Situ Yüksek basınçlı hidrojen hidrojen teslim altyapısında kullanılan ortak Polimer malzemelerin test Tribolojik

Özet

Hidrojen altyapısı servisinde kullanılan polimerlerin Tribolojik özellikler miktarının bir test metodoloji gösterdi ve karakteristik sonuçları elde etmek için ortak bir elastomer ele alınmıştır.

Özet

Yüksek basınçlı hidrojen gazı Kompresörler, vanalar, hortumlar ve aktüatörler metalik bileşenleri üzerinde olumsuz bir etkisi olduğu bilinmektedir. Ancak, nispeten az polimer sızdırmazlık ve bariyer malzemeler de bu bileşenleri içinde bulunan yüksek basınçlı hidrojen etkileri hakkında bilinir. Daha fazla çalışma yüksek basınçlı hidrojen ile hidrojen yakıt teslim altyapısının bileşenleri bulunan ortak Polimer malzemelerin uyumluluk belirlemek için gereklidir. Sonuç olarak, sürtünme gibi fiziksel özellikleri değişiklikleri göz önünde bulundurun ve polimer için yüksek basınçlı hidrojen maruz iken in situ giymek önemlidir. Bu iletişim kuralı ' sürtünme testleri için bir yöntem sunmak ve etilen propilen Dien monomer (EPDM) elastomer örnekleri özelliklerini kullanarak özel olarak oluşturulmuş situ PIN düz doğrusal pistonlu bir 28 MPa yüksek basınçlı hidrojen ortamında giymek tribometer. Bu test vardır temsilcisi sonuçlarından da EPDM örnek kupon ve çelik sayacı yüzey arasındaki Sürtünme katsayısı yüksek basınçlı hidrojen ile karşılaştırıldığında benzer şekilde ölçülen Sürtünme katsayısı olarak arttığını gösteriyor sundu ortam havası.

Giriş

Son yıllarda büyük bir potansiyel sıfır emisyon olarak hidrojen ilgi ya da sıfıra yakın emisyon yakıt araçlar ve sabit güç kaynağı olmuştur. Oda sıcaklığında bir düşük yoğunluklu gaz hidrojen var yana, çoğu uygulama bazı sıkıştırılmış hidrojen yakıt için kullan. ^{1 , 2} sıkıştırılmış kullanmanın bir potansiyel dezavantajı, yüksek basınçlı hidrojen gazı altyapı^2,3,4 ve araç uygulamaları⁵ içinde bulunan birçok malzeme ile uyumsuzluk olduğunu nerede uyumluluk sorunları yinelenen basınç ve sıcaklık ile birleştirilir Bisiklete binme. Bir saf hidrojen ortamı metal bileşenleri belirli çelikler dahil olmak üzere zarar bilinmektedir ve titanyum Hidrit oluşumu, şişme, dahil olmak üzere farklı mekanizmalarla yüzey su toplama ve embrittlement. ^{2 , 6 , 7 ,} Piezoelektrik seramik kullanılan kurşun zirconate titanate (PZT) gibi ⁸ sigara-metalik bileşenleri Ayrıca duyarlı yüzey kabarma ve kurşun geçiş gibi hidrojen uyumsuzluk etkisi nedeniyle bozulması için kanıtlanmıştır. ^{9 , 10 , 11 , 12} hidrojen maruz kalma nedeniyle zararın bu örnekler daha önce eğitimi var iken, polimer bileşenleri hidrojen ortamlar içinde uyumluluk yalnızca son zamanlarda ilgi olmuştur. ^{13 , 14 , 15 , 16} bu büyük ölçüde bir polimer bileşenleri genellikle engelleri veya mühür hareket ise yapısal bütünlük içinde nükleer ve petrol ve gaz uygulamaları sağlayan metalik bileşenlerinin sonucudur. ^{17 , 18 , 19 , 20} sonuç olarak, politetrafloroetilin (PTFE) gibi bileşenleri içinde Polimer malzemelerin sürtünme ve aşınma özellikleri koltuklar ve Nitril bütadien kauçuk (NBR) O-halkaları haline önemli faktörlerden yeteneklerini işlevine Vana.

Hidrojen altyapısı söz konusu olduğunda, metalik yüzeylere temas polimer malzemeler Subaplar, kompresörler ve depolama tankları gibi bileşenleri içerir. Polimer ve metal yüzeyler arasındaki sürtünme etkileşim her yüzeylerin giyim sonuçlanır. Sürtünme ve aşınma iki etkileşen yüzeyler arasındaki ilişkinin bilim Triboloji bilinir. Polimerler daha düşük elastik dönmeler ve metalik bir güç sahip olma eğilimi, bu nedenle Polimer malzemelerin Tribolojik özellikleri büyük ölçüde Metalik malzemeler farklı. Sonuç olarak, polimer yüzeyler metal bir yüzeye sürtünme temastan sonra daha fazla aşınma ve hasar sergi eğilimindedir. ^{21 , 22} bir hidrojen altyapısı uygulama hızlı basınç ve sıcaklık polimer ve metal yüzeyler arasında nedenleri tekrarlanan etkileşim Bisiklete binme, artan sürtünme olasılığı ve polimer bileşeni giymek. Bu zarar miktarının ex situ polimer örnek mümkün patlayıcı dekompresyon sonra olabilir Tribolojik zarar depressurization nedeniyle zor olabilir. ²³ ek olarak, birçok dolgu maddeleri ve katkı maddeleri magnezyum oksit (MgO) Hidrojen gazı hydriding, daha da zorlaştıran bu aşınma ex situ analizi yoluyla olumsuz etkileşim gibi birçok ticari polimer ürün bulunur malzemeler. ^{24 , 25}

Depressurization ve hasar nedeniyle Tribolojik aşınma ex situsırasında neden olan polimer malzemeler zarar arasında differentiating karmaşıklığı nedeniyle, metalik olmayan malzemelerin yerinde sürtünme özelliklerini doğrudan çalışmaya gerek yoktur yüksek basınçlı hidrojen ortamında hidrojen teslim altyapı içinde mevcut muhtemeldir. Bu protokol için biz bir test göstermek metodoloji geliştirilen sürtünme ölçmek ve Polimer malzemelerin özellikleri bir amaca in situ tribometer kullanan bir yüksek basınçlı hidrojen ortamında giymek için. ²⁶ da in situ tribometer ve etilen propilen Dien monomer (EPDM) kauçuk, bir ortak polimer sızdırmazlık ve bariyer malzeme kullanarak temsilcisi veri elde mevcut. Hangi veri protokolü kullanılarak oluşturulan temsilcisi 60,96 cm kare çarşaflarda 0.3175 cm kalınlığı ile satın alınmış ve satıcı tarafından 60A sertlik derecesine sahiptir bildirildi EPDM malzeme.

Protokol

Burada açıklanan deney kokusuz, renksiz ve böylece insan duyuları tarafından fark edilmez olan hidrojen gazı kullanımını gerektirir. Hidrojen son derece yanıcı ve yanıklar neredeyse görünmez bir mavi alev ve form oksijen varlığında patlayıcı karışımlar. Yüksek basınç 6.9 MPa aşan herhangi bir test için hazırlık uygun şekilde için planlanan gerekir ek patlama tehlikeleri ekleyin. Bu depolanan enerji miktarını ciddi güvenlik riski temsil eder ve bu nedenle durum tespiti, planlama ve bir güvenlik değerlendirme Bu tehlikelerin hafifletilmiş emin olmak için böyle bir deneme yapmadan önce gerçekleştirilmelidir. Burada sunulan deney uygun olarak uygun güvenlik önlemleri bir Amerikan Derneği, makine mühendisleri (ASME) sertifikalı basınç gemi içinde bir veri bloğu disk ile uygun havalandırma için 34,5 MPa kümesi ile gerçekleştirilir.

1. polimer yaprak stok hazırlanması

1. Deterjan bir aşındırıcı olmayan sünger kullanarak EDPM polimer yaprak stok uygulamak ve yağlar kaldırmak ve üretim ve sevkiyat işlemi sırasında uygulanan toz Talk yaklaşık 3 dakika su altında yıkayın.
2. Herhangi bir su yıkama dan kalan sürücüye yaklaşık 72 saat için polimer Sac Kurutma fırında malzemenin çalışma sıcaklığına, EPDM, yaklaşık 75 ° C % 85 oranında kuru.
3. Fırın açmak ve polimer yaprak stok malzeme fırın iç Oda sıcaklığı soğutmak izin verir.
4. Polimer yaprak tepesine bir ok sayfası hisse senedi bir köşesini işaretleyin. Bu ok sayfa örnek kupon oluşturma sırasında polimer sacdan kesmek örnekleri aynı yönünü sürekli olacak sağlanması yönünü belirleme ile yardımcı olacaktır.
5. Mağaza polimer hisse senedi sac oda sıcaklığında, nem kontrollü ortam Tribolojik test önce %25 bağıl nem yakınındaki.

2. üreten ve örnek Kuponlar montaj

1. Toz giyen süre eldiven ücretsiz, her iki okları aynı yönlendirme sahip olduğunu polimer yaprak stok hazırlanması sırasında işaretlenmiş ok yakın amaçlanan kupon alanda bir ok ile polimer yaprak stok mark.
2. 2.222 cm çapında dairesel ölür ve bir çekiç kullanarak, ok işareti etrafında bir örnek kupon dışarı pul.
3. Onaltılık cap örnek kelepçe in situ tribometer, onaltılık cap vida ve hassas örnek kelepçe en kolay erişilebilir köşesinden bahar Kaldır üzerinde tutan vidayı gevşetin.
4. Slayt örnek kupon örnek kelepçe, örnek emin olmak için dikkat çekici içine okla odaklı sivri yüz aşağı ve yan tribometer arka-plaka en yakın olan kelepçe arkasına doğru.
5. Hassas bahar ve onaltılık cap vida örnek boş köşesinde kelepçe ve el devam eski yerine koymak kadar rahat elastomer örnek orijinal yüksekliğiyle yüzde 10'u tarafından sıkıştırılmış öyle ki kelepçe onaltılık cap vida dört sıkın. 0,318 cm örnek yükseklik varsayarsak, % 10 sıkıştırma kelepçe iki plaka arasındaki 0,287 cm ölçer öbeği kullanarak elde edilebilir.

3. In Situ Tribometer hazırlanması

1. Yer 2.413 cm lik blok tribometer duvar ve hemen altındaki sürücü vida örnek kızak arasında. Veri toplama kutusu devre dışı bırakılır, sonra kenarına kızak tribometer duvar 2.413 cm öyle ki örnek kızak yedeklemek için bir saat yönünde hareket sürücü zinciri açmak emin olun.
2. Hafifçe yumuşak bir bez ya da tüysüz daha az kağıt havlu ve aseton gibi uygun bir çözücü ile sayaç yüzey çelik top counter yüzey yüzeyinde herhangi bir enkaz serbest görünene kadar yaklaşık 30 saniye için silin.
3. Bronz sayaç yüzey taşıyıcı ve bronz ağırlık, 7,5 N, demiryolu arasında anahtar deliği kaydırmak ve polimer örnek üzerinde dinlenmek sayaç top sağlayan örnek kızak dik üzerine bir toplam normal yük kaydırın.
4. Öyle ki LVDT serbestçe yüzen silindir koluna aittir onaltılık bir anahtar ve iki bronz vidayı kullanarak, doğrusal değişken diferansiyel transformatör (LVDT) ölçüm kolu bronz sayaç yüzey sahibi için yeniden bağlayın.
5. LVDT yerde dayanabiliyor kelepçe ayarlamak veya aşağı LVDT bu ölçme öyle ki sıfır noktası sonra sıkın LVDT yerde güvenli kelepçe.
6. Geminin üst flanş thermowell tribometer ve damar duvarına arasındaki boşluğu içine düşürür sağlanması tribometer derlemeye basınç gemi indir.
7. Mühürleme şal o-ring ile toplam iki buçuk kat PTFE bandı. Bu öyle ki her ek şal yaklaşık yarısı devam etmeden kucak o-ring çap satıyorum kadar çakışıyor PTFE bandı sarma tarafından gerçekleştirilir. Sonra o-ring çapını son kez herhangi bir çakışma olmadan sarın. Bir kez o-ring sarılır, basınç gemi dudak oluk yerleştirin.
8. Kablo etiketleri dikkate alarak, beş güç kabloları tribometer motor için dört veri teller için yük hücresi ve LVDT beş veri telleri yeniden bağlayın.

4. sızdırmazlık basınç gemisi

1. Düşük basınç gemi, PTFE üzerine hafifçe üst flanş düşürmek için dikkat çekici kapatmak için en iyi flanş o-ring mühürleme sarılmış.
2. Numaralı delikler üzerinde parmak sıkı onlar kadar artan düzende üretici tarafından belirtilen üst flanş cıvataları takın.
3. El ile hex tuşu, artan sırada el sıkı flanş cıvataları tork ve cıvata artık sıkılır kadar yineleyin.
4. 120 başlangıç Nm ve ~ 40 Nm artışlarla artan kullanın bir tork anahtarı flanş cıvataları kadar onlar bunun her ~ 40 Nm artış için 280 için artan sırada tork Nm.

5. dolum basıncı damar

1. Basınç gemi kapalı göre gaz bağlantı elemanları otoklav kapak bağlanmak ve geminin oksijen içeriği 10 ppm içine plumbed bir oksijen sensör kullanarak aşağıda düşünceye kadar yaklaşık 1 h için düşük basınç (~0.55 MPa) argon gazı ile basınç gemi sifonu basınç gemi çıktı.
2. Yavaş yavaş (< 0,25 MPa/s) gemi 6.9 MPa kadar hidrojen gazı ile yıkayın, sonra yavaş yavaş atmosferik basınç için gazı tahliye. Reçeteye göre sarf işlemi iki kez daha tekrarlayın.
3. Sonra basınç gemi yavaş yavaş kızarma (< 0,25 MPa/s) basınç damar 13.75 MPa kadar hidrojen gazı ile doldurmak ve öyle ki gemi içinde gaz sıcaklığı oda sıcaklığına Sakinleştiği için 10 dk dinlenmeye gemi izin.
4. Damar 20.7 MPa için doldurmak ve başka bir 10 dakika bekleyin.
5. Hedef 27,6 kadar gemi getirmek MPa ve yakın kapalı tüm vanalar.
6. Komple nüfuz için izin vermek için deney başlamadan önce en az 12 h hidrojen gazı içinde emmek polimer örnek sağlar.

6. deneme gerçekleştirme

1. Basınç gemi çıkmadan doğrudan teller tribometer panoları ekli etiketli kablolama koşum doğru bağlandığından ve tribometer üzerinde açmak kontrol.
2. Tribometer yazılım 0.1 cm/s hızla yol uzunluğu 0,140 cm ile 1 saat deneme saatini ayarlayın. Bu yaklaşık 3.5 m Uzaklik karşılık gelir.
3. Yük hücresi Dara ve LVDT 0 mm olması gereken tribometer yazılımında uygun bir derinlik raporlama sağlamak.
4. Deneme başlayın.

7. sonrası deneme

1. Deneme tamamladıktan sonra yavaş yavaş basınç gemi hidrojen gazının yaklaşık 0,35 MPa/s'de basınç gemi sıcaklık 0 ° c altında bırakma değil sağlanması, delik
2. Son olarak, basınç gemi birim gemi içinde kalan hiçbir hidrojen olması 10 dakika atmosfer basıncında argon gazı ile yıkayın.

Sonuçlar

Sunulan metodoloji kullanarak, elastomerik örneği için Kinetik sürtünme ve aşınma faktörü katsayısı ise yüksek basınçlı hidrojen ortamında ölçülebilir. Şekil 1 ' de sunulan temsilcisi veri yüksek basınçlı hidrojen ortamında daha fazla kuvvet EPDM polimer örnekleri çelik sayacı yüzeyin altında taşımak için gerekli olduğunu gösteriyor. İlişki kullanarak arasında normal kuvvet F_N ve EPDM örnek arasındaki sürtünme kuvveti F_K Sürtünme katsayı...

Tartışma

Tribolojik Polimer malzemelerin test için geçerli ex situ teknikler gerektirir sonra önce depressurized için yüksek basınçlı hidrojen maruz örnekleri bir ticari tribometer kullanarak test. ^{15 , 24 , 25} test metodoloji bu protokolündeki bir yüksek basınç çevre içinde in situpolimer örnekleri Tribolojik özelliklerinin test izni için tasarlanmıştır. Polimer malzemeler gibi onlar basınçlı süre yukarıda sunulan EPDM...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
EPDM Polimer Stok Sayfası	McMaster-Carr	8525T68	24 "x 24", 1/8 "Kalın
Basınçlı Kap, Otoklav	Fluitron Inc.	8308-1788-U	5" çap, 1' yükseklik
Yüksek Saflıkta Hidrojen Gazı	Praxair	HY4.5	Sınıf 4.5, 5ppm O2, 5 ppm H20
O2 Sensör	Advanced Micro Instruments	T2	0-5ppm min. aralık, 10.0000ppm maks.
Önceden Arıtılmış Argon Gazı	Oxarc	LCCO-HP818	Yüksek saflıkta, %99,998
Sıvı Bulaşık Deterjanı	McMaster-Carr	98365T89	32 oz dökme şişe, limon kokulu
Küflenmeye Dayanıklı Sünger	McMaster-Carr	7309T1	6" uzun x 3 -1/2" Geniş x 1" Yüksek, sarı
PTFE Boru Diş Mastik Bant	McMaster-Carr	4591K12	1/2" geniş, beyaz renkli
Gaz Tüpü Ek Parçaları	Swagelok	SS-400-1-4	1/4 "OD, paslanmaz çelik, erkek NPT diş
açma Çekiç Tahrikli Kalıp	McMaster-Carr	3427A22	7/8" Çekiç tahrikli delik zımba
Doğrusal Değişken Diferansiyel Trafo	Omega	LD320-2.5 & nbsp;	2,5 mm, AC çıkış, kılavuzlu, yaylı
Otoklav O-ring Conta	Fluitron Inc.	A-4511	Hastelloy C-276, 5-3/4" OD x 5" ID x 3/8"
Tork Anahtarı	McMaster-Carr	85555A422	Ayarlanabilir Tork Sınırlayıcı Anahtar, Hızlı Bırakma, 1/2" Kare Sürücü, 50-250 ft.-lbs. Tork Tokmak
	McMaster-Carr	5939A11	Sert ve Ekstra Sert Lastik Çekiç, 2-1 / 4 lbs.
iLoad Mini Kapasitif Yük Sensörü	Loadstar Sensörleri	MFM-050-050-S*C03	50 lb, U Kalibrasyon, %0,5 Doğruluk, Çelik