In Situ Wysokociśnieniowe badania trybologiczne wodoru powszechnie stosowanych w infrastrukturze dostarczania wodoru

Podsumowanie

Metodologia testów do ilościowego określania właściwości trybologicznych polimerów stosowanych w infrastrukturze wodorowej została zademonstrowana i omówiono charakterystyczne wyniki dla wspólnego elastomeru.

Streszczenie

Wysokociśnieniowy wodór wpływa negatywnie na metalowe elementy sprężarek, zaworów, węży i siłowników. Jednak stosunkowo niewiele wiadomo na temat wpływu wodoru pod wysokim ciśnieniem na polimerowe materiały uszczelniające i barierowe, które również znajdują się w tych komponentach. Potrzebne są dalsze badania w celu określenia kompatybilności powszechnych materiałów polimerowych znajdujących się w komponentach infrastruktury dostarczania paliwa wodorowego z wodorem pod wysokim ciśnieniem. W związku z tym ważne jest, aby wziąć pod uwagę zmiany właściwości fizycznych, takich jak tarcie i zużycie in situ, gdy polimer jest wystawiony na działanie wodoru pod wysokim ciśnieniem. W niniejszym protokole przedstawiamy metodę badania właściwości tarcia i zużycia próbek elastomeru etylenowo-propylenowo-dienowego (EPDM) w środowisku wodoru pod wysokim ciśnieniem 28 MPa przy użyciu specjalnie zbudowanego liniowego tribometru posuwisto-zwrotnego in situ typu pin-on-flat. Przedstawiono reprezentatywne wyniki tych badań, które wskazują, że współczynnik tarcia między próbką próbki EPDM a stalową powierzchnią współpracującą jest zwiększony w wodorze pod wysokim ciśnieniem w porównaniu ze współczynnikiem tarcia mierzonym podobnie w otaczającym powietrzu.

Wprowadzenie

W ostatnich latach pojawiło się duże zainteresowanie wodorem jako potencjalnym paliwem o zerowej lub prawie zerowej emisji w pojazdach i stacjonarnych źródłach zasilania. Ponieważ wodór występuje jako gaz o niskiej gęstości w temperaturze pokojowej, w większości zastosowań wykorzystuje się jakąś formę sprężonego wodoru jako paliwa. ^1,2 Potencjalną wadą stosowania sprężonego wodoru pod wysokim ciśnieniem jest niekompatybilność z wieloma materiałami znajdującymi się w infrastrukturze^2,3^,4 i aplikacje dla pojazdów⁵, gdzie problemy z kompatybilnością są połączone z powtarzającymi się cyklami ciśnienia i temperatury. Wiadomo, że środowisko czystego wodoru uszkadza elementy metalowe, w tym niektóre stale i tytan, poprzez różne mechanizmy, w tym tworzenie się wodorków, pęcznienie, pęcherze na powierzchni i kruchość. ^2,6,7,8 Składniki niemetaliczne, takie jak tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT), stosowane w ceramice piezoelektrycznej, również okazały się podatne na degradację z powodu efektu niekompatybilności wodoru, takiego jak pęcherze powierzchniowe i migracja ołowiu. ^9,10,11,12 Chociaż te przykłady uszkodzeń spowodowanych ekspozycją na wodór były już wcześniej badane, kompatybilność składników polimerowych w środowisku wodorowym dopiero niedawno stała się przedmiotem zainteresowania. ^13,14,15,16 Wynika to głównie z tego, że metalowe elementy zapewniają integralność strukturalną w zastosowaniach jądrowych oraz naftowych i gazowych, podczas gdy komponenty polimerowe zwykle działają jako bariery lub uszczelnienia. ^17,18,19,20 W rezultacie, właściwości cierne i zużycie materiałów polimerowych w elementach takich jak gniazda zaworów z politetrafluoroetylenu (PTFE) i O-ringi z kauczuku butadienowo-nitrylowego (NBR) stają się ważnymi czynnikami wpływającymi na ich zdolność do działania.

W przypadku infrastruktury wodorowej, komponenty takie jak zawory, sprężarki i zbiorniki magazynowe zawierają materiały polimerowe, które stykają się z powierzchniami metalowymi. Interakcja tarcia między polimerem a powierzchniami metalowymi powoduje zużycie każdej z powierzchni. Nauka o związku między tarciem a zużyciem dwóch oddziałujących na siebie powierzchni jest znana jako trybologia. Polimery mają zwykle niższe moduły sprężystości i wytrzymałość niż metaliczne, dlatego właściwości trybologiczne materiałów polimerowych różnią się znacznie od materiałów metalicznych. W rezultacie powierzchnie polimerowe mają tendencję do wykazywania większego zużycia i uszkodzeń po kontakcie ciernym z powierzchnią metalową. ^21,22 W zastosowaniach infrastruktury wodorowej szybkie zmiany ciśnienia i temperatury powodują powtarzające się interakcje między polimerem a powierzchniami metalowymi, zwiększając prawdopodobieństwo tarcia i zużycia elementu polimerowego. Ilościowe określenie tych uszkodzeń może być trudne ex situ ze względu na możliwą wybuchową dekompresję próbki polimeru po rozhermetyzowaniu, co może spowodować uszkodzenia nietrybologiczne. ²³ Dodatkowo, wiele komercyjnych produktów polimerowych zawiera wiele wypełniaczy i dodatków, takich jak tlenek magnezu (MgO), które mogą negatywnie oddziaływać z wodorem poprzez uwodornienie, co dodatkowo komplikuje analizę ex situ zużycia tych materiałów. ^24,25

Ze względu na złożoność rozróżniania uszkodzeń materiału polimerowego spowodowanych podczas dehermetyzacji od uszkodzeń spowodowanych zużyciem trybologicznym ex situ, istnieje potrzeba bezpośredniego zbadania właściwości tarcia materiałów niemetalicznych in situ w środowisku wodoru o wysokim ciśnieniu, które prawdopodobnie będzie istniało w infrastrukturze dostarczania wodoru. W tym protokole demonstrujemy metodologię testową opracowaną w celu ilościowego określenia właściwości tarcia i zużycia materiałów polimerowych w środowisku wodoru pod wysokim ciśnieniem przy użyciu specjalnie zaprojektowanego trybometru in situ. ²⁶ Prezentujemy również reprezentatywne dane uzyskane za pomocą tribometru in situ i kauczuku etylenowo-propylenowo-dienowego (EPDM), powszechnie stosowanego polimerowego materiału uszczelniającego i barierowego. Materiał EPDM, dla którego wygenerowano reprezentatywne dane przy użyciu poniższego protokołu, został zakupiony w arkuszach kwadratowych o długości 60,96 cm i grubości 0,3175 cm i został zgłoszony przez sprzedawcę jako posiadający ocenę twardości 60A.

Protokół

Opisany tutaj eksperyment wymaga użycia wodoru, który jest bezwonny, bezbarwny, a więc niewykrywalny przez ludzkie zmysły. Wodór jest wysoce łatwopalny i pali się prawie niewidocznym niebieskim płomieniem i może tworzyć mieszaniny wybuchowe w obecności tlenu. Wysokie ciśnienia przekraczające 6,9 MPa stwarzają dodatkowe zagrożenia wybuchem, które muszą być odpowiednio zaplanowane, aby przygotować się do wszelkich testów. Taka ilość zmagazynowanej energii stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa, dlatego przed przeprowadzeniem takiego eksperymentu należy przeprowadzić należytą staranność, planowanie i ocenę bezpieczeństwa, aby zapewnić złagodzenie tych zagrożeń. Prezentowany tutaj eksperyment jest wykonywany z zachowaniem odpowiednich środków ostrożności w zbiorniku ciśnieniowym z certyfikatem American Society of Mechanical Engineers (ASME) z płytką bezpieczeństwa ustawioną na 34,5 MPa z odpowiednią wentylacją.

1. Przygotowanie arkusza polimerowego

1. Nałóż detergent na arkusz polimeru EDPM za pomocą nierysującej gąbki i spłucz pod wodą przez około 3 minuty, aby usunąć oleje i talk w proszku nałożone podczas procesu produkcji i wysyłki.
2. Suszyć arkusz polimerowy w piecu suszącym w temperaturze 85% temperatury roboczej materiału, około 75 °C w przypadku EPDM, przez około 72 godziny, aby usunąć wodę pozostałą po praniu.
3. Wyłącz piekarnik i poczekaj, aż arkusz polimerowy ostygnie do temperatury pokojowej wewnątrz piekarnika.
4. Zaznacz jeden róg arkusza strzałką skierowaną do górnej części arkusza polimerowego. Ta strzałka pomoże w określeniu orientacji arkusza podczas generowania próbki kuponu, zapewniając, że próbki wycięte z arkusza polimerowego będą miały stałą orientację.
5. Przechowuj arkusz polimerowy w temperaturze pokojowej i środowisku o kontrolowanej wilgotności w pobliżu 25% wilgotności względnej przed testami tribologicznymi.

2. Generowanie i montowanie przykładowych kuponów

1. Nosząc rękawice bezpudrowe, należy oznaczyć arkusz polimerowy strzałką w przewidzianym obszarze kuponu w pobliżu strzałki zaznaczonej podczas przygotowania arkusza polimerowego tak, aby obie strzałki miały tę samą orientację.
2. Za pomocą okrągłej matrycy o średnicy 2,222 cm i młotka wybij próbkę kuponu wokół znaku strzałki.
3. Poluzuj z sześciokątnym mocujące próbkę clamp na trybometrze in situ, wykręć z sześciokątnym i precyzyjną sprężynę z najłatwiej dostępnego rogu sample clamp.
4. Wsunąć próbkę próbki do zacisku próbki, uważając, aby upewnić się, że próbka jest zorientowana ze strzałką skierowaną w dół i w kierunku tyłu zacisku, który jest stroną najbliższą tylnej płycie trybometru.
5. Wymień precyzyjną sprężynę i z sześciokątnym w pustym rogu próbki clamp i przystąp do ręcznego dokręcania wszystkich czterech z sześciokątnym zacisku aż do dokręcenia tak, aby próbka elastomeru została ściśnięta o 10% jej pierwotnej wysokości. Zakładając wysokość próbki 0,318 cm, 10% kompresję można osiągnąć za pomocą bloku wzorcowego o długości 0,287 cm między dwiema płytkami zacisku.

3. Przygotowanie trybometru In Situ

1. Umieść blok pomiarowy o długości 2.413 cm między ścianką trybometru a saniami próbki, bezpośrednio pod śrubą napędową. Upewnij się, że skrzynka do zbierania danych jest wyłączona, a następnie obróć łańcuch napędowy w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, aby cofnąć sample sanie tak, aby krawędź sanek znajdowała się 2.413 cm od ścianki trybometru.
2. Delikatnie przetrzyj stalową kulkę powierzchni blatu miękką szmatką lub niestrzępiącym się ręcznikiem papierowym i odpowiednim rozpuszczalnikiem, takim jak aceton, przez około 30 sekund, aż powierzchnia blatu będzie wolna od wszelkich zanieczyszczeń.
3. Wsuń brązowy nośnik powierzchni przeciwnej i brązowy obciążnik o łącznym obciążeniu normalnym 7,5 N na szynę prostopadłą do sań próbki, umożliwiając wsunięcie przeciwkulki między dziurkę od klucza i spoczynek na próbce polimeru.
4. Za pomocą klucza imbusowego i dwóch z brązu ponownie przymocuj ramię pomiarowe liniowego transformatora różnicowego (LVDT) do uchwytu z brązowej powierzchni przeciwbieżnej tak, aby swobodnie pływający cylinder LVDT spoczywał na ramieniu.
5. Wyreguluj clamp przytrzymując LVDT na miejscu w górę lub w dół tak, aby LVDT mierzył w pobliżu punktu zerowego, a następnie dokręć clamp aby zabezpieczyć LVDT na miejscu.
6. Opuść zespół trybometru do zbiornika ciśnieniowego, upewniając się, że osłona termometryczna w górnym kołnierzu naczynia obniży się do szczeliny między trybometrem a ścianką naczynia.
7. Owiń o-ring uszczelniający łącznie dwiema i pół warstwami taśmy PTFE. Osiąga się to poprzez owinięcie taśmy PTFE w taki sposób, aby każde dodatkowe owinięcie zachodziło na około połowę następnego okrążenia, aż dwukrotnie okrążyło średnicę o-ringu. Następnie owiń średnicę o-ringu po raz ostatni bez zachodzenia na siebie. Po owinięciu o-ringu umieść go w rowku w krawędzi zbiornika ciśnieniowego.
8. Biorąc pod uwagę etykiety przewodów, podłącz ponownie pięć przewodów zasilających dla silnika trybometru, cztery przewody danych dla ogniwa obciążnikowego i pięć przewodów danych dla LVDT.

4. Uszczelnienie zbiornika ciśnieniowego

1. Opuść górny kołnierz zbiornika ciśnieniowego, aby go zamknąć, uważając, aby delikatnie opuścić górny kołnierz na o-ring uszczelniający owinięty PTFE.
2. Włóż do ponumerowanych otworów na górnym kołnierzu wskazanych przez producenta w kolejności rosnącej, aż zostaną dokręcone palcami.
3. Za pomocą ręcznego klucza imbusowego dokręć kołnierza w kolejności rosnącej, aby dokręcić ręcznie i powtarzaj, aż nie będzie można już dokręcić.
4. Zaczynając od 120 Nm i zwiększając w krokach co ~40 Nm, użyj klucza dynamometrycznego, aby dokręcić kołnierzowe w kolejności rosnącej dla każdego przyrostu ~40 Nm, aż zostaną dokręcone do 280 Nm.

5. Napełnianie zbiornika ciśnieniowego

1. Teraz, gdy zbiornik ciśnieniowy jest szczelny, podłącz złączki gazowe do pokrywy autoklawu i przepłukuj zbiornik ciśnieniowy argonem pod niskim ciśnieniem (~0,55 MPa) przez około 1 godzinę, aż zawartość tlenu w zbiorniku spadnie poniżej 10 ppm za pomocą czujnika tlenu podłączonego do wyjścia zbiornika ciśnieniowego.
2. Powoli (<0,25 MPa/s) przepłukać naczynie wodorem gazowym do 6,9 MPa, a następnie powoli odpuścić gaz do ciśnienia atmosferycznego. Powtórz proces płukania jeszcze dwa razy.
3. Po przepłukaniu zbiornika ciśnieniowego powoli (<0,25 MPa/s) napełnić zbiornik ciśnieniowy wodorem gazowym do 13,75 MPa i pozostawić zbiornik na odpoczynek przez 10 minut, tak aby temperatura gazu w zbiorniku zrównoważyła się z temperaturą pokojową.
4. Napełnij naczynie do 20,7 MPa i odczekaj kolejne 10 minut.
5. Doprowadzić naczynie do docelowego poziomu 27,6 MPa i zamknąć wszystkie zawory.
6. Przed rozpoczęciem eksperymentu należy pozostawić próbkę polimeru do namoczenia przez co najmniej 12 godzin w gazowym wodorze, aby umożliwić całkowite przenikanie.

6. Eksperyment biegowy

1. Dokładnie sprawdź, czy wszystkie przewody przelotowe wychodzące ze zbiornika ciśnieniowego są prawidłowo podłączone do oznaczonej wiązki przewodów dołączonej do skrzynki sterowniczej trybometru, a następnie włącz trybometr.
2. W oprogramowaniu trybometru ustaw czas eksperymentu na 1 godzinę przy prędkości 0,1 cm/s przy długości ścieżki 0,140 cm. Odpowiada to odległości około 3,5 m.
3. Wytaruj ogniwo obciążnikowe i upewnij się, że LVDT podaje odpowiednią głębokość w oprogramowaniu trybometru, która powinna być bliska 0 mm.
4. Rozpocznij eksperyment.

7. Po eksperymencie

1. Po zakończeniu eksperymentu należy powoli odpowietrzyć zbiornik ciśnieniowy wodoru gazowego o ciśnieniu około 0,35 MPa/s, upewniając się, że temperatura zbiornika ciśnieniowego nie spadnie poniżej 0 °C.
2. Na koniec przepłukać objętość zbiornika ciśnieniowego argonem gazowym pod ciśnieniem atmosferycznym przez 10 minut, aby upewnić się, że w zbiorniku nie pozostał wodór.

Wyniki

Stosując przedstawioną metodologię, można zmierzyć współczynnik tarcia kinetycznego oraz wskaźnik zużycia próbki elastomerowej w środowisku wodoru pod wysokim ciśnieniem. Reprezentatywne dane przedstawione na Rysunku 1 pokazują, że w środowisku wodoru pod wysokim ciśnieniem wymagana jest większa siła do przemieszczenia próbek polimeru EPDM pod stalową powierzchnią przeciwległą. Wykorzystując zależność między siłą normalną F_N a siłą tarcia F_K

Dyskusja

Obecne techniki ex situ do badań tribologicznych materiałów polimerowych wymagają wystawienia próbek na działanie wodoru pod wysokim ciśnieniem, który jest następnie rozhermetyzowany przed badaniem za pomocą komercyjnego trybometru. 15,24,25 Metodologia badań w tym protokole została opracowana tak, aby umożliwić badanie właściwości trybologicznych próbek polimerów w środowisku wysokociśnieniowym in situ. Poprz...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Arkusz magazynowy polimeru EPDM	McMaster-Carr	8525T68	24 "x 24", 1/8" Grube
naczynie ciśnieniowe, autoklaw	Fluitron Inc.	8308-1788-U	Średnica 5 cali, wysokość 1 '
Wodór o wysokiej czystości	Praxair	HY4.5	Grade 4.5, 5ppm O2, 5 ppm H20
O2 Sensor	Advanced Micro Instruments	T2	0-5ppm min. zakres, 10 0000ppm max.
Wstępnie oczyszczony argon	Oxarc	LCCO-HP818	o wysokiej czystości 99,998%
	McMaster-Carr	98365T89	Butelka do nalewania o pojemności 32 uncji,
gąbka odporna na pleśń	McMaster-Carr	7309T1	6 "długości x 3 -1/2" szerokości x 1" wysokości, żółta
taśma uszczelniająca do gwintów rur	PTFE McMaster-Carr	4591K12	1/2" szeroka, biała kolor
Złączki do rur gazowych	Swagelok	SS-400-1-4	1/4 "OD, stal nierdzewna, gwint zewnętrzny NPT
Matryca napędzana młotkiem	McMaster-Carr	3427A22	7/8" Dziurkacz z młotkiem
Liniowy zmienny transformator różnicowy	Omega	LD320-2.5	2,5 mm, wyjście AC, prowadzone ze sprężyną
Uszczelka O-ring autoklawu	Fluitron Inc.	A-4511	Hastelloy C-276, 5-3/4" OD x 5" ID x 3/8"
Klucz dynamometryczny	McMaster-Carr	85555A422	Regulowany klucz ograniczający moment obrotowy, szybkozłączka, 1/2" Square Drive, 50-250 ft.-lbs. Młotek dynamometryczny
	McMaster-Carr	5939A11	Twardy i bardzo twardy gumowy młotek, 2-1/4 funta.
iLoad Mini pojemnościowy czujnik obciążenia	Czujniki Loadstar	MFM-050-050-S*C03	50 lb, U Kalibracja, Dokładność 0,5%, Stal

Płynny detergent do mycia naczyń o zapachu cytryny