I think you can use this substitution but it will slightly change the meaning. You can also sometimes substitute "всё ещё":
Я всё надеялся = Я всё ещё надеялся.
"Я всё время надеялся" has different meaning. "Я всё ещё надеялся" means "I was still hoping" that is I was hoping even though there was no real chance already (chance has gone). "Я всё время надеялся" simply means that "I was hoping all the time" (the chance still existed, it has not gone yet). For example "Я каждый вечер встречал любимую актрису у выхода из театра и все время надеялся, что она на меня посмотрит". versus "Я каждый вечер встречал её у выхода, и всё ещё надеялся, что она обратит на меня внимание, не смотря на то, что она просила меня за ней не ходить".