Situ Yüksek basınçlı hidrojen hidrojen teslim altyapısında kullanılan ortak Polimer malzemelerin test Tribolojik
Summary
Hidrojen altyapısı servisinde kullanılan polimerlerin Tribolojik özellikler miktarının bir test metodoloji gösterdi ve karakteristik sonuçları elde etmek için ortak bir elastomer ele alınmıştır.
Abstract
Yüksek basınçlı hidrojen gazı Kompresörler, vanalar, hortumlar ve aktüatörler metalik bileşenleri üzerinde olumsuz bir etkisi olduğu bilinmektedir. Ancak, nispeten az polimer sızdırmazlık ve bariyer malzemeler de bu bileşenleri içinde bulunan yüksek basınçlı hidrojen etkileri hakkında bilinir. Daha fazla çalışma yüksek basınçlı hidrojen ile hidrojen yakıt teslim altyapısının bileşenleri bulunan ortak Polimer malzemelerin uyumluluk belirlemek için gereklidir. Sonuç olarak, sürtünme gibi fiziksel özellikleri değişiklikleri göz önünde bulundurun ve polimer için yüksek basınçlı hidrojen maruz iken in situ giymek önemlidir. Bu iletişim kuralı ‘ sürtünme testleri için bir yöntem sunmak ve etilen propilen Dien monomer (EPDM) elastomer örnekleri özelliklerini kullanarak özel olarak oluşturulmuş situ PIN düz doğrusal pistonlu bir 28 MPa yüksek basınçlı hidrojen ortamında giymek tribometer. Bu test vardır temsilcisi sonuçlarından da EPDM örnek kupon ve çelik sayacı yüzey arasındaki Sürtünme katsayısı yüksek basınçlı hidrojen ile karşılaştırıldığında benzer şekilde ölçülen Sürtünme katsayısı olarak arttığını gösteriyor sundu ortam havası.
Introduction
Son yıllarda büyük bir potansiyel sıfır emisyon olarak hidrojen ilgi ya da sıfıra yakın emisyon yakıt araçlar ve sabit güç kaynağı olmuştur. Oda sıcaklığında bir düşük yoğunluklu gaz hidrojen var yana, çoğu uygulama bazı sıkıştırılmış hidrojen yakıt için kullan. 1 , 2 sıkıştırılmış kullanmanın bir potansiyel dezavantajı, yüksek basınçlı hidrojen gazı altyapı2,3,4 ve araç uygulamaları5 içinde bulunan birçok malzeme ile uyumsuzluk olduğunu nerede uyumluluk sorunları yinelenen basınç ve sıcaklık ile birleştirilir Bisiklete binme. Bir saf hidrojen ortamı metal bileşenleri belirli çelikler dahil olmak üzere zarar bilinmektedir ve titanyum Hidrit oluşumu, şişme, dahil olmak üzere farklı mekanizmalarla yüzey su toplama ve embrittlement. 2 , 6 , 7 , Piezoelektrik seramik kullanılan kurşun zirconate titanate (PZT) gibi 8 sigara-metalik bileşenleri Ayrıca duyarlı yüzey kabarma ve kurşun geçiş gibi hidrojen uyumsuzluk etkisi nedeniyle bozulması için kanıtlanmıştır. 9 , 10 , 11 , 12 hidrojen maruz kalma nedeniyle zararın bu örnekler daha önce eğitimi var iken, polimer bileşenleri hidrojen ortamlar içinde uyumluluk yalnızca son zamanlarda ilgi olmuştur. 13 , 14 , 15 , 16 bu büyük ölçüde bir polimer bileşenleri genellikle engelleri veya mühür hareket ise yapısal bütünlük içinde nükleer ve petrol ve gaz uygulamaları sağlayan metalik bileşenlerinin sonucudur. 17 , 18 , 19 , 20 sonuç olarak, politetrafloroetilin (PTFE) gibi bileşenleri içinde Polimer malzemelerin sürtünme ve aşınma özellikleri koltuklar ve Nitril bütadien kauçuk (NBR) O-halkaları haline önemli faktörlerden yeteneklerini işlevine Vana.
Hidrojen altyapısı söz konusu olduğunda, metalik yüzeylere temas polimer malzemeler Subaplar, kompresörler ve depolama tankları gibi bileşenleri içerir. Polimer ve metal yüzeyler arasındaki sürtünme etkileşim her yüzeylerin giyim sonuçlanır. Sürtünme ve aşınma iki etkileşen yüzeyler arasındaki ilişkinin bilim Triboloji bilinir. Polimerler daha düşük elastik dönmeler ve metalik bir güç sahip olma eğilimi, bu nedenle Polimer malzemelerin Tribolojik özellikleri büyük ölçüde Metalik malzemeler farklı. Sonuç olarak, polimer yüzeyler metal bir yüzeye sürtünme temastan sonra daha fazla aşınma ve hasar sergi eğilimindedir. 21 , 22 bir hidrojen altyapısı uygulama hızlı basınç ve sıcaklık polimer ve metal yüzeyler arasında nedenleri tekrarlanan etkileşim Bisiklete binme, artan sürtünme olasılığı ve polimer bileşeni giymek. Bu zarar miktarının ex situ polimer örnek mümkün patlayıcı dekompresyon sonra olabilir Tribolojik zarar depressurization nedeniyle zor olabilir. 23 ek olarak, birçok dolgu maddeleri ve katkı maddeleri magnezyum oksit (MgO) Hidrojen gazı hydriding, daha da zorlaştıran bu aşınma ex situ analizi yoluyla olumsuz etkileşim gibi birçok ticari polimer ürün bulunur malzemeler. 24 , 25
Depressurization ve hasar nedeniyle Tribolojik aşınma ex situsırasında neden olan polimer malzemeler zarar arasında differentiating karmaşıklığı nedeniyle, metalik olmayan malzemelerin yerinde sürtünme özelliklerini doğrudan çalışmaya gerek yoktur yüksek basınçlı hidrojen ortamında hidrojen teslim altyapı içinde mevcut muhtemeldir. Bu protokol için biz bir test göstermek metodoloji geliştirilen sürtünme ölçmek ve Polimer malzemelerin özellikleri bir amaca in situ tribometer kullanan bir yüksek basınçlı hidrojen ortamında giymek için. 26 da in situ tribometer ve etilen propilen Dien monomer (EPDM) kauçuk, bir ortak polimer sızdırmazlık ve bariyer malzeme kullanarak temsilcisi veri elde mevcut. Hangi veri protokolü kullanılarak oluşturulan temsilcisi 60,96 cm kare çarşaflarda 0.3175 cm kalınlığı ile satın alınmış ve satıcı tarafından 60A sertlik derecesine sahiptir bildirildi EPDM malzeme.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tribolojik Polimer malzemelerin test için geçerli ex situ teknikler gerektirir sonra önce depressurized için yüksek basınçlı hidrojen maruz örnekleri bir ticari tribometer kullanarak test. 15 , 24 , 25 test metodoloji bu protokolündeki bir yüksek basınç çevre içinde in situpolimer örnekleri Tribolojik özelliklerinin test izni için tasarlanmıştır. Polimer malzemeler gibi onlar basınçlı s?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı (için Bakanlığı, enerji (DOE) Sözleşme No altında Battelle Memorial Enstitüsü tarafından işletilen PNNL), gerçekleştirildi 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 |
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).
