Pengujian Kriogenik
Pengujian kriogenik (suhu dingin ekstrem di bawah <120 K) sangat penting dalam sektor teknologi hidrogen yang sedang berkembang. Tujuan: mengidentifikasi karakteristik material dan mendapatkan wawasan tentang perilaku material pada suhu yang sangat rendah di mana material tersebut digunakan. Saat mengangkut dan menyimpan hidrogen cair, suhu pengoperasian adalah 20 K.
Selain sifat statis murni di bawah beban tarik, kompresi, atau geser pada suhu rendah, perilaku kelelahan atau perilaku mekanis fraktur juga menarik, karena hidrogen yang bersentuhan dengan oksigen bersifat eksplosif bahkan dalam jumlah kecil dan kegagalan material dapat menyebabkan konsekuensi yang fatal.
Untuk metode pengujian termasuk pengujian tarik kriogenik, pengujian kelelahan, atau pengujian benturan, ZwickRoell menyediakan opsi berikut:
Pendinginan dengan ruang suhu Pendinginan dengan cryostat perendaman Pendinginan dengan cryostat aliran kontinu Uji dampak kriogenik Penguji kriogenik terkait
Tujuan uji kriogenik
Untuk penyimpanan hidrogen cair khususnya, aspek-aspek berikut memainkan peran utama dari perspektif pengujian material:
- Investigasi perilaku material mekanis statis, dinamis, dan fraktur dalam rentang kriogenik dan penentuan nilai karakteristik yang diperlukan untuk desain dan verifikasi struktur material yang sesuai. Karena dalam jumlah tertentu hidrogen bersifat eksplosif ketika bersentuhan dengan oksigen dan kegagalan material dapat berakibat fatal, perilaku kelelahan atau perilaku mekanis perpatahan khususnya sangat menarik.
- Untuk infrastruktur H2, material komposit—tidak seperti logam—seringkali tidak bersentuhan langsung dengan media hidrogen. Untuk alasan ini, saat menguji komposit media pendingin helium, yang jauh lebih rumit untuk ditangani, juga dapat digunakan untuk mencapai suhu uji 20 K.
- Dalam kasus material komposit, koefisien ekspansi termal yang sangat berbeda dari serat dan matriks dalam plastik yang diperkuat serat menyebabkan tegangan beku pada material selama proses pembuatan. Variasi suhu yang jauh lebih besar dalam aplikasi teknologi hidrogen menghasilkan tekanan termo-mekanis yang kuat. Penting untuk memiliki pemahaman yang tepat tentang perilaku ini pada suhu nyata, karena fluktuasi tekanan dan suhu yang kuat (misalnya selama pengisian bahan bakar) dapat menyebabkan retakan mikro pada material komposit, yang dapat berdampak negatif pada sifat mekanik dan permeabilitasnya.
Untuk melakukan pengujian dalam kisaran kriogenik, temperature chambers, continuous flow cryostats, atau immersion cryostats perendaman digunakan, tergantung pada suhu operasi dan aplikasi. Berdasarkan jenis atau versi peralatan pengujian kriogenik ini, Anda dapat mencapai suhu pengujian dalam kisaran kriogenik antara 20 K dan 130 K.
Karena biaya helium secara signifikan lebih tinggi daripada biaya nitrogen, Anda harus mempertimbangkan biaya dan manfaatnya untuk menentukan kisaran suhu dan media pendingin mana yang harus dipilih. Suhu sebenarnya ditentukan oleh aplikasi.
Standar untuk metode uji kriogenik
Standar pengujian kriogenik pada komposit
- ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Uji tarik
- ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Uji kompresi
- ISO 14129, ASTM D3518: In-Plane Shear (IPS)
- ISO 14230, ASTM D2344: Interlaminar shear strength , ILSS
- ISO 14125, ASTM D7264: Uji lentur
- EN 1465, ASTM D3164: Penentuan kekuatan tarik putaran-geser rakitan berikat
- ASTM D7905: Mode Ketangguhan Fraktur Interlaminar II
- ISO 13003, ASTM D3479: Perilaku kelelahan di bawah beban siklik tarik
- ISO 13003 Annex A: Flexure fatigue test
Standar pengujian kriogenik pada logam
- ISO 6892-3: pengujian tarik kriogenik
- ASTM E1450: Metode uji standar untuk uji tegangan paduan struktural dalam helium cair
Pengujian kriogenik dalam penyimpanan hidrogen
Ada tiga opsi untuk penyimpanan hidrogen yang sangat efektif, yang menghasilkan persyaratan untuk jenis bejana atau tangki yang berbeda, yang menentukan pemilihan parameter uji.
- Dalam keadaan cair hingga 4 bar, dalam kisaran pencairan hidrogen pada suhu 20 K
- Dalam kisaran tekanan 250 ...700 bar pada ambient temperature
- Dalam kisaran tekanan 500 ...1000 bar antara 33 dan 73 K
Liquid hydrogen, khususnya, menghadirkan alternatif untuk mengangkut hidrogen dalam jumlah besar. Selain logam, komposit sering digunakan dalam aplikasi hidrogen cair. Jika dibandingkan dengan logam, ini menawarkan keunggulan yang signifikan: ringan. Aspek ini memainkan peran yang sangat penting dalam aplikasi kedirgantaraan atau otomotif, untuk mengembangkan tangki hidrogen yang sangat ringan. Hal ini membuat aplikasi hidrogen cair pada suhu kriogenik menjadi perhatian khusus di sektor kedirgantaraan, misalnya, karena kerapatan penyimpanan yang lebih efisien. Di sektor otomotif, di sisi lain, industri juga semakin mengandalkan wadah untuk menyimpan gas hidrogen pada tekanan tinggi.
Pengujian untuk penentuan nilai karakteristik untuk desain dan pengujian struktur komposit/logam pada fasilitas pencairan atau tangki hidrogen cair dalam kondisi kriogenik sangat penting dalam memenuhi persyaratan keselamatan semaksimal mungkin, dan untuk memahami tekanan termomekanis yang dihasilkan dari suhu. perubahan dalam aplikasi hidrogen cair. Ini terjadi, misalnya, selama pengisian bahan bakar, karena perbedaan koefisien ekspansi termal serat dan matriks dalam bahan komposit.
Pendinginan dengan ruang suhu
Ruang suhu ideal untuk pengujian pada suhu tinggi dan suhu rendah hingga kira-kira. -170 °C. Di sini, suhu rendah bergantung pada volume yang didinginkan di dalam bejana dan volume batang uji yang memanjang ke dalam bejana suhu. Dalam versi dengan ruang suhu, batang diperpanjang ke dalam ruang dari atas dan bawah.
Pendinginan dengan cryostat perendaman nitrogen
Dengan cryostat perendaman nitrogen, spesimen material direndam dalam bak nitrogen. Kisaran suhu uji cryostat perendaman dikurangi menjadi suhu nitrogen cair. Spesimen, bersama dengan pegangan spesimen, dipandu ke dalam cryostat perendaman dari atas menggunakan kuk mandiri. Segera setelah uji kriogenik selesai, nitrogen biasanya dikosongkan atau menguap ke atmosfer.
Pendinginan dengan nitrogen dan helium dalam cryostat aliran kontinu
Kriostat aliran kontinyu nitrogen dan helium dioperasikan dalam kisaran suhu sekitar hingga suhu rendah sekitar 20 K, tergantung pada media pendingin. Di sini, sangat penting untuk menjaga volume dan tubuh yang meluas ke cryostat seminimal mungkin. Aturan praktisnya adalah: semakin sedikit volume (logam) yang menonjol keluar dari cryostat aliran kontinu, semakin rendah suhu yang dapat dicapai.
Berdasarkan faktor biaya, cryostat aliran kontinu didinginkan terlebih dahulu menggunakan nitrogen. Setelah suhu nitrogen serendah mungkin tercapai, nitrogen didinginkan dengan helium dari bejana Dewar hingga suhu akhir sekitar 10 K hingga 20 K (-253 °C) tercapai. Media ambien di sekitar spesimen selalu helium. Untuk menghemat biaya, dimungkinkan untuk menangkap dan memulihkan gas dan mengompresnya atau mencairkannya kembali.
Versi khusus cryostat aliran kontinu ZwickRoell juga dapat dioperasikan dengan hidrogen. Dalam hal ini, hidrogen adalah media ambien di sekitar spesimen. Asalkan tindakan pencegahan keselamatan yang tepat dilakukan saat menangani hidrogen, cryostat aliran kontinu ZwickRoell hanya memerlukan beberapa modifikasi teknis.
Cryostat imersi murni untuk pengoperasian dengan helium cair bukan bagian dari portofolio produk ZwickRoell.
Penguji impact pendulum kriogenik dengan pendingin helium
Jika hidrogen bersentuhan dengan oksigen, dalam jumlah tertentu bisa meledak. Kegagalan material komponen pembawa hidrogen akan berakibat fatal. Oleh karena itu, sifat kekuatan suatu material, selain sifat mekanik dan perilaku mekanik kelelahan dan fraktur, sangat menarik dalam penelitian material.
Penguji impact pendulum kriogenik digunakan untuk penentuan sifat kekuatan dalam kondisi kriogenik. Dengan bantuan alat pendingin khusus, spesimen Charpy didinginkan hingga mencapai suhu 20 K. Uji impak Charpy tradisional kemudian dilakukan pada spesimen logam yang sangat dingin menurut DIN EN ISO 148-1.
Penguji impact pendulum yang diinstrumentasi mengukur gaya selama tumbukan, memberikan data tentang tegangan dan regangan, dan memberikan informasi tentang parameter ketangguhan mekanika fraktur. Oleh karena itu, instrumentasi memungkinkan kita untuk menentukan mode kegagalan bukan hanya energi kegagalan.
Gunakan dalam mesin pengujian statis dan dinamis
ZwickRoell menawarkan tiga perangkat pengkondisian Penguji kriogenik untuk mesin pengujian statis dan mesin pengujian dinamis. Prinsip berikut berlaku: Semakin rendah suhunya, semakin kompleks upaya mekanisnya.
Untuk menjaga agar biaya pendingin dapat dikelola dan menjaga gradien suhu di seluruh aliran masuk logam serendah mungkin, kami merekomendasikan untuk memastikan massa yang akan didinginkan, seperti pegangan spesimen dan aliran masuk, memiliki volume material serendah mungkin. Selain itu, beban uji maksimum harus serendah mungkin. Hal ini karena, bertentangan dengan pengujian pada suhu sekitar, dimensi yang dipilih dengan murah hati tidak hanya menghasilkan biaya tinggi, tetapi juga memengaruhi suhu kriogenik maksimum yang dapat dicapai, kemampuan kontrol suhu, dan pada akhirnya keandalan dan reproduktifitas hasil pengujian.
Aturan "hanya sebanyak yang diperlukan" sangat penting dalam kasus ini, dan harus dipertimbangkan dimulai dengan fase perencanaan proyek sistem. Sistem pengujian kriogenik dalam portofolio produk ZwickRoell memiliki beban maksimum 100 kN.
Saat merancang sistem pengujian kriogenik, hal-hal berikut harus mendapat pertimbangan khusus:
- Pemilihan bahan pegangan spesimen yang benar.
- Volume serendah mungkin di area bersuhu rendah sehingga diperlukan jumlah cairan pendingin sekecil mungkin.
- Pertahankan kehilangan suhu yang disebabkan oleh batang yang dimasukkan ke dalam tangki pendingin serendah mungkin.
- Cegah penumpukan es dengan selongsong pemanas khusus.
- Lindungi mesin uji dari penumpukan kondensasi.
- Pastikan keselarasan dan kemampuan keselarasan string beban.
- Pastikan kemampuan kalibrasi sistem.
- Pilihan extensometer yang tepat.
- Mengkompensasi force shunt dengan menggunakan segel.
- Kompensasi untuk ekspansi termal.
FAQ
Cryogenics adalah teknologi yang digunakan untuk menghasilkan suhu ultra-rendah. Suhu 120 K (-153 °C) atau lebih rendah dianggap berada dalam kisaran kriogenik.
Pengujian material dalam kondisi cryogenic memberikan karakteristik material pada suhu yang sangat rendah. Teknologi ini digunakan di berbagai industri untuk menyelidiki perilaku material di bawah suhu pengoperasian yang sebenarnya. Kriogenik digunakan dalam pengujian material komposit, logam, ruang angkasa, otomotif, dan aplikasi penyimpanan energi (hidrogen).
Temperatur kriogenik adalah 120 K (153 °C) ke bawah. Suhu ini biasanya dinyatakan dalam Kelvin.
Pendinginan kriogenik digunakan untuk menghasilkan suhu yang sangat rendah. Hal ini paling sering dicapai dengan menggunakan gas cair seperti nitrogen atau helium.