橡胶O型圈在氢渗透环境下的密封性能多因素耦合研究及泄漏率理论模型构建

为解决氢能管道输送中橡胶O型圈密封失效问题，研究人员通过实验与仿真相结合的方法，系统研究了预紧扭矩、密封圈尺寸、氢压及掺氢比等多因素对NBR（丁腈橡胶）O型圈泄漏率的影响规律。研究发现预紧扭矩存在最优值，氢压升高可指数级降低泄漏率，而掺氢比与泄漏率呈负相关。研究建立了多变量泄漏率理论公式，为纯氢/掺氢天然气管道安全输送提供了重要理论支撑。

　　

在全球能源结构转型背景下，氢能作为零碳能源的"终极答案"备受瞩目。然而氢分子极小的尺寸特性使其极易穿透传统密封材料，导致管道输送系统"跑冒滴漏"现象频发。尤其当利用现有天然气管道进行氢掺输时，橡胶O型圈在氢渗透环境下的密封失效已成为制约氢能大规模应用的"卡脖子"难题。现有研究多聚焦高压储氢场景，而对中低压城市燃气管网掺氢输送的密封机制研究仍属空白。

中国石油大学（华东）的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的重要研究，通过独创的"宏观实验-微观仿真"双轮驱动策略，揭示了橡胶O型圈在氢环境下的失效机理。研究团队搭建了可模拟实际工况的密封测试平台，采用控制变量法系统测试了不同预紧扭矩（5-25 N·m）、O型圈尺寸（内径30-50 mm）、氢压（1.6-4.4 MPa）和掺氢比（10%-50%）条件下的泄漏率变化规律。同步运用Abaqus有限元软件构建超弹性材料模型，通过Mooney-Rivlin本构方程量化分析了接触应力、Mises应力等关键参数。

氢渗透机制
研究阐明氢分子在橡胶中的迁移遵循溶解-扩散-解吸三阶段模型。特别发现当掺氢比提升时，氢分子在NBR中的扩散系数D_H呈现非线性下降，这解释了掺氢比与泄漏率的负相关现象。

预紧扭矩影响
实验数据揭示存在"黄金扭矩"现象：当扭矩从5 N·m增至15 N·m时，泄漏率下降63.2%；但超过20 N·m后，过载反而导致泄漏率反弹上升41.5%。有限元分析显示这是由于过度压缩引发O型圈"挤出效应"，使其体积膨胀27%。

尺寸效应
在相同线径（5.3 mm）条件下，内径每增加10 mm，泄漏率线性增长18.7%。辅助密封圈（140 mm内径）的引入使测试系统泄漏检测灵敏度提升至0.001%/h。

氢压与掺氢比耦合
4.4 MPa氢压下泄漏率较1.6 MPa降低2个数量级，符合指数衰减规律Q=0.324P^-1.82。掺氢比从10%增至50%可使接触应力提升12.3%，但Mises应力降低8.7%，表明适度提高掺氢比有利于密封系统稳定性。

理论模型突破
研究团队创新性建立了包含四变量的泄漏率预测公式：
A=2.14×10^-3d^1.07Φ^-0.63e^-0.57P(1-0.18c)
该模型预测误差小于±5%，已被纳入行业标准草案。

这项研究不仅填补了中低压氢输送密封理论的空白，更指导工程实践提出了三项关键建议：优先选用70 HA硬度的NBR材料、将预紧扭矩控制在15-18 N·m区间、在掺氢比例超过30%时需配套使用抗挤出挡圈。这些成果为我国"西氢东送"重大工程提供了核心技术支撑，推动氢能基础设施商业化进程迈出关键一步。论文通讯作者Jianlu Zhu特别指出，该理论框架可扩展应用于CO₂封存、LNG输送等其它气体密封场景，具有广阔的工程应用前景。