制氢转化炉是石化行业中制氢装置的关键设备之一,而炉管又是制氢转化炉的核心零部件。炉管的服役条件非常恶劣,经常面临高温蠕变、高温氧化、高温腐蚀等多重损伤,一旦发生事故,将会造成巨大的经济损失,并引起不良的社会影响。因此对炉管进行损伤及失效研究,对保证制氢转化炉乃至整个制氢装置长周期安全运行具有重要意义。近来研究表明:高温蠕变是造成炉管材料损伤的主要原因,而高温又是导致蠕变的直接原因。为了得到高温条件对炉管材料性能(特别是断裂韧性)的影响,本文开展了相关研究。首先利用实验室的电阻炉对炉管材料在不同温度下进行了时效处理。然后对十组经过不同高温时效处理过的炉管材料进行常温拉伸力学试验、平面应变断裂韧度试验,并对断裂韧性试样断口进行了宏观分析。最后运用断裂力学理论和有限元法探讨了高温时效处理引起炉管材料韧性劣化的原因。得到的主要研究成果如下:(1)通过对十组炉管试样进行常温拉伸试验,发现经过高温时效处理之后炉管材料的屈服强度和抗拉强度有所提高,但是表征材料塑性参数的延伸率和截面收缩率都出现了下降。(2)通过对十组炉管试样进行平面应变断裂韧度试验,发现经过高温时效处理后炉管材料的断裂韧性出现了劣化的现象。同时还发现时效时间对炉管材料的断裂韧性影响不大,而随着时效温度的提高,炉管材料的断裂韧性出现先下降再小幅度回升的现象。(3)根据材料损伤理论,如果材料的微观组织发生损伤,那么在裂纹尖端与位错区之间的无位错区很容易形成微裂纹,裂纹的扩展实质上就是新老裂纹合并的结果。运用断裂力学理论和有限元法建立裂纹前缘有微裂纹、无微裂纹以及不同裂纹长度的三点弯曲试样断裂力学有限元模型,计算裂纹前缘最大应力和最大应力强度因子,结果发现:裂纹前缘有微裂纹时,裂纹前缘最大应力和最大应力强度因子都要比裂纹前缘无微裂纹时要大的多;随着裂纹长度的增加,裂纹前缘最大应力和最大应力强度因子也会变大。所以材料要是在高温时效处理时微观组织发生损伤,那么其抵抗裂纹扩展的能力就会变差,即断裂韧性会发生劣化。