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

Wodór jest obiecującym potencjalnym paliwem do stosowania w pojazdach o niemal zerowej emisji. Aby zrealizować gospodarkę wodorową, potrzebna jest infrastruktura tankowania. Typowe komponenty infrastruktury obejmują sprężarki, siłowniki, zawory, regulatory i węże.

Wiele z nich zawiera pewną kombinację metalu i materiałów polimerowych. Podczas gdy większość metali stosowanych w tych komponentach została dokładnie przebadana pod kątem ich kompatybilności i środowisk wodoru pod wysokim ciśnieniem, przeprowadzono stosunkowo niewiele prac nad badaniem wpływu wodoru pod wysokim ciśnieniem na kompatybilność polimerów. Właściwości cierne i zużywające polimerów pod wpływem wodoru pod wysokim ciśnieniem są potencjalnie bardzo ważne do zrozumienia podczas projektowania uszczelnień i komponentów dynamicznych.

Wpływ wodoru może być większy niż w metalach ze względu na mniejszą gęstość polimeru i podatność na dyfuzję małych cząsteczek. W tym filmie opiszemy metodologię testów in situ, którą opracowaliśmy w celu pomiaru właściwości zużycia i tarcia polimerów w środowisku wodoru pod wysokim ciśnieniem do 4000 psi. Uwaga ostrzegawcza.

Eksperyment ten wymaga użycia wodoru gazowego pod wysokim ciśnieniem i wymaga szczególnej ostrożności. Wodór jest bezwonny, bezbarwny, a przez to 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 1 000 psi stwarzają dodatkowe zagrożenia wybuchem, które muszą być odpowiednio zaplanowane w ramach przygotowań do wszelkich testów. Taka ilość zmagazynowanej energii stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Dlatego przed rozpoczęciem takiego eksperymentu należy przeprowadzić należytą staranność, planowanie i ocenę bezpieczeństwa, aby zapewnić złagodzenie tych zagrożeń.

Przedstawiony tutaj eksperyment jest wykonywany zgodnie z odpowiednimi środkami ostrożności w zbiorniku ciśnieniowym z certyfikatem ASME z płytką bezpieczeństwa ustawioną na 5 000 psi z odpowiednią wentylacją. W celu analizy tarcia i zużycia elastomerów w środowisku wodoru pod wysokim ciśnieniem zaprojektowaliśmy unikalny trybometr in situ, który działa w szczelnym zbiorniku ciśnieniowym pod ciśnieniem 4 000 psi. Tribometr mierzy siłę tarcia in situ wymaganą do przesuwania próbki elastomeru w liniowy sposób posuwisto-zwrotny w stosunku do pionowo obciążonego stalowego kołka stykającego się z próbką.

Dodatkowo, liniowy zmienny transformator różnicowy (LVDT) mierzy zakres wgłębienia in situ stalowej kulki w powierzchnię polimeru podczas testowania. Aby przygotować próbki elastomerów, czyścimy podstawowy arkusz polimerowy, usuwając oleje i talk w proszku nałożone podczas procesu produkcyjnego. A następnie umyj arkusz polimerowy mydłem i wodą za pomocą nierysującej gąbki.

Aby usunąć pozostałą wodę z procesu prania, wysusz pasek polimerowy w piecu suszącym ustawionym na około 85% maksymalnej temperatury roboczej materiału przez około 72 godziny. Następnie pozwól próbce ostygnąć do temperatury pokojowej. Umyte i wysuszone paski polimerowe należy przechowywać w środowisku o kontrolowanej wilgotności w pobliżu 25% wilgotności względnej przed testami trybologicznymi.

Teraz, gdy pasek polimerowy jest przygotowany, nosząc rękawice bezpudrowe, zaznacz jeden koniec paska polimerowego jednostronną strzałką. W odległości około cala od pierwszego znaku narysuj drugą strzałkę w tym samym kierunku co pierwsza. Oznaczenia te zapewnią spójną orientację próbki podczas procesu montażu.

Teraz umieść okrągły barwnik o średnicy 7/8 cala wokół drugiej strzałki i użyj barwnika, aby wyciąć próbkę kuponu z paska polimerowego. Poluzuj z sześciokątnym, zabezpieczając sample clamp na trybometrze in situ. Wykręć i sprężynę precyzyjną z najbliższego rogu sample clamp.

Zwracając uwagę, aby strzałka oznaczona na kuponie próbki była skierowana na tył trybometru in situ, wsuń próbka próbki do sample clamp. Włóż ponownie precyzyjną sprężynę i z sześciokątnym do bliższej szczeliny narożnej. Włóż blok wzorcowy 0,113 cala w szczelinę między górną i dolną częścią próbki clamp i dokręć z sześciokątnym, aż clamp zostanie dokręcony wokół bloku miernika, zapewniając 10% kompresję próbki z blokiem miernika.

Po upewnieniu się, że zasilanie tribometru jest wyłączone, aby ustawić początkową pozycję stolika na próbkę, umieść blok pomiarowy o średnicy 0.95 cala wzdłuż ściany trybometru in situ pod śrubą napędową. Używając łańcucha napędowego, cofnij sample stage wzdłuż napędowej, aż stage będzie dobrze przylegał do bloku wzorcowego. Aby przygotować tribometr in situ do eksperymentu, należy najpierw oczyścić powierzchnię stalowej kuli miękką szmatką oraz odpowiednim rozpuszczalnikiem, w tym przypadku acetonem, w celu usunięcia z kuli ewentualnej polimerowej warstwy transferowej.

Wsuń brązowy nośnik kulki na szynę prostopadłą do sań próbki, umożliwiając wsunięcie przeciwkulki do dziurki od klucza i spoczynek na próbce polimeru. Umieść miedziany ciężarek stacjonarny na brązowym nośniku. Za pomocą klucza imbusowego i dwóch z brązu ponownie przymocuj ramię pomiarowe LVDT do brązowego nośnika, tak aby swobodnie unoszący się cylinder LVDT spoczywał na ramieniu.

Wyreguluj clamp przytrzymujący LVDT na miejscu, tak aby LVDT mierzył blisko punktu zerowego. Opuść zespół trybometru do zbiornika ciśnieniowego, upewniając się, że studzienka termiczna na górnym kołnierzu naczynia obniży się do szczeliny między trybometrem a ścianką zbiornika. Owiń o-ring hastelloy dwiema i pół warstwami taśmy PTFE i umieść o-ring w rowku w wardze zbiornika ciśnieniowego.

Podłącz ponownie pięć przewodów zasilających silnika trybometru, cztery przewody danych ogniwa obciążnikowego i pięć przewodów danych LVDT. Teraz, aby uszczelnić zbiornik ciśnieniowy, opuść górny kołnierz zbiornika ciśnieniowego, aby go zamknąć, uważając, aby delikatnie opuścić górną część na o-ring owinięty PTFE. Podczas opuszczania należy zwrócić uwagę na położenie przewodów danych i zasilania, tak aby nie były ściśnięte między pokrywą a pierścieniem obiektywu.

Włóż do ponumerowanych otworów na górnym kołnierzu w kolejności rosnącej, aż zostaną dokręcone palcami. Za pomocą klucza imbusowego nakręć kołnierza w kolejności rosnącej, aby dokręcić ręcznie i powtarzać, aż nie będzie można już dokręcić. Zaczynając od 90 funtów na stopę i zwiększając w krokach co trzydzieści funtów stóp, użyj klucza dynamometrycznego, aby dokręcić kołnierza w kolejności rosnącej, aż zostaną dokręcone do 200 funtów stopy.

Ta część eksperymentu wymaga użycia wodoru pod wysokim ciśnieniem. Bardzo ważne jest, aby w przypadku stosowania gazów łatwopalnych i pod wysokim ciśnieniem wziąć pod uwagę pełną ocenę bezpieczeństwa i odpowiednie współczynniki bezpieczeństwa. Podłącz złączki gazowe swagelok do pokrywy autoklawu i przepłucz zbiornik ciśnieniowy argonem o niskim ciśnieniu około 80 psi przez około godzinę, aż zawartość tlenu w naczyniu spadnie poniżej 10 ppm.

Gdy poziom tlenu będzie bezpieczny, powoli, z prędkością mniejszą niż 40 psi na sekundę, przepłucz naczynie wodorem o czystości 99,995% do 1000 psi, a następnie powoli odpuść gaz. Powtórz proces płukania jeszcze dwa razy. Po przepłukaniu zbiornika ciśnieniowego należy powoli napełnić zbiornik ciśnieniowy wodorem gazowym do 2 000 psi i pozostawić naczynie na odpoczynek przez 10 minut, tak aby temperatura gazu w naczyniu zrównoważyła się z temperaturą pokojową.

Kontynuuj napełnianie naczynia wodorem pod wysokim ciśnieniem, tym razem do 3 000 psi, a następnie odczekaj kolejne 10 minut. Na koniec doprowadź naczynie do docelowego ciśnienia 4 000 psi za pomocą wodoru gazowego i zamknij wszystkie zawory. Przed rozpoczęciem eksperymentu pozostawić próbkę polimeru do namoczenia przez około 12 godzin w gazowym wodorze.

Eksperyment przeprowadza się dla jednej godziny ruchu liniowego, co przekłada się na 120 liniowych cykli posuwisto-zwrotnych stolika próbki. Podczas eksperymentu ogniwo obciążnikowe mierzy siłę potrzebną do przesunięcia powierzchni próbki elastomeru po załadowanej stalowej kulce. Dodatkowo LVDT mierzy głębokość penetracji stalowej kulki w próbce elastomeru w funkcji czasu.

Po zakończeniu eksperymentu należy powoli rozhermetyzować system z szybkością poniżej 50 psi na sekundę, aby zapobiec możliwej dekompresji eksplozywnej, a tym samym uszkodzeniu powierzchni próbki polimeru, która nie jest reprezentatywna dla żadnych mechanizmów tarcia lub zużycia. Na podstawie siły tarcia zmierzonej przez ogniwo obciążnikowe zwane F z k i siły normalnej wywieranej przez stalową kulkę, zwanej F z n, można obliczyć współczynnik kinetyczny tarcia mu. Korzystając z danych głębokości penetracji LVDT x oraz ciśnienia, objętości i czasu, można obliczyć współczynnik zużycia, odporność materiału na zużycie.

Wykresy te zawierają reprezentatywne dane zebrane przy użyciu metodologii testowej opisanej w tym filmie, podczas testowania gumy EPDM i wodoru pod wysokim ciśnieniem, dane niebieskie i powietrze pod ciśnieniem otoczenia, dane czarne. W przedstawionym tutaj zestawie danych współczynnik tarcia stalowej kulki na próbce polimeru EPDM był zwiększony w wodorze pod wysokim ciśnieniem w porównaniu z powietrzem otoczenia. Jednak odporność próbki EPDM na zużycie była niższa w przypadku wodoru pod wysokim ciśnieniem niż w przypadku powietrza pod ciśnieniem otoczenia.

Jest to najprawdopodobniej spowodowane zwiększoną gęstością próbek pod ciśnieniem. Infrastruktura dostarczania paliwa wodorowego szybko się rozwija, aby sprostać potrzebom nowych pojazdów napędzanych paliwami alternatywnymi. Bezpieczeństwo i niezawodność tej infrastruktury będą zależały od zrozumienia kompatybilności miękkiego materiału z wodorem pod wysokim ciśnieniem.

Zademonstrowaliśmy tutaj metodologię testową do pomiaru właściwości trybologicznych materiałów polimerowych w środowisku wodoru pod wysokim ciśnieniem przy użyciu unikalnego trybometru in situ. Ta metodyka badań może być stosowana do oceny przydatności materiałów polimerowych do użytku w infrastrukturze wodorowej.