金屬材料在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下發生的斷裂破壞，稱為應力腐蝕破裂。發生應力腐(fu)蝕破(po)裂的時間有長有短，有經過幾天就開裂的，也有經過數年才開裂的，這說明應力腐蝕破裂通常有一個或長或短的孕育期。

  應力腐蝕裂紋(wen)呈枯樹枝狀，大(da)體上沿(yan)著垂直(zhi)于拉應力的(de)方向發展。裂紋(wen)的(de)微觀(guan)形態有穿晶(jing)型(xing)、晶(jing)間型(xing)（沿(yan)晶(jing)型(xing)）和兩者兼有的(de)混合(he)型(xing)。

  應力的來(lai)源，對于管道(dao)來(lai)說，焊接、冷加工及安裝時殘余應力是主要(yao)的。

  并不是任(ren)何的(de)(de)金(jin)屬(shu)與(yu)介(jie)質的(de)(de)共同(tong)作用都引起應力腐蝕(shi)破裂。其(qi)中金(jin)屬(shu)材(cai)料只有在某些(xie)特定(ding)的(de)(de)腐蝕(shi)環(huan)境中，才發生應力腐蝕(shi)破裂。表3-4列出了容易引起應力腐蝕(shi)開(kai)裂的(de)(de)管道金(jin)屬(shu)材(cai)料和腐蝕(shi)環(huan)境的(de)(de)組合。

1. 堿脆 

  金屬在堿液中(zhong)的應(ying)力腐蝕破裂稱(cheng)堿脆。碳(tan)鋼、低合(he)金鋼、不銹(xiu)鋼等多種金屬材料皆可發生(sheng)堿脆。碳(tan)鋼（含低合(he)金鋼）發生(sheng)堿脆的趨勢(shi)如圖3-6所示。

  由圖3-6可知(zhi)，氫氧(yang)化鈉(na)(na)濃(nong)(nong)(nong)度(du)在5％以(yi)上(shang)的(de)(de)全部濃(nong)(nong)(nong)度(du)范(fan)圍內碳鋼幾乎都(dou)可能產生堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)，堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)的(de)(de)最(zui)低溫(wen)度(du)為50℃，所需(xu)堿(jian)(jian)(jian)液的(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)度(du)為40％～50％，以(yi)沸點附(fu)近的(de)(de)高溫(wen)區(qu)最(zui)易發生。裂(lie)紋(wen)呈晶間(jian)型。奧(ao)(ao)氏體(ti)不(bu)銹鋼發生堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)的(de)(de)趨勢如圖3-7所示(shi)。氫氧(yang)化鈉(na)(na)濃(nong)(nong)(nong)度(du)在0.1％以(yi)上(shang)的(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)度(du)時18-8型奧(ao)(ao)氏體(ti)不(bu)銹鋼即可發生堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)。以(yi)氫氧(yang)化鈉(na)(na)濃(nong)(nong)(nong)度(du)40％最(zui)危險，這時發生堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)的(de)(de)溫(wen)度(du)為115℃左右(you)。超(chao)低碳不(bu)銹鋼的(de)(de)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)裂(lie)紋(wen)為穿晶型，含碳量高時，堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)裂(lie)紋(wen)則(ze)為晶間(jian)型或混(hun)合型。當奧(ao)(ao)氏體(ti)不(bu)銹鋼中加入2％鉬時，則(ze)可使其堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)界限縮小，并向堿(jian)(jian)(jian)的(de)(de)高濃(nong)(nong)(nong)度(du)區(qu)域移動。鎳(nie)和鎳(nie)基合金具(ju)有較(jiao)高的(de)(de)耐應力腐蝕的(de)(de)性能，它的(de)(de)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)范(fan)圍變(bian)得(de)狹窄，而(er)且位于高溫(wen)濃(nong)(nong)(nong)堿(jian)(jian)(jian)區(qu)。

2. 不銹(xiu)鋼的氯離子(zi)應力腐蝕(shi)破裂 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹鋼的應力腐蝕破裂。發生應力腐蝕破裂的臨界氯離子濃度隨溫度的上升而減小，高溫下，氯離子濃度只要達到10-6，即能引起破裂。發生氯離子應力腐蝕破裂的臨界溫度為70℃。具有氯離子濃縮的條件（反復蒸干、潤濕）是最易發生破裂的。工業中發生不銹鋼氯離子應力腐蝕破裂的情況相當普遍。

  不(bu)銹鋼氯離子(zi)應力腐蝕(shi)破裂不(bu)僅(jin)僅(jin)發生(sheng)(sheng)在管道的內(nei)壁，發生(sheng)(sheng)在管道外壁的事(shi)例也(ye)屢見不(bu)鮮，如圖3-8所(suo)示。

  作為管外(wai)側的(de)腐蝕(shi)因(yin)素，被(bei)(bei)認(ren)為是(shi)保(bao)溫材(cai)料(liao)的(de)問(wen)題，對保(bao)溫材(cai)料(liao)進行分析(xi)的(de)結果，被(bei)(bei)檢(jian)驗出(chu)含(han)有約0.5％的(de)氯(lv)離子。這(zhe)個數值可認(ren)為是(shi)保(bao)溫材(cai)料(liao)中含(han)有的(de)雜(za)質，或(huo)由(you)于保(bao)溫層破(po)損、浸入的(de)雨水中帶入并經過(guo)濃縮的(de)結果。

3. 不銹鋼連多硫酸(suan)應力腐蝕破裂(lie) 

  以加氫脫硫裝置最為典(dian)型，不銹(xiu)鋼(gang)連多硫酸(suan)的應(ying)力腐蝕破裂頗(po)為引人關注。

  管道在(zai)(zai)正常(chang)運行(xing)時，受硫(liu)化氫腐(fu)蝕，生成的(de)硫(liu)化鐵(tie)，在(zai)(zai)停車檢修時，與空氣中的(de)氧及水反應生成了連多硫(liu)酸。在(zai)(zai)Cr-Ni奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼管道的(de)殘余(yu)應力(li)較大的(de)部位（焊縫(feng)熱影響區、彎管部位等）產生應力(li)腐(fu)蝕裂紋。

4. 硫化物腐蝕破(po)裂

  ①. 金屬在同時含有硫(liu)化氫(qing)及(ji)水的(de)介質中(zhong)發(fa)生的(de)應力腐(fu)蝕破裂(lie)(lie)即為硫(liu)化物腐(fu)蝕破裂(lie)(lie)，簡稱硫(liu)裂(lie)(lie)。在天然(ran)氣、石(shi)油采集，加工煉制，石(shi)油化學及(ji)化肥(fei)等工業(ye)部門(men)常常發(fa)生管(guan)道、閥門(men)硫(liu)裂(lie)(lie)事故。發(fa)生硫(liu)裂(lie)(lie)所(suo)需的(de)時間(jian)短則(ze)幾天，長則(ze)幾個月(yue)到幾年(nian)不(bu)等，但是未(wei)見(jian)超過十年(nian)發(fa)生硫(liu)裂(lie)(lie)的(de)事例。

  ②. 硫裂的裂紋較粗，分支較少，多為穿晶型，也有晶間型或混合型。發生硫裂所需的硫化氫濃度很低，只要略超過10^-6，甚至在小于10^-6的濃度下也會發生。

  碳鋼和低合金鋼在20～40℃溫度范圍內對硫裂的敏感性最大，奧氏體不銹鋼的硫裂大多發生在高溫環境中。隨著溫度升高，奧氏體不銹鋼的硫裂敏感性增加。在含硫化氫及水的介質中，如果同時含醋酸，或者二氧化碳和氯化鈉，或磷化氫，或砷、硒、銻、碲的化合物或氯離子，則對鋼的硫裂起促進作用。對于奧氏體不銹鋼(gang)的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L不銹鋼(gang)和316L不銹鋼(gang)對硫裂的敏感性有如下的關系：H₂S+H₂O<H₂S+H₂O+Cl^-<H₂S+H₂O+Cl^-+O₂（硫裂的敏感性由弱到強）。

  對于碳(tan)鋼(gang)和低(di)合金(jin)鋼(gang)來(lai)說，淬火(huo)(huo)(huo)(huo)十回火(huo)(huo)(huo)(huo)的金(jin)相組(zu)織(zhi)(zhi)抗硫(liu)裂最好，未回火(huo)(huo)(huo)(huo)馬(ma)氏(shi)體組(zu)織(zhi)(zhi)最差。鋼(gang)抗硫(liu)裂性能依淬火(huo)(huo)(huo)(huo)+回火(huo)(huo)(huo)(huo)組(zu)織(zhi)(zhi)→正火(huo)(huo)(huo)(huo)十回火(huo)(huo)(huo)(huo)組(zu)織(zhi)(zhi)→正火(huo)(huo)(huo)(huo)組(zu)織(zhi)(zhi)→未回火(huo)(huo)(huo)(huo)馬(ma)氏(shi)體組(zu)織(zhi)(zhi)的順序遞(di)降(jiang)。

  鋼的(de)(de)(de)(de)強度越(yue)(yue)高(gao)，越(yue)(yue)易(yi)發生硫裂(lie)(lie)(lie)(lie)。鋼的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度越(yue)(yue)高(gao)，越(yue)(yue)易(yi)發生硫裂(lie)(lie)(lie)(lie)。在發生硫裂(lie)(lie)(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)事故中，焊(han)縫(feng)(feng)特別(bie)是(shi)熔(rong)合(he)線是(shi)最易(yi)發生破(po)裂(lie)(lie)(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)部位，這是(shi)因(yin)(yin)為(wei)這里的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度最高(gao)。NACE對碳鋼焊(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度進(jin)行了嚴格的(de)(de)(de)(de)規定：≤200HB。這是(shi)因(yin)(yin)為(wei)焊(han)縫(feng)(feng)硬(ying)度的(de)(de)(de)(de)分布比母(mu)材復雜，所以對焊(han)縫(feng)(feng)硬(ying)度的(de)(de)(de)(de)規定比母(mu)材嚴格。焊(han)縫(feng)(feng)部位常發生破(po)裂(lie)(lie)(lie)(lie)，一(yi)方面是(shi)由于焊(han)接殘余(yu)應力的(de)(de)(de)(de)作用，另一(yi)方面是(shi)焊(han)縫(feng)(feng)金屬、熔(rong)合(he)線及熱影響(xiang)區出現淬硬(ying)組(zu)織的(de)(de)(de)(de)結果(guo)。為(wei)防止硫裂(lie)(lie)(lie)(lie)，焊(han)后進(jin)行有效的(de)(de)(de)(de)熱處理(li)十分必要(yao)。

5. 氫損傷 

  氫(qing)(qing)滲(shen)透進(jin)入金屬內部而(er)造成金屬性能劣化稱為(wei)氫(qing)(qing)損(sun)傷，也稱氫(qing)(qing)破壞(huai)。氫(qing)(qing)損(sun)傷可分為(wei)四種不同(tong)類(lei)型：氫(qing)(qing)鼓(gu)泡(pao)、氫(qing)(qing)脆、脫碳和氫(qing)(qing)腐蝕。

 ①. 氫鼓泡及氫誘(you)發階梯裂紋。

  主要發生在含(han)濕硫化氫的介質中。

  由上述過程可以看出，鋼在這種環境中，不僅會由于陽極反應而發生一般腐蝕，而且由于S^2-在金屬表面的吸附對氫原子復合氫分子有阻礙作用，從而促進氫原子向金屬內滲透。當氫原子向鋼中滲透擴散時，遇到了裂縫、分層、空隙、夾渣等缺陷，就聚集起來結合成氫分子造成體積膨脹，在鋼材內部產生極大壓力（可達數百兆帕）。如果這些缺陷在鋼材表面附近，則形成鼓泡，如圖3-9所示。如果這些缺陷在鋼的內部深處，則形成誘發裂紋。它是沿軋制方向上產生的相互平行的裂紋，被短的橫向裂紋連接起來形成“階梯”。氫誘發階梯裂紋輕者使鋼材脆化，重者會使有效壁厚減小到管道過載、泄漏甚至斷裂。

  氫鼓泡需要一個硫化氫臨界濃度值。有資料介紹，硫化氫分壓在138Pa時將產生氫鼓泡。如果在含濕硫化氫介質中同時存在磷化氫、砷、碲的化合物及CN^-時，則有利于氫向鋼中滲透，它們都是滲氫加速劑。

  氫鼓泡(pao)及(ji)氫誘(you)發階梯(ti)裂(lie)紋一般發生在鋼板卷制的(de)管道上。

 ②. 氫脆(cui)

  無論以什么方式進入鋼內的氫，都將引起鋼材脆化，即伸長率、斷面收縮率顯著下降，高強度鋼尤其嚴重。若將鋼材中的氫釋放出來（如加熱進行消氫處理），則鋼的力學性能仍可恢復。氫(qing)脆是可逆的。

  H₂S-H₂O介質常溫腐蝕碳鋼管道能滲氫，在高溫高壓臨氫環境下也能滲氫；在不加緩蝕劑或緩蝕劑不當的酸洗過程能滲氫，在雨天焊接或在陰極保護過度時也會滲氫。

 ③. 脫碳

  在工業制氫裝置中，高溫氫氣管道易產生碳損傷。鋼中的滲碳體在高溫下與氫氣作用生成甲烷：Fe₃C+2H₂→3Fe+CH₄↑

   反應結果(guo)導致表面層的(de)(de)(de)滲(shen)碳(tan)體(ti)減少，而(er)碳(tan)便(bian)從鄰近的(de)(de)(de)尚未反應的(de)(de)(de)金屬層逐(zhu)漸擴散到此反應區，于(yu)是有一定厚度的(de)(de)(de)金屬層因缺碳(tan)而(er)變為鐵素體(ti)。脫碳(tan)的(de)(de)(de)結果(guo)造成鋼(gang)的(de)(de)(de)表面強度和疲勞極限的(de)(de)(de)降(jiang)低。

 ④. 氫(qing)腐蝕

  鋼(gang)受到(dao)高溫高壓氫作用(yong)后(hou)，其力學性能劣化，強度、韌性明顯降(jiang)低，并且是不可逆的，這種現象稱為氫腐蝕。

 氫(qing)腐蝕的歷程(cheng)可用圖3-10來解釋。

  氫腐蝕(shi)的過程大致(zhi)可分(fen)為三個階段：孕育期，鋼的性(xing)能沒有(you)變化(hua)；性(xing)能迅速變化(hua)階段，迅速脫碳，裂(lie)紋快(kuai)速擴展(zhan)；最后階段，固溶體中(zhong)碳已(yi)耗盡。

  氫腐蝕的孕育(yu)期(qi)是重(zhong)要(yao)的，它往往決定(ding)了鋼的使用壽命。

  某氫壓力下產(chan)生氫腐蝕有一(yi)起始(shi)溫(wen)(wen)(wen)度(du)，它(ta)是衡量鋼(gang)材(cai)抗氫性能(neng)的指標。低于這(zhe)個溫(wen)(wen)(wen)度(du)氫腐蝕反應(ying)速度(du)極(ji)慢，以致孕育(yu)期超過正常使用壽命。碳(tan)鋼(gang)的這(zhe)一(yi)溫(wen)(wen)(wen)度(du)大約在220℃左右。

  氫分壓(ya)也有(you)一個起(qi)始點(dian)（碳鋼(gang)大約在(zai)1.4MPa左右），即無(wu)論溫度多(duo)高，低于此分壓(ya)，只發(fa)生表面脫碳而不發(fa)生嚴重的氫腐(fu)蝕。

  各種抗氫鋼發生腐(fu)蝕的(de)溫度和壓力(li)組合條件(jian)，就是著名的(de)Nelson曲(qu)線（在(zai)很多管(guan)道(dao)器材選用(yong)標準規范內均有此(ci)曲(qu)線圖(tu)，如(ru)SH/T 3059《石油(you)化工管(guan)道(dao)設計器材選用(yong)規范》）。

  冷(leng)加工變形，提高了碳、氫的擴散能力，對腐蝕起加速作用。

  某(mou)氮肥廠(chang)，氨(an)合(he)成(cheng)(cheng)塔出口(kou)至廢熱鍋爐的(de)高壓(ya)管道，工(gong)(gong)作溫度320℃左右、工(gong)(gong)作壓(ya)力(li)33MPa，工(gong)(gong)作介質為H2、N2、NH3混合(he)氣，應按Nelson曲線選用(yong)抗氫鋼。其中(zhong)有一異徑短(duan)管，由于錯用(yong)了普通碳鋼，使用(yong)不久便因氫腐(fu)蝕而破裂(lie)，造成(cheng)(cheng)惡性事(shi)故，損失非常慘重。