氢渗透环境下橡胶O型圈密封性能的多尺度实验与模拟研究

针对氢能管道系统中橡胶O型圈在氢渗透条件下的密封失效问题，研究人员通过宏微观实验与模拟相结合，揭示了预紧力、尺寸、氢压及掺氢比对泄漏率的影响规律，建立了多变量泄漏率理论公式，为氢能管道安全运输提供了关键理论支撑。

　　

随着氢能作为清洁能源的快速发展，利用现有天然气管道掺氢输送成为大规模输氢的重要方案。然而，高压氢环境会导致橡胶密封材料发生快速气体减压（RGD）损伤和老化，其中O型圈作为管道系统的关键密封元件，其失效可能引发严重安全隐患。尽管国内外已开展大量研究，但中低压城市燃气管网环境下氢渗透对O型圈密封性能的影响机制仍不明确，特别是掺氢比与密封参数的关联规律亟待探索。

中国石油大学（华东）的研究团队通过实验与模拟相结合的多尺度研究方法，系统探究了橡胶O型圈在氢环境下的密封性能演变规律。研究团队搭建了密封测试平台，采用控制变量法测试不同预紧扭矩（5个梯度）、O型圈尺寸（线径5.3 mm、内径30-140 mm）、氢压（最高4.4 MPa）及掺氢比条件下的泄漏率变化；同时通过有限元软件建立密封组合模型，分析氢渗透条件下接触应力、Mises应力的微观力学行为。研究论文发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上。

关键技术方法包括：1）构建密封性能测试平台，定义小时压力变化率为泄漏率指标；2）采用70 HA硬度的丁腈橡胶（NBR）作为实验材料；3）通过Mooney-Rivlin模型建立超弹性材料的应变能密度函数W=f(I₁,I₂,I₃)；4）建立多因素耦合的泄漏率拟合方程A=0.324P^-。

主要研究结果

1. 预紧扭矩影响：在4.4 MPa纯氢环境下，泄漏率随预紧扭矩增大呈先降后升趋势，存在最优预紧值。

2. 尺寸效应：O型圈内径与泄漏率呈线性正相关，而线径恒定时光密封性能随内径增大而减弱。

3. 氢压作用：接触应力随氢压线性增加，代入泄漏率公式显示指数级下降，但高压会同时增大Mises应力导致密封失效加速。

4. 掺氢比关联：掺氢比与泄漏率负相关，虽能提升接触应力但降Mises应力效果有限。

结论与意义

研究首次建立了含内径d、预紧扭矩Φ、氢压P、掺氢比c的多变量泄漏率理论模型（式32），提出法兰密封选型与工艺参数优化建议。微观层面证实氢压提升会引发O型圈挤出槽外体积膨胀，宏观实验发现掺氢20%可使泄漏率降低38%。该成果为纯氢/掺氢天然气管道的安全运输提供了设计依据，尤其对中低压管网氢能输送的密封标准制定具有指导价值。研究得到国家重点研发计划（2021YFB4001601）支持，团队后续将开展橡胶材料氢老化寿命预测研究。