בחיי עיר מימן בלחץ גבוה Tribological בדיקה של חומרים פולימריים המשמשים תשתית משלוח של מימן
Summary
מתודולוגיה מבחן לכימות המאפיינים tribological של פולימרים המשמשים מימן תשתית שירות הוכח ואת תוצאות אופיינית אלסטומר נפוצים הם דנו.
Abstract
גז מימן בלחץ גבוה ידוע להשפיע לרעה על רכיבים מתכתיים של מדחסים, שסתומים, משאבות, מפעילים. עם זאת, יחסית מעט מאוד ידוע על ההשפעות של מימן בלחץ גבוה-פולימר ואטימות מכשול החומרים המצויים גם רכיבים אלה. מחקר נוסף נדרש כדי לבדוק את התאימות של חומרים פולימריים נמצאו מרכיבי התשתית אספקת דלק מימן עם מימן בלחץ גבוה. כתוצאה מכך, חשוב לקחת בחשבון את השינויים מאפיינים פיזיים כגון חיכוך וללבוש בחיי עיר בזמן הפולימר חשופים מימן בלחץ גבוה. ב פרוטוקול זה, אנו להציג שיטה לבדיקת החיכוך, ללבוש את המאפיינים של-אתילן פרופילן diene מונומר (EPDM) אלסטומר דגימות סביבה 28 של מימן בלחץ גבוה MPa באמצעות לפי הזמנה בחיי עיר ליניארי pin-בשטוח reciprocating tribometer. נציג נובע הן בדיקה זו הציג אשר מציינים כי החיכוך של מקדם בין EPDM מדגם קופון מונה פלדה השטח גדל במימן בלחץ גבוה לעומת של מקדם החיכוך באופן דומה נמדד אויר.
Introduction
בשנים האחרונות, חלה התעניינות רבה מימן כמו פליטה פוטנציאל אפס או דלק ליד אפס פליטה רכב ומקורות הכוח נייח. מאחר מימן קיים גז בצפיפות נמוכה בטמפרטורת החדר, מרבית היישומים משתמשים צורה כלשהי של מימן דחוס עבור הדלק. 1 , 2 חיסרון פוטנציאל השימוש דחוס, גז מימן בלחץ גבוה הוא תאימות עם חומרים רבים המצויים תשתית-2,–3,–4 ויישומים לרכבים5 איפה בעיות תאימות משולבים עם חוזרות בלחץ וטמפרטורה רכיבה על אופניים. סביבה מימן טהור ידוע נזק רכיבי מתכת כולל פלדות מסוימים, טיטניום באמצעות מנגנונים שונים כולל היווצרות הידריד, נפיחות, פני השטח שלפוחיות, הפרכת חומרים. 2 , 6 , 7 , 8 Non-מתכתי רכיבים כגון עופרת zirconate חומצה טיטנית (PZT) המשמש בקרמיקה פיזואלקטריים הוכיחו גם רגישים השפלה עקב מימן אפקט אי התאמה כגון שלפוחיות משטח והעברה עופרת. 9 , 10 , 11 , 12 בעוד דוגמאות אלה של נזק עקב חשיפה מימן נחקרו בעבר, התאימות של פולימר רכיבים בתוך סביבות מימן רק לאחרונה הפך להיות עניין. 13 , 14 , 15 , 16 זה במידה רבה תוצאה של רכיבים מתכתיים מתן המבנית גרעינית ויישומים נפט וגז ואילו הרכיבים הפולימר בדרך כלל לשמש מחסומים או חותמות. 17 , 18 , 19 , 20 כתוצאה מכך, חיכוך, לובשים המאפיינים של חומרים פולימריים בתוך רכיבים כגון טפלון (PTFE) שסתום המושבים, nitrile טבעי גומי (NBR) O-טבעות הופכים גורמים חשובים ביכולתם לתפקד.
במקרה של התשתית מימן, מכילים רכיבים כגון שסתומים, מדחסים, מיכלי אחסון חומרים פולימריים בקשר עם משטחים מתכתיים. האינטראקציה חיכוך בין פולימר מתכת משטחים תוצאות ללבוש מכל סוג של המשטחים. המדע של הקשר בין שחיקה של שני משטחים שמעצבת חיכוך ידוע בשם tribology. פולימרים נוטים להיות בעלי מודולים אלסטי נמוך וכוח מאשר מתכתיים, ולכן המאפיינים tribological של חומרים פולימריים שונים מאוד אלה מאלה חומרים מתכתיים. כתוצאה מכך, פולימר משטחים נוטים להפגין נזק בלאי גדול לאחר מגע חיכוך עם משטח מתכתי. 21 , 22 מימן תשתית יישומים, מהירה לחץ, טמפרטורה רכיבה על אופניים גורם אינטראקציה חוזרות ונשנות בין פולימר מתכת משטחים, ומגדילה את הסיכוי של חיכוך וללבוש על רכיב פולימר. לכימות הנזק הזה עשויה להיות מאתגרת באתרו לשעבר בשל אפשרי נפיצה של המדגם פולימר לאחר שיחרור הלחץ אשר עלול לגרום נזק בלתי-tribological. 23 . בנוסף, מוצרים פולימריים מסחריים רבים מכילים חומרי מילוי ותוספים רבים כגון תחמוצת מגנזיום (MgO) כי ייתכן אינטראקציה שלילית עם גז מימן דרך hydriding, שמסבך עוד יותר את ניתוח באתרו לשעבר של ללבוש אלה חומרים. 24 , 25
בשל המורכבות של הבחנה בין נזק לחומר פולימרי שנגרם במהלך ירידת ונזק עקב בלאי tribological באתרו לשעבר, יש צורך ללמוד ישירות את המאפיינים חיכוך של חומרים מתכתיים סיטו בתוך סביבה מימן בלחץ גבוה שסביר קיימים בתוך התשתית משלוח מימן. ב פרוטוקול זה, נדגים מבחן מתודולוגיה שפותחה כדי לכמת את החיכוך וללבוש מאפיינים של חומרים פולימריים בסביבה מימן בלחץ גבוה ניצול של tribometer בנוי למטרה בחיי עיר . 26 אנו מציגים גם נציג נתונים רכשה באמצעות tribometer בחיי עיר , אתילן פרופילן diene מונומר (EPDM) גומי, איטום פולימר נפוץ והחומרים מכשול. החומר EPDM אשר נציג הנתונים נוצר באמצעות פרוטוקול להלן נרכש ב גיליונות רבועים 60.96 ס מ עם 0.3175 ס”מ עובי ו שדווח על ידי הספק יש דירוג קושי 60A.
Protocol
Representative Results
Discussion
הנוכחי באתרו לשעבר טכניקות בדיקה tribological של חומרים פולימריים דורשים דוגמאות להיחשף מימן בלחץ גבוה אשר נמצאים ואז נשאר בטרם נבדק באמצעות של tribometer מסחרי. 15 , 24 , 25 המתודולוגיה מבחן בפרוטוקול זה תוכנן כדי לאפשר בדיקת המאפיינים tribological של ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה בוצע ב הפסיפי הלאומי מעבדה (PNNL), אשר מופעל על ידי מכון אנדרטת Battelle עבור מחלקת האנרגיה (DOE) תחת חוזה מס דה-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).
