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 التحتية2،،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.
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم إجراء هذا البحث في شمال غرب المحيط الهادئ الوطنية المختبر (بننل)، الذي تديره معهد ميموريال Battelle للطاقة (وزارة) تحت “رقم العقد” دي-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 |
References
- 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. Proceed. , 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. Proceed. , 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. Proceed. , 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).
