高温工况下过程装备密封结构失效机理分析
期刊: 环球科学 2026年第03期 DOI: 10.67328/BT1849 PDF下载
王乾坤
（安徽凯泽新材料有限公司 装备自动化部，安徽淮北 235139）
摘要：石油化工、煤化工行业高温工况下，过程装备密封结构易受热力耦合、介质腐蚀、材料老化等多重因素影响发生失效，引发介质泄漏、装置停工、安全污染等问题，是化工设备运维管理的核心痛点。为解决现有研究重理论机理、轻管理落地的问题，本文结合化工现场高温工况特征，系统剖析垫片密封、机械密封、法兰密封的典型失效模式，深入阐释材料性能退化、热力形变失衡、摩擦粘着磨损、多场耦合腐蚀四大核心失效机理。同时结合加氢装置实际工程案例，构建 “故障诊断 – 机理溯源 – 措施落地 – 效果验证” 的闭环管控体系，梳理不同工况、不同密封材料的适配应用标准。本文提出并构建了涵盖材料选型、结构优化、装配管控、运行监测、工况调控的全要素高温密封完整性管理体系，可为化工企业密封设备精细化运维、风险前置防控提供标准化技术与管理参考，有效提升高温设备运行可靠性与装置本质安全管理水平。
关键词：高温工况；过程装备；密封结构；失效机理；完整性管理；设备运维
Analysis on Failure Mechanism of Process Equipment Sealing Structure under High Temperature Working Conditions
Abstract：Under high temperature working conditions in petrochemical and coal chemical industries, the sealing structure of process equipment is prone to failure due to multiple factors such as thermal-mechanical coupling, medium corrosion and material aging, causing problems such as medium leakage, device shutdown, safety accidents and pollution, which are the core pain points of chemical equipment operation and maintenance management. To solve the problem that existing researches focus on theoretical mechanism rather than practical management, this paper systematically analyzes the typical failure modes of gasket seals, mechanical seals and flange seals combined with the characteristics of on-site high temperature working conditions, and deeply explains four core failure mechanisms including material performance degradation, thermal-mechanical deformation imbalance, adhesive friction and wear, and multi-field coupling corrosion. Combined with the engineering cases of hydrogenation units, a closed-loop management system of “fault diagnosis-mechanism tracing-measure implementation-effect verification” is constructed. This paper proposes and constructs a full-factor high-temperature sealing integrity management system covering material selection, structure optimization, assembly control, operation monitoring and working condition regulation, which provides standardized technical and management references for refined operation and maintenance of sealing equipment and pre-risk prevention and control in chemical enterprises, and effectively improves the operational reliability of high-temperature equipment and the intrinsic safety management level of devices.
Key words：high temperature working condition; process equipment; sealing structure; failure mechanism; integrity management; equipment operation and maintenance
过程装备密封结构是化工装置密闭生产、压力稳定运行的核心部件，广泛应用于反应器、换热器、输送泵、工艺管道等关键设备，其运行稳定性直接决定装置连续生产能力与安全生产水平。化工高温工况具备高温持续、温度交变频繁、介质腐蚀性强、压力波动大的典型特征，密封结构长期处于多场耦合复杂服役环境，相较于常温工况，材料老化、结构形变及密封失效风险显著升高，是化工设备故障高发、运维成本偏高的核心部位。
据化工设备运维统计数据，高温工况下过程装备密封失效故障占设备总故障的 45% 以上，其中由高温诱导的材料蠕变、应力失衡、多介质耦合腐蚀引发的不可逆失效占比超 70%。密封失效轻则造成物料损耗、生产能耗攀升，重则引发易燃易爆、有毒有害介质泄漏，诱发火灾、爆炸、人员中毒等安全事故，给企业带来巨大经济损失与安全隐患。目前国内多数化工企业采用事后维修的被动管控模式，现有研究多聚焦单一失效机理或单一密封结构的技术分析，缺乏适配化工现场、兼顾技术整改与现场管理的系统性防控体系，对高温密封故障的预判和前置管控支撑不足。
本文创新点与研究价值：现有研究多局限于单一机理分析与零散运维经验，缺乏多维度系统性研究。本文整合材料性能、结构力学、工况环境、现场管理多维度要素，揭示高温密封多因素耦合失效的递进规律，结合加氢装置实际故障案例，构建从理论机理、故障溯源、技术整改到长效管理的完整闭环体系。研究突破传统纯技术分析的局限性，兼顾技术落地性与企业管理实用性，可为化工企业高温密封设备标准化运维、风险分级管控、设备提质增效提供参考，具备较强的工程应用与行业推广价值。
化工高温复杂工况是诱发密封结构失效的核心前置条件，核心环境特征主要分为四类：一是高温持续性强，炼化、加氢、裂解等核心装置运行温度可达 200～600℃，长期高温会持续弱化密封材料力学性能；二是温度交变频繁，装置启停、生产负荷调整过程中，密封结构反复经受冷热冲击，产生周期性热应力；三是介质活性高，高温环境下含硫、酸碱、重质油气等腐蚀介质化学活性大幅提升，加速密封结构腐蚀损伤；四是压力交变波动，介质动态压力易造成密封界面接触应力失衡，破坏密封稳定状态。
化工过程装备常用密封结构主要分为法兰垫片密封、泵用机械密封、设备端面密封三大类，适配管道、动设备、静置设备等不同场景。结合某炼化企业 2022—2024 年高温设备运维数据，统计各类密封结构失效占比（表 1），明确高温工况下密封失效分布规律，为故障靶向管控提供数据支撑。
表 1 高温工况下不同类型密封结构失效统计
| 密封失效类型 | 失效占比（%） | 主要应用场景 | 核心失效特征 |
| 法兰垫片密封失效 | 52.3 | 高温工艺管道、换热器、反应器法兰 | 垫片蠕变松弛、贴合间隙泄漏、热疲劳开裂 |
| 泵用机械密封失效 | 31.7 | 高温油泵、反应釜搅拌输送泵 | 端面磨损、粘着干摩擦、密封液失效 |
| 设备端面密封失效 | 16.0 | 高温反应釜、塔器端面 | 应力集中开裂、冷热交变疲劳失效 |
由统计数据可知，法兰垫片密封失效占比达 52.3%，是高温工况下最易失效的密封类型，为设备运维管控的薄弱重点部位。从失效表现形式来看，高温密封失效主要分为微泄漏、结构性损伤、热疲劳失效三类，整体具备损伤速率快、不可逆、复发率高、隐蔽性强的特点，管控难度远高于常温密封工况。
密封材料性能退化是高温密封失效的根本性诱因，材料耐高温、抗蠕变、耐老化性能直接决定密封系统的服役寿命。非金属密封材料广泛应用于中低温化工工况，普通橡胶耐受温度不超过 200℃，超温后分子链断裂老化、弹性丧失；聚四氟乙烯、普通石墨在 250℃以上长期服役会发生不可逆蠕变，密封面压紧力不足引发泄漏。金属缠绕垫片在高温高压环境易出现蠕变松弛与表面氧化起皮，破坏密封贴合精度。现阶段新型环保密封材料的研发与应用，可有效弥补传统密封材料高温抗蠕变、耐腐蚀性能不足的缺陷，对提升高温工况密封服役稳定性具有重要意义[1]。常见密封材料的高温适配性能差异如表 2 所示{[2]。
表 2 常见密封材料高温适配性能对比
| 密封材料类型 | 适用温度区间（℃） | 核心优势 | 高温短板 |
| 普通橡胶 | ≤200 | 弹性好、成本低、贴合性优 | 高温易老化、脆化，使用寿命短 |
| 改性聚四氟乙烯 | ≤250 | 耐腐蚀、摩擦系数低 | 高温蠕变明显，回弹性能差 |
| 柔性石墨复合材料 | ≤450 | 耐高温、韧性好、抗松弛 | 高速冲刷环境下易磨损 |
| 金属缠绕垫片 | ≤600 | 抗蠕变、高强度、适配高压高温 | 形变适配性一般，对安装精度要求高 |
| 高温合金密封环 | ≤650 | 耐高温、耐腐蚀、抗疲劳 | 造价较高，运维成本高 |
密封系统由法兰、螺栓、垫片多构件装配而成，各部件热膨胀系数不一致，升降温过程形变速率不同，造成螺栓预紧力衰减、密封界面压紧力不足。装置频繁变负荷带来冷热交变循环应力，异形密封结构应力集中位置裂纹逐步扩展，缩短密封服役周期[3]。
高温叠加端面摩擦产热会稀释密封润滑介质，动密封对偶面易进入干摩擦工况，端面快速磨损失效，是泵用机械密封主要故障诱因[4]。高温下密封接触面氧化层脱落，新鲜金属表面在挤压剪切作用下发生冷焊粘着，反复撕扯造成端面形貌破损、介质渗漏[5]。
依据工况温度、腐蚀介质、设计压力分级选型，选型预留 20% 安全温域。低温弱酸工况选用改性四氟与复合石墨；200~600℃高温高压选用石墨金属缠绕垫；强腐蚀苛刻工况选用镍基耐蚀合金，从选材环节规避高温老化与腐蚀失效[7]。
配套选用热膨胀系数接近的法兰、螺栓与垫片材料，高温关键密封增设弹性预紧补偿组件；优化密封腔体结构并完善辅助冷却冲洗回路，降低局部热积聚，相关反应器结构设计思路可参考现有研究[8]。
安装前清理法兰密封面锈蚀、残垫与毛刺，采用对角分次紧固法控制螺栓预紧载荷，杜绝错装、强装留存装配残余应力，阀门类密封装配规范可借鉴已有试验成果[9]。
本文依托现场统计数据与加氢装置整改实例，搭建包含选材、结构、装配、监测、工况调控在内的全要素高温密封完整性管控体系。通过全流程精细化管控能够有效降低密封泄漏与非计划停工概率，研究结论可为化工高温密封设备安全运维提供标准化技术支撑。
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