石化企业中,制氢转化炉是制氢装置的核心设备,处于高温、高压、临氢环境,服役条件十分恶劣。高温炉管是制氢转化炉的核心零部件,其在服役过程中经常会发生开裂失效,这不仅给企业带来巨大的经济损失,甚至造成严重的安全事故。因此,对炉管材料的失效问题进行探究与讨论,保证其安全运行变得尤为必要。本文主要针对材质为HP40Nb,高温高压下服役一段时间发生失效的制氢转化炉管与未服役的炉管作为研究对象,基于断裂力学基本理论,采用材料试验研究与无损检测相结合的分析方法以及有限元分析方法,对该组炉管断裂力学性能以及损伤机理进行研究,从而探讨工程实践中高温炉管发生断裂失效的根本原因。主要的工作内容包括下述几点:(1)对高温炉管进行了超声检测实验,发现炉管服役后发生了严重的蠕变损伤,损伤程度的评级结果为B级,同时发现,炉管蠕变损伤程度具有一定的分散性。(2)对服役与未服役的炉管材料进行了金相分析,发现高温炉管服役后,其微观组织发生了变化,基体中析出的二次碳化物粗化,且在靠近晶界处数量增加。(3)通过对服役与未服役炉管材料进行断裂韧性试验,得出炉管材料在服役之后,断裂韧性明显降低。(4)通过对服役与未服役炉管材料进行疲劳裂纹扩展速率试验,得出炉管服役后,材料抵抗裂纹扩展的能力降低,疲劳裂纹的扩展寿命也严重减小。(5)以炉管材料的微观组织特征为基础,针对晶粒、晶界上弹性模量不同的情况进行有限元建模,并讨论了受载情况下材料的应力应变情况。分析表明,由于材料内部的变形不协调,在晶粒的某些部位会产生应力集中,而且应力集中情况会随弹性模量、晶粒大小以及晶界宽度的变化而变化。(6)由本文提出的有限元分析方法,针对循环载荷、温度载荷,讨论了材料的应力应变变化趋势,进而对炉管服役过程中炉管材料的损伤机理进行了研究。