In Situ Alta pressione idrogeno tribologica test dei comuni materiali polimerici utilizzati nell'infrastruttura di consegna di idrogeno

Sommario

È dimostrato un metodo di prova per quantificare le proprietà tribologiche dei polimeri utilizzati nel servizio di infrastruttura dell'idrogeno e risultati caratteristici per un comune elastomero sono discussi.

Abstract

Gas di idrogeno ad alta pressione è conosciuto per influenzare negativamente i componenti metallici di compressori, valvole, tubi flessibili e attuatori. Tuttavia, relativamente poco è conosciuto circa gli effetti dell'idrogeno ad alta pressione sui materiali di tenuta e barriera di polimero inoltre trovati all'interno di questi componenti. Più studio è necessaria al fine di determinare la compatibilità dei materiali polimerici comuni trovati nei componenti dell'infrastruttura di consegna del combustibile di idrogeno con l'idrogeno ad alta pressione. Di conseguenza, è importante considerare i cambiamenti nelle proprietà fisiche quali attrito e usura in situ , mentre il polimero è esposto a idrogeno ad alta pressione. In questo protocollo, presentiamo un metodo per verificare l'attrito e proprietà di campioni di elastomero etilene propilene diene monomero (EPDM) di usura in un 28 ambiente di idrogeno ad alta pressione MPa utilizzando un custom-built in situ lineare pin-su-piatto alternativo tribometro. Risultati rappresentativi da questo test sono presentati che indicano che il coefficiente di attrito tra il EPDM esempio tagliando e superficie d'acciaio contro è aumentato di idrogeno ad alta pressione rispetto il coefficiente di attrito misurato allo stesso modo in dell'aria ambiente.

Introduzione

Negli ultimi anni, c'è stato grande interesse in idrogeno come un'emissione di potenziale zero o quasi zero emissioni carburante nei veicoli e fonti di energia stazionaria. Poiché idrogeno esiste come un gas a bassa densità a temperatura ambiente, maggior parte delle applicazioni utilizzano qualche forma di idrogeno compresso per il carburante. ^{1 , 2} un potenziale svantaggio di usando compresso, gas di idrogeno ad alta pressione è incompatibilità con molti materiali trovati all'interno di infrastrutture^2,3,4 e applicazioni veicolari⁵ dove problemi di compatibilità sono combinati con temperatura e pressione ripetuta in bicicletta. Un ambiente di idrogeno puro è conosciuto per danneggiare componenti metallici, tra cui alcuni acciai e titanio attraverso i meccanismi differenti, compreso formazione di idruro, gonfiore, vesciche e infragilimento in superficie. ^{2 , 6 , 7 , 8} Non metallici componenti quali titanato zirconato di piombo (PZT) utilizzato in ceramica piezoelettrica hanno anche dimostrato suscettibile di degradazione a causa di effetto di incompatibilità di idrogeno come superficie vesciche e migrazione di piombo. ^{9 , 10 , 11 , 12} mentre questi esempi di danni dovuti all'esposizione di idrogeno sono stati studiati in precedenza, la compatibilità dei componenti di polimero all'interno di ambienti di idrogeno solo recentemente è diventato di interesse. ^{13 , 14 , 15 , 16} questo è in gran parte il risultato dei componenti metallici fornendo integrità strutturale nel nucleare e applicazioni di gas e petrolio, mentre i componenti di polimero di solito agiscono come barriere o guarnizioni. ^{17 , 18 , 19 , 20} di conseguenza, le proprietà di attrito e l'usura dei materiali polimerici all'interno di componenti quali il politetrafluoroetilene (PTFE) valvola sedili e fattori importanti di nitrile butadiene gomma (NBR) O-ring diventano nella loro capacità di funzionare.

Nel caso l'infrastruttura per l'idrogeno, componenti come valvole, compressori e serbatoi di stoccaggio contengono materiali polimerici che sono a contatto con superfici metalliche. L'interazione per attrito tra il polimero e superfici metalliche provoca usura di ciascuna delle superfici. La scienza della relazione tra l'attrito e l'usura delle due superfici interagenti è noto come tribologia. Polimeri tendono ad avere più bassi moduli elastici e forza più metallico, pertanto le proprietà tribologiche di materiali polimerici differiscono notevolmente da materiali metallici. Di conseguenza, le superfici polimeriche tendono a mostrare una maggiore usura e danni per attrito di contatto con una superficie metallica. ^{21 , 22} in un'applicazione di infrastruttura di idrogeno, la rapida pressione e la temperatura ciclismo cause interazione ripetuta tra il polimero e superfici metalliche, aumentando la probabilità di attrito e usura sul componente polimero. Quantificare questo danno può essere difficile ex situ a causa della possibile decompressione esplosiva del campione di polimero dopo depressurizzazione che potrebbe causare danni non tribologiche. ²³ inoltre, molti prodotti di polimero commerciale contengono molte cariche e additivi come ossido di magnesio (MgO) che potrebbero interagire negativamente con l'idrogeno attraverso hydriding, complicando ulteriormente ex situ analisi di usura in questi materiali. ^{24 , 25}

A causa della complessità di differenziazione fra danni al materiale polimero causato durante la depressurizzazione e danni dovuti a usura tribologiche ex situ, c'è la necessità di studiare direttamente le proprietà di attrito dei materiali non metallici in situ all'interno di un ambiente di idrogeno ad alta pressione che è probabile che esistano all'interno dell'infrastruttura di consegna di idrogeno. In questo protocollo, dimostriamo un test metodologia sviluppata per quantificare l'attrito e l'usura proprietà dei materiali polimerici in un ambiente di idrogeno ad alta pressione che utilizza un tribometro appositamente costruito in situ . ²⁶ ... presentiamo anche rappresentante dati acquisiti utilizzando il tribometro in situ e gomma etilene propilene diene monomero (EPDM), un comune polimero tenuta e materiale barriera. Il materiale EPDM per il quale rappresentante dei dati è stati generati utilizzando il protocollo qui sotto è stato acquistato in fogli quadrati 60,96 cm con uno spessore di 0,3175 cm ed è stato segnalato dal venditore per una valutazione di durezza di 60A.

Protocollo

L'esperimento descritto qui richiede l'utilizzo di gas di idrogeno che è inodore, incolore e quindi non rilevabile dai sensi umani. L'idrogeno è altamente infiammabile e brucia con un blu quasi invisibile di fiamma e possa formare miscele esplosive in presenza di ossigeno. Alte pressioni superiori a 6,9 MPa aggiungere rischi di esplosione aggiuntive che devono essere pianificati in modo appropriato per in preparazione per qualsiasi test. Questa quantità di energia immagazzinata rappresenta un grave pericolo e pertanto due diligence, di pianificazione e di una sicurezza valutazione dovrà essere eseguite prima di eseguire tale esperimento per garantire che questi rischi sono mitigati. L'esperimento presentato qui viene eseguita conformemente alle precauzioni di sicurezza appropriate in un recipiente a pressione certificati American Society of Mechanical Engineers (ASME) con un disco di scoppio impostato a 34,5 MPa con adeguata ventilazione.

1. preparazione di azione dello strato di polimero

1. Applicare il prodotto detergente l'azione dello strato di polimero EDPM utilizzando una spugna non abrasiva e sciacquare sotto l'acqua per circa 3 minuti rimuovere gli oli e talco polvere applicata durante la produzione e il processo di spedizione.
2. Asciugare in un forno di essiccazione all'85% della temperatura di lavoro del materiale, circa 75 ° C per EPDM, in polistirene per circa 72 ore per l'eventuale acqua residua dal lavaggio di auto.
3. Spegnere il forno e lasciare raffreddare a temperatura ambiente all'interno del forno polimero materiale d'archivio foglio.
4. Contrassegnare un angolo dello stock foglio con una freccia che punta verso l'alto del foglio di polimero. Questa freccia vi assisterà con identificazione di orientamento del foglio durante la generazione di coupon di campione, assicurando che i campioni tagliati dal foglio di polimero sarà costantemente dello stesso orientamento.
5. Conservare il magazzino in polistirene a temperatura, umidità controllata ambiente vicino a 25% di umidità relativa prima dell'analisi tribologiche.

2. generazione e montaggio esempio coupon

1. Mentre indossa la polvere senza guanti, contrassegnare l'azione dello strato di polimero con una freccia nella zona prevista cedola vicino freccia con la scritta durante la preparazione dello stock foglio polimerico tale che entrambe le frecce hanno lo stesso orientamento.
2. Utilizzando uno stampo circolare del diametro di cm 2,222 e un maglio, bollo fuori un coupon di campione intorno al marchio di freccia.
3. Allentare le viti esagonali fissare il morsetto di esempio su in situ tribometro, Rimuovi le viti a testa esagonale e precisione primavera dall'angolo più facilmente accessibile del morsetto del campione.
4. Diapositiva esempio coupon nel morsetto di campione, avendo cura di assicurarsi che il campione è orientato con la freccia punta volto verso il basso e verso il retro del morsetto che è il lato più vicino alla piastra posteriore del tribometro.
5. Sostituire la molla di precisione e vite tappo esagonale nell'angolo vuoto del campione morsetto e procedere a portata di mano serrare tutte e quattro le viti tappo esagonale del morsetto finché non è serrata, tale che il campione di elastomero è compresso dal 10% della sua altezza originaria. Assumendo un'altezza di campione di 0,318 cm, compressione del 10% può essere realizzato utilizzando un blocco calibro di 0,287 cm tra le due piastre del morsetto.

3. preparare il tribometro In Situ

1. Posto un 2,413 cm calibro blocco tra la parete del tribometro e la slitta di campione, direttamente sotto la vite di azionamento. Assicurarsi che la casella di raccolta dati è disattivata, poi girare la catena di comando in senso orario per eseguire la slitta di campione, tale che il bordo della slitta è 2,413 cm dalla parete tribometro.
2. Strofinare delicatamente la sfera d'acciaio della superficie del contatore con un panno o tovagliolo di carta privo di lanugine e un appropriato solvente quali l'acetone per circa 30 secondi fino a quando la superficie della superficie del contatore appare priva di eventuali detriti.
3. Far scorrere il vettore superficie contatore bronzo e bronzo peso, un carico normale complessivo di 7,5 N, alla rotaia perpendicolare alla slitta campione, permettendo alla palla di contatore di scivolare tra il buco della serratura e riposare sul campione di polimero.
4. Utilizzando una chiave a brugola e viti di bronzo, ricollegare il braccio di misura trasformatore differenziale variabile lineare (LVDT) al titolare della superficie di bronzo contatore, tale che il cilindro liberamente fluttuante di LVDT poggia sul braccio.
5. Sistemare il morsetto che sostiene il LVDT in luogo o verso il basso tale che LVDT è misura vicino ad esso punto zero quindi serrare il morsetto per fissare il LVDT in luogo.
6. Abbassare l'assieme tribometro nel recipiente a pressione, assicurando che il pozzetto termometrico nel bordo superiore del recipiente si abbassa nella fessura tra il tribometro e la parete del vaso.
7. Avvolgere la guarnizione o-ring con un totale di due strati di nastro in PTFE. Questa operazione viene eseguita avvolgendo il nastro PTFE, tale che ogni ulteriore involucro si sovrappone approssimativamente metà del giro procedere fino ad andare due volte intorno al diametro del giunto circolare. Poi avvolgere il diametro dell'anello un tempo finale senza alcuna sovrapposizione. Una volta che l'o-ring è avvolto, inserirlo nella scanalatura nel labbro del recipiente a pressione.
8. Prendendo in considerazione le etichette di cablaggio, ricollegare i fili di cinque per il motore tribometro, quattro fili di dati per la cella di carico e cinque fili di dati per il LVDT.

4. il recipiente a pressione di tenuta

1. Abbassare la flangia superiore del recipiente a pressione per chiuderla, avendo cura di abbassare la flangia superiore delicatamente sul PTFE avvolto o-ring di tenuta.
2. Inserire i bulloni nei fori numerati sulla flangia superiore indicata dal fabbricante in ordine crescente, fino a quando essi sono dito stretto.
3. Utilizzando una chiave esagonale da manuale, serrare i bulloni della flangia in ordine crescente a portata di mano stretto e ripetere fino a quando non è più possono stringere i bulloni.
4. A partire da 120 Nm e aumentando in incrementi di ~ 40 Nm, utilizzare una chiave dinamometrica alla coppia di bulloni a flangia in crescente per ogni incremento di ~ 40 Nm fino a quando essi sono serrati a 280 Nm.

5. riempire il serbatoio di pressione

1. Ora che il recipiente a pressione è sigillato, collegare i raccordi gas al coperchio dell'autoclave e svuotare il recipiente a pressione con gas argon di bassa pressione (~0.55 MPa) per circa 1 ora fino a quando il tenore di ossigeno della nave scende sotto i 10 ppm utilizzando un sensore di ossigeno plumbed in l'output del recipiente a pressione.
2. Lentamente (< 0,25 MPa/s) lavare il recipiente con gas idrogeno fino a 6,9 MPa, quindi lentamente sfiatare il gas alla pressione atmosferica. Ripetere il processo di consuntivazione altre due volte.
3. Dopo aver sciacquato il recipiente a pressione, lentamente (< 0,25 MPa/s) riempire il recipiente a pressione con gas idrogeno fino a 13.75 MPa e permettono di riposare per 10 min in modo tale che la temperatura del gas all'interno del vaso equilibra a temperatura ambiente.
4. Riempire il serbatoio a 20,7 MPa e attendere altri 10 min.
5. Portare la nave fino a destinazione 27,6 MPa e Chiudi fuori tutte le valvole.
6. Lasciare il campione di polimero in ammollo per almeno 12 ore nel gas di idrogeno prima di iniziare l'esperimento per consentire completa permeazione.

6. esecuzione di esperimento

1. Doppio controllo che tutti i cavi di tipo pass-through uscendo il recipiente a pressione siano correttamente collegati al cablaggio etichettati associato alla casella di controllo tribometro e poi accendere il tribometro.
2. Nel tribometro software imposta il tempo di esperimento per 1 ora a 0,1 cm/s velocità con una lunghezza di percorso di 0,140 cm. Questo corrisponde ad una distanza di circa 3,5 m.
3. La cella di carico a vuoto e garantire che il LVDT segnala una profondità appropriata nel software tribometro che dovrebbe essere vicino a 0 mm.
4. Iniziare l'esperimento.

7. post-esperimento

1. Una volta completato l'esperimento, lentamente sfogare il recipiente a pressione di gas di idrogeno a circa 0,35 MPa/s, assicurando che la temperatura di nave di pressione non scenda sotto 0 ° C.
2. Infine, risciacquare il volume del serbatoio di pressione con gas argon a pressione atmosferica per 10 minuti assicurare che non c'è nessun idrogeno rimanente all'interno del vaso.

Risultati

Utilizzando la metodologia presentata, il coefficiente di cinetico fattore di attrito e l'usura per un campione elastomerico può essere misurato in un ambiente di idrogeno ad alta pressione. Rappresentativo dei dati presentati nella Figura 1 mostrano che in un ambiente di idrogeno ad alta pressione forza maggiore è richiesta per spostare campioni di polimero EPDM sotto la superficie di acciaio contatore. Utilizzando la relazione tra la normale forza F_N

Discussione

Tecniche correnti ex situ per prove tribologiche dei materiali polimerici richiedono campioni di essere esposti a idrogeno ad alta pressione, che sono poi depressurizzati prima di essere testati utilizzando un tribometro commerciale. ^{15 , 24 , 25} la metodologia di prova in questo protocollo è stata progettata per permettere di prove delle proprietà tribologiche dei campioni di polimero in un ambiente di alta pressione <...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Foglio di riserva in polimero EPDM	McMaster-Carr	8525T68	24 "x 24", recipiente a pressione spesso da 1/8",
autoclave	Fluitron Inc.	8308-1788-U	5" di diametro, 1' di altezza
Gas idrogeno ad alta purezza	Praxair	HY4.5	Grado 4,5, 5ppm O2, 5 ppm Sensore H20
O2 Advanced	Micro Instruments	T2	0-5ppm intervallo minimo, 10.0000ppm max.
Gas argon pre-purificato	Oxarc	LCCO-HP818	alta purezza, 99,998%
	McMaster-Carr	98365T89	Flacone da 32 once,
spugna resistente alla muffa	McMaster-Carr	7309T1	6" di lunghezza x 3 -1/2" di larghezza x 1" di altezza,
nastro sigillante per filettatura di tubi in PTFE	McMaster-Carr	4591K12	1/2" di larghezza, bianco colore
Raccordi per tubi del gas	Swagelok	SS-400-1-4	1/4" OD, acciaio inossidabile, filettatura NPT maschio
Stampo a martello	McMaster-Carr	3427A22	7/8" Punzone a percussione
Trasformatore differenziale variabile lineare	Omega	LD320-2.5	2,5 mm, uscita CA, guidata con molla
Guarnizione O-ring per autoclave	Fluitron Inc.	A-4511	Hastelloy C-276, 5-3/4" OD x 5" ID x 3/8"
Chiave dinamometrica	McMaster-Carr	85555A422	Chiave limitatrice di coppia regolabile, sgancio rapido, attacco quadro da 1/2", 50-250 piedi-libbre. Martello dinamometrico
	McMaster-Carr	5939A11	Martello in gomma dura ed extra-dura, 2-1/4 libbre.
iLoad Mini sensore di carico capacitivo	Loadstar Sensori	MFM-050-050-S*C03	50 lb, calibrazione U, precisione 0,5%, acciaio

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