In Situ Højt tryk brint tribologiske afprøvning af fælles Polymer materialer i brint levering infrastruktur

Summary

En test metode til kvantificering af polymerer, der anvendes i brint infrastrukturtjenesten tribologiske egenskaber er vist og karakteristiske resultater for en fælles elastomer diskuteres.

Abstract

Højtryks hydrogengas er kendt for at påvirke metalliske komponenter af kompressorer, ventiler, slanger og aktuatorer. Imidlertid er relativt lidt kendt om virkningerne af højt tryk brint på polymer forsegling og barriere materialer også fundet inden for disse komponenter. Flere undersøgelse er påkrævet for at fastlægge fælles polymer materiale fundet i komponenterne i brint brændstof levering infrastruktur med højt tryk brint kompatibilitet. Som et resultat, er det vigtigt at overveje ændringer i fysiske egenskaber, såsom friktion og slid i situ mens polymeren er udsat for højt tryk brint. I denne protokol, vi præsentere en metode til at teste friktionen og slid egenskaber af ethylen propylen Dien monomer (EPDM) elastomer prøver i en 28 MPa højtryks hydrogen miljø ved hjælp af en specialbygget i situ pin på flad lineær frem-og tilbagegående tribometer. Repræsentative resultater fra denne test er præsenteret som tyder på at friktionskoefficient mellem EPDM prøve kupon og stål counter overflade er steget i højt tryk brint i forhold til den friktionskoefficient, ligeledes målt i omgivende luft.

Introduction

I de seneste år, har der været stor interesse for brint som et potentiale zero emission eller nær-nul-emission brændstof i køretøjer og stationære strømkilder. Da brint findes som en lav density gas ved stuetemperatur, bruger de fleste applikationer nogle form af komprimeret brint til brændstof. ^{1 , 2} en potentiel ulempe ved at bruge komprimeret, højtryks hydrogengas er uforenelighed med mange materialer findes inden for infrastruktur^2,3,4 og kørende programmer⁵ hvor kompatibilitetsproblemer er kombineret med gentagne tryk og temperatur cykling. En ren brint miljø er kendt for at ødelægge metal komponenter, herunder visse stål og titanium gennem forskellige mekanismer, herunder hydrid dannelse, hævelse, overflade blærer og skørhed. ^{2 , 6 , 7 , 8} ikke-metalliske komponenter såsom bly zirconate titanate (PZT) bruges i piezoelektriske keramik har også bevist modtagelige for nedbrydning på grund af brint uforenelighed virkning som overflade blærer og bly migration. ^{9 , 10 , 11 , 12} mens disse eksempler på skader, der skyldes brint eksponering har undersøgt tidligere, foreneligheden af polymer komponenter inden for brint miljøer er først for nylig blevet af interesse. ^{13 , 14 , 15 , 16} dette er i vid udstrækning et resultat af metalliske komponenter giver strukturelle integritet i nukleare og olie og gas applications boer polymer komponenter normalt fungere som barrierer eller sæler. ^{17 , 18 , 19 , 20} som et resultat af friktion og slid egenskaber af polymer materialer inden for komponenter såsom polytetrafluorethylen (PTFE) ventil sæder og nitril butadien gummi (NBR) O-ringene bliver vigtige faktorer i deres evne til at fungere.

I forbindelse med brint-infrastruktur indeholder komponenter såsom ventiler, kompressorer og lagertanke polymer materialer, der er i kontakt med metalliske overflader. Friktion samspillet mellem polymer og metalliske overflader medfører slid på hver af overfladerne. Videnskaben om forholdet mellem friktion og slitage af to interagerende overflader kaldes tribologi. Polymerer har tendens til at have lavere elastiske moduli og styrke end metalliske, derfor de tribologiske egenskaber af polymer materialer adskiller sig meget fra metalliske materialer. Som et resultat, polymer overflader har tendens til at udstille større slid og skader efter friktion kontakt med en metallisk overflade. ^{21 , 22} i en brint-infrastruktur ansøgning, hurtige tryk og temperatur cykling årsager gentagne interaktion mellem polymer og metalliske overflader, øger sandsynligheden for friktion og slid på komponenten polymer. Kvantificere denne skade kan være udfordrende ex situ på grund af mulige eksplosive dekompression af polymer prøven efter trykreduktion, som kan medføre ikke-tribologiske skade. ²³ desuden mange kommercielle polymer produkter indeholder mange fyldstoffer og additiver som magnesiumoxid (MgO), der kan interagere negativt med hydrogengas gennem hydriding, yderligere komplicerer ex situ analyse af slid i disse materialer. ^{24 , 25}

På grund af kompleksiteten af at differentiere mellem skader polymer materiale forårsaget under trykreduktion og skader forårsaget af tribologiske slid ex situ, er der behov for at direkte studere de friktion egenskaber af ikke-metalliske materialer in situ inden for en højtryks hydrogen miljø, der er tilbøjelige til at eksistere inden for brint levering infrastruktur. I denne protokol, vi vise en test metode udviklet at kvantificere friktionen og slid polymer materialers egenskaber i en højtryks hydrogen miljø udnytte en specialbygget i situ -tribometer. ²⁶ præsenterer vi også repræsentative data opnået ved hjælp af i situ tribometer og ethylen propylen Dien monomer (EPDM) gummi, en fælles polymer forsegling og barriere materiale. EPDM materiale som repræsentative data blev genereret ved hjælp af protokollen nedenfor blev købt i 60.96 cm kvadratiske plader med 0.3175 cm tykkelse og blev rapporteret af sælgeren at have en 60A hårdhed rating.

Protocol

Eksperimentet beskrevet her kræver brug af hydrogengas, som er lugtfri, farveløs, og dermed ikke kan påvises ved menneskelige sanser. Brint er meget brandfarlige og brandsår med en næsten usynlig blå flamme og kan form eksplosive blandinger ved tilstedeværelse af ilt. Høje belastninger over 6,9 MPa tilføje yderligere ekplosions risici, der skal planlægges hensigtsmæssigt forberedelse til en test. Dette beløb af lagret energi er en alvorlig sikkerhedsrisiko og derfor due diligence, planlægning og en sikkerhed…

Representative Results

Ved hjælp af den metode, der præsenteres, kan koefficienten af kinetic friktion og slid faktor for en elastomere prøve måles i en højtryks hydrogen miljø. De repræsentative data præsenteret i figur 1 viser, at i en højtryks hydrogen miljø større kraft er forpligtet til at flytte EPDM polymer prøver under stål counter overflade. Ved hjælp af forholdet mellem normalitet kraft FN og den friktion kraft FK friktionskoefficient, …

Discussion

Nuværende ex situ teknikker til tribologiske test af polymer materialer kræver prøver at blive udsat for højt tryk brint, som er derefter trykfri før bliver testet ved hjælp af en kommerciel tribometer. ^{15 , 24 , 25} prøvningsmetode i denne protokol var designet til at tillade afprøvning af polymer prøver i et højtryk miljø in situtribologiske egenskaber. Ved at teste polymer materialer såsom EPDM pr…

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