高压氢气环境下橡胶O形圈静密封结构有限元分析

王 璐，徐 鹏，陶家辉

(1.合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031；2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽 合肥 230031)

引言

高压气态储氢具有设备结构简单、充放速度快、成本低、能耗少等诸多优点，是现阶段应用最成熟的储氢方式[1-2]。随着对储氢密度的要求越来越高，高压气态储氢的氢气压力已经由35 MPa发展为70 MPa，未来可能向更高的压力发展[3]。由于氢气自身具有密度低、爆炸极限范围广、最小点火能较低等特性，使得高压氢系统极易发生氢气泄漏并引发着火和爆炸等事故[4]。因此，高压氢系统中的密封问题尤为关键。

橡胶O形圈作为使用最早、最普遍的密封元件，具有结构简单、安装紧凑、自紧密封等优点，广泛应用于各行业的动、静密封结构，也是高压氢系统中最常用的密封元件。针对橡胶O形圈的密封特性及密封结构优化设计，国内外学者已开展了大量研究工作，但大部分的研究都是针对介质压力低于70 MPa的工况[5-8]。在氢气压力高达70 MPa的高压氢系统中，橡胶O形圈的变形情况以及密封结构的参数对O形圈应力的影响将与低压工况下不同；加之高压氢气与O形圈接触后将会吸附、侵入、溶解和扩散，造成O形圈的体积发生明显增加，从而对密封特性产生影响。然而，由于目前高压氢气环境下O形圈的密封特性的研究国内鲜有报道[9-11]，因此对于高压氢系统中的O形圈密封设计，如碳纤维缠绕高压储氢气瓶瓶口密封结构，仍按照传统低压工况时的经验设计，导致高压储氢气瓶在进行型式试验时经常发生泄漏失效。……