In Situ Hoge druk waterstof Tribological testen van gemeenschappelijke polymeermaterialen gebruikt in de levering van de waterstofinfrastructuur
Summary
Een test-methodologie voor het kwantificeren van de tribological eigenschappen van polymeren in waterstof infrastructuurdienst gebruikt wordt aangetoond en karakteristiek resultaten voor een gemeenschappelijk elastomeer worden besproken.
Abstract
Hogedruk waterstofgas is bekend dat het nadelig beïnvloeden van metalen onderdelen voor compressoren, kleppen, slangen en actuatoren. Echter is relatief weinig bekend over de effecten van hoge druk waterstof op de polymeermaterialen voor afdichting en barrière ook binnen deze onderdelen gevonden. Meer onderzoek is nodig om de compatibiliteit van gemeenschappelijke polymeermaterialen gevonden in de onderdelen van de waterstof brandstof levering infrastructuur met hoge druk waterstof. Dientengevolge, is het belangrijk rekening houden met de veranderingen in de natuurkundige eigenschappen zoals wrijving en slijtage in situ terwijl het polymeer wordt blootgesteld aan hoge druk waterstof. In dit protocol, we presenteren een methode voor het testen van de wrijving en slijtage eigenschappen van ethyleen propyleen dieen monomeer (EPDM) elastomeer monsters in een 28 MPa hogedruk waterstof omgeving met behulp van een custom-built in situ lineaire pin-op-flat op-en neergaande tribometer. Representatieve resultaten uit deze testen zijn gepresenteerd waaruit blijkt dat de wrijvingscoëfficiënt tussen het EPDM monster coupon en stalen teller oppervlak wordt verhoogd met hoge druk waterstof in vergelijking met de wrijvingscoëfficiënt op dezelfde manier gemeten in de lucht.
Introduction
In de afgelopen jaren, is er grote belangstelling voor waterstof als een potentieel nul-emissie- of bijna-nulemissie uitstoot brandstof in voertuigen en stationaire voedingsbronnen. Aangezien waterstof als een lage dichtheid gas bij kamertemperatuur bestaat, de meeste toepassingen gebruiken een soort gecomprimeerd waterstof als brandstof. 1 , 2 een mogelijk nadeel van het gebruik van gecomprimeerd, hogedruk waterstofgas is niet compatibel met vele materialen binnen3,4 van de2,van de infrastructuur en autoverkeer toepassingen5 gevonden waar compatibiliteitsproblemen worden gecombineerd met herhaalde druk en temperatuur fietsen. Een zuivere waterstof omgeving staat bekend om schade van metalen componenten, met inbegrip van bepaalde stalen en titanium via verschillende mechanismen, met inbegrip van de vorming van het hydride, zwelling, oppervlakte blaarvorming en verbrossing. 2 , 6 , 7 , 8 niet-metalen onderdelen zoals lood zirconate titanate (PZT) gebruikt in piëzo-elektrische keramiek hebben ook bewezen gevoelig voor afbraak door waterstof onverenigbaarheid effect zoals oppervlakte blaarvorming en lood migratie. 9 , 10 , 11 , 12 terwijl deze voorbeelden van schade als gevolg van blootstelling van de waterstof eerder zijn bestudeerd, de verenigbaarheid van polymeer componenten binnen waterstof omgevingen is pas onlangs geworden van belang. 13 , 14 , 15 , 16 dit is grotendeels een gevolg van metalen onderdelen die structurele integriteit in nucleaire en olie en gas toepassingen terwijl de polymeer-onderdelen meestal als belemmeringen of afdichtingen fungeren. 17 , 18 , 19 , 20 dientengevolge de wrijving en slijtage eigenschappen van polymeermaterialen binnen onderdelen zoals polytetrafluorethyleen (PTFE) overdrukveiligheid zitplaatsen en Nitril butadieen rubber (NBR) O-ringen worden belangrijke factoren in hun vermogen om te functioneren.
In het geval van de waterstofinfrastructuur bevatten onderdelen, zoals kleppen, compressoren en opslagtanks polymeermaterialen die in contact met de metalen oppervlakken. De frictional interactie tussen de polymeer en metalen oppervlakken resulteert in slijtage van elk van de oppervlakken. De wetenschap van de relatie tussen de wrijving en slijtage van twee interagerende oppervlakken heet tribologie. Polymeren neiging om lagere elastische moduli en de kracht dan metalen hebben, dus de tribological eigenschappen van polymeermaterialen verschillen sterk van metalen voorwerpen. Dientengevolge, neiging polymeer oppervlakken vertonen meer slijtage en schade na frictional contact met een metalen oppervlak. 21 , 22 in een waterstof infrastructuur toepassing, snelle druk en temperatuur fietsen oorzaken herhaalde interactie tussen de polymeer en metalen oppervlakken, waardoor het waarschijnlijker van wrijving en slijtage van de polymeer-component. Kwantificeren van deze schade kan lastig zijn ex situ als gevolg van mogelijke explosieve decompressie van het polymeer monster na drukverlaging die niet-tribological schade kan berokkenen. 23 bovendien veel commerciële polymeer producten bevatten veel vulstoffen en additieven zoals magnesiumoxide (MgO) die negatief met waterstofgas via hydriding samenwerken kan, verdere complicerende ex situ analyse van slijtage in deze materialen. 24 , 25
Als gevolg van de complexiteit van het onderscheid tussen schade aan het materiaal van de polymeer veroorzaakt tijdens drukverlaging en schade door tribological slijtage ex situ, moet er een direct de frictional eigenschappen van niet-metalen materialen in situ te bestuderen binnen een hogedruk waterstof-omgeving die dreigt te bestaan in de levering van de waterstofinfrastructuur. In dit protocol, tonen we een test methodologie ontwikkeld te kwantificeren van de wrijving en slijtage eigenschappen van polymeermaterialen in de omgeving van een hogedruk waterstof met behulp van een speciaal gebouwde in situ tribometer. 26 presenteren we ook representatieve gegevens verkregen met behulp van de tribometer in situ ethyleen propyleen dieen monomeer (EPDM) rubber, een gemeenschappelijk polymeer afdichting en barrièremateriaal. Het EPDM materiaal waarvoor vertegenwoordiger gegevens werd gegenereerd met behulp van het onderstaande protocol werd gekocht in 60,96 cm vierkante vellen met een 0.3175 cm dikte en werd gemeld door de leverancier een 60A hardheid beoordeling hebben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Huidige ex situ technieken voor het testen van de tribological van polymeermaterialen vereisen monsters te worden blootgesteld aan hoge druk waterstof, die vervolgens zijn depressurized voordat ze worden getest met behulp van een commerciële tribometer. 15 , 24 , 25 de methodologie van de test in dit protocol werd ontworpen om toestaan testen van de tribological eigenschappen van polymeer monsters in een hoge druk omge…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd uitgevoerd op de Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), die wordt beheerd door Battelle Memorial Instituut voor het Department of Energy (DOE) onder Contract nr. 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 |
Referências
- 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. Continuar. , 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. Continuar. , 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. Continuar. , 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).
