制氢转化炉是大型制氢装置中完成烃类蒸汽转化反应的核心设备。炉管是氢气产生的关键部件,炉管管外受辐射室内部高温烟气的影响,管内天然气和水蒸汽在催化剂床层的作用下发生强吸热反应。往往由于温度场分布不均匀,会导致炉管局部温度过高,出现热膨胀现象,严重影响到制氢转化炉装置的正常运转,降低了其使用寿命。一旦炉管发生破裂,会造成人员伤亡、经济损失等严重后果。本文首先以制氢转化炉辐射室内流体为研究对象,在不考虑炉管的情况下,运用计算流体动力学(CFD)的基本原理,建立了辐射室流体流动与传热计算的数值模型和计算方法,对辐射室内流体进行流场和温度场分析,得到辐射室内流场和温度场分布不均匀,受最高温度烟气影响的炉管在距炉顶高度0～4m处温度波动较大,4～12m处温度趋于稳定达1070℃。然后,将其温度载荷作为炉管流体域的壁面边界条件,并考虑到管内流体转化反应的影响及炉管材料随温度变化的非线性特性,以多孔介质模型表征炉管内部的催化剂层,建立炉管的热流固耦合模型和计算方法。运用多场耦合理论对热态操作条件下压力、温度和温度压力共同作用三种载荷工况的炉管进行了多场耦合力学分析,得到温度载荷引起的应力远大于压力载荷,距炉顶高度1.89～2.71m处的转化管中段外壁上,炉管最易破坏。最后研究了热态操作条件下,炉管内流体的不同工艺参数对炉管多场耦合力学特性的影响规律。结果表明:相对于入口流速因素,入口温度因素对炉管多场耦合力学特性的影响程度更强。本文研究成果为制氢转化炉的合理设计和安全评定提供了理论依据。