלדה של פני השטח מונה עם מטלית רכה או מגבת נייר מוך-פחות, הממיס המתאים כגון אצטון עבור 30 שניות עד פני השטח מונה מופיעה ללא כל פסולת.
3. החלק המוביל משטח מונה ארד ומשקל ארד, עומס רגיל הכולל של 7.5 N, על גבי המסילה בניצב המזחלת לדוגמה, המאפשר את הכדור מונה החלק בין לתוך המנעול ולנוח על הדגימה פולימר.
4. באמצעות מפתח הקסדצימלי שני הברגים ארד, לחבר שנאי דיפרנציאלית לינארית משתנה (LVDT) מדידה בזרוע שלך בעל משטח מונה ארד כך הצילינדר בחופשיות צף של LVDT נשענת על הזרוע.
5. התאם את המלחציים מעכב את LVDT במקום או למטה כך LVDT היא מדידה ליד זה נקודת האפס ואז להדק את המלחציים כדי לאבטח את LVDT במקום.
6. . תוריד את מכלול tribometer לתוך כלי לחץ, להבטיח thermowell ב מקורבות העליון של כלי השיט יהיה נמוך יותר לתוך הפער בין tribometer את הקיר של כלי השיט.
7. לעטוף אטימה o-ring עם סך של שנתיים וחצי שכבות של מצופפי בלם זעזועים. זו מושגת על ידי ליפוף מצופפי בלם זעזועים על כך כל גלישת נוספים חופף בערך מחצית הסיבוב שתמשיך עד סביב הקוטר של o-ring פעמיים. ואז לעטוף הקוטר של o-ring בפעם האחרונה ללא שום חפיפה. ברגע o-ring נעטף, ממקמת הקצב בשפתו של הספינה לחץ.
8. ניקח בחשבון את התוויות חיווט, חבר מחדש את חוטי החשמל חמש עבור המנוע tribometer, 4 חוטים נתונים עבור התא מטען ו 5 חוטים נתונים עבור LVDT.

4. איטום הספינה לחץ

1. נמוך מקורבות העליון של כלי לחץ כדי לסגור אותו, דואגת להוריד את מקורבות העליון בעדינות על גבי PTFE עטוף איטום o-ring.
2. הכנס את המנעולים לתוך החורים ממוספרות על מקורבות העליון שציין יצרן עולה עד האצבע חזק.
3. שימוש במפתח hex ידנית, מקפיא את המנעולים מקורבות עולה ביד חזק וחזור עד כבר לא יכול להיות הידק את המנעולים.
4. החל מ- 120 ננומטר והגברת במרווחים של ~ 40 ננומטר, השתמש מפתח ברגים מומנט על מומנט והסתיר בורחת עולה על כל תוספת Nm ~ 40 עד שהם הם torqued ל 280 ננומטר.

5. מילוי כלי לחץ

1. עכשיו כי הספינה לחץ סגור, להתחבר את אביזרי גז מכסה אוטוקלב, לשטוף את כלי הקיבול של הלחץ בגז ארגון לחץ נמוך (~0.55 MPa) עבור 1 h עד תכולת החמצן של כלי השיט יורד 10 עמודים לדקה באמצעות חיישן חמצן אנך לתוך הפלט של הכלי לחץ.
2. לאט לאט (< MPa 0.25/s) לשטוף את הכלי עם גז מימן עד MPa. 6.9, ואז לאט לאט. תוציא את הגז הלחץ האטמוספרי. חזור על התהליך שטיפה עוד פעמיים.
3. לאחר שטיפה על הספינה לחץ, לאט לאט (< MPa 0.25/s) יתמלאו הכלי לחץ גז מימן עד 13.75 MPa ולאפשר את כלי הקיבול לנוח 10 דקות כך הטמפרטורה של הגז בתוך הספינה equilibrates לטמפרטורת החדר.
4. ממלאים את הכלי כדי 20.7 MPa ולא לחכות עוד 10 דקות.
5. . איתרתי עד המטרה 27.6 MPa מקרוב את שסתומים.
6. לאפשר את הדגימה פולימר כדי להשרות לפחות 12 שעות בגז המימן לפני תחילת הניסוי כדי לאפשר הסתננות מלאה.

6. עורכים את הניסוי

1. שח כפול כל החוטים pass-through יציאה הספינה לחץ מחוברים כראוי לרתום חיווט שכותרתה המצורפת תיבת בקרת tribometer, ולאחר מכן הפעל את tribometer.
2. תוכנה tribometer הגדר בזמן הניסוי עד שעה ב 0.1 ס"מ/s מהירות עם אורך הנתיב של 0.140 ס מ. זה תואם למרחק של-3.5 מ'.
3. להקרע לתא המטען ולהבטיח כי LVDT מדווח על עומק המתאים בתוכנת tribometer שאמור להיות ליד 0 מ מ.
4. להתחיל את הניסוי.

7. לאחר הניסוי

1. לאחר השלמת הניסוי, לאט וונט הכלי הלחץ של גז מימן-0.35 כ MPa/s, המבטיח כי הטמפרטורה כלי לחץ אינה ירידה מתחת 0 ° C.
2. לבסוף, לרוקן האחסון כלי הלחץ בגז ארגון בלחץ אטמוספירי במשך 10 דקות להבטיח שזה לא מימן שנותרו בתוך הכלי.

תוצאות

באמצעות המתודולוגיה שהוצגו, ניתן למדוד את המקדם של מקדם החיכוך, לובשים קינטי דוגמה אלסטומריים בזמן בסביבה מימן בלחץ גבוה. נציג הנתונים המוצגים באיור 1 מראים כי בסביבה מימן בלחץ גבוה כוח גדול יותר הוא נדרש לעבור EPDM דוגמאות פולימר מתחת לפני השטח מונה פלדה. באמצעות הקשר בין הרגיל כוח F_N ו- F_K של מקדם החיכוך, ממוצע, את כוח חיכוך בין המדגם EPDM ולאחר כדור פלדה יכול להיקבע. נתונים אלה מוצגת באיור 2 היכן הדגימות ...

דיון

הנוכחי באתרו לשעבר טכניקות בדיקה tribological של חומרים פולימריים דורשים דוגמאות להיחשף מימן בלחץ גבוה אשר נמצאים ואז נשאר בטרם נבדק באמצעות של tribometer מסחרי. ^{15 , 24 , 25} המתודולוגיה מבחן בפרוטוקול זה תוכנן כדי לאפשר בדיקת המאפיינים tribological של דוגמאות פולימר הסביבה לחץ גבוה בתוך באתרו. על-ידי בדיקת חומרים פולימריים כגון הדגימות EPDM שהוצגו לעיל, בזמן שהם נמצאים בלחץ, פרוטוקול זה מאפשר מדידה מציאותית יו...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
גיליון מלאי פולימר EPDM	McMaster-Carr	8525T68	24 אינץ' x 24 אינץ', כלי לחץ בעובי 1/8 אינץ'
, Autoclave	Fluitron Inc.	8308-1788-U	קוטר 5 אינץ', גובה 1'
טוהר גבוה גז מימן	Praxair	HY4.5	כיתה 4.5, 5 עמודים לדקה O2, 5 עמודים לדקה H20
O2 חיישן	Advanced Micro Instruments	T2	0-5 עמודים לדקה טווח דקות, 10,0000 עמודים לדקה מקסימום.
מטוהר מראש ארגון גז	Oxarc	LCCO-HP818	טוהר גבוה, 99.998%
חומר ניקוי נוזלי לשטיפת כלים	McMaster-Carr	98365T89	32 אונקיות לשפוך בקבוק,
ספוג עמיד בפני טחב	McMaster-Carr	7309T1	6 אינץ' אורך x 3 -1/2 אינץ' רוחב x 1 אינץ' גבוה, צהוב
PTFE צינור חוט איטום סרט	מקמאסטר-קאר	4591K12	1/2 אינץ' רחב, לבן
צבע אביזרי צינור גז	Swagelok	SS-400-1-4	1/4 "OD, נירוסטה, זכר NPT הברגה
מונע פטיש למות	McMaster-Carr	3427A22	7/8 "אגרוף חור מונע פטיש
שנאי דיפרנציאלי משתנה ליניארי	אומגה	LD320-2.5	2.5 מ"מ, פלט AC, מונחה עם קפיץ
טבעת O חיטוי חותם	Fluitron Inc.	A-4511	Hastelloy C-276, 5-3/4 אינץ' OD x 5 אינץ' ID x 3/8 אינץ'
מפתח מומנט	McMaster-Carr	85555A422	מפתח ברגים מתכוונן להגבלת מומנט, שחרור מהיר, 1/2 אינץ' כונן מרובע, 50-250 רגל-פאונד. פטיש מומנט
	מקמאסטר-קאר	5939A11	פטיש גומי קשיח וקשיח במיוחד, 2-1/4 ק"ג.
חיישן עומס קיבולי מיני iLoad	חיישני Loadstar	MFM-050-050-S*C03	50 פאונד, כיול U, דיוק של 0.5%, פלדה

בניחוח לימון