在全球能源短缺和環(huán)境污染的背景下，加強(qiáng)低碳能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用，以及推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵措施[[1], [2], [3], [4]]。作為一種綠色清潔的可再生能源，氫能具有來(lái)源廣泛、清潔環(huán)保、單位質(zhì)量熱值高等特點(diǎn)，在促進(jìn)能源安全、節(jié)能減排方面具有重要潛力[5,6]。近年來(lái)，氫能受到了能源領(lǐng)域更多研究人員的關(guān)注，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了重要機(jī)遇[7,8]。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要分為生產(chǎn)、運(yùn)輸和應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)[9]。其中，作為上游氫生產(chǎn)和下游氫使用之間的中間橋梁，氫氣的運(yùn)輸是一個(gè)限制氫能大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[[10], [11], [12]]。在現(xiàn)有的氫氣運(yùn)輸方法中，管道運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模高效利用的有效方式[13]。氫氣管道運(yùn)輸包括純氫運(yùn)輸和混合氫運(yùn)輸兩種方式[14]。目前純氫管道運(yùn)輸仍處于起步階段，存在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足和投資成本高等實(shí)際問(wèn)題[15]。為了實(shí)現(xiàn)氫能在短時(shí)間內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用，研究人員開(kāi)始探索將一定比例的氫氣添加到在役的天然氣管道中，以通過(guò)該系統(tǒng)方便氫氣的運(yùn)輸[16]。這樣可以快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和低成本的運(yùn)輸[17,18]。然而，由于氫氣和甲烷在物理和化學(xué)性質(zhì)上的顯著差異，它們?cè)谶\(yùn)輸過(guò)程中仍存在許多安全問(wèn)題[19,20]。由于氫氣的分子量小，在密封過(guò)程中容易通過(guò)密封間隙泄漏[21]。鑒于氫氣的爆炸極限范圍較廣，一旦泄漏并與空氣混合，存在很高的爆炸風(fēng)險(xiǎn)[22], [23], [24]]，因此研究氮?dú)洵h(huán)境中密封件的密封性能對(duì)于安全運(yùn)輸具有重要意義。
金屬密封圈是一種常見(jiàn)的密封結(jié)構(gòu)。與橡膠密封圈相比，它具有熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高和耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中高壓天然氣管道和壓力容器中[[25], [26], [27]]。在使用過(guò)程中，通過(guò)螺栓預(yù)緊力的作用，金屬密封圈會(huì)發(fā)生較大的彈塑性變形，在密封表面產(chǎn)生足夠的接觸壓力，有效防止密封介質(zhì)泄漏[28]。相關(guān)研究人員對(duì)金屬密封圈的密封性能進(jìn)行了廣泛研究。Pérez-Ràfoles等人[29]研究了螺旋槽的波紋度和表面粗糙度對(duì)金屬密封性能的影響，并利用理論方法建立了泄漏率的計(jì)算模型。Haruyama等人[30]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了粗糙度對(duì)金屬密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度的變化在較低預(yù)緊力條件下顯著影響密封性能。Yun等人[31]基于赫茲理論建立了透鏡型密封件的接觸力學(xué)模型，并分析了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其密封性能的影響。Liu等人[32]利用數(shù)值模擬方法分析了金屬密封件失效的原因，提出了失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)化了密封圈結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著提高了密封性能。Hu等人[33]基于彈塑性力學(xué)和赫茲接觸理論建立了球錐和錐錐接觸壓力分布模型，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)球外錐結(jié)構(gòu)的金屬密封件，并優(yōu)化了密封結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)果表明，新的金屬密封結(jié)構(gòu)能夠在高溫條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期有效密封。Feng等人[34]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得了在超高壓條件下金屬密封件達(dá)到有效密封條件所需的最小接觸壓力與介質(zhì)壓力之間的關(guān)系，并利用數(shù)值模擬分析了金屬密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其密封性能的影響。
總之，目前關(guān)于金屬密封件密封性能的研究主要集中在密封機(jī)制和密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上。對(duì)于金屬密封圈在不同氣體介質(zhì)中的密封性能研究相對(duì)較少，特別是缺乏對(duì)氫氣和甲烷環(huán)境中金屬密封圈密封性能的定量分析。一些學(xué)者利用理論方法建立了金屬密封圈泄漏率的計(jì)算模型，但這些模型的結(jié)果存在局限性，不能適應(yīng)所有密封介質(zhì)[35,36]。此外，很少有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法定量分析了金屬密封件中氫氣和甲烷泄漏率與其密封條件之間的關(guān)系。因此，本研究構(gòu)建了一個(gè)用于評(píng)估氣密性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，定量分析了不同密封條件下氫氣和甲烷的泄漏率，并通過(guò)數(shù)值模擬分析了金屬密封圈密封表面的接觸壓力分布規(guī)律。最終，基于氣密性實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，獲得了氣體泄漏率與特定壓力之間的關(guān)系。本研究可以為金屬密封圈在氫氣和甲烷環(huán)境中的應(yīng)用提供參考值。
