Криогенные методы испытаний
Криогенные методы испытаний (низкие температуры: ниже <120 K) особенно необходимы в быстро растущем секторе водородных технологий. Цель: определение характеристик материала и получение знаний о поведении материала при самых низких температурах - температурах его применения. При транспортировке и хранении жидкого водорода температура его применения составляет 20 K.
При этом помимо чисто статических характеристик при нагружении на растяжение, сжатие или сдвиг в условиях низких температур большой интерес вызывают усталостные свойства (механика разрушения), т.к. водород в контакте с кислородом даже в малых количествах взрывоопасен и разрушение материала может иметь фатальные последствия.
Для криогенных испытаний (например, на растяжение, усталость или удар) фирма ZwickRoell предлагает следующие возможности:
Охлаждение с помощью термокамер Охлаждение с помощью погружных криостатов Охлаждение с помощью проточных криостатов Криогенное ударное испытание Подходящие криогенные испытательные машины
Цель криогенного испытания
С точки зрения испытаний материалов особенно важную роль для хранения жидкого водорода играют следующие аспекты:
- исследование статических, динамических и усталостных свойств материалов в криогенной зоне и определение необходимых характеристик для дизайна и поверочного расчета соответствующих структур материала. Так как водород в контакте с кислородом в определенных количествах взрывоопасен и разрушение материала может привести к фатальным последствиям, особый интерес вызывают усталостные свойства (механика разрушения).
- При инфраструктуре H2 композитный материал - в отличие от металлов - зачастую не находится в прямом контакте с водородной средой. По этой причине при испытаниях композитов для достижения температуры испытания в 20 K можно также использовать охлаждающую среду гелий, с которой гораздо проще обращаться.
- В случае композитных материалов очень разные коэффициенты теплового расширения волокна и матрицы в усиленных волокнами пластмассах вызывают замороженные напряжения в материале в процессе производства. Из-за гораздо больших перепадов температур в водородных технологиях возникают сильные термомеханические нагрузки. Такое поведение необходимо точно понимать при реальных температурах, так как сильные колебания давления и температуры (например, при заправке топливом) могут вызывать микротрещины в композитном материале, что отрицательно сказывается на механических свойствах и проницаемости.
Для испытаний в криогенной зоне применяются, в зависимости от температуры использования и типа испытания, термокамеры, проточные криостаты и погружные криостаты. С помощью этого оборудования для низких температур можно, в зависимости от исполнения, достичь температуры испытания в криогенной зоне от 20 К до 130 К.
Поскольку затраты на гелий значительно выше, чем на азот, всегда необходимо взвешивать расходы и выгоды от того, какой температурный диапазон и какую охлаждающую среду следует выбрать. Сами температуры испытания определяются типом испытания.
Стандарты для криогенных испытаний
Стандарты для криогенных испытаний композитов
- ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Испытания на растяжение
- ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Испытания на сжатие
- ISO 14129, ASTM D3518: Сдвиг вдоль слоев, IPS
- ISO 14230, ASTM D2344: Interlaminaren Scherfestigkeit, ILSS
- ISO 14125, ASTM D7264: Испытания на изгиб
- EN 1465, ASTM D3164: Определение прочности при растяжении склеенных изделий со сдвигом
- ASTM D7905: Межслойная вязкость разрушения, режим II
- ISO 13003, ASTM D3479: Испытание на усталость при растяжении
- ISO 13003, прил. A: Усталостное испытание на изгиб
Стандарты для криогенных испытаний металлов
- ISO 6892-3: Испытание на растяжение при низких температурах
- ASTM E1450: Метод испытания конструкционной стали на наличие напряжения в среде жидкого гелия
Криогенное испытание в области хранения водорода
Существует три варианта особенно эффективного хранения водорода, из которых следуют требования для различных типов резервуаров, имеющие решающее значение для выбираемых параметров испытания.
- В жидком состоянии до 4 бар в зоне сжижения водорода при температуре 20 K
- В диапазоне давления 250 …700 бар при комнатной температуре
- В диапазоне давления 500 … 1000 бар при температуре от 33 до 73 K
Жидкий водород, в частности, представляет собой альтернативу, чтобы перевозить водород в больших количествах. Помимо металла для хранения жидкого водорода часто используют композиты. По сравнению с металлами они обладают значительным преимуществом: малым весом. Этот аспект играет существенную роль для разработки очень легких водородных баков для авиации и космонавтики, а также автомобильной промышленности. Так, например, в сфере авиации и космонавтики интерес вызывают испытания жидкого азота при криогенных температурах - из-за более эффективной плотности хранения. В автомобильной промышленности, напротив, делают усиленную ставку на баки для хранения газообразного водорода при высоких давлениях.
Поэтому необходимы испытания для определения характеризующих значений для разработки и анализа композитно-металлических структур на установках для сжижения / резервуарах для жидкого водорода в криогенных условиях, чтобы наилучшим образом соответствовать требованиям к безопасности и понимать термомеханическое нагружение, возникающее вследствие изменений температуры при использовании жидкого водорода. Это происходит - например, при заправке топливом - по причине разных коэффициентов теплового расширения волокон и матрицы в композитах.
Охлаждение с помощью термокамеры
Для проведения испытаний с повышенными температурами, а также низкими температурами до -170 °C подходят термокамеры. При этом низкая температура зависит от охлажденного объема в камере, а также от объема тяг, входящих в термокамеру. В исполнении с термокамерой тяги вводятся в нее сверху и снизу.
Охлаждение с помощью азотного погружного криостата
При использовании азотных погружных криостатов образец погружают в ванну с азотом. Температурный диапазон погружных криостатов снижен до температуры жидкого азота. Образцы посредством закрытого хомута вместе с захватами вводятся сверху в погружной криостат. По завершении криогенного испытания азот, как правило, сливается или испаряется в атмосферу.
Охлаждение азотом и гелием в проточном криостате
Азотные и гелиевые проточные криостаты эксплуатируют, в зависимости от охлаждающей среды, при температуре от комнатной до низкой (ок. 20 K). Крайне важно уменьшить объемы и количество предметов, входящих в криостат, до необходимого. Формула гласит: чем меньше объем (металла), выступающий из проточного криостата, тем более низких температур получается достичь.
По экономическим соображениям проточные криостаты предварительно охлаждают азотом. При достижении наименьшей возможной температуры азота охлаждение продолжается гелием из сосуда Дьюара, пока не установится конечная температура от 10 K до 20 K (-253 °C). Окружающая среда вокруг образца - всегда гелий. Из-за стоимости газ можно улавливать и либо сжимать, либо повторно сжижать.
В качестве специального варианта можно использовать проточные криостаты фирмы ZwickRoell даже с водородом. При этом водород является окружающей средой вокруг образца. При соблюдении соответствующих мер предосторожности, работая с водородом, для работы проточного криостата фирмы ZwickRoell требуется лишь несколько технических настроек.
Чисто погружные криостаты для эксплуатации с жидким гелием не входят в производственную палитру фирмы ZwickRoell.
Маятниковый крио-копер с охлаждением гелием
При контакте с кислородом водород в определенных количествах взрывоопасен. Повреждение контактирующего с водородом материала чревато фатальными последствиями. Поэтому свойства вязкости материала - помимо механических и усталостных свойств (механика разрушения) - представляют большой интерес для исследований материалов.
Маятниковый крио-копер применяется для определения свойств вязкости в криогенных условиях. С помощью специальной охлаждающей установки образец по Шарпи доводится до температуры 20 K. Затем проводится классическое испытание сильно охлажденного металлического образца с надрезом на ударный изгиб по Шарпи согласно стандарту DIN EN ISO 148-1.
Инструментированный маятниковый копер измеряет усилие во время удара, выдает данные напряжения и деформации, а также заключение о вязкостных характеристиках (механика разрушения). Таким образом, инструментирование позволяет определять не только энергию, но и тип разрушения.
Применение в статических и динамических испытательных машинах
Фирма ZwickRoell предлагает три упомянутые криогенные установки как для статических, так и для динамических испытательных машин. При этом действует принцип: чем ниже температура, тем комплекснее механические усилия.
Чтобы затраты на охлаждающую жидкость оставались приемлемыми и для получения как можно меньшего температурного градиента из-за металлических вводов рекомендуется обратить внимание на то, что охлаждаемые массы – например, захваты и вводы – обладали минимальным возможным объемом. Кроме того, максимальное усилие испытания должно как можно более низким. В отличие от испытаний при комнатной температуре, большие размеры не только приводят к высоким затратам, но и влияют на максимально достижимую низкую температуру, возможность регулирования температуры и, в конечном итоге, на получение надежных воспроизводимых результатов испытаний.
Правило: „Столько, сколько необходимо“ в данном случае особенно важно, и на этапе проектирования установки этому необходимо уделять особое внимание. Низкотемпературные испытательные системы в производственной палитре фирме ZwickRoell обладают максимальной нагрузкой 100 кН.
При разработке низкотемпературной испытательной системы необходимо уделять особое внимание следующим пунктам:
- Правильный выбор материала для захватов
- Минимальный возможный объем в зоне низких температур, чтобы использовать минимум охлаждающей жидкости.
- Удержание на минимальном уровне температурных потерь из-за введенных в холодильный резервуар тяг.
- Предотвращение обледенения, благодаря специальным нагревательным манжетам.
- Защита испытательной машины от конденсата.
- Обеспечение возможности корректного выравнивания линии нагружения.
- Обеспечение возможности калибровки системы.
- Правильный выбор экстензометров.
- Компенсация силовых ответвлений посредством уплотнений.
- Компенсация теплового расширения.
FAQ
Криотехника - это техника для генерации низких температур. Криогенная зона начинается с температур в 120 K (-153 °C) и ниже.
Испытание в криогенном окружении позволяет выявлять характеристики материалов при низких температурах. Эта техника используется в различных отраслях промышленности, чтобы исследовать поведение материалов при реальных температурах применения. В сфере испытаний материалов криотехника применяется, прежде всего, в следующих областях: композиты, металлы, аэрокосмическая и автомобильная промышленность, а также энергоаккумуляторы (водород).
Криогенные температуры начинаются со 120 K (-153 °C) и ниже. Эти низкие температуры указывают, как правило в кельвинах.
Криогенное охлаждение применяется для генерации низких температур. Для этого используют, в основном, сжиженные газы (азот или гелий).