In Situ Tribológicas de polímeros comunes utilizados en la infraestructura de suministro de hidrógeno de hidrógeno de alta presión
Summary
Una metodología de prueba para la cuantificación de las propiedades tribológicas de los polímeros utilizados en servicio de infraestructura de hidrógeno se demuestra y se discuten los resultados características de un elastómero común.
Abstract
Gas de hidrógeno de alta presión se sabe para afectar componentes de compresores, válvulas, mangueras y actuadores. Sin embargo, relativamente poco se sabe sobre los efectos del hidrógeno de alta presión en los materiales de aislamiento y barrera de polímero que también se encuentran dentro de estos componentes. Se requieren más estudios para determinar la compatibilidad de los polímeros comunes encontrados en los componentes de la infraestructura de suministro de combustible de hidrógeno con hidrógeno de alta presión. Como resultado, es importante considerar los cambios en las propiedades físicas tales como fricción y desgaste en situ , mientras que el polímero está expuesto a hidrógeno de alta presión. En este protocolo, presentamos un método para las pruebas de la fricción y desgaste propiedades de muestras de elastómero de etileno propileno dieno monómero (EPDM) en un ambiente de hidrógeno de alta presión de MPa 28 utilizando una medida en situ pin-en-plano lineal alternativo tribómetro. Presentan los resultados representativos de esto son pruebas que indican que el coeficiente de fricción entre el cupón de muestra EPDM y la superficie de acero contador es incrementado en hidrógeno de alta presión en comparación con el coeficiente de fricción, igualmente medido en aire ambiente.
Introduction
En los últimos años, ha habido gran interés por el hidrógeno como una emisión potencial cero o casi cero emisiones combustible en fuentes estacionarias y en vehículos. Puesto que el hidrógeno existe como un gas de baja densidad a temperatura ambiente, mayoría de las aplicaciones utiliza alguna forma de hidrógeno comprimido para combustible. 1 , 2 una desventaja potencial de usar comprimido, gas de hidrógeno de alta presión es la incompatibilidad con muchos materiales que se encuentran dentro de infraestructura2,3,4 y aplicaciones vehiculares5 donde problemas de compatibilidad se combinan con repetidas de la presión y temperatura de ciclismo. Un ambiente de hidrógeno puro se sabe para dañar componentes metálicos incluyendo ciertos aceros y titanio a través de diferentes mecanismos incluyendo la formación de hidruros, hinchazón, ampollas y fragilidad de la superficie. 2 , 6 , 7 , 8 no metálicos componentes como plomo Titanate del zirconate del (PZT) utilizado en cerámica también han demostrado ser susceptibles a la degradación por efecto de incompatibilidad de hidrógeno como ampollas superficiales y la migración de plomo. 9 , 10 , 11 , 12 mientras que estos ejemplos de daños debido a la exposición de hidrógeno se han estudiado previamente, la compatibilidad de componentes de polímero dentro de entornos de hidrógeno sólo recientemente ha sido de interés. 13 , 14 , 15 , 16 esto es en gran parte el resultado de componentes metálicos proporcionar integridad estructural en nuclear y aplicaciones de petróleo y gas, mientras que los componentes del polímero suelen actúan como barreras o sellos. 17 , 18 , 19 , 20 en consecuencia, las propiedades de fricción y el desgaste de los materiales de polímero dentro de los componentes como el politetrafluoroetileno (PTFE) válvula asientos y factores importantes de nitrilo butadieno caucho (NBR) O-rings se convierten en su capacidad de funcionar.
En el caso de la infraestructura de hidrógeno, componentes tales como válvulas, compresores y tanques de almacenamiento contienen polímeros en contacto con las superficies metálicas. Resultados de la interacción friccional entre el polímero y las superficies metálicas de desgaste de cada una de las superficies. La ciencia de la relación entre la fricción y el desgaste de dos superficies de interacción se conoce como tribología. Polímeros tienden a tener baja módulos elástico y fuerza que el metálico, por lo tanto las propiedades tribológicas de los materiales de polímero difieren mucho de los materiales metálicos. Como resultado, las superficies de polímero tienden a mostrar un mayor desgaste y daños después del contacto por fricción con una superficie metálica. 21 , 22 aplicación de infraestructura de hidrógeno, la presión rápida y temperatura ciclismo causas repetida interacción entre el polímero y las superficies metálicas, aumentando la probabilidad de fricción y desgaste en el componente de polímero. Cuantificación de este daño puede ser un desafío ex situ debido a la descompresión explosiva posible de la muestra de polímero después de despresurización que puede provocar daños no tribológicas. 23 además, muchos productos de polímeros comerciales contienen muchos rellenos y aditivos tales como óxido de magnesio (MgO) que pueden interactuar negativamente con el gas de hidrógeno a través de hydriding, complicando aún más ex situ análisis de desgaste en estas materiales. 24 , 25
Debido a la complejidad de distinguir entre daños en el material de polímero causado durante la despresurización y daño debido al desgaste tribológico ex situ, es necesario estudiar directamente las propiedades de fricción de materiales nos-metálico in situ en un ambiente de alta presión de hidrógeno que es probable que existan dentro de la infraestructura de suministro de hidrógeno. En este protocolo, demostramos una prueba de la metodología desarrollada para cuantificar la fricción y desgaste de propiedades de materiales poliméricos en un ambiente de alta presión de hidrógeno utilizando un tribómetro creada ex profeso en situ . 26 también presentamos datos representativos adquiridos utilizando el tribómetro en situ y caucho de etileno propileno dieno monómero (EPDM), lacre de polímero común y material de barrera. El material EPDM para que representante de datos fue generados usando el protocolo a continuación fue adquirido en hojas de forma cuadrada 60,96 cm con un grosor de 0,3175 cm y fue reportado por el proveedor para tener un grado de dureza 60A.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex situ las técnicas actuales de pruebas tribológicas de los materiales de polímero requieren muestras ser expuestos al hidrógeno de alta presión que luego se despresurizaron antes de ser probado con un tribómetro comercial. 15 , 24 , 25 la metodología de prueba de este protocolo fue diseñada para permitir la comprobación de las propiedades tribológicas de muestras de polímero en un ambiente de alta presión …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue realizada en el laboratorio nacional del Noroeste Pacífico (PNNL), que es funcionada por Battelle Memorial Institute para el Departamento de energía (DOE) bajo contrato no. 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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