In Situ Hochdruck-Wasserstoff tribologischen Tests der gemeinsamen Polymerwerkstoffe in Lieferung Wasserstoffinfrastruktur

Zusammenfassung

Eine Test-Methodik zur Quantifizierung der tribologischer Eigenschaften von Polymeren in Wasserstoff-Infrastruktur-Dienst verwendet wird demonstriert und Merkmalsergebnisse für eine gemeinsame Elastomer werden diskutiert.

Zusammenfassung

Hochdruck-Wasserstoff-Gas ist bekannt, metallische Komponenten von Kompressoren, Ventile, Schläuche und Aktoren beeinträchtigen. Jedoch ist relativ wenig bekannt über die Auswirkungen von Hochdruck-Wasserstoff auf die Abdichtung und Barriere Polymermaterialien auch innerhalb dieser Komponenten gefunden. Weitere Studie ist erforderlich, um die Kompatibilität gemeinsamer polymerer Werkstoffe in die Komponenten mit hohem Druck Wasserstoff Kraftstoff Lieferung Wasserstoffinfrastruktur gefunden. Infolgedessen ist es wichtig, zu prüfen, die Änderungen in den physikalischen Eigenschaften wie Reibung und in Situ zu tragen, während das Polymer Hochdruck-Wasserstoff ausgesetzt ist. In diesem Protokoll wir stellen eine Methode zur Prüfung der Reibung und Verschleißeigenschaften von Ethylen Propylen Dien Monomer (EPDM) Elastomer Proben in einer 28 MPa Hochdruck-Wasserstoff-Umgebung mit ein Custom-Built in Situ Pin auf flachen linearen erwidern Tribometer. Repräsentative Ergebnisse aus diesen Tests sind vorgestellt, die zeigen, dass der Reibungskoeffizient zwischen der EPDM-Probe-Coupon und Stahl Gegenfläche in Hochdruck-Wasserstoff im Vergleich zu den Reibungskoeffizienten in ähnlicher Weise gemessen erhöht wird Umgebungsluft.

Einleitung

In den letzten Jahren gab es großes Interesse an Wasserstoff als ein Potenzial Null-Emission oder nahe Null Emission Kraftstoff in Fahrzeugen und stationären Stromquellen. Da Wasserstoff als Gas bei Raumtemperatur niedriger Dichte vorhanden ist, verwenden die meisten Anwendungen irgendeine Form von komprimiertem Wasserstoff als Brennstoff. ^{1 , Ein potenzieller Nachteil der Verwendung von komprimiert, Hochdruck-Wasserstoff-Gas 2ist Inkompatibilität mit vielen Materialien innerhalb Infrastruktur2,3,4 und Fahrzeugverkehr Anwendungen5 gefunden} wo Kompatibilitätsprobleme sind kombiniert mit wiederholten Druck und Temperatur Radfahren. Eine reinen Wasserstoff-Umgebung ist bekanntermaßen Metallkomponenten einschließlich bestimmter Stähle zu beschädigen und Titan durch verschiedene Mechanismen, einschließlich Hydrid Bildung, Schwellung, Blasenbildung und Versprödung der Oberfläche. ^{2 , 6 , 7 , 8} nicht-metallische Komponenten wie Lead Zirconate Titanat (PZT) verwendet in Piezokeramik haben auch anfällig für Degradation durch Wasserstoff Inkompatibilität Effekt wie Oberfläche Blasenbildung und Blei Migration bewiesen. ^{9 , 10 , 11 , 12} während diese Beispiele für Schäden, die durch Wasserstoff Exposition bisher untersucht worden sind, ist die Kompatibilität der Polymerkomponenten in Wasserstoff-Umgebungen erst vor kurzem von Interesse geworden. ^{13 , 14 , 15 , 16} Dies ist weitgehend eine Folge der metallischen Komponenten bietet strukturelle Integrität in Kern- und Öl- und Gas-Anwendungen, während die Polymerkomponenten in der Regel als Barrieren oder Dichtungen handeln. ^{17 , 18 , 19 , 20} Ventil dadurch die Reibung und Verschleiß Eigenschaften von Polymerwerkstoffen innerhalb von Komponenten wie Polytetrafluorethylen (PTFE) Sitze und Nitril Butadien-Kautschuk (NBR) O-Ringe werden wichtige Faktoren in ihre Funktionsfähigkeit.

Im Falle der Wasserstoff-Infrastruktur enthalten Komponenten wie Ventile, Kompressoren und Lagertanks Polymermaterialien, die in Kontakt mit metallischen Oberflächen. Die kraftschlüssige Wechselwirkung zwischen Polymer und metallischen Oberflächen führt zu Verschleiß aller Oberflächen. Tribologie ist die Wissenschaft von der Beziehung zwischen Reibung und Verschleiß von zwei wechselwirkenden Oberflächen bekannt. Polymere sind in der Regel niedriger elastischen Moduli und Festigkeit als metallische haben, daher die tribologischen Eigenschaften polymerer Werkstoffe unterscheiden sich stark von metallischen Werkstoffen. Infolgedessen tendenziell Polymeroberflächen höheren Verschleiß und Schäden nach Reibungskontakt mit einer metallischen Oberfläche aufweisen. ^{21 , 22} in einer Wasserstoff-Infrastruktur Anwendung, schnellen Druck und Temperaturwechsel Ursachen wiederholte Wechselwirkung zwischen Polymer und metallischen Oberflächen, erhöht die Wahrscheinlichkeit von Reibung und Verschleiß an die Polymerkomponente. Quantifizierung dieser Schaden kann ex-Situ aufgrund möglich explosive Dekompression der Polymer-Probe nach Druckentlastung schwierig sein die nicht tribologischen Schäden verursachen kann. ²³ darüber hinaus enthalten viele kommerzielle Polymerprodukte viele Füll- und Zusatzstoffen wie Magnesiumoxid (MgO), die negativ mit Wasserstoffgas durch Hydriding, noch komplizierter wird ex-Situ -Analyse der Verschleiß in diesen interagieren kann Materialien. ^{24 , 25}

Aufgrund der Komplexität der Unterscheidung zwischen Schäden an, die bei Druckentlastung und Schäden durch tribologische Verschleiß ex-SituPolymer-Material gibt es eine Notwendigkeit, die Reibeigenschaften von nichtmetallischen Werkstoffen an Ort und Stelle direkt zu studieren in einem Hochdruck-Wasserstoff-Umfeld, die wahrscheinlich innerhalb der Wasserstoff-Lieferung-Infrastruktur vorhanden ist. In diesem Protokoll zeigen wir einen Test Methodik entwickelt, um die Reibung zu quantifizieren und Eigenschaften von Polymerwerkstoffen in einer Hochdruck-Wasserstoff-Umgebung mit Hilfe einer speziell angefertigten in Situ -Tribometer tragen. ²⁶ wir präsentieren auch repräsentative Daten erworben mit der in Situ -Tribometer und Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, einen gemeinsamen Polymer Versiegelung und Barrierematerial. Das EPDM-Material für das repräsentativen Daten generiert wurde unter Verwendung des Protokolls unten wurde mit einer 0,3175 cm Dicke im quadratischen Blatt 60,96 cm gekauft und wurde vom Hersteller mit einem 60A Härte Rating berichtet.

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Protokoll

Das hier beschriebene Experiment erfordert den Einsatz von Wasserstoffgas ist geruchlos, farblos und somit nicht nachweisbar durch menschliche Sinne. Wasserstoff ist leicht entzündlich und Verbrennungen mit einem fast unsichtbaren blauen Flamme und Form können explosionsfähige Gemische in Gegenwart von Sauerstoff. Hohe Drücke von mehr als 6,9 MPa hinzufügen zusätzliche Explosionsgefahren, die entsprechend geplant werden müssen, für die Vorbereitung auf eine Prüfung. Diese Menge an gespeicherter Energie stellt eine ernste Gefahr und daher due Diligence, Planung und eine Sicherheit Bewertung vor der Durchführung solcher ein Experiment, um sicherzustellen, dass diese Gefahren gemindert werden durchgeführt werden muss. Das Experiment hier vorgestellten erfolgt im Einklang mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen in einem American Society of Mechanical Engineers (ASME) zertifizierte Druckbehälter mit einer Burst-Datenträgersatz bis 34,5 MPa mit Belüftung.

1. Vorbereitung Polymer Blatt Lager

1. Reinigungsmittel auf die EDPM Polymer Blatt Lager mit einem nicht scheuernden Schwamm anwenden und abspülen unter Wasser für ca. 3 min entfernt Öle und Talkum Puder während der Herstellung und Versandprozess angewendet.
2. Trocknen Sie Polymer-Blatt in einem Trockenschrank bei 85 % der Arbeitstemperatur des Materials, etwa 75 ° C für EPDM, etwa 72 Stunden zu fahren der verbleibende Wasser vom waschen.
3. Schalten Sie den Backofen und lassen Sie Polymer Blatt Lagermaterial auf Raumtemperatur im Ofen abkühlen.
4. Markieren Sie eine Ecke des Blatt-Lager mit einem Pfeil an die Spitze des Blattes Polymer. Dieser Pfeil hilft bei der Ausrichtung des Blattes während der Probe-Coupon-Generation, um sicherzustellen, dass Proben aus dem Polymer-Blatt geschnitten konsequent die gleiche Ausrichtung werden zu identifizieren.
5. Speichern Sie die Polymer Lager Blatt in einer Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit-kontrollierten Umgebung in der Nähe von 25 % relativer Luftfeuchtigkeit vor den tribologischen Tests.

2. Erzeugung und Montage Probe Gutscheine

1. Während des Tragens Pulver frei Handschuhe, markieren Sie die Polymer-Blatt-Aktie mit einem Pfeil im Bereich vorgesehenen Coupon in der Nähe der Pfeil während der Vorbereitung der Polymer-Blatt-Lager, so dass beide Pfeile die gleiche Ausrichtung haben.
2. Mit einem 2,222 cm Durchmesser kreisförmige sterben und ein Holzhammer, auszumerzen Sie einen Probe-Gutschein um die Pfeilmarkierung.
3. Schrauben Sie die hex Cap Sicherung der Probe Klammer auf der in Situ -Tribometer, hex Sechskantschraube und Präzision der am leichtesten zugängliche Ecke der Probe Klammer entspringen, entfernen.
4. Folie Probe Coupon in Probe Klemme, kümmert sich um sicherzustellen, dass die Stichprobe orientiert sich mit dem Pfeil wies Gesicht nach unten und hinten die Klammer, die die Seite am nächsten an der Backplate die Tribometer ist.
5. Ersetzen die Präzision Frühling und hex Sechskantschraube in die leere Ecke der Probe einspannen und zur hand gehen ziehen Sie alle vier hex Kopfschrauben der Schelle bis Snug, derart, dass die Elastomer-Probe um 10 % seiner ursprünglichen Höhe gestaucht wird. Unter der Annahme einer 0,318 cm Beispielhöhe, 10 % Komprimierung lässt sich mithilfe einer 0,287 cm Endmaß zwischen den beiden Platten der Klammer.

3. Vorbereitung der In Situ -Tribometer

1. Ort eine 2,413 cm Spurweite Block zwischen der Wand von der Tribometer und Probe-Schlitten, direkt unterhalb der Antriebsspindel. Stellen Sie sicher die Sammelkiste Daten ausgeschaltet ist, biegen Sie die Antriebskette im Uhrzeigersinn um den Probe-Schlitten zurück, so dass die Kante des Schlittens 2,413 cm Wandabstand Tribometer ist.
2. Wischen Sie die Stahlkugel die Gegenfläche mit einem weichen Tuch oder Fussel-weniger Papierhandtuch und einem geeigneten Lösungsmittel wie Aceton für ca. 30 Sekunden, bis die Oberfläche der Theke frei von jeglichen Schmutz erscheint.
3. Schieben Sie die Bronze Zähler Oberfläche Träger und Bronze Gewicht, eine normale Gesamtlast von 7,5 N, auf die Schiene senkrecht auf die Probe-Schlitten, so dass der Zähler Ball schieben zwischen in das Schlüsselloch und ruhen auf der Polymer-Probe.
4. Mit einem Inbusschlüssel und zwei Bronze Schrauben, linear Variable differential Transformer (LVDT) Messung Arm an den Bronze-Zähler Oberfläche Halter befestigen Sie so, dass die frei schwebende Zylinder die LVDT am Arm ruht.
5. Passen Sie die Klemme hält die LVDT in Ort oder nach unten so, dass die LVDT in der Nähe seiner Messung ist Nullpunkt ziehen Sie die Klammer um die LVDT im Ort zu sichern.
6. Senken Sie die Tribometer Assembly in den Druckbehälter, um sicherzustellen, dass das Schutzrohr im Obergurt des Schiffes in den Spalt zwischen den Tribometer und der Wand des Behälters senken wird.
7. Wickeln Sie die Dichtung o-Ring mit einer Gesamtfläche von zwei und eine Hälfte Schichten von PTFE-Band. Dies wird erreicht durch die PTFE-Band umwickeln, so dass jede weitere Packung ca. die Hälfte der Verfahren Runde überschneidet sich bis zweimal den Durchmesser des o-rings herum. Wickeln Sie den Durchmesser des o-rings dann ein letztes Mal ohne Überschneidungen. Sobald der o-Ring umschlossen ist, legen Sie sie in die Nut in die Lippe des Druckbehälters.
8. Unter Berücksichtigung der Verdrahtung Etiketten, verbinden Sie die fünf Stromkabel für den Tribometer-Motor, vier Datenleitungen für die Wägezelle und fünf Datenleitungen für die LVDT.

4. Abdichtung des Druckbehälters

1. Niedriger gewickelt Obergurt des Druckbehälters zu schließen, kümmert sich um den Obergurt sanft auf die PTFE zu senken, o-Ring-Abdichtung.
2. Bolzen Sie die in die nummerierten Löcher auf dem Obergurt angegeben vom Hersteller in aufsteigender Reihenfolge, bis sie Finger dicht sind.
3. Mit einem manuellen hex Schlüssel, Drehmoment der Flansch-Schrauben in aufsteigender Reihenfolge zur hand fest und wiederholen Sie, bis die Schrauben nicht mehr.
4. Ab 120 Nm und steigt in ~ 40-Nm-Schritten, verwenden einen Drehmomentschlüssel Drehmoment der Flansch Schrauben in aufsteigender Reihenfolge für jedes Inkrement ~ 40 Nm bis sie angedreht werden auf 280 Nm.

5. füllen den Druckbehälter

1. Nun, dass der Druckbehälter versiegelt ist, verbinden Sie die Gasarmaturen im Autoklaven Deckel und spülen Sie die Druckbehälter mit niedrigem Druck (~0.55 MPa) Argon-Gas für ca. 1 h bis 10 ppm mit einem Sauerstoffsensor ausgelotet in der Sauerstoffgehalt des Schiffes unterschreitet die Ausgabe des Druckbehälters.
2. Langsam (< 0,25 MPa/s) Spülen Sie das Gefäß mit Wasserstoffgas bis 6,9 MPa, dann langsam das Gas auf den atmosphärischen Druck zu entlüften. Wiederholen Sie den Spülvorgang noch zweimal.
3. Nach dem Spülen des Druckbehälters langsam (< 0,25 MPa/s) füllen Sie den Druckbehälter mit Wasserstoffgas bis zu 13,75 MPa und lassen Sie das Schiff für 10 min. ruhen, so dass die Temperatur des Gases innerhalb des Schiffes auf Raumtemperatur gestalten.
4. Befüllen Sie den Behälter auf 20,7 MPa und warten Sie weitere 10 Minuten.
5. Bringen Sie das Schiff bis zu dem Ziel 27,6 MPa und schließen Sie alle Ventile ausgeschaltet.
6. Lassen Sie die Polymer-Probe für mindestens 12 h in das Wasserstoffgas einweichen, bevor Sie beginnen das Experiment, um vollständige Durchdringung zu ermöglichen.

6. Durchführung des Experiments

1. Überprüfen, die die Pass-Through-Kabel aus dem Druckbehälter der gekennzeichneten Kabelbaum angeschlossen an die Steuereinheit Tribometer korrekt verbunden sind, und schalten Sie dann die Tribometer.
2. In der Tribometer stellen Software Experiment 1 Stunde bei 0,1 cm/s Geschwindigkeit mit einer Weglänge von 0,140 cm. Dies entspricht einer Entfernung von ca. 3,5 m.
3. Tarieren Sie die Wägezelle, und sicherzustellen Sie, dass die LVDT eine geeignete Tiefe in der Tribometer Software meldet die in der Nähe von 0 mm sein sollte.
4. Das Experiment zu starten.

7. Post-Experiment

1. Nach Abschluss des Experiments langsam Entlüften des Druckbehälters Wasserstoffgas bei ca. 0,35 MPa/s, um sicherzustellen, dass der Druck Behälter Temperatur nicht unter 0 ° c sinkt
2. Zu guter Letzt spülen Sie Druck-Behälter-Volumen mit Argon-Gas mit atmosphärischem Druck für 10 Minuten, um sicherzustellen, dass es keine verbleibenden Wasserstoff innerhalb des Schiffes.

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Ergebnisse

Mit Hilfe der Methodik vorgestellt, kann der Koeffizient kinetische Reibung und Verschleiß Faktor für eine Elastomere Probe in einer Hochdruck-Wasserstoff-Umgebung gemessen werden. Die repräsentativen Daten in Abbildung 1 zeigen, dass in einer Hochdruck-Wasserstoff-Umgebung größerer Kraft EPDM Polymerproben unter den Stahl Gegenfläche bewegen muss. Unter Zugrundelegung der Beziehung zwischen der normalen Kraft F_N und die Reibungskraft F_K...

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Diskussion

Aktuellen ex-Situ -Techniken für tribologische Prüfung von Polymerwerkstoffen erfordern Proben Hochdruck-Wasserstoff ausgesetzt werden, bevor er dann drucklos sind, mit einem kommerziellen Tribometer getestet. ^{15 , 24 , 25} die Testmethodik in diesem Protokoll wurde entwickelt, um Tests der tribologischen Eigenschaften der Polymerproben in einem Hochdruck-Umgebung in Situzu ermöglichen. Durch die Prüfung Pol...

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Materialien

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