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。發生應力腐蝕破裂的時間有長有短，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(li)腐蝕裂紋呈枯樹枝狀(zhuang)，大(da)體上沿著垂直(zhi)于(yu)拉(la)應力(li)的(de)方(fang)向發展(zhan)。裂紋的(de)微觀形態有(you)穿晶(jing)型(xing)(xing)、晶(jing)間型(xing)(xing)（沿晶(jing)型(xing)(xing)）和兩者兼有(you)的(de)混合型(xing)(xing)。

  應力的來源，對于管道來說，焊(han)接、冷加工及安裝時殘余應力是主要的。

  并不是任何的(de)(de)金屬(shu)與(yu)介質(zhi)的(de)(de)共同作用都(dou)引起應(ying)力(li)腐蝕(shi)破裂(lie)。其中金屬(shu)材料(liao)只有在某些特定的(de)(de)腐蝕(shi)環(huan)境中，才發生應(ying)力(li)腐蝕(shi)破裂(lie)。表3-4列(lie)出了容易引起應(ying)力(li)腐蝕(shi)開裂(lie)的(de)(de)管道(dao)金屬(shu)材料(liao)和腐蝕(shi)環(huan)境的(de)(de)組(zu)合。

1. 堿(jian)脆 

  金屬在堿液中(zhong)的(de)應力(li)腐蝕破裂稱堿脆。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多(duo)種金屬材(cai)料皆可(ke)發生堿脆。碳鋼（含(han)低合金鋼）發生堿脆的(de)趨勢如(ru)圖3-6所示(shi)。

  由圖3-6可(ke)知，氫(qing)氧(yang)化鈉濃(nong)度(du)(du)在5％以上的(de)(de)(de)(de)(de)全部濃(nong)度(du)(du)范(fan)圍內碳鋼(gang)幾(ji)乎都可(ke)能產(chan)生(sheng)(sheng)堿(jian)脆(cui)(cui)，堿(jian)脆(cui)(cui)的(de)(de)(de)(de)(de)最低溫度(du)(du)為50℃，所(suo)需堿(jian)液的(de)(de)(de)(de)(de)濃(nong)度(du)(du)為40％～50％，以沸點附近的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫區(qu)最易發生(sheng)(sheng)。裂(lie)紋(wen)(wen)呈晶間(jian)型(xing)。奧氏(shi)體不銹鋼(gang)發生(sheng)(sheng)堿(jian)脆(cui)(cui)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢如(ru)圖3-7所(suo)示。氫(qing)氧(yang)化鈉濃(nong)度(du)(du)在0.1％以上的(de)(de)(de)(de)(de)濃(nong)度(du)(du)時18-8型(xing)奧氏(shi)體不銹鋼(gang)即可(ke)發生(sheng)(sheng)堿(jian)脆(cui)(cui)。以氫(qing)氧(yang)化鈉濃(nong)度(du)(du)40％最危險，這時發生(sheng)(sheng)堿(jian)脆(cui)(cui)的(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)為115℃左(zuo)右(you)。超低碳不銹鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)堿(jian)脆(cui)(cui)裂(lie)紋(wen)(wen)為穿晶型(xing)，含(han)碳量高(gao)(gao)時，堿(jian)脆(cui)(cui)裂(lie)紋(wen)(wen)則(ze)為晶間(jian)型(xing)或混合型(xing)。當奧氏(shi)體不銹鋼(gang)中(zhong)加(jia)入(ru)2％鉬時，則(ze)可(ke)使其堿(jian)脆(cui)(cui)界限縮小，并向(xiang)堿(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)濃(nong)度(du)(du)區(qu)域移動。鎳和鎳基合金具(ju)有較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)耐應力腐蝕的(de)(de)(de)(de)(de)性能，它的(de)(de)(de)(de)(de)堿(jian)脆(cui)(cui)范(fan)圍變得(de)狹窄，而且(qie)位于高(gao)(gao)溫濃(nong)堿(jian)區(qu)。

2. 不銹(xiu)鋼的氯離子應力腐蝕破裂(lie) 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕(shi)，更能引起不銹鋼(gang)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(li)子應力(li)腐(fu)蝕破裂不(bu)僅僅發生在(zai)管道(dao)的內(nei)壁，發生在(zai)管道(dao)外壁的事例(li)也屢見不(bu)鮮，如圖3-8所(suo)示。

  作為管(guan)外(wai)側的(de)腐蝕(shi)因素，被(bei)認為是保溫材料(liao)的(de)問題，對保溫材料(liao)進(jin)行分析的(de)結(jie)果(guo)，被(bei)檢驗出含有約0.5％的(de)氯離子。這個數(shu)值可認為是保溫材料(liao)中(zhong)含有的(de)雜質，或由(you)于保溫層破損、浸入(ru)的(de)雨水中(zhong)帶入(ru)并經過濃(nong)縮的(de)結(jie)果(guo)。

3. 不(bu)銹鋼連多硫(liu)酸應力腐蝕破裂 

  以加(jia)氫脫硫(liu)裝置最(zui)為典型，不銹(xiu)鋼連多(duo)硫(liu)酸的(de)應力(li)腐蝕(shi)破裂頗為引(yin)人關注。

  管道(dao)(dao)在(zai)正常運行時(shi)，受硫(liu)化氫腐蝕(shi)(shi)，生成的(de)硫(liu)化鐵(tie)，在(zai)停車檢修時(shi)，與空氣中(zhong)的(de)氧及水反應(ying)生成了(le)連多硫(liu)酸。在(zai)Cr-Ni奧氏(shi)體不銹鋼管道(dao)(dao)的(de)殘余應(ying)力(li)較大(da)的(de)部(bu)位（焊縫熱影(ying)響區(qu)、彎管部(bu)位等(deng)）產生應(ying)力(li)腐蝕(shi)(shi)裂紋。

4. 硫化物腐蝕破裂

  ①. 金屬在同時含有硫化氫及水的(de)(de)介質中發(fa)(fa)生的(de)(de)應力腐(fu)蝕(shi)破(po)裂即為硫化物(wu)腐(fu)蝕(shi)破(po)裂，簡稱硫裂。在天然氣(qi)、石(shi)(shi)油(you)采集，加工煉制，石(shi)(shi)油(you)化學及化肥(fei)等(deng)工業部門(men)常常發(fa)(fa)生管道、閥(fa)門(men)硫裂事故。發(fa)(fa)生硫裂所需的(de)(de)時間(jian)短則(ze)幾天，長則(ze)幾個月到幾年(nian)不等(deng)，但是未見超(chao)過(guo)十年(nian)發(fa)(fa)生硫裂的(de)(de)事例(li)。

  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(bu)銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L不銹(xiu)鋼和316L不銹鋼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）。

  對于碳鋼和低合金(jin)鋼來說，淬火(huo)(huo)十回(hui)(hui)火(huo)(huo)的(de)金(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)抗(kang)硫裂(lie)最好，未回(hui)(hui)火(huo)(huo)馬氏(shi)體組(zu)織(zhi)最差。鋼抗(kang)硫裂(lie)性能依淬火(huo)(huo)+回(hui)(hui)火(huo)(huo)組(zu)織(zhi)→正(zheng)火(huo)(huo)十回(hui)(hui)火(huo)(huo)組(zu)織(zhi)→正(zheng)火(huo)(huo)組(zu)織(zhi)→未回(hui)(hui)火(huo)(huo)馬氏(shi)體組(zu)織(zhi)的(de)順序遞降。

  鋼(gang)的(de)(de)(de)強度越(yue)高，越(yue)易(yi)發生(sheng)(sheng)(sheng)硫(liu)裂(lie)。鋼(gang)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度越(yue)高，越(yue)易(yi)發生(sheng)(sheng)(sheng)硫(liu)裂(lie)。在發生(sheng)(sheng)(sheng)硫(liu)裂(lie)的(de)(de)(de)事故中，焊縫(feng)(feng)(feng)特別(bie)是(shi)(shi)熔合線是(shi)(shi)最易(yi)發生(sheng)(sheng)(sheng)破裂(lie)的(de)(de)(de)部位(wei)，這(zhe)是(shi)(shi)因(yin)為(wei)這(zhe)里的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度最高。NACE對(dui)碳鋼(gang)焊縫(feng)(feng)(feng)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度進(jin)行了(le)嚴(yan)格(ge)的(de)(de)(de)規定：≤200HB。這(zhe)是(shi)(shi)因(yin)為(wei)焊縫(feng)(feng)(feng)硬(ying)(ying)(ying)度的(de)(de)(de)分布比(bi)(bi)母(mu)材(cai)復雜(za)，所以對(dui)焊縫(feng)(feng)(feng)硬(ying)(ying)(ying)度的(de)(de)(de)規定比(bi)(bi)母(mu)材(cai)嚴(yan)格(ge)。焊縫(feng)(feng)(feng)部位(wei)常發生(sheng)(sheng)(sheng)破裂(lie)，一方面(mian)是(shi)(shi)由于(yu)焊接殘(can)余應力(li)的(de)(de)(de)作用(yong)，另(ling)一方面(mian)是(shi)(shi)焊縫(feng)(feng)(feng)金屬、熔合線及(ji)熱(re)影響區出現淬(cui)硬(ying)(ying)(ying)組(zu)織的(de)(de)(de)結果(guo)。為(wei)防止(zhi)硫(liu)裂(lie)，焊后進(jin)行有(you)效的(de)(de)(de)熱(re)處理十分必要(yao)。

5. 氫(qing)損傷 

  氫滲透(tou)進(jin)入金屬內(nei)部而造成金屬性能劣化稱為氫損傷(shang)，也稱氫破壞。氫損傷(shang)可分為四(si)種不同類型：氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐蝕(shi)。

 ①. 氫鼓泡及氫誘(you)發階梯裂紋。

  主要發生在含濕硫化氫的(de)介(jie)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。

  氫鼓泡及氫誘發階梯(ti)裂(lie)紋一般發生在鋼板卷制的(de)管道(dao)上(shang)。

 ②. 氫脆

  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(fan)應結(jie)果(guo)導致表(biao)面(mian)層的(de)(de)滲碳體(ti)(ti)減少，而(er)碳便從鄰近(jin)的(de)(de)尚未反(fan)應的(de)(de)金(jin)屬層逐(zhu)漸擴散到此反(fan)應區，于是有一定(ding)厚度的(de)(de)金(jin)屬層因(yin)缺碳而(er)變為鐵素體(ti)(ti)。脫碳的(de)(de)結(jie)果(guo)造(zao)成鋼的(de)(de)表(biao)面(mian)強度和疲勞極限的(de)(de)降(jiang)低。

 ④. 氫腐(fu)蝕

  鋼受(shou)到高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)氫作用后，其力學性能(neng)劣化，強度、韌性明顯降低(di)，并且是不可逆的，這種現象稱為氫腐蝕。

 氫腐蝕的(de)歷程可(ke)用圖3-10來解釋。

  氫(qing)腐(fu)蝕的過程大致可分為(wei)三個(ge)階(jie)段(duan)：孕育期，鋼的性能沒有變(bian)化；性能迅速變(bian)化階(jie)段(duan)，迅速脫碳，裂紋快速擴展；最后階(jie)段(duan)，固溶體中碳已耗盡(jin)。

  氫(qing)腐蝕的(de)孕育期(qi)是重要(yao)的(de)，它往往決定了鋼的(de)使用壽命。

  某氫(qing)壓力(li)下產生氫(qing)腐蝕(shi)(shi)有一起始(shi)溫(wen)度(du)(du)，它是衡量(liang)鋼(gang)材抗(kang)氫(qing)性能的指標。低于(yu)這個溫(wen)度(du)(du)氫(qing)腐蝕(shi)(shi)反應速度(du)(du)極慢，以(yi)致孕育期超過正(zheng)常使用(yong)壽(shou)命。碳鋼(gang)的這一溫(wen)度(du)(du)大約在220℃左右。

  氫(qing)分(fen)壓也有一個(ge)起始點（碳鋼大約在1.4MPa左右(you)），即(ji)無論(lun)溫度(du)多高(gao)，低(di)于此分(fen)壓，只發(fa)生表面脫碳而不發(fa)生嚴重的氫(qing)腐蝕。

  各種抗氫鋼發生腐蝕的(de)溫度和(he)壓力組合條件，就是著名的(de)Nelson曲(qu)線(xian)（在(zai)很多(duo)管道(dao)器材(cai)選用標準規(gui)范(fan)內均有此曲(qu)線(xian)圖(tu)，如SH/T 3059《石油化工(gong)管道(dao)設計器材(cai)選用規(gui)范(fan)》）。

  冷加工變形(xing)，提高了(le)碳、氫的(de)擴散能力，對腐蝕起(qi)加速作(zuo)用。

  某氮(dan)肥廠，氨合成塔(ta)出口至(zhi)廢熱鍋爐(lu)的高(gao)壓管(guan)(guan)道，工作溫度(du)320℃左右、工作壓力33MPa，工作介質為H2、N2、NH3混合氣(qi)，應(ying)按Nelson曲線選用(yong)抗氫(qing)鋼。其中有一異(yi)徑短管(guan)(guan)，由于錯(cuo)用(yong)了普通(tong)碳鋼，使用(yong)不久便因氫(qing)腐(fu)蝕而破裂，造成惡性(xing)事故，損失非常慘重(zhong)。