Wasserstoff Gegenstand
Wasserstoff Gegenstand zahlreicher Studien. Das Phänomen kann die Duktilität und Tragfähigkeit erheblich verringern und zu Rissen und katastrophalen Sprödbrüchen bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze führen [5]. Doch inwieweit Dichtungswerkstoffe unter dem Einfluss von Hochdruckwasserstoff verspröden oder sich verändern, ist kaum bekannt. Vor allem, wenn die Dichtungen bei der Speicherung und dem Transport von Wasserstoff extremen Temperaturen und Drücken standhalten müssen. Wenn Elastomere oder Thermoplaste bestimmten Flüssigkeiten oder Gasen ausgesetzt sind, kann sich dies auf deren physikalische und chemische Eigenschaften auswirken – und damit auf Leistung und Haltbarkeit einer Dichtung. Deshalb ist es notwendig, die Verträglichkeit eines Werkstoffes auf Wasserstoff-Anwendungen zu prüfen und ob dies für die Gewährleistung einer guten Dichtungsfunktion relevant ist. Trelleborg hat für die Studie sieben eigens für Wasserstoffanwendungen konzipierte Rezepturen untersucht: vier Ethylen-Propylen-Dien- Monomer-Kautschuke (EPDM), ein Fluorelastomer (FKM), ein thermoplastisches Polyurethan (TPU) sowie ein Phenylsilikon-Kautschuk (PVMQ). Bei den Thermoplasten waren es sechs Werkstoffe: ein ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMW PE) und fünf Hochleistungs-Thermoplaste mit einer PTFE-Matrix (Tabelle 1). Testbedingungen für die Trelleborg Studie Eine etablierte Methode zur Prüfung der Werkstoffverträglichkeit beschreibt die Norm ISO 1817. Bei diesem Verfahren werden Elastomere und Thermoplaste für eine bestimmte Dauer und Temperatur einer Prüfflüssigkeit oder einem Prüfdampf ausgesetzt und anschließend die Änderung von Masse, Volumen, Härte, Zugfestigkeit und Bruchdehnung bestimmt. Konkret hat Trelleborg die Proben 168 Stunden lang bei Nennbetriebsdruck (typischerweise 70 MPa) in Wasserstoff eingetaucht und innerhalb von weniger als einer Sekunde auf Umgebungsdruck entspannt [6]. Bei der Prüfung zum Druckverformungsrest handelt sich um eine Methode zur Bewertung der Fähigkeit des Werkstoffs, nach einer gewissen Zeit der Kompression wieder seine ursprüngliche Form anzunehmen. Um den Einfluss von Wasserstoff auf den Druckverformungsrest von Elastomeren zu ermitteln, wurden Versuche nach ISO 815-1A in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. In Anbetracht der unterschiedlichen Beschaffenheit von Elastomeren und Thermoplasten wurden die Ergebnisse nach Materialtypen getrennt: Mechanischen Eigenschaften wurden an S2-Prüfkörpern ermittelt, Effekte auf Volumen und Gewicht an O-Ring-Proben – in der Regel eine Stunde nach Druckentlastung. Prüfungen von Elastomeren bei Raumtemperatur Beim Eintauchen unter Raumtemperatur zeigen die Proben geringe Auswirkungen auf Volumen und Gewicht (Abb. 1). Die Gewichtsveränderung liegt nahe bei Null und ist daher vernachlässigbar. Das Volumen nimmt bei allen Elastomeren zu: Der TPU- Werkstoff ZLT und der FKM-Werkstoff V9T82 weisen eine geringe Quellung von weniger als 1 Prozent auf. Die EPDM-Werkstoffe mit 80 Shore A zeigen eine höhere Quellung von etwa 1,5 Prozent. Verglichen mit Kompatibilitätstests in anderen Flüssigkeiten ist dies sehr gering. Die Resultate für Zugfestigkeit und Bruchdehnung belegen, dass Wasserstoff keine Versprödung der Elastomere verursacht. Mechanische Eigenschaften werden meist an Normprüfkörpern gemessen, während in realen Anwendungen eine Dichtung in Form hergestellt wird, zum Beispiel zu einem O-Ring. Der Vergleich der Volumenveränderung der beiden Probentypen belegt: Alle Werkstoffe weisen größere Änderungswerte auf, wenn sie als S2-Probekörper geprüft werden. Der S2 Standardprüfkörper ist ein standardisierter, hantelförmiger Prüfkörper für den Zugversuch mit definierten Maßen, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. E8T31 Werkstofffamilie Compound Härte Temperaturbereich E7T30 70 Shore A -45 °C bis +150 °C EPDM E8T31 80 Shore A -45 °C bis +150 °C E8T24 80 Shore A -50 °C bis +150 °C EBT25 86 Shore A -50 °C bis +150 °C FKM V9T82 90 Shore A -45 °C bis +200 °C TPU ZLT 93 Shore A -60 °C bis +110 °C T01 22 Ball Ind.H. -200 °C bis +260 °C T05 24 Ball Ind.H. -200 °C bis +260 °C Turcon ® PTFE MF2 22 Ball Ind.H. -200 °C bis +260 °C MF6 32 Ball Ind.H. -200 °C bis +260 °C MF8 55 Shore D -200 °C bis +260 °C UHMW PE Z80 29 Ball Ind.H. -200 °C bis +80 °C Tabelle 1: Übersicht über geprüfte Werkstoffe 18 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2025
Wasserstoff Abb. 1: Änderungen von Volumen, Gewicht, Zugfestigkeit und Bruchdehnung der getesteten Elastomere (Prüfung in Wasserstoff für 168 Stunden bei +23 °C und 70 MPa). quillt dreimal so stark, EBT25 achtmal so stark und ZLT sogar zehnmal so stark. Der Grund dafür liegt in der Herstellungsmethode der Proben. Bei der Herstellung als O-Ring erfährt das Material im Formwerkzeug eine größere Scherbeanspruchung und das Polymernetzwerk ist dichter als bei einer Prüfplatte. Daher kann Wasserstoff leichter in einen Prüf körper eindringen, der aus einer Testplatte ausgestanzt wurde. Das heißt: Werkstoffe, die auf Basis von S2-Standardprüfkörpern zertifiziert wurden, quellen bei der endgültigen Dichtung wahrscheinlich weniger. Dies sollte bei der Konstruktion und den Zertifizierungsverfahren berücksichtigt werden. Einfluss der Temperatur und Druckverformungsrest bei Elastomeren Wasserstoffdichtungen müssen Temperaturen von typischerweise -40 °C bis +85 °C abdecken. Die Volumentests bei Raumtemperatur und an den Temperaturgrenzen (Abb. 2) zeigen, dass E8T31 eine stärkere Quellung bei erhöhter Temperatur aufweist, bleibt aber insgesamt in einem kleinen Prozentbereich. Die Abweichung der Zugfestigkeit und der Dehnung ergibt, dass die Dehnung bei +85 °C tendenziell zunimmt und bei -40 °C abnimmt. Die Werkstoffe V9T82, E7T30, E8T24 und EBT25 zeigen fast keine Änderung der Bruchdehnung bei HOCHDRUCK-KOLBENPUMPEN FÜR DIE CHEMISCHE UND PETROCHEMISCHE INDUSTRIE - Ammoniakpumpen - CO 2-Pumpen - Einspritzpumpen für Lagerstättenwasser - Methanolpumpen - Waschwasserpumpen Druck: 50 – 4000 bar Fördermenge: 0,1 – 200 m³/h HAMPRO® HOCHDRUCKPUMPEN PROZESSTECHNIK Hammelmann GmbH +49 (0) 25 22 / 76 - 0 Carl-Zeiss-Straße 6-8 pp@hammelmann.de D-59302 Oelde www.hammelmann-process.com
