温度波动导致交变的应力应变

    由于温度的变化引起不锈钢法兰自由膨胀或收缩受到约束，结果在不锈钢法兰内部变形受阻而产生热应力，当温度反复变化时这种热应力及热应变也反复变化，因而使材料受到损伤。结构中产生热应力或热应变的原因是多种多样的，但大体上可分为如下几种:(i)结构中某元件内的温度梯度，(ii)结构中各元件间的温差，(iii)热膨胀系数不同的法兰的组合等等。属于第(i)种情况的，有焊接材料;传热的结构元件。属于第((ii)中情况的，有各种管道中的热膨胀接头等。属于第((iii)种情况的，铁素体钢和奥氏体钢的焊接构件等是最典型的例子。

    热疲劳既然起源于不锈钢法兰内部为抵消物体热膨胀和收缩之差而产生的循环热应变，所以，材料的韧性(延性)与热应力强度性质密切相关。不锈钢法兰处的结构示意图见图3.2.在闸阀出口不锈钢法兰高颈处的壁厚(18mm)比管道的壁厚(8mm)大，在连接处存在结构不连续导致的二次应力。在温度反复上升和下降过程中，管道沿径向发生膨胀和收缩，由于连接处壁厚不同，两处的变形量不同，变形上受到约束而产生周向和轴向热应力，当温度变化时这种周向应力也反复变化，出现拉应力和压应力交替变化而造成材料疲劳损伤。这种热应力是多方向的，既有周向的也有轴向的，因此热疲劳裂纹往往是多方向开裂，从而形成龟裂的裂纹。

    热应力主要在连接处最大，因而在靠近连接处产生。与不锈钢法兰连接的8mm厚的管道处由于外保温作用而沿壁厚的温度波动小，出现这种交变的热应力较小，因而裂纹主要在连接处的不锈钢法兰高颈处产生。

    温度变化主要来源于工作中烟气温度的波动及热冲击，环境(大气)温度的季节变化，气候的影响(如冬天、风及雨)，日夜温差的交变等也是重要的温差交变因素。另外不锈钢法兰部位的外保温一般都不太严格，容易受环境的影响.

    其次，服役工况存在低周波的温度交变应力对高温疲劳强度的影响很大。例如平顶波形(即含有保持时间的应力循环)会导致材料疲劳强度的降低。在奥氏体钢的高温低周疲劳试验中可以看到穿晶裂纹变成晶间开裂，这会引起断裂。

    (2)材料析出相脆化及析出氧化物的影响

    根据金相分析，不锈钢法兰管道材料析出大量的a相与碳化物。析出相及周围区域贫Cr会严重降低材料的疲劳强度。另外停车时凝液形成的腐蚀介质对贫Cr区和析出物的腐蚀也使材料脆化，对材料的抗疲劳强度产生了不利影响，结果造成材料脆性开裂，明显加速了裂纹的扩展。随着裂纹的扩展，由于循环应变频率极低，裂纹断口表面不断被氧化，氧化物夹杂在断口两表面之间象楔子一样，对裂纹的扩展起到了促进作用。