في الموقع ارتفاع ضغط الهيدروجين Tribological اختبار المواد البوليمرية الشائعة المستخدمة في البنية التحتية لإيصال الهيدروجين

Summary

هو أظهر اختبار منهجية لقياس خصائص tribological من البوليمرات المستخدمة في خدمة البنية التحتية الهيدروجين وتناقش نتائج مميزة الاستومر مشتركة.

Abstract

ومن المعروف غاز الهيدروجين الضغط العالي تؤثر سلبا على المكونات المعدنية الضواغط والصمامات وخراطيم المياه والمحركات. ومع ذلك، يعرف سوى القليل نسبيا هو حول آثار ارتفاع ضغط الهيدروجين على مواد البوليمر الختم والحاجز كما وجدت داخل هذه المكونات. مطلوب مزيد من الدراسة من أجل تحديد مدى توافق المواد البوليمر الشائعة الموجودة في مكونات البنية التحتية تسليم وقود الهيدروجين مع ارتفاع ضغط الهيدروجين. كنتيجة لذلك، من المهم النظر في التغييرات في الخصائص الفيزيائية مثل الاحتكاك وارتداء في عين المكان في حين يتعرض البوليمر للهيدروجين الضغط العالي. في هذا البروتوكول، ونحن تقديم طريقة لاختبار الاحتكاك وارتداء خصائص الإثيلين والبروبيلين ديين مونومر (EPDM) الاستومر العينات في 28 الآلام والكروب ذهنية ارتفاع ضغط هيدروجين بيئة استخدام مبنية خصيصا في الموقع دبوس في شقة خطية ترددية تريبوميتير. عرض نتائج تمثيلية من هذه التجارب هي التي تشير إلى أن معامل الاحتكاك بين القسيمة عينة EPDM والسطح الصلب العداد يزداد في الهيدروجين الضغط العالي بالمقارنة بمعامل الاحتكاك وبالمثل تقاس في الهواء المحيط.

Introduction

في السنوات الأخيرة، كان هناك اهتمام كبير بالهيدروجين كالانبعاثات المحتملة صفر أو الوقود انبعاثات تقترب من الصفر في مصادر الطاقة الثابتة والمركبات. معظم التطبيقات حيث يوجد الهيدروجين كغاز ذات الكثافة السكانية منخفضة في درجة حرارة الغرفة، استخدم نوعا من الهيدروجين المضغوط للوقود. ^{1 , 2} عيب محتمل لاستخدام مضغوط، ارتفاع ضغط غاز الهيدروجين هو عدم التوافق مع العديد من المواد التي توجد داخل البنية التحتية^2،،من³⁴ و⁵ من تطبيقات المركبات حيث يتم الجمع بين مشاكل التوافق مع الضغط المتكرر ودرجة الحرارة ركوب الدراجات. من المعروف في بيئة نقية هيدروجين تلف المكونات المعدنية بما في ذلك بعض أنواع الفولاذ والتيتانيوم من خلال آليات مختلفة، بما في ذلك تشكيل هيدريد، تورم، السطحي عنيفا، وتقصف. ^{2 , 6 , 7 ,} وقد أثبتت المكونات ⁸ اللافلزية مثل تيتانات زركونات الرصاص (PZT) المستخدمة في السيراميك كهرضغطية أيضا عرضه للتدهور بسبب تأثير عدم التوافق الهيدروجين مثل تقرحات سطحية وتؤدي الهجرة. ^{9 , 10 , 11 , 12} بينما هذه الأمثلة من الأضرار الناجمة عن التعرض للهيدروجين وقد درست سابقا، أصبح التوافق بين مكونات البوليمر داخل بيئات الهيدروجين إلا في الآونة الأخيرة من الاهتمام. ^{13 , 14 , 15 , 16} وهذا إلى حد كبير نتيجة للمكونات المعدنية توفير السلامة الهيكلية في النووي وتطبيقات النفط والغاز بينما مكونات البوليمر عادة بمثابة حواجز أو الأختام. ^{17 , 18 , 19 , 20} ونتيجة الاحتكاك وارتداء خصائص المواد البوليمرية ضمن مكونات مثل تترافلوروايثيلين (PTFE) صمام مقاعد والنتريل بوتادين المطاط (NBR) سين بين عصابات أصبحت عوامل هامة في قدرتها على العمل.

في حالة البنية التحتية الهيدروجين، تحتوي على مكونات مثل الصمامات والضواغط وصهاريج تخزين المواد البوليمرية التي على اتصال مع الأسطح المعدنية. نتائج التفاعل الاحتكاك بين البوليمر والأسطح المعدنية في ارتداء كل الأسطح. ويعرف علم العلاقة بين الاحتكاك وارتداء اثنين من السطوح المتفاعلة علم احتكاك المفاصل. البوليمرات تميل إلى أن تكون أقل بواقي مرونة وقوة من المعادن الفلزية، ولذا خصائص tribological من مواد البوليمر تختلف إلى حد كبير من المواد المعدنية. كنتيجة لذلك، تميل السطوح البوليمر يحمل ملابس أكبر والأضرار بعد اتصال احتكاكي مع سطح معدني. ^{21 , 22} تطبيق البنية التحتية الهيدروجين والضغط السريع ودرجة الحرارة ركوب الدراجات أسباب التفاعل المتكرر بين البوليمر والأسطح المعدنية، يزيد من احتمالات الاحتكاك وارتداء على مكون البوليمر. التحديد الكمي لهذا الضرر يمكن أن يكون تحديا ت الموقع بسبب الضغط المتفجرة المحتملة من عينة البوليمر بعد تنفيسها التي قد تتسبب في أضرار غير tribological. ²³ بالإضافة إلى ذلك، العديد من المنتجات التجارية البوليمر تحتوي على كثير من الحشو والإضافات مثل أكسيد المغنيسيوم (MgO) التي قد تتفاعل سلبا مع غاز الهيدروجين عن طريق هيدريدينج، مما يزيد من تعقيد التحليل السابق الموقع ارتداء في هذه المواد. ^{24 , 25}

نظراً للطابع المعقد للتفريق بين الضرر لمادة البوليمر تسببت خلال تنفيسها والتلف بسبب ارتداء tribological السابقين الموقع، هناك حاجة إلى دراسة خصائص احتكاكي المواد اللافلزية في الموقع مباشرة داخل بيئة هيدروجين ذات الضغط العالي التي من المحتمل أن توجد داخل البنية التحتية التسليم الهيدروجين. في هذا البروتوكول، ونظهر اختبار وضع منهجية لقياس الاحتكاك وارتداء خصائص المواد البوليمرية في بيئة هيدروجين الضغط العالي الاستفادة من بني لهذا الغرض في الموقع تريبوميتير. ²⁶ نقدم أيضا ممثلة من البيانات المكتسبة باستخدام تريبوميتير في الموقع والايثيلين والبروبيلين ديين مونومر (EPDM) المطاط وختم البوليمر المشترك مواد الجدار. EPDM المواد التي تم شراؤها في أوراق مربعة 60.96 سم بسمك سم 0.3175 ممثل بيانات تم إنشاؤها باستخدام بروتوكول أدناه وأبلغ البائع يحصل على تقدير صلابة 60A.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

التجربة الموضحة هنا يتطلب استخدام غاز الهيدروجين وعديم الرائحة وعديم اللون ومن ثم لا يمكن الكشف عنها بالحواس البشرية. الهيدروجين الاشتعال وشعلة بيرنز مع أزرق غير مرئية تقريبا ويمكن نموذج الخلائط المتفجرة وجود الأكسجين. الضغوط العالية التي تتجاوز 6.9 الآلام والكروب الذهنية إضافة مخاطر الانفجار الإضافية التي يجب أن يخطط له على نحو مناسب للتحضير لأي اختبار. هذه الكمية من الطاقة المخزنة يمثل خطرا على سلامة خطيرة و لذلك يجب إجراء تقييم العناية الواجبة، والتخطيط، وسلامة قبل القيام بهذه تجربة لضمان أن يتم التخفيف من هذه المخاطر. التجربة المعروضة هنا تتم وفقا لاحتياطات السلامة المناسبة في سفينة مصدقة ضغط مجتمع أمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) مع قرص انفجر تعيين إلى 34.5 MPa مع توفير التهوية المناسبة.

1. إعداد الأسهم ورقة البوليمر

1. تنطبق المنظفات ادبم البوليمر ورقة المخزون باستخدام اسفنجة غير الكاشطة وشطف تحت الماء لحوالي 3 دقيقة إزالة الزيوت والتلك بودرة تطبيقها أثناء التصنيع والنقل البحري عملية.
2. جاف ورقة البوليمر في فرن تجفيف في 85% من عامل درجة الحرارة المواد التي، حوالي 75 درجة مئوية ل EPDM، لمدة 72 ساعة تقريبا إلى محرك أقراص من أي مياه متبقية من الغسيل.
3. إيقاف تشغيل الفرن والسماح للبوليمر الورقة مواد المخزون لتبرد في درجة حرارة الغرفة داخل الفرن.
4. مارك أحد أركان الأسهم ورقة مع سهم يشير إلى الجزء العلوي من الورقة البوليمر. وسيساعد هذا السهم مع تحديد اتجاه الورقة خلال الجيل القسيمة عينة، ضمان أن عينات قطع من صفائح البوليمر دائماً في نفس الاتجاه.
5. تخزين ورقة الأسهم البوليمر في درجة حرارة الغرفة، بيئة تسيطر عليها الرطوبة القريبة من 25% رطوبة نسبية قبل اختبار tribological.

2-توليد وتركيب العينة القسائم

1. بينما يرتدي مسحوق مجاناً القفازات، ومارك الأسهم ورقة البوليمر مع سهم في منطقة القسيمة المقصود بالقرب من السهم ملحوظ أثناء إعداد المخزون ورقة البوليمر مثل أن كل الأسهم بنفس الاتجاه.
2. باستخدام مطرقة وتموت دائرية قطرها سم 2.222، القضاء على قسيمة عينة حول علامة سهم.
3. قم بفك مسامير غطاء عرافة تأمين المشبك عينة على في الموقع تريبوميتير، إزالة عرافة كاب المسمار والدقة في الربيع من الزاوية الأكثر سهولة المشبك عينة.
4. شريحة عينة القسيمة إلى المشبك عينة، مع الحرص على التأكد من العينة تتجه مع السهم أشار الوجه لأسفل ونحو الجزء الخلفي من المشبك وهو الجانب الأقرب إلى الخلف-اللوحة تريبوميتير.
5. استبدال الربيع الدقة والمسمار كاب عرافة في الزاوية الفارغة من العينة المشبك والمضي قدما لجهة تشديد كل أربعة من مسامير غطاء عرافة من المشبك حتى دافئ مثل أن يتم ضغط العينة الاستومر بنسبة 10% طوله الأصلي. بافتراض ارتفاع عينة 0.318 سم، يمكن ضغط 10% باستخدام كتلة قياس سم 0.287 بين لوحات اثنين من المشبك.

3-إعداد تريبوميتير في الموقع

1. مكان سم 2.413 قياس كتلة بين الجدار تريبوميتير ومزلقه عينة، مباشرة أسفل المسمار محرك الأقراص. تأكد من أن المربع جمع البيانات يتم إيقاف تشغيل، ثم تحويل السلسلة بالسيارة في اتجاه حركة عقارب الساعة إلى الخلف مزلقة عينة تكون حافة مزلقة 2.413 سم من الجدار تريبوميتير.
2. امسح الكرة الصلب من السطح العداد بقطعة قماش ناعمة أو منشفة ورقية أقل لينت ومذيب مناسب مثل الأسيتون برفق لمدة 30 ثانية تقريبا حتى يظهر سطح سطح العداد خالية من أي حطام.
3. شريحة عداد البرونزية السطحية الناقل والوزن البرونزية، وحمولة عادية مجموع 7.5 ن، على السكك الحديدية عمودي على مزلقة عينة، السماح للكرة مضادة للانزلاق بين إلى ثقب المفتاح وتستند إلى عينة البوليمر.
4. استخدام مفتاح الهيكس ومسامير برونزية اثنين، أعد ذراع قياس محول تفاضلي متغير خطي (LVDT) إلى صاحب العداد البرونزية السطحية أن الاسطوانة بحرية عائمة لفدت تقع في الذراع.
5. ضبط المشبك عقد لفدت في مكان أو أسفل ذلك هو قياس لفدت القرب من أنها نقطة الصفر ثم تشديد المشبك لتأمين لفدت في مكان.
6. انخفاض الجمعية تريبوميتير في وعاء الضغط، ضمان أن ثيرموويل في الشفة العليا من السفينة سوف يخفض إلى الفجوة بين تريبوميتير والجدار من السفينة.
7. التفاف الختم الدائري مع مجموعة طبقات سنتين ونصف من الشريط السليكوون. ويتم ذلك بالتفاف الشريط السليكوون أن كل التفاف إضافية تتداخل حوالي نصف اللفة الدعوى حتى يحدث في جميع أنحاء القطر من يا الدائري مرتين. ثم التفاف قطر يا الدائري وقت نهائي دون أي تداخل. حالما يتم التفاف يا الدائري، ضعه في الاخدود في شفة وعاء الضغط.
8. مع مراعاة إعادة تسميات الأسلاك، أسلاك الكهرباء خمسة للمحرك تريبوميتير وأربعة أسلاك البيانات لخلية التحميل وخمسة أسلاك البيانات لفدت.

4-عزل وعاء الضغط

1. انخفاض ملفوفة شفة أعلى من وعاء الضغط لإغلاقه، مع الحرص على انخفاض شفة عليا بلطف إلى PTFE الختم الدائري.
2. إدراج البراغي في الثقوب مرقمة على شفة أعلى تحددها الشركة المصنعة في ترتيب تصاعدي حتى أنهم الإصبع ضيق.
3. باستخدام مفتاح الهيكس يدوية، عزم الدوران البراغي شفة بترتيب تصاعدي لجهة ضيق وكرر حتى يمكن لم يعد يمكن تشديد البراغي.
4. ابتداء من 120 نانومتر وزيادة تزايدات ~ 40 نانومتر، استخدام وجع عزم دوران إلى عزم الدوران الشفة مسامير مرتبة ترتيبا تصاعدياً لكل زيادة نانومتر ~ 40 حتى أنها هي توركويد إلى 280 نيوتن متر.

5-ملء وعاء الضغط

1. والآن بعد أن أغلقت وعاء الضغط، الاتصال تجهيزات الغاز غطاء اﻷوتوكﻻف واستواء السفينة الضغط مع الضغط المنخفض (~0.55 الآلام والكروب الذهنية) غاز الأرجون لحوالي 1 ح حتى ينقص محتوى الأكسجين السفينة 10 أجزاء من المليون باستخدام جهاز استشعار الأوكسجين سبرت في إخراج وعاء الضغط.
2. ببطء (< 0.25 MPa/s) تدفق السفينة بغاز الهيدروجين تصل إلى 6.9 الآلام والكروب الذهنية، ثم ببطء تنفيس الغاز إلى الضغط الجوي. كرر عملية التنظيف مرتين أخريين.
3. وبعد التنظيف وعاء الضغط، ببطء (< 0.25 MPa/s) ملء وعاء الضغط مع غاز الهيدروجين حتى 13.75 الآلام والكروب الذهنية، والسماح للسفينة الراحة لمدة 10 دقائق بدرجة حرارة الغاز داخل السفينة اكويليبراتيس لدرجة حرارة الغرفة.
4. ملء السفينة إلى 20.7 الآلام والكروب الذهنية، وانتظر 10 دقائق أخرى.
5. إحضار السفينة حتى الهدف 27.6 قبالة الآلام والكروب الذهنية، وإغلاق جميع الصمامات.
6. تسمح عينة البوليمر نقع على الأقل 12 ح في غاز الهيدروجين قبل البدء بالتجربة للسماح بتخلل كاملة.

6-تشغيل التجربة

1. مضاعفة فحص جميع الأسلاك المار تغادر السفينة الضغط متصلاً بشكل صحيح وصفت الأسلاك تسخير تعلق على مربع عنصر التحكم تريبوميتير، وثم قم بتشغيل في تريبوميتير.
2. في تريبوميتير تعيين البرامج وقت التجربة 1 ساعة في 0.1 سم/s سرعة مع طول مسار من سم 0.140. وهذا يتوافق مع مسافة حوالي 3.5 متر.
3. تحميل الخلية الفارغة، وضمان أن لفدت هو الإبلاغ عمق مناسبة في هذا البرنامج تريبوميتير والذي ينبغي أن يكون بالقرب من 0 ملم.
4. بدء التجربة.

7-بعد التجربة

1. وبمجرد الانتهاء من هذه التجربة، ببطء تنفيس وعاء الضغط لغاز الهيدروجين في حوالي 0.35 MPa/s، ضمان أن السفينة الضغط درجة الحرارة لا تنخفض إلى 0 درجة مئوية.
2. وأخيراً، تدفق حجم السفينة الضغط مع غاز الأرجون في الضغط الجوي لمدة 10 دقائق التأكد من أنه لا يوجد أي الهيدروجين المتبقية داخل السفينة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

استخدام المنهجية المقدمة، يمكن قياس معامل معامل الاحتكاك وارتداء الحركية لنموذج المرنة أثناء وجوده في بيئة هيدروجين عالي الضغط. إظهار الممثل البيانات المعروضة في الشكل 1 أن قوة أكبر في بيئة هيدروجين عالي ضغط المطلوب لنقل العينات البوليمر EPDM تحت السطح ال...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

الحالي السابقين الموقع تقنيات لاختبار tribological من مواد البوليمر تتطلب عينات يتعرضون للضغط العالي الهيدروجين التي يتم للالتحام ثم قبل اختبار باستخدام تريبوميتير تجارية. ^{15 , 24 , 25} تهدف إلى السماح باختبار خصائص tribological من عينات البوليمر ف...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
EPDM Polymer Stock Sheet	McMaster-Carr	8525T68	24" x 24", 1/8" Thick
Pressure Vessel, Autoclave	Fluitron Inc.	8308-1788-U	5" diameter, 1' height
High Purity Hydrogen Gas	Praxair	HY4.5	Grade 4.5, 5ppm O2, 5 ppm H20
O2 Sensor	Advanced Micro Instruments	T2	0-5ppm min. range, 10,0000ppm max.
Pre-purified Argon Gas	Oxarc	LCCO-HP818	High-purity, 99.998%
Liquid Dishwashing Detergent	McMaster-Carr	98365T89	32 oz pour bottle, lemon scented
Mildew Resistant Sponge	McMaster-Carr	7309T1	6" long x 3 -1/2" Wide x 1" High, yellow
PTFE Pipe Thread Sealant Tape	McMaster-Carr	4591K12	1/2" wide, white color
Gas Tube Fittings	Swagelok	SS-400-1-4	1/4" OD, stainless steel, male NPT threading
Hammer Driven Die	McMaster-Carr	3427A22	7/8" Hammer driven hole punch
Linear Variable Differential Transformer	Omega	LD320-2.5	2.5mm, AC output, guided w/spring
Autoclave O-ring Seal	Fluitron Inc.	A-4511	Hastelloy C-276, 5-3/4" OD x 5" ID x 3/8"
Torque Wrench	McMaster-Carr	85555A422	Adjustable Torque-Limiting Wrench, Quick-Release, 1/2" Square Drive, 50-250 ft.-lbs. Torque
Mallet	McMaster-Carr	5939A11	Hard and Extra-Hard Rubber Hammer, 2-1/4 lbs.
iLoad Mini Capacitive Load Sensor	Loadstar Sensors	MFM-050-050-S*C03	50 lb, U Calibration, 0.5% Accuracy, Steel