In Situ Hochdruck-Wasserstoff tribologischen Tests der gemeinsamen Polymerwerkstoffe in Lieferung Wasserstoffinfrastruktur
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung erfolgte am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), die von Battelle Memorial Institute für Department of Energy (DOE) unter Vertrag Nr. betrieben wird DE-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 |
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