在全球能源短缺和环境污染的背景下，加强低碳能源和可再生能源的开发与利用，以及推动能源结构的转型和升级，是实现可持续发展的关键措施[[1], [2], [3], [4]]。作为一种绿色清洁的可再生能源，氢能具有来源广泛、清洁环保、单位质量热值高等特点，在促进能源安全、节能减排方面具有重要潜力[5,6]。近年来，氢能受到了能源领域更多研究人员的关注，氢能产业的发展带来了重要机遇[7,8]。
氢能产业链主要分为生产、运输和应用三个环节[9]。其中，作为上游氢生产和下游氢使用之间的中间桥梁，氢气的运输是一个限制氢能大规模应用的关键技术问题[[10], [11], [12]]。在现有的氢气运输方法中，管道运输是实现氢气大规模高效利用的有效方式[13]。氢气管道运输包括纯氢运输和混合氢运输两种方式[14]。目前纯氢管道运输仍处于起步阶段，存在基础设施建设不足和投资成本高等实际问题[15]。为了实现氢能在短时间内的大规模应用，研究人员开始探索将一定比例的氢气添加到在役的天然气管道中，以通过该系统方便氢气的运输[16]。这样可以快速实现大规模和低成本的运输[17,18]。然而，由于氢气和甲烷在物理和化学性质上的显著差异，它们在运输过程中仍存在许多安全问题[19,20]。由于氢气的分子量小，在密封过程中容易通过密封间隙泄漏[21]。鉴于氢气的爆炸极限范围较广，一旦泄漏并与空气混合，存在很高的爆炸风险[22], [23], [24]]，因此研究氮氢环境中密封件的密封性能对于安全运输具有重要意义。
金属密封圈是一种常见的密封结构。与橡胶密封圈相比，它具有热稳定性好、强度高和耐腐蚀性强的优点，广泛应用于中高压天然气管道和压力容器中[[25], [26], [27]]。在使用过程中，通过螺栓预紧力的作用，金属密封圈会发生较大的弹塑性变形，在密封表面产生足够的接触压力，有效防止密封介质泄漏[28]。相关研究人员对金属密封圈的密封性能进行了广泛研究。Pérez-Ràfoles等人[29]研究了螺旋槽的波纹度和表面粗糙度对金属密封性能的影响，并利用理论方法建立了泄漏率的计算模型。Haruyama等人[30]通过数值模拟和实验方法研究了粗糙度对金属密封性能的影响，发现表面粗糙度的变化在较低预紧力条件下显著影响密封性能。Yun等人[31]基于赫兹理论建立了透镜型密封件的接触力学模型，并分析了关键结构参数对其密封性能的影响。Liu等人[32]利用数值模拟方法分析了金属密封件失效的原因，提出了失效的判断标准，并根据数值模拟结果优化了密封圈结构。研究结果表明，新的结构设计显著提高了密封性能。Hu等人[33]基于弹塑性力学和赫兹接触理论建立了球锥和锥锥接触压力分布模型，设计了一种内球外锥结构的金属密封件，并优化了密封结构中的关键参数。结果表明，新的金属密封结构能够在高温条件下实现长期有效密封。Feng等人[34]通过实验方法获得了在超高压条件下金属密封件达到有效密封条件所需的最小接触压力与介质压力之间的关系，并利用数值模拟分析了金属密封圈的结构参数对其密封性能的影响。
总之，目前关于金属密封件密封性能的研究主要集中在密封机制和密封结构的优化上。对于金属密封圈在不同气体介质中的密封性能研究相对较少，特别是缺乏对氢气和甲烷环境中金属密封圈密封性能的定量分析。一些学者利用理论方法建立了金属密封圈泄漏率的计算模型，但这些模型的结果存在局限性，不能适应所有密封介质[35,36]。此外，很少有学者通过实验方法定量分析了金属密封件中氢气和甲烷泄漏率与其密封条件之间的关系。因此，本研究构建了一个用于评估气密性的实验平台，定量分析了不同密封条件下氢气和甲烷的泄漏率，并通过数值模拟分析了金属密封圈密封表面的接触压力分布规律。最终，基于气密性实验和数值模拟的结果，获得了气体泄漏率与特定压力之间的关系。本研究可以为金属密封圈在氢气和甲烷环境中的应用提供参考值。
