Kryogenní testování

Zejména v případě skladování kapalného vodíku hrají z hlediska zkoušení materiálů významnou roli následující aspekty:

• Zkoumání statického, dynamického a lomově mechanického chování materiálu v kryogenním rozsahu a stanovení charakteristických hodnot potřebných pro navržení a ověření odpovídajících struktur materiálu. Vzhledem k tomu, že vodík je v určitém množství při styku s kyslíkem výbušný a porušení materiálu by mohlo mít fatální následky, zajímá nás zejména únavové chování nebo lomově mechanické chování.
• V případě infrastruktury H2 není kompozitní materiál – na rozdíl od kovů – často v přímém kontaktu s vodíkovým médiem. Z tohoto důvodu lze při zkoušení kompozitů použít k dosažení zkušební teploty 20 K jako chladicí médium helium, které je mnohem méně náročné na manipulaci.
• U kompozitních materiálů vedou velmi rozdílné koeficienty tepelné roztažnosti vláken a matrice u plastů vyztužených vlákny během výrobního procesu ke zbytkovým pnutím. Mnohem větší teplotní rozdíly v aplikacích vodíkové technologie vedou k velkému tepelně-mechanickému namáhání. Je důležité přesně znát toto chování při reálných teplotách, protože silné kolísání tlaku a teploty (např. při tankování) může způsobit v kompozitním materiálu mikrotrhliny, které pak mohou negativně ovlivnit jeho další chování.

K provádění zkoušek v kryogenním rozsahu se používají teplotní komory, kontinuální průtokové kryostaty nebo ponorné kryostaty v závislosti na provozní teplotě a aplikaci. Podle typu nebo provedení tohoto zařízení lze dosáhnout zkušebních teplot v kryogenním rozsahu od 20 K do 130 K.

Vzhledem k tomu, že cena hélia je výrazně vyšší než dusíku, je třeba zvážit náklady, přínosy a určit, který teplotní rozsah a které chladicí médium je vhodné zvolit. Konkrétní teploty jsou určeny podle příslušné aplikace.

Normy pro kryogenní zkušení kompozitů

• ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Zkoušky tahem
• ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Zkoušky tlakem
• ISO 14129, ASTM D3518: Smyk v rovině (IPS)
• ISO 14230, ASTM D2344: Pevnost ve smyku v interlamelárním směru, ILSS
• ISO 14125, ASTM D7264: Zkoušky ohybem
• EN 1465, ASTM D3164: Stanovení pevnosti ve smyku tahem přeplátovaných soustav
• ASTM D7905: Interlaminární lomová houževnatost Mód II
• ISO 13003, ASTM D3479: Únavové chování pod cyklickým zatěžováním
• ISO 13003 Příloha A: Únavová zkouška ohybem

Normy pro kryogenní zkušení kovových materiálů

• ISO 6892-3: Zkoušení tahem kovových materiálů, zkušební metoda za nízké teploty
• ASTM E1450: Standardní zkušební metoda pro zkoušky tahem konstrukčních slitin v kapalném heliu

Existují tři možnosti zvláště účinného skladování vodíku, z nichž vyplývají požadavky na různé typy nádob nebo nádrží, o kterých rozhodují vybrané zkušební parametry.

• V kapalném stavu do 4 barů, při teplotě zkapalňování vodíku 20 K
• Pro rozsah tlaku 250 ...700 barů při pokojové teplotě
• Pro rozsah tlaku 500 ...1 000 barů od 33 K do 73 K

Vodík v kapalném stavu představuje vhodný způsob pro jeho přepravu ve velkém množství. Kromě slitin kovů se v aplikacích s kapalným vodíkem často používají také kompozity. Ve srovnání s kovy mají kompozity významnou výhodu: nízkou hmotnost. Tento faktor hraje důležitou roli zejména v leteckém a automobilovém průmyslu, aby bylo možné vyvinout velmi lehké vodíkové nádrže. Aplikace s kapalným vodíkem při kryogenních teplotách jsou zajímavé například v leteckém a kosmickém průmyslu, a to z důvodu efektivnějšího skladování (nízká hustota vodíku). Naproti tomu v automobilovém průmyslu se stále častěji používají zásobníky pro skladování plynného vodíku za vysokých tlaků.

Zkoušky pro stanovení charakteristických hodnot pro navrhování a zkoušení kompozitních nebo kovových konstrukcí na zařízeních pro zkapalňování nebo nádržích na kapalný vodík v kryogenních podmínkách jsou proto nezbytné pro splnění bezpečnostních požadavků v nejvyšší možné míře i pro pochopení termomechanického namáhání, ke kterému dochází v důsledku teplotních změn při použití kapalného vodíku. To se děje například při doplňování paliva v důsledku rozdílných koeficientů tepelné roztažnosti vláken a matrice v kompozitních materiálech.

Společnost ZwickRoell nabízí tři zařízení k řízení teploty jak pro statické, tak i dynamické zkušební stroje. Uplatňují se přitom následující principy: Čím nižší je potřebná teplota, tím složitější je celkové mechanické vybavení.

Aby byly náklady na chladicí médium přijatelné a teplotní gradient v kovových přívodech co nejnižší, doporučujeme zajistit, aby chlazené hmoty, jako jsou přípravky a další nutné součásti, měly co nejmenší objem materiálu. Kromě toho by maximální zkušební zatížení mělo být co nejnižší. Je tomu tak proto, že na rozdíl od zkoušek při teplotě okolí mají velkoryse zvolené rozměry za následek nejen vysoké náklady, ale ovlivňují také maximální dosažitelnou kryogenní teplotu, možnost regulace teploty a v konečném důsledku i spolehlivost a reprodukovatelnost výsledků zkoušek.

V tomto případě má pravidlo „jen tolik, kolik je nezbytné“ zvláštní význam a je zapotřebí jej zohlednit již ve fázi plánování projektu systému. Kryogenní zkušební systémy výrobní řady ZwickRoell mají maximální zatížení 100 kN.

Při navrhování kryogenního zkušebního systému je třeba věnovat zvláštní pozornost následujícím bodům:

• Správný výběr materiálu pro zkušební přípravky.
• Co nejmenší objem pro oblast nízkých teplot, aby bylo zapotřebí co nejmenší množství chladicího média.
• Udržování co nejnižší teplotní ztráty způsobené spojovacími tyčemi vloženými do chladicího média.
• Zabránění tvorbě ledu pomocí speciálních ohřívacích rukávců.
• Ochrana zkušebního systému před vytvářením kondenzátu.
• Zajištění vystředění a možnost seřízení zátěžového řetězce.
• Zajištění způsobilosti kalibrace systému
• Správná volba snímače dráhy, průtahoměru.
• Kompenzace ovlivnění síly způsobené těsněním.
• Kompenzace teplotní roztažnosti.