Name: In Situ Wysokociśnieniowe badania trybologiczne wodoru powszechnie stosowanych w infrastrukturze dostarczania wodoru (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-03-31T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 1 s
Description: Poznaj metodologię badania właściwości tribologicznych polimerów w wysokociśnieniowym wodorze. Ta technika pomaga projektować dynamiczne uszczelnienia i komponenty infrastruktury wodorowej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Te badania zostały przeprowadzone w Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), które jest zarządzane przez Battelle Memorial Institute dla Departamentu Energii (DOE) na podstawie umowy nr. DE-AC05-76RL01830.

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
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wyłącz piekarnik i poczekaj, aż arkusz polimerowy ostygnie do temperatury pokojowej wewnątrz piekarnika.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przechowuj arkusz polimerowy w temperaturze pokojowej i środowisku o kontrolowanej wilgotności w pobliżu 25% wilgotności względnej przed testami tribologicznymi.</li>
</ol>
2. Generowanie i montowanie przykładowych kuponów
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Za pomocą okrągłej matrycy o średnicy 2,222 cm i młotka wybij próbkę kuponu wokół znaku strzałki.</li>
	<li>Poluzuj z sześciokątnym mocujące próbkę clamp na trybometrze in situ, wykręć z sześciokątnym i precyzyjną sprężynę z najłatwiej dostępnego rogu sample clamp.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
3. Przygotowanie trybometru In Situ
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Opuść zespół trybometru do zbiornika ciśnieniowego, upewniając się, że osłona termometryczna w górnym kołnierzu naczynia obniży się do szczeliny między trybometrem a ścianką naczynia.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
4. Uszczelnienie zbiornika ciśnieniowego
<ol>
	<li>Opuść górny kołnierz zbiornika ciśnieniowego, aby go zamknąć, uważając, aby delikatnie opuścić górny kołnierz na o-ring uszczelniający owinięty PTFE.</li>
	<li>Włóż do ponumerowanych otworów na górnym kołnierzu wskazanych przez producenta w kolejności rosnącej, aż zostaną dokręcone palcami.</li>
	<li>Za pomocą ręcznego klucza imbusowego dokręć kołnierza w kolejności rosnącej, aby dokręcić ręcznie i powtarzaj, aż nie będzie można już dokręcić.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
5. Napełnianie zbiornika ciśnieniowego
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Napełnij naczynie do 20,7 MPa i odczekaj kolejne 10 minut.</li>
	<li>Doprowadzić naczynie do docelowego poziomu 27,6 MPa i zamknąć wszystkie zawory.</li>
	<li>Przed rozpoczęciem eksperymentu należy pozostawić próbkę polimeru do namoczenia przez co najmniej 12 godzin w gazowym wodorze, aby umożliwić całkowite przenikanie.</li>
</ol>
6. Eksperyment biegowy
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wytaruj ogniwo obciążnikowe i upewnij się, że LVDT podaje odpowiednią głębokość w oprogramowaniu trybometru, która powinna być bliska 0 mm.</li>
	<li>Rozpocznij eksperyment.</li>
</ol>
7. Po eksperymencie
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Na koniec przepłukać objętość zbiornika ciśnieniowego argonem gazowym pod ciśnieniem atmosferycznym przez 10 minut, aby upewnić się, że w zbiorniku nie pozostał wodór.</li>
</ol>

<ol><li>Schlapbach, L. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/460809a">Technology: Hydrogen-fuelled vehicles.</a> Nature. 460 (7257), 809-811 (2009).</li>
<li>Jones, R., Thomas, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJones%2C+R+%22Materials+for+the+Hydrogen+Economy%22">Materials for the Hydrogen Economy</a>. , CRC Press. Boca Raton. (2007).</li>
<li>Barth, R., Simons, K. L., San Marchi, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBarth%2C+R+%22Polymers+for+Hydrogen+Infrastructure+and+Vehicle+Fuel+Systems%3A+Applications%2C+Properties%2C+and+Gap+Analysis%22">Polymers for Hydrogen Infrastructure and Vehicle Fuel Systems: Applications, Properties, and Gap Analysis</a>. , October 23-34 (2013).</li>
<li>Marchi, C., Somerday, B. P. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMarchi%2C+C+%22Technical+Reference+on+Hydrogen+Compatibility+of+Materials%22">Technical Reference on Hydrogen Compatibility of Materials</a>. Ref, M. T. , No. code 8100 (2008).</li>
<li>Welch, A., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWelch%2C+A+%22Challenges+in+developing+hydrogen+direct+injection+technology+for+internal+combustion+engines%22">Challenges in developing hydrogen direct injection technology for internal combustion engines</a>. , SAE International, Paper No. 2008-01-2379 (2008).</li>
<li>Fukai, Y. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFukai%2C+Y+%22The+Metal-Hydrogen+System%22">The Metal-Hydrogen System</a>. , Springer: Verlag. Berlin Heidelberg. (2005).</li>
<li>Lu, G., Kaxiras, E. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.94.155501">Hydrogen embrittlement of aluminum: The crucial role of vacancies.</a> Phys. Rev. Lett. 94 (15), 155501(2005).</li>
<li>Zhao, Z., Carpenter, M. A. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1927690">Annealing enhanced hydrogen absorption in nanocrystalline Pd∕AuPd∕Au sensing films.</a> J. Appl. Phys. 97 (12), 124301(2005).</li>
<li>Alvine, K. J., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.3517445">High-pressure hydrogen materials compatibility of piezoelectric films.</a> Appl. Phys. Lett. 97 (22), 221911(2010).</li>
<li>Alvine, K. J., et al. <a target="_blank" href="https://www.nist.gov/publications/hydrogen-species-motion-piezoelectrics-quasi-elastic-neutron-scattering-study">Hydrogen species motion in piezoelectrics: A quasi-elastic neutron scattering study.</a> J. Appl. Phys. 111 (5), 53505(2012).</li>
<li>Aggarwal, S., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.122339">Effect of hydrogen on Pb(Zr,Ti)O3Pb(Zr,Ti)O3-based ferroelectric capacitors.</a> Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).</li>
<li>Ikarashi, N. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.122333">Analytical transmission electron microscopy of hydrogen-induced degradation in ferroelectric Pb(Zr, Ti)O3Pb(Zr, Ti)O3 on a Pt electrod.</a> Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).</li>
<li>Castagnet, S., Grandidier, J., Comyn, M., Benoı, G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319910008578">Hydrogen influence on the tensile properties of mono and multi-layer polymers for gas distribution.</a> Int. J. Hydrog. Energy. 35, 7633-7640 (2010).</li>
<li>Theiler, G., Gradt, T. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301679X1500239X">Tribological characteristics of polyimide composites in Hydrogen environment.</a> Tribol. Int. 92, 162-171 (2015).</li>
<li>Sawae, Y., et al. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=1638174">Friction and wear of bronze filled PTFE and graphite filled PTFE in 40 MPA hydrogen gas.</a> Proceed. , IJTC2011 249-251 (2011).</li>
<li>Fujiwara, H., Ono, H., Nishimura, S. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319914032406">Degradation behavior of acrylonitrile butadiene rubber after cyclic high-pressure hydrogen exposure.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 40 (4), 2025-2034 (2015).</li>
<li>Zhang, L., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319913000633">Influence of low temperature prestrain on hydrogen gas embrittlement of metastable austenitic stainless steels.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 38 (25), 11181-11187 (2013).</li>
<li>Weber, S., Theisen, W., Martı, M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319913005612">Development of a stable high-aluminum austenitic stainless steel for hydrogen applications.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 38 (14), 5989-6001 (2013).</li>
<li>Papavinasam, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPapavinasam%2C+S+%22Corrosion+control+in+the+oil+and+gas+industry%22">Corrosion control in the oil and gas industry</a>. , Elsevier. (2013).</li>
<li>Yamamoto, S. <a target="_blank" href="https://www.jstage.jst.go.jp/article/matertrans/45/8/45_8_2647/_article">Hydrogen Embrittlement of Nuclear Power Plant Materials.</a> Mat. Trans. 45 (8), 2647-2649 (2004).</li>
<li>Rymuza, Z. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1644966512602350">Tribology of polymers.</a> Arch. Civ. Mech. Eng. 7 (4), 177-184 (2007).</li>
<li>Mckeen, L. W. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/book/9780323442015">1 Introduction to Fatigue and Tribology of Plastics and Elastomers</a>. , Second, Elsevier Inc. (2010).</li>
<li>Lorge, O., Briscoe, B. J., Dang, P. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386198005278">Gas induced damage in poly(vinylidene fluoride) exposed to decompression.</a> Polymer. 40, 2981-2991 (1999).</li>
<li>Sawae, Y., Yamaguchi, A., Nakashima, K., Murakami, T., Sugimura, J. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=1605418">Effects of Hydrogen Atmosphere on Wear Behavior of PTFE Sliding Against Austenitic Stainless Steel.</a> Proceed. , IJTC2007 1-3 (2008).</li>
<li>Sawae, Y., Nakashima, K., Doi, S., Murakami, T., Sugimura, J. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=1648560">Effects of high pressure hydrogen on wear of PTFE and PTFE composite.</a> Proceed. , IJTC2009 233-235 (2010).</li>
<li>Duranty, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+in+situ+tribometer+for+measuring+friction+and+wear+of+polymers+in+a+high+pressure+hydrogen+environment%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">An in situ tribometer for measuring friction and wear of polymers in a high pressure hydrogen environment.</a> Rev. Sci. Instrum. 88 (9), (2017).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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 infrastrukturze2,3,4 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.

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

in situ wysokociśnieniowe badania trybologiczne wodoru powszechnie stosowanych w infrastrukturze dostarczania wodoru

In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

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.

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 FN a siłą tarcia FK</...

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

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

High pressure hydrogen gas is known to adversely affect metallic components of compressors, valves, hoses, and actuators. However, relatively little is ...

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.

in-situ-high-pressure-hydrogen-tribological-testing-common-polymer

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ponownie pojawiło się zainteresowanie rozwojem zaworów polimerowych. W tym przypadku celem jest wykazanie wykonalności modyfikacji komercyjnego powielacza impulsów w celu dostosowania go do geometrii trójulotkowej oraz zdefiniowanie protokołu prezentacji danych hydrodynamicznych zaworów polimerowych w porównaniu z danymi natywnymi i protezowymi zastawek zebranymi w niemal identycznych warunkach.

Protokół względnej oceny hydrodynamicznej trójpłatkowych zaworów polimerowych

Trwałość polimerów i kompozytów polimerowych wzmocnionych włóknami w eksploatacji jest krytycznym aspektem dla ich projektowania i konserwacji w oparciu o stan. Przedstawiamy nowatorską, niskokosztową platformę do badań laboratoryjnych do badania wpływu jednoczesnych obciążeń mechanicznych i środowiskowych, która może pomóc w projektowaniu bardziej wydajnych, a jednocześnie bezpieczniejszych struktur kompozytowych.

Platforma testowa do badań trwałości polimerów i kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami w warunkach jednoczesnych bodźców higrotermomechanicznych

Przedstawiamy protokół łączący metrologię atomową Skaningowego Mikroskopu Tunelowego do modelowania powierzchni z selektywnym osadzaniem warstw atomowych i reaktywnym trawieniem jonowym. Korzystając z solidnego procesu obejmującego liczne ekspozycje atmosferyczne i transport, wytwarzane są nanostruktury 3D z metrologią atomową.

Wytwarzanie nanostruktur identyfikowalnych atomowo

Ilustrujemy zastosowanie analizy rezonansowej reakcji jądrowej 1H(15N,αγ)12C (NRA) do ilościowej oceny gęstości atomów wodoru na powierzchni, objętości i w warstwie międzyfazowej materiałów stałych. Opisano przypowierzchniowy profil głębokości wodoru monokryształu Pd(110) i stosów SiO2/Si(100).

Kwantyfikacja stężeń wodoru w warstwach powierzchniowych i granicznych faz oraz materiałach sypkich poprzez profilowanie głębokości z analizą reakcji jądrowej

Ten artykuł opisuje konfigurację i metodę wizualizacji in situ próbek oleju w różnych warunkach temperatury i ciśnienia, które mają na celu emulację procesów rafinacji i ulepszania. Jest używany przede wszystkim do badania mediów izotropowych i anizotropowych biorących udział w zanieczyszczaniu pasz ropopochodnych.

In Situ Wizualizacja zachowania fazowego próbek ropy naftowej w warunkach procesu rafineryjnego

Wygodna metoda syntezy bimetalicznych katalizatorów Pt-Cu z nanocząstkami o długości 2 nm do odwodornienia propanu jest opisana tutaj. Techniki synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego in situ pozwalają na określenie struktury katalizatora, która jest zwykle nieosiągalna przy użyciu przyrządów laboratoryjnych.

Synteza i testowanie katalizatorów nanocząsteczkowych w roztworze stałym Pt-Cu do odwodornienia propanu

Tutaj prezentujemy protokół do pomiaru szybkości trybokorozji i synergii zużycia i korozji cienkich warstw i luzem stopów Al w symulowanej wodzie morskiej w temperaturze pokojowej.

Określanie szybkości trybokorozji i synergii zużycie-korozji masowych i cienkowarstwowych stopów aluminium

Aby wprowadzić duże ilości wodoru do aluminium i stopów aluminium, opracowano nową metodę ładowania wodoru, zwaną procedurą tarcia w wodzie.

Ładowanie wodorem aluminium za pomocą tarcia w wodzie

Reaktory membranowe umożliwiają uwodornienie w warunkach otoczenia bez bezpośredniego dopływu H2. Możemy śledzić produkcję i wykorzystanie wodoru w tych systemach za pomocą atmosferycznej spektrometrii mas (atm-MS) i spektrometrii mas chromatografii gazowej (GC-MS).

Produkcja i wykorzystanie wodoru w reaktorze membranowym

Laserowo podgrzewane diamentowe kowadełko w połączeniu z technikami mikrodyfrakcji synchrotronowej pozwala badaczom badać naturę i właściwości nowych faz materii w ekstremalnych warunkach ciśnienia i temperatury (PT). Próbki heterogeniczne można scharakteryzować in situ pod wysokim ciśnieniem za pomocą mapowania 2D i połączonych metod dyfrakcji proszkowej, monokrystalicznej i wieloziarnistej.

Synteza i mikrodyfrakcja w ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach

Poznaj metodologię badania właściwości tribologicznych polimerów w wysokociśnieniowym wodorze. Ta technika pomaga projektować dynamiczne uszczelnienia i komponenty infrastruktury wodorowej.

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

Przeglądaj więcej filmów