高温高压蒸汽管线广泛应用于炼油、化工、热电行业的加热炉、裂解炉等设备上,其安全运行是整个装置可持续运行的重要保证。管线里的蒸汽介质如果经常发生温度波动,就会在管体上产生交变热应力,容易导致管线热疲劳开裂和爆管失效,造成重大的人员伤亡和经济损失。为了研究蒸汽管线发生热疲劳失效的机理,减少因热疲劳而造成的损失,针对一例典型的裂解炉高温高压蒸汽管线开裂失效事故开展深入研究。通过对裂解炉高温高压蒸汽管线的各项检测和失效分析,判断出管线的失效形式为疲劳开裂。材质因素和蒸汽介质不是造成管线开裂的原因,管线内壁加工沟痕是促使裂纹萌生的条件之一。管线的断口微观分析发现疲劳开裂的微观证据——疲劳辉纹,裂纹的起始位置位于管线内壁的加工沟痕处。断口表面化学成分中不含有腐蚀性介质,排除了腐蚀疲劳的可能性。通过微裂纹的断口形貌和裂纹尖端扩展形态分析,结果符合疲劳裂纹特征。结合现场服役工况条件,初步推断出蒸汽管线的开裂性质属于热疲劳,热应力来源于管线前端减温器里混合不均匀的水滴飞溅。通过对水滴飞溅到管线内壁产生的交变热应力进行仿真模拟,表明100℃水滴飞溅到500℃管线内壁,由于热胀冷缩不匹配而在内壁局部区域会产生足够大的热应力。综合失效分析和仿真模拟结果,确定裂解炉高温高压蒸汽管线开裂的失效性质为热疲劳,其前端减温器里水、汽混合不均匀而导致水滴进入蒸汽管线是造成管线热疲劳失效的主要原因。进一步对蒸汽管线的热疲劳寿命分析表明,管线的疲劳全寿命约为2×104次,属于低周疲劳。根据低周疲劳的热应力水平,并考虑到管线内压产生的应力值,推测出管线中存在的水滴质量多数为0.002g左右。本文的研究结果,尤其是水滴飞溅到管线内壁产生的温度场变化和交变热应力状态模拟部分,不仅为高温高压蒸汽管线的设计布局和减温器的结构改造提供重要的技术参考,而且对热疲劳失效分析领域的研究具有一定的理论指导意义。