In Situ Haute pression hydrogène tribologique, essais des matériaux polymères communs utilisés dans l’Infrastructure de prestation d’hydrogène
Summary
Une méthodologie de test pour quantifier les propriétés tribologiques des polymères utilisés dans le service d’infrastructure de l’hydrogène est démontrée et on discute des résultats caractéristiques d’un élastomère commun.
Abstract
Gaz d’hydrogène à haute pression est connu pour affecter les composants métalliques de compresseurs, vannes, tuyaux et actionneurs. Toutefois, relativement peu est connu sur les effets de l’hydrogène à haute pression sur les matériaux d’étanchéité et barrière de polymère trouvés également au sein de ces composants. Étude plus approfondie est nécessaire afin de déterminer la compatibilité des matériaux polymères communs trouvés dans les composants de l’infrastructure de livraison de carburant d’hydrogène avec de l’hydrogène à haute pression. En conséquence, il est important d’examiner les modifications des propriétés physiques comme la friction et porter sur place alors que le polymère est exposé à l’hydrogène à haute pression. Dans ce protocole, nous présentons une méthode pour tester la friction et porter des propriétés des échantillons d’élastomère éthylène propylène diène monomère (EPDM) dans un environnement 28 de hydrogène à haute pression de MPa en utilisant un custom-built in situ pin-on-flat linéaire alternatif tribomètre. Des résultats représentatifs de ce test sont présentés qui indiquent que le coefficient de frottement entre l’EPDM échantillon coupon et la surface du comptoir en acier est augmentée dans l’hydrogène à haute pression contre le coefficient de frottement, elle est mesurée en air ambiant.
Introduction
Ces dernières années, il a été beaucoup d’intérêt dans l’hydrogène comme une émission potentiel zéro ou carburant des émissions proches de zéro dans les véhicules et les sources d’alimentation stationnaires. Étant donné que l’hydrogène existe sous forme d’un gaz de densité faible à température ambiante, la plupart des applications utilisent une forme quelconque de l’hydrogène comprimé pour le carburant. 1 , 2 un inconvénient potentiel de l’utilisation de comprimé, gaz d’hydrogène à haute pression est incompatibilité avec beaucoup de matériaux trouvés dans les infrastructures2,3,4 et applications véhiculaires5 où problèmes de compatibilité sont combinés avec des pressions répétées et température cyclisme. Un environnement d’hydrogène pur est connu pour endommager des composants métalliques, y compris certains aciers et titane par différents mécanismes, y compris la formation de l’hydrure, gonflement, surface de cloquage et fragilisation. 2 , 6 , 7 , Composants de 8 Non métalliques tels que plomb zirconate titanate (PZT) utilisé dans les céramiques piézoélectriques se sont également révélés sensibles à la dégradation due à l’effet incompatibilité d’hydrogène comme surface de cloquage et de migration de plomb. 9 , 10 , 11 , 12 alors que ces exemples de dommages dus à l’exposition d’hydrogène ont été étudiés précédemment, la compatibilité des composants polymères dans les environnements de l’hydrogène est devenu que récemment d’intérêt. 13 , 14 , 15 , 16 c’est en grande partie un résultat de composants métalliques offrant intégrité structurale dans le nucléaire et les applications de pétrole et de gaz, tandis que les composants de polymère agissent habituellement comme des obstacles ou des joints. 17 , 18 , 19 , 20 en conséquence, les propriétés de frottement et l’usure des matériaux polymères au sein des composants tels que le polytétrafluoroéthylène (PTFE) sièges et soupapes nitrile butadiène en caoutchouc (NBR) joints toriques devenus des facteurs importants dans leur capacité de fonctionner.
Dans le cas de l’infrastructure de l’hydrogène, les composants tels que vannes, compresseurs et réservoirs de stockage contiennent des matériaux polymères qui sont en contact avec les surfaces métalliques. L’interaction de frottement entre le polymère et les surfaces métalliques se traduit par une usure de chacune des surfaces. La science de la relation entre le frottement et l’usure de deux surfaces d’interactions est connue comme la tribologie. Polymères ont tendance à être inférieurs d’élasticité et de résistance que métalliques, donc les propriétés tribologiques de matériaux polymères diffèrent grandement des matériaux métalliques. Ainsi, les surfaces polymères ont tendance à exposer une plus grande usure et dommages après frottement contact avec une surface métallique. 21 , 22 dans une demande d’infrastructure de l’hydrogène, le rapide de la pression et la température cyclisme causes répétées interaction entre les polymères et les surfaces métalliques, augmente le risque de frottement et l’usure le composant polymère. Peut être difficile de quantifier ce dommage ex situ en raison de la possible décompression explosive de l’échantillon de polymère après dépressurisation qui peut causer des dommages non-tribologiques. 23 en outre, beaucoup de produits commerciaux polymères contiennent beaucoup de charges et d’additifs tels que l’oxyde de magnésium (MgO) qui peuvent interagir négativement avec l’hydrogène gazeux à travers hydriding, ce qui complique ex-situ analyse d’usure dans ces matériaux. 24 , 25
En raison de la complexité de différencier les dommages au matériel polymère causé pendant la dépressurisation et dommages causés par l’usure tribologiques ex-situ, il est nécessaire d’étudier directement les propriétés de frottement de matériaux non métalliques in situ dans un environnement à haute pression d’hydrogène susceptibles d’exister au sein de l’infrastructure de prestation d’hydrogène. Dans ce protocole, nous démontrons un test de la méthodologie développée pour quantifier le frottement et usure des propriétés des matériaux polymères dans un environnement à haute pression d’hydrogène utilisant un tribomètre construite à cet effet sur place . 26 nous présentons aussi des données représentatives acquises à l’aide de la tribomètre in situ et caoutchouc éthylène propylène diène monomère (EPDM), une commune Joint polymère et matériau barrière. Le matériau EPDM pour lequel représentant données ont été générées en utilisant le protocole ci-dessous a été achetée en feuilles de forme carrée de 60,96 cm avec une épaisseur de 0,3175 cm et a été signalé par le vendeur pour avoir un indice de dureté de 60 a.
Protocol
Representative Results
Discussion
Techniques actuelles de ex situ pour l’essai tribologique des matériaux polymères nécessitent d’être exposé à l’hydrogène à haute pression des échantillons qui sont alors faire chuter la pression avant d’être testé à l’aide d’un tribomètre commercial. 15 , 24 , 25 la méthodologie d’essai dans le présent protocole a été conçue pour permettre à l’épreuve des propriétés tribologiques d…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été effectuée à la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), qui est exploité par Battelle Memorial Institute pour le Department of Energy (DOE) sous le contrat 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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