Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

На месте Высокого давления водорода трибологических испытаний общих полимерных материалов, используемых в инфраструктуре доставки водорода

7.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/56884

⸱

31 марта 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Energy and Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory

В этой статье

Краткое содержание

Показал тест методологии количественной оценки триботехнических свойств полимеров, используемых в водород инфраструктуры службы и обсуждаются характерные результаты для общей эластомера.

Аннотация

Высокого давления водорода известен отрицательно влияют на металлические компоненты компрессоров, клапанов, шланги и приводы. Однако относительно мало известно о влиянии высокого давления водорода на полимерные материалы уплотнительные и барьер, также нашли в рамках этих компонентов. Чтобы определить совместимость общих полимерных материалов, найденных в компонентах инфраструктуры доставки топлива водорода с высоким давлением водорода требуется больше исследование. В результате важно рассмотреть изменения в физических свойств, таких как трение и износ в situ в то время как полимер подвергается воздействию высокого давления водорода. В этом протоколе мы представим метод для тестирования трения и износа свойства этилена Пропилен Диен Мономер (EPDM) эластомер образцов в 28 МПа высокого давления водорода среде с помощью заказных в situ ПИН на плоские линейные поршневых трибометра. Представитель результаты от этого тестирования, которые показывают, что коэффициент трения между EPDM образца купона и поверхностью сталь счетчика увеличивается в высокого давления водорода по сравнению с аналогичным образом измеряется коэффициент трения окружающего воздуха.

Введение

В последние годы был большой интерес к водорода как потенциал нулю выбросов или околонулевых выбросов топлива в транспортных средствах и стационарные силовые источники. Так как водород существует как низкой плотности газа при комнатной температуре, большинство приложений используют той или иной форме сжатого водорода для топлива. 1 , 2 потенциальным недостатком использования сжатых, газ высокого давления водорода является несовместимость с многие материалы, найденные в пределах инфраструктуры2,3,4 и5 автомобильных приложений где проблемы совместимости в сочетании с неоднократные давления и температуры Велоспорт. В среде чистого водорода, как известно, повреждения металлических компонентов, включая некоторые стали и титана через различные механизмы, включая формирование Гидрид, отеки, поверхности пузырей и охрупчивания. 2 , 6 , 7 , 8 неметаллических компонентов, таких как титаната цирконата свинца (PZT) используется в пьезоэлектрической керамике также оказались подвержены деградации в силу несовместимости водорода как поверхностные пузырей и свинца миграции. 9 , 10 , 11 , 12 в то время как эти примеры ущерба в результате воздействия водорода изучали ранее, совместимость полимерных компонентов в среде водорода только недавно стала интерес. 13 , 14 , 15 , 16 это во многом результат металлических компонентов, обеспечение структурной целостности в ядерной и приложения нефти и газа в то время как полимерные компоненты обычно действуют как барьеры или уплотнения. 17 , 18 , 19 , 20 в результате трения и износа свойства полимерных материалов в рамках компонентов, таких как политетрафторэтилен (ПТФЭ) клапан, мест и нитриловые бутадиен резиновые (NBR) O-кольца стали важными факторами в их способность функционировать.

В случае инфраструктуры водорода такие компоненты, как клапаны, компрессоры и резервуаров для хранения содержат полимерных материалов, которые находятся в контакте с металлическими поверхностями. Фрикционного взаимодействия между полимерных и металлических поверхностей приводит к износу каждого из поверхностей. Наука о взаимосвязи между трение и износ двух взаимодействующих поверхностей известен как трибологии. Полимеры, как правило, имеют меньше упругих модулей и прочность, чем металлические, поэтому трибологические свойства полимерных материалов значительно отличаются от металлических материалов. В результате полимерные поверхности склонны проявлять больший износ и повреждение после фрикционного контакта с металлической поверхностью. 21 , 22 в водород инфраструктуры приложений, быстрое давления и температуры, Велоспорт причины неоднократные взаимодействие между полимерных и металлических поверхностей, увеличивая вероятность трения и износа полимерного компонента. Количественная оценка этот ущерб может быть сложным ex situ из-за возможных Взрывная декомпрессия полимера образца после понижения давления, которое может привести к не трибологических ущерб. 23 Кроме того, многие коммерческие полимерные продукты содержат много наполнители и добавки, такие как оксид магния (MgO), который может негативно взаимодействовать с водородом газа через hydriding, еще более усложняют ex situ анализ износа в этих материалы. 24 , 25

Из-за сложности разграничения повреждения полимерного материала, причиненный при разгерметизации и повреждения трибологических износ ex situсуществует необходимость учиться непосредственно фрикционные свойства неметаллических материалов на месте в среде водорода давления, которое может существовать в пределах инфраструктуры доставки водорода. В этом протоколе, мы демонстрируем тест разработана методология количественной оценки трения и износа свойства полимерных материалов в условиях высокого давления водорода, использованием трибометра специально построенном на месте . 26 мы также представляем представительных данных, полученных с использованием трибометра в situ и этилена пропиленовый диенового мономера (EPDM), общей полимерные уплотнительные и барьер материала. EPDM материал, для которого представитель генерации данных, с помощью протокола ниже был приобретен в 60,96 см квадратных листов толщиной 0.3175 см и было сообщено поставщиком 60A твердость рейтинг.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Эксперимент, описанные здесь требует использования водорода, который без запаха, бесцветной и таким образом обнаружить от человеческих чувств. Водород является легковоспламеняющимся и ожоги почти невидимым синий пламя и могут образовывать взрывоопасные смеси в присутствии кислорода. Высокое давление превышает 6,9 МПа добавить дополнительные взрывоопасность, которые должны быть надлежащим образом запланировано в рамках подготовки для любых испытаний. Эта сумма накопленной энергии представляет собой серьезную опасность и поэтому due diligence, планирования и безопасности оценки должны быть выполнены перед выполнением такой эксперимент, чтобы обеспечить, что эти опасности смягчаются. Эксперимент, представленные здесь производится в соответствии с надлежащие меры предосторожности в Американское общество инженеров-механиков (ASME) сертифицированные давления судна с всплеск диска равным 34,5 МПа с достаточной вентиляцией.

1. Подготовка полимера тонколистового

  1. Нанесите моющее средство для тонколистового EDPM полимер, используя неабразивные губки и промойте под водой примерно 3 мин для удаления масел и талька порошок применяется во время изготовления и доставка процесса.
  2. Сухой лист полимера в сушильном шкафу на 85% от материала рабочей температуры, около 75 ° C для EPDM, примерно в 72 часа диск любой воды, оставшихся от стирки.
  3. Выключите духовку и позволяют полимерный лист складируемого материала остыть до комнатной температуры внутри духовки.
  4. Марк один угол тонколистового со стрелкой в верхней части листа полимера. Эта стрелка будет помогать в определении ориентации листа во время генерации образца купон, обеспечивая, что образцы, вырезанные из полимерного листа будет последовательно же ориентации.
  5. Хранение запасов лист полимера в комнатной температуре, контролируемой влажности окружающей среды вблизи 25% относительная влажность воздуха до трибологических испытаний.

2. Создание и монтаж образца купоны

  1. Во время ношения порошок бесплатно перчатки, Марк тонколистового полимера с стрелкой в районе предполагаемого купон вблизи стрелки, отмеченные в ходе подготовки полимер тонколистового таким образом, что обе стрелки имеют одинаковую ориентацию.
  2. С помощью 2.222 см диаметр круговой умереть и молотком, искоренить купон образца вокруг знака стрелки.
  3. Ослабьте шестигранный cap винта, крепящих зажим образца на в situ трибометра, удалить шестигранный винт и точность весной из наиболее легко доступных угла зажима образца.
  4. Слайд образца купон в зажим образца, заботясь, чтобы убедиться, что образец ориентирован с стрелкой указал лицом вниз и к задней части зажим, который ближе к задней пластины трибометра сторона.
  5. Заменить весны точности и шестигранный винт в пустой угол образца зажим и перейти в руки затянуть все четыре шестигранной головкой зажим до уютно, таким образом, что образцы эластомера сжимается на 10% своей первоначальной высоты. Предполагая 0,318 см Высота образца, 10% сжатия может достигаться с помощью блока датчика 0,287 см между двумя пластинами зажим.

3. Подготовка в Situ трибометра

  1. Место 2.413 см калибровочных блоков между стеной трибометра и образец нарты, прямо под винт привода. Убедитесь, что поле сбора данных отключена, а затем поверните по часовой стрелке для резервного нарты образца таким образом, чтобы край нарты — 2.413 см от стены трибометра приводной цепи.
  2. Аккуратно протрите стальной шарик поверхности Счетчик с мягкой тканью или Линт менее бумажным полотенцем и соответствующего растворителя как ацетон для примерно 30 секунд, пока поверхности Счетчик поверхности появляется любого мусора.
  3. Слайд бронзовые счетчик поверхности носителя и бронзовые вес, всего нормальной нагрузки 7.5 N, на железнодорожных перпендикулярно образца нарты, позволяя счетчик шар скользить между в замочную скважину и отдохнуть на образце полимера.
  4. Использование шестигранный ключ и двумя бронзовых винты, присоедините руку измерения линейной переменной дифференциального трансформатора (LVDT) держателя поверхности бронзы счетчика, таким образом, что свободно плавающей баллон LVDT ложится на руку.
  5. Отрегулировать зажим, подняв LVDT на месте или вниз таким образом, что измерения LVDT возле его нулевой точки затем затяните зажим для обеспечения LVDT на месте.
  6. Нижняя трибометра Ассамблея в сосуд под давлением, обеспечивая, что защитного кармана в верхнем фланце судна будет ниже в зазор между трибометра и стенкой судна.
  7. Оберните уплотнительные кольца с в общей сложности два с половиной слоев Фторопластовой ленты. Это достигается путем заключения в оболочку Фторопластовой ленты, таким образом, что каждый дополнительный обернуть перекрывается примерно половину круга разбирательства до происходит вокруг диаметр уплотнительное кольцо дважды. Затем оберните диаметр уплотнительное кольцо окончательное время без какого-либо дублирования. После упаковки в оболочку уплотнительное кольцо, поместите его в паз в губы сосуд под давлением.
  8. Принимая во внимание наклейки проводку, подключите провода пяти питания для мотора трибометра, четыре провода данных для ячейки нагрузки и пяти данных провода для LVDT.

4. Герметизация сосуд под давлением

  1. Ниже верхнего фланца сосуд под давлением, чтобы закрыть его, заботясь, чтобы понизить верхний фланец мягко на PTFE завернутые, герметизация уплотнительным кольцом.
  2. Вставьте болты в пронумерованных отверстия на верхний фланец, указанных заводом-изготовителем в возрастающем порядке, пока они не палец плотный.
  3. С помощью ручной шестигранный ключ, крутящий момент болты фланца в порядке возрастания в руки плотно и повторять до тех пор, пока больше не могут быть затянуты болты.
  4. Начиная 120 Нм и увеличение с шагом ~ 40 Нм, Используйте динамометрический до крутящего момента, фланцевые болты в возрастающем порядке для каждого приращения ~ 40 Нм до тех пор, пока они являются torqued до 280 Нм.

5. Заполнение сосуд под давлением

  1. Теперь, герметичный сосуд под давлением, подключите газовая арматура к крышке автоклава и очистить сосуд под давлением с газом Аргон низкого давления (~0.55 МПа) для примерно 1 час до тех пор, пока содержание кислорода судна падает ниже 10 ppm, с помощью датчика кислорода, Протянувшись в выходные данные сосуд под давлением.
  2. Медленно (< 0,25 МПа/s) очистить сосуд с водорода до 6,9 МПа, а затем медленно выход газа к атмосферному давлению. Повторите процесс промывки еще два раза.
  3. После промывки сосуд под давлением, медленно (< 0,25 МПа/s) наполнить сосуд под давлением водорода до 13.75 МПа и позволяют судна на отдых в течение 10 мин, таким образом, чтобы температура газа внутри судна уравновешивает до комнатной температуры.
  4. • Заполните емкость до 20,7 МПа и ждать еще 10 мин.
  5. Принесите судна до целевой 27,6 МПа и закрыть покинуть все клапаны.
  6. Разрешить полимера образца впитать в течение по крайней мере 12 ч газообразного водорода перед началом эксперимента, чтобы разрешить для полного проникновения.

6. запуск эксперимента

  1. Дважды проверьте, что все транзитные провода, удалились сосуд под давлением правильно подключены к маркированной жгут проводов прилагается к коробке управления трибометра, а затем включите трибометра.
  2. В трибометра программного обеспечения установите время эксперимент 1 час скоростью 0,1 см/сек с длиной пути 0,140 см. Это соответствует приблизительно 3,5 м.
  3. Масса тары динамометр и убедитесь, что LVDT сообщает о соответствующей глубины в трибометра программное обеспечение, которое должно быть около 0 мм.
  4. Начните эксперимент.

7. после эксперимента

  1. После завершения эксперимента, медленно Вент сосуд под давлением газа водорода на приблизительно 0,35 МПа/s, обеспечивая, что судно давление температура не опускается ниже 0 ° C.
  2. Наконец флеш давления судно объем с аргоном при атмосферном давлении 10 минут для обеспечения того, чтобы не оставшиеся водорода внутри судна.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

С использованием представленные методологии, Коэффициент кинетического трения и износа фактором для эластомерных образца может измеряться в среде водорода давления. Репрезентативные данные представлены на рисунке 1 показывают, что в среде водорода давления для перемещения EPDM полимерные образцы под поверхностью сталь счетчика требуется большей силой. С помощью отношения между нормальной силы FN и силы трения FK коэффициент трения, µ, ме...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Текущий ex situ методы для трибологических испытаний полимерных материалов требуют образцы подвергаются воздействию высокого давления водорода, которые затем редуктором прежде чем тестирование с использованием коммерческих трибометра. 15 , 24 , 25 методологии испытаний в этот протокол был разработан разрешить проведение испытаний трибологических свойств полимерные образцы в высокого давления окружающей среды в situ<...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Это исследование проводилось в Тихоокеанском северо-западе Национальная лаборатория (PNNL), который находится в ведении Мемориального института Battelle Департамент энергетики (DOE) договор № ДЕ AC05-76RL01830.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Полимерный лист из EPDMMcMaster-Carr8525T6824 x 24 дюйма, 1/8 дюйма толщиной 1/8 дюйма
, автоклавFluitron Inc.8308-1788-UДиаметр 5 дюймов, высота 1 фут Водород
чистотыPraxairHY4.5Класс 4.5, 5 ppm O2, 5 ppm H20
O2 ДатчикAdvanced Micro InstrumentsT20-5 ppm мин. диапазон, 10 0000 ppm макс.
Предварительно очищенный газ аргонOxarcLCCO-HP818Высокая чистота, 99,998%
Жидкое средство для мытья посудыMcMaster-Carr98365T8932 унции бутылка для заливки, губка с ароматом лимона
Устойчивая к плесениГубка McMaster-Carr7309T16 дюймов длина x 3 -1/2 дюйма Ширина x 1 дюйм высота, желтая
герметизации трубной резьбы из ПТФЭMcMaster-Carr4591K121/2 дюйма ширина, белая цвет
Фитинги для газовых трубSwagelokSS-400-1-41/4" OD, нержавеющая сталь, наружная резьба NPT
Штамп с приводом от молоткаMcMaster-Carr3427A227/8" Перфоратор с забитым молотком дырокол
Линейный переменный дифференциальный трансформаторOmegaLD320-2.5 2,5 мм, выход переменного тока, управляемый с пружиной
Уплотнительное кольцо в автоклавеFluitron Inc.A-4511Hastelloy C-276, 5-3/4" OD x 5" ID x 3/8"
Динамометрический ключMcMaster-Carr85555A422Регулируемый ключ с ограничением крутящего момента, быстросъемный, 1/2" Квадратный привод, 50-250 футов-фунтов. Torque
MalletMcMaster-Carr5939A11Твердый и сверхтвердый резиновый молоток, 2-1/4 фунта.
iLoad Mini Емкостный датчик нагрузкиДатчики нагрузкиMFM-050-050-S*C0350 фунтов, U-калибровка, точность 0,5%, сталь
высокой лента для

Ссылки

  1. Schlapbach, L. Technology: Hydrogen-fuelled vehicles. Nature. 460 (7257), 809-811 (2009).
  2. Jones, R., Thomas, G. Materials for the Hydrogen Economy. , CRC Press. Boca Raton. (2007).
  3. Barth, R., Simons, K. L., San Marchi, C. Polymers for Hydrogen Infrastructure and Vehicle Fuel Systems: Applications, Properties, and Gap Analysis. , October 23-34 (2013).
  4. Marchi, C., Somerday, B. P. Technical Reference on Hydrogen Compatibility of Materials. Ref, M. T. , No. code 8100 (2008).
  5. Welch, A., et al. Challenges in developing hydrogen direct injection technology for internal combustion engines. , SAE International, Paper No. 2008-01-2379 (2008).
  6. Fukai, Y. The Metal-Hydrogen System. , Springer: Verlag. Berlin Heidelberg. (2005).
  7. Lu, G., Kaxiras, E. Hydrogen embrittlement of aluminum: The crucial role of vacancies. Phys. Rev. Lett. 94 (15), 155501(2005).
  8. Zhao, Z., Carpenter, M. A. Annealing enhanced hydrogen absorption in nanocrystalline Pd∕AuPd∕Au sensing films. J. Appl. Phys. 97 (12), 124301(2005).
  9. Alvine, K. J., et al. High-pressure hydrogen materials compatibility of piezoelectric films. Appl. Phys. Lett. 97 (22), 221911(2010).
  10. Alvine, K. J., et al. Hydrogen species motion in piezoelectrics: A quasi-elastic neutron scattering study. J. Appl. Phys. 111 (5), 53505(2012).
  11. Aggarwal, S., et al. Effect of hydrogen on Pb(Zr,Ti)O3Pb(Zr,Ti)O3-based ferroelectric capacitors. Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).
  12. Ikarashi, N. Analytical transmission electron microscopy of hydrogen-induced degradation in ferroelectric Pb(Zr, Ti)O3Pb(Zr, Ti)O3 on a Pt electrod. Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).
  13. Castagnet, S., Grandidier, J., Comyn, M., Benoı, G. Hydrogen influence on the tensile properties of mono and multi-layer polymers for gas distribution. Int. J. Hydrog. Energy. 35, 7633-7640 (2010).
  14. Theiler, G., Gradt, T. Tribological characteristics of polyimide composites in Hydrogen environment. Tribol. Int. 92, 162-171 (2015).
  15. Sawae, Y., et al. Friction and wear of bronze filled PTFE and graphite filled PTFE in 40 MPA hydrogen gas. Proceed. , IJTC2011 249-251 (2011).
  16. Fujiwara, H., Ono, H., Nishimura, S. Degradation behavior of acrylonitrile butadiene rubber after cyclic high-pressure hydrogen exposure. Int. J. Hydrogen Energy. 40 (4), 2025-2034 (2015).
  17. Zhang, L., et al. Influence of low temperature prestrain on hydrogen gas embrittlement of metastable austenitic stainless steels. Int. J. Hydrogen Energy. 38 (25), 11181-11187 (2013).
  18. Weber, S., Theisen, W., Martı, M. Development of a stable high-aluminum austenitic stainless steel for hydrogen applications. Int. J. Hydrogen Energy. 38 (14), 5989-6001 (2013).
  19. Papavinasam, S. Corrosion control in the oil and gas industry. , Elsevier. (2013).
  20. Yamamoto, S. Hydrogen Embrittlement of Nuclear Power Plant Materials. Mat. Trans. 45 (8), 2647-2649 (2004).
  21. Rymuza, Z. Tribology of polymers. Arch. Civ. Mech. Eng. 7 (4), 177-184 (2007).
  22. Mckeen, L. W. 1 Introduction to Fatigue and Tribology of Plastics and Elastomers. , Second, Elsevier Inc. (2010).
  23. Lorge, O., Briscoe, B. J., Dang, P. Gas induced damage in poly(vinylidene fluoride) exposed to decompression. Polymer. 40, 2981-2991 (1999).
  24. Sawae, Y., Yamaguchi, A., Nakashima, K., Murakami, T., Sugimura, J. Effects of Hydrogen Atmosphere on Wear Behavior of PTFE Sliding Against Austenitic Stainless Steel. Proceed. , IJTC2007 1-3 (2008).
  25. Sawae, Y., Nakashima, K., Doi, S., Murakami, T., Sugimura, J. Effects of high pressure hydrogen on wear of PTFE and PTFE composite. Proceed. , IJTC2009 233-235 (2010).
  26. Duranty, E., et al. An in situ tribometer for measuring friction and wear of polymers in a high pressure hydrogen environment. Rev. Sci. Instrum. 88 (9), (2017).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

in situLVDT
На месте Высокого давления водорода трибологических испытаний общих полимерных материалов, используемых в инфраструктуре доставки водорода
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.