In Situ Høytrykk Hydrogen Tribological Testing av vanlige Polymer materialer brukt i Hydrogen levering infrastruktur

Summary

En testmetodikk for kvantifisere tribological egenskaper av polymers brukes hydrogen infrastruktur service er vist og karakteristiske resultatene for en vanlig elastomer diskuteres.

Abstract

Høytrykk hydrogengass er kjent for å påvirke metallisk komponenter i kompressorer, ventiler, slanger og aktuatorer. Men er relativt lite kjent om virkningene av høytrykk hydrogen polymer tetting og barriere materialet også funnet i disse komponentene. Flere studier er nødvendig for å finne kompatibiliteten til vanlige polymer materialer i komponentene i hydrogen drivstoff levering infrastruktur med høyt trykk hydrogen. Derfor er det viktig å vurdere endringer i fysiske egenskaper som friksjon og slitasje i situ mens polymer er utsatt for høytrykk hydrogen. Denne protokollen, vi presentere en metode for å teste friksjon og slitasje egenskaper av etylen propylen diene monomer (EPDM) elastomer prøver i en 28 MPa høytrykk hydrogen miljø med en spesialbygd i situ pin-på-flat lineær Stempelkompressorer tribometer. Representant resultatene fra dette testing er presentert som indikerer at friksjonskoeffisienten for mellom EPDM eksempel kupong og stål telleren overflaten er økt i høytrykk hydrogen sammenlignet med friksjonskoeffisienten tilsvarende målt i luften.

Introduction

I de siste årene, har det vært stor interesse hydrogen som et potensial null utslipp eller nær null utslipp drivstoff i biler og stasjonære strømkilder. Ettersom hydrogen eksisterer som en lav tetthet gass ved romtemperatur, bruker de fleste programmer noen form for komprimert hydrogen for drivstoff. ^{1 , 2} en potensiell ulempe med å bruke komprimerte, høytrykk hydrogengass er kompatibel med mange materiale funnet innen infrastruktur^2,3,4 og vehicular programmer⁵ der kompatibilitetsproblemer kombineres med gjentatte trykk og temperatur sykling. En ren hydrogen-miljøet er kjent for skade metall komponenter, inkludert bestemte typer stål og Titan gjennom ulike mekanismer inkludert hydrid formasjon, hevelse, overflaten blemmer og sprøhet. ^{2 , 6 , 7 , 8} ikke-metalliske komponenter som leder zirconate titanate (PZT) brukes i piezoelectric keramikk har også vist utsatt for degradering grunnet hydrogen uforlikelighet effekt som overflaten blemmer og føre migrasjon. ^{9 , 10 , 11 , 12} mens disse eksemplene på skade hydrogen eksponering har vært tidligere studert, kompatibiliteten til polymerkomponenter i hydrogen miljøer har nylig blitt rundt. ^{13 , 14 , 15 , 16} dette er et resultat av metallisk komponenter gir strukturell integritet i kjernefysiske og olje og gass programmer mens polymer komponentene vanligvis opptre som hindringer eller tetninger. ^{17 , 18 , 19 , 20} derfor friksjon og slitasje egenskapene til polymer materiale innen komponenter som polytetrafluoroethylene (PTFE) ventil seter og nitril butadien gummi (NBR) o-ringer bli viktige faktorer i deres evne til å fungere.

Ved hydrogen infrastruktur inneholder komponenter som ventiler, kompressorer og lagertanker polymer materiale som er i kontakt med metalliske overflater. Friksjons samspillet mellom polymer og metalliske overflater resulterer i slitasje av overflater. Vitenskapen om forholdet mellom friksjon og slitasje to samspill flater er kjent som tribology. Polymerer tendens til å ha lavere elastiske moduli og styrke enn metallic, derfor tribological egenskapene til polymer materiale variere sterkt fra metalliske materialer. Resultatet polymer overflater tendens til å ha større slitasje og skade etter friksjons kontakt med en metalloverflate. ^{21 , 22} hydrogen infrastruktur program, rask trykk og temperatur sykling årsaker gjentatt samhandling mellom polymer og metalliske overflater, øker sannsynligheten for friksjon og slitasje på komponenten polymer. Kvantifisere skade kan være utfordrende ex situ på grunn av mulig eksplosive dekomprimering av polymer utvalget etter depressurization som kan føre til ikke-tribological skade. ²³ i tillegg mange kommersielle polymer produkter inneholder mange fyllstoff og tilsetningsstoffer som magnesium oksid (MgO) som kan samhandle negativt med hydrogengass gjennom hydriding, ytterligere kompliserende ex situ analyse av slitasje i disse materialer. ^{24 , 25}

Komplekse skille mellom skade polymer materiale forårsaket depressurization og skade tribological slitasje ex situ, er det behov for å studere direkte friksjons egenskaper for ikke-metalliske materiale på stedet i høytrykks hydrogen omgivelser som sannsynligvis vil finnes i hydrogen levering infrastruktur. Denne protokollen, vi viser en test metodikk utviklet å kvantifisere friksjon og slitasje egenskapene til polymer materiale i en høytrykks hydrogen miljø benytte en spesialbygd i situ tribometer. ²⁶ presenterer vi også representant data ervervet i situ tribometer og etylen propylen diene monomer (EPDM) gummi, en felles polymer tetting og barriere materiale. EPDM materialet som representant dataene ble generert ved hjelp av protokollen nedenfor ble kjøpt i 60,96 cm firkantet ark med 0.3175 cm tykkelse og ble rapportert av leverandøren ha hardhet 60A.

Protocol

Eksperimentet beskrevet her krever bruk av hydrogengass som er luktfri, fargeløs og dermed undetectable av menneskets sanser. Hydrogen er svært brennbart og brannsår med en nesten usynlig blå flamme og kan skjemaet eksplosive blandinger i nærvær av oksygen. Høyt trykk over 6,9 MPa legge ekstra eksplosjonsfarer som må være riktig planlagt for i forberedelse til noen tester. Dette beløpet av lagret energi representerer en seriøs sikkerhetsrisiko og derfor due diligence, planlegging, og en sikkerhet evaluering m?…

Representative Results

Ved hjelp av metode presentert, kan koeffisient av kinetisk friksjon og slitasje faktor for en cellegummi prøve måles i et høytrykks hydrogen miljø. Representant dataene som vises i figur 1 viser at i et miljø med høytrykks hydrogen større makt er nødvendig å flytte EPDM polymer prøvene under stål telleren overflaten. Med forholdet mellom normal tvinge FN og friksjons force FK koeffisient av friksjon, µ, mellom EPDM prøven o…

Discussion

Gjeldende ex situ teknikker for tribological testing av polymer materialer krever prøver å bli utsatt for høytrykk hydrogen som er så trykkavlastet før testet med en kommersiell tribometer. ^{15 , 24 , 25} testen metodikken i denne protokollen ble utformet å testing av tribological egenskapene til polymer prøver en høytrykk miljø i situ. Ved å teste polymer materialer som EPDM prøvene presentert ovenfor…

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