На месте Высокого давления водорода трибологических испытаний общих полимерных материалов, используемых в инфраструктуре доставки водорода
Summary
Показал тест методологии количественной оценки триботехнических свойств полимеров, используемых в водород инфраструктуры службы и обсуждаются характерные результаты для общей эластомера.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 , <…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование проводилось в Тихоокеанском северо-западе Национальная лаборатория (PNNL), который находится в ведении Мемориального института Battelle Департамент энергетики (DOE) договор № ДЕ AC05-76RL01830.
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Schlapbach, L. Technology: Hydrogen-fuelled vehicles. Nature. 460 (7257), 809-811 (2009).
- Jones, R., Thomas, G. . Materials for the Hydrogen Economy. , (2007).
- Barth, R., Simons, K. L., San Marchi, C. . Polymers for Hydrogen Infrastructure and Vehicle Fuel Systems: Applications, Properties, and Gap Analysis. , 23-34 (2013).
- Marchi, C., Somerday, B. P., Ref, M. T. . Technical Reference on Hydrogen Compatibility of Materials. , (2008).
- Welch, A., et al. . Challenges in developing hydrogen direct injection technology for internal combustion engines. , (2008).
- Fukai, Y. . The Metal-Hydrogen System. , (2005).
- Lu, G., Kaxiras, E. Hydrogen embrittlement of aluminum: The crucial role of vacancies. Phys. Rev. Lett. 94 (15), 155501 (2005).
- Zhao, Z., Carpenter, M. A. Annealing enhanced hydrogen absorption in nanocrystalline Pd∕AuPd∕Au sensing films. J. Appl. Phys. 97 (12), 124301 (2005).
- Alvine, K. J., et al. High-pressure hydrogen materials compatibility of piezoelectric films. Appl. Phys. Lett. 97 (22), 221911 (2010).
- Alvine, K. J., et al. Hydrogen species motion in piezoelectrics: A quasi-elastic neutron scattering study. J. Appl. Phys. 111 (5), 53505 (2012).
- Aggarwal, S., et al. Effect of hydrogen on Pb(Zr,Ti)O3Pb(Zr,Ti)O3-based ferroelectric capacitors. Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).
- 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).
- 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).
- Theiler, G., Gradt, T. Tribological characteristics of polyimide composites in Hydrogen environment. Tribol. Int. 92, 162-171 (2015).
- Sawae, Y., et al. Friction and wear of bronze filled PTFE and graphite filled PTFE in 40 MPA hydrogen gas. Procedi. , 249-251 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Papavinasam, S. . Corrosion control in the oil and gas industry. , (2013).
- Yamamoto, S. Hydrogen Embrittlement of Nuclear Power Plant Materials. Mat. Trans. 45 (8), 2647-2649 (2004).
- Rymuza, Z. Tribology of polymers. Arch. Civ. Mech. Eng. 7 (4), 177-184 (2007).
- Mckeen, L. W. . 1 Introduction to Fatigue and Tribology of Plastics and Elastomers. , (2010).
- Lorge, O., Briscoe, B. J., Dang, P. Gas induced damage in poly(vinylidene fluoride) exposed to decompression. Polymer. 40, 2981-2991 (1999).
- Sawae, Y., Yamaguchi, A., Nakashima, K., Murakami, T., Sugimura, J. Effects of Hydrogen Atmosphere on Wear Behavior of PTFE Sliding Against Austenitic Stainless Steel. Procedi. , 1-3 (2008).
- Sawae, Y., Nakashima, K., Doi, S., Murakami, T., Sugimura, J. Effects of high pressure hydrogen on wear of PTFE and PTFE composite. Procedi. , 233-235 (2010).
- 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).
