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

L'idrogeno gassoso è un potenziale carburante promettente per l'uso in veicoli a emissioni quasi zero. Per realizzare l'economia dell'idrogeno, è necessaria un'infrastruttura di rifornimento. I componenti tipici all'interno dell'infrastruttura includono compressori, attuatori, valvole, regolatori e tubi flessibili.

Molti dei quali includono una combinazione di materiali metallici e polimerici. Mentre la maggior parte dei metalli utilizzati in questi componenti sono stati studiati a fondo per la loro compatibilità e gli ambienti di idrogeno ad alta pressione, c'è stato relativamente poco lavoro per studiare l'impatto dell'idrogeno ad alta pressione sulla compatibilità dei polimeri. Le proprietà di attrito e usura dei polimeri sotto idrogeno ad alta pressione sono potenzialmente molto importanti da comprendere quando si progettano guarnizioni e componenti dinamici.

Gli effetti dell'idrogeno possono essere maggiori di quelli dei metalli a causa della minore densità e suscettibilità di un polimero alla diffusione di piccole molecole. In questo video descriveremo una metodologia di test in situ che abbiamo sviluppato per misurare le proprietà di usura e attrito dei polimeri in un ambiente di idrogeno gassoso ad alta pressione fino a 4000 psi. Una nota di avvertimento.

Questo esperimento richiede l'uso di idrogeno gassoso ad alte pressioni e richiede estrema cautela. L'idrogeno gassoso è inodore, incolore e quindi non rilevabile dai sensi umani. L'idrogeno è altamente infiammabile e brucia con una fiamma blu quasi invisibile e può formare miscele esplosive in presenza di ossigeno.

Pressioni elevate superiori a 1.000 psi aggiungono ulteriori rischi di esplosione che devono essere adeguatamente pianificati in preparazione di qualsiasi test. Questa quantità di energia immagazzinata rappresenta un grave pericolo per la sicurezza. Pertanto, prima di iniziare un esperimento di questo tipo, è necessario eseguire la due diligence, la pianificazione e la valutazione della sicurezza per garantire che questi rischi siano mitigati.

L'esperimento qui presentato viene eseguito in conformità con le precauzioni di sicurezza appropriate in un recipiente a pressione certificato ASME con un disco di rottura impostato a 5.000 psi con un'adeguata ventilazione. Al fine di analizzare l'attrito e l'usura degli elastomeri all'interno di un ambiente di idrogeno ad alta pressione, abbiamo progettato un tribometro in situ unico nel suo genere, utilizzabile in un recipiente a pressione sigillato a 4.000 psi. Il tribometro misura la forza di attrito in situ necessaria per spostare il campione di elastomero in modo alternativo lineare contro un perno di acciaio caricato verticalmente a contatto con il campione.

Inoltre, un trasformatore differenziale variabile lineare o LVDT, misura l'entità dell'indentazione in situ della sfera d'acciaio nella superficie del polimero durante il test. Per preparare i campioni di elastomero, puliamo il foglio di polimero stock rimuovendo gli oli e la polvere di talco applicati durante il processo di produzione. E poi lavare il foglio di polimero con acqua e sapone usando una spugna non abrasiva.

Per eliminare l'acqua residua dal processo di lavaggio, asciugare la striscia polimerica in un forno di essiccazione impostato a circa l'85% della temperatura massima di lavoro del materiale per circa 72 ore. Quindi lasciare raffreddare il campione a temperatura ambiente. Conservare le strisce polimeriche lavate e asciugate in un ambiente con umidità controllata vicino al 25% di umidità relativa prima dei test tribologici.

Ora che la striscia di polimero è preparata, mentre si indossano guanti senza polvere, segnare un'estremità della striscia di polimero con una freccia unilaterale. In uno spazio a circa un pollice dal primo segno fai una seconda freccia nella stessa direzione della prima. Questi segni garantiranno un orientamento costante del campione durante il processo di montaggio.

Ora posiziona un colorante circolare da 7/8 di pollice attorno alla seconda freccia e usa il colorante per tagliare un tagliando campione dalla striscia di polimero. Allentare le viti a testa esagonale, fissando il sample clamp sul tribometro in situ. Rimuovere la vite e la molla di precisione dall'angolo vicino del morsetto del campione.

Facendo attenzione a garantire che la freccia contrassegnata sul sample coupon sia rivolta verso il retro del tribometro in situ, far scorrere il sample coupon nel sample clamp. Reinserire la molla di precisione e la vite a testa esagonale nella fessura angolare vicina. Inserire un blocchetto di misura da 0,113 pollici nello spazio tra la parte superiore e inferiore del morsetto del campione e serrare le viti a testa esagonale fino a quando il morsetto non viene serrato attorno al blocco di misura, garantendo una compressione del 10% del campione con il blocco di misura.

Dopo essersi assicurati che il tribometro sia spento, per impostare la posizione iniziale dello stadio di campionamento, posizionare un blocchetto di misura da 0,95 pollici lungo la parete del tribometro in situ sotto la vite di azionamento. Utilizzando la catena di trasmissione, far arretrare lo stadio campione lungo la vite di azionamento fino a quando lo stadio non è aderente al blocco di misura. Per preparare il tribometro in situ per l'esperimento, pulire prima la superficie della sfera d'acciaio con un panno morbido e un solvente appropriato e uno appropriato, in questo caso acetone, per rimuovere qualsiasi potenziale pellicola di trasferimento polimerica dalla sfera.

Far scorrere il supporto della sfera di bronzo sulla guida perpendicolare alla slitta del campione, consentendo alla controsfera di scivolare nel foro della serratura e di appoggiarsi sul campione di polimero. Posizionare il peso fisso in rame sul supporto in bronzo. Utilizzando una chiave esagonale e due viti di bronzo, ricollegare il braccio di misura LVDT al supporto di bronzo, in modo che il cilindro liberamente fluttuante dell'LVDT poggi sul braccio.

Regolare il morsetto che tiene in posizione l'LVDT, in modo che l'LVDT misuri vicino al punto zero. Abbassare il gruppo tribometro nel recipiente a pressione, assicurandosi che il pozzetto termico sulla flangia superiore del recipiente si abbassi nello spazio tra il tribometro e la parete del recipiente. Avvolgere l'o-ring hastelloy con due strati e mezzo di nastro in PTFE e posizionare l'o-ring nella scanalatura nel labbro del recipiente a pressione.

Ricollegare i cinque cavi di alimentazione per il motore del tribometro, i quattro cavi dati per la cella di carico e i cinque cavi dati per l'LVDT. Ora, per sigillare il recipiente a pressione, abbassare la flangia superiore del recipiente a pressione per chiuderlo, avendo cura di abbassare delicatamente la parte superiore sull'o-ring avvolto in PTFE. Durante l'abbassamento, prestare attenzione alla posizione dei cavi dati e di alimentazione, in modo che non rimangano schiacciati tra il coperchio e l'anello dell'obiettivo.

Inserire i bulloni nei fori numerati sulla flangia superiore in ordine crescente fino a quando non sono serrati a mano. Utilizzando una chiave esagonale, torcere i bulloni della flangia in ordine crescente per serrarli a mano e ripetere fino a quando i bulloni non possono più essere serrati. A partire da 90 piedi per libbra e aumentando con incrementi di trenta piedi per libbra, utilizzare una chiave dinamometrica per serrare i bulloni della flangia in ordine crescente fino a quando non vengono serrati a 200 piedi per libbra.

Questa parte dell'esperimento richiede l'uso di idrogeno ad alta pressione. È fondamentale che la valutazione completa della sicurezza e i fattori di sicurezza appropriati siano presi in considerazione quando si utilizza gas infiammabile e ad alta pressione. Collegare i raccordi del gas swagelok al coperchio dell'autoclave e lavare il recipiente a pressione con una bassa pressione di circa 80 psi di gas argon per circa un'ora fino a quando il contenuto di ossigeno del recipiente scende al di sotto di 10 ppm.

Una volta che i livelli di ossigeno sono sicuri, lentamente, a meno di 40 psi al secondo, lavare il recipiente con idrogeno gassoso di purezza al 99,995% fino a 1000 psi, quindi sfiatare lentamente il gas. Ripetere il processo di risciacquo altre due volte. Dopo aver lavato il recipiente a pressione, riempire lentamente il recipiente a pressione con idrogeno gassoso fino a 2.000 psi e lasciare riposare il recipiente per 10 minuti, in modo tale che la temperatura del gas all'interno del recipiente si equilibri a temperatura ambiente.

Continuare a riempire il recipiente con idrogeno gassoso ad alta pressione, questa volta fino a 3.000 psi e poi attendere altri 10 minuti. Infine portare il recipiente fino al target di 4.000 psi con idrogeno gassoso e chiudere tutte le valvole. Lasciare il campione di polimero in ammollo per circa 12 ore nell'idrogeno gassoso prima di iniziare l'esperimento.

L'esperimento viene eseguito per un'ora di movimento lineare, che si traduce in 120 cicli lineari alternativi dello stadio campione. Durante l'esperimento, la cella di carico misura la quantità di forza necessaria per far scorrere la superficie del provino del campione di elastomero attraverso la sfera d'acciaio caricata. Inoltre, l'LVDT misura la profondità di penetrazione della sfera d'acciaio nel campione di elastomero in funzione del tempo.

Una volta completato l'esperimento, depressurizzare lentamente il sistema a una velocità inferiore a 50 psi al secondo per evitare possibili decompressioni esplosive e quindi danni alla superficie del campione di polimero non rappresentativi di meccanismi di attrito o usura. Dalla forza di attrito misurata dalla cella di carico chiamata F di k, e dalla forza normale esercitata dalla sfera d'acciaio, chiamata F di n, si può calcolare il coefficiente cinetico di attrito mu. Utilizzando i dati della profondità di penetrazione LVDT x e la pressione, il volume e il tempo, è possibile calcolare il fattore di usura, la resistenza del materiale all'usura.

Questi grafici contengono dati rappresentativi raccolti utilizzando la metodologia di test descritta in questo video, durante il test della gomma EPDM e dell'idrogeno gassoso ad alta pressione, i dati blu, e di un'aria a pressione ambiente, i dati neri. Nel set di dati qui mostrato, il coefficiente di attrito per la sfera d'acciaio sul campione di polimero EPDM è stato aumentato nell'idrogeno gassoso ad alta pressione rispetto all'aria ambiente. Tuttavia, la resistenza all'usura del campione di EPDM era inferiore nell'idrogeno ad alta pressione rispetto all'aria a pressione ambiente.

Ciò è probabilmente dovuto all'aumento della densità dei campioni pressurizzati. L'infrastruttura di fornitura di carburante a idrogeno si sta espandendo rapidamente per soddisfare le esigenze dei nuovi veicoli a carburante alternativo. La sicurezza e l'affidabilità di questa infrastruttura si baseranno sulla comprensione della compatibilità del materiale morbido con l'idrogeno ad alta pressione.

Qui abbiamo dimostrato una metodologia di prova per misurare le proprietà tribologiche dei materiali polimerici in un ambiente di idrogeno ad alta pressione utilizzando un tribometro in situ unico. Questa metodologia di prova può essere utilizzata per valutare l'idoneità dei materiali polimerici al servizio nell'infrastruttura dell'idrogeno.