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(ying)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。

  應力腐蝕裂(lie)紋(wen)呈枯樹枝狀，大體上沿著垂直于(yu)拉應力的方向發展(zhan)。裂(lie)紋(wen)的微觀形態有穿晶(jing)(jing)型、晶(jing)(jing)間型（沿晶(jing)(jing)型）和兩者(zhe)兼有的混合型。

  應(ying)力的來(lai)源，對于管(guan)道來(lai)說(shuo)，焊接、冷加工及安裝時殘(can)余應(ying)力是主要的。

  并不是任(ren)何的(de)金屬與介(jie)質的(de)共同作用都引(yin)起應力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)破裂。其中金屬材(cai)料只(zhi)有在(zai)某些特(te)定(ding)的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)環境中，才發生應力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)破裂。表3-4列出了容(rong)易(yi)引(yin)起應力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)開裂的(de)管(guan)道金屬材(cai)料和(he)腐(fu)(fu)蝕(shi)環境的(de)組(zu)合。

1. 堿脆 

  金(jin)(jin)屬在堿(jian)液(ye)中的應(ying)力(li)腐蝕破裂稱(cheng)堿(jian)脆。碳鋼(gang)、低(di)合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)、不(bu)銹(xiu)鋼(gang)等多(duo)種金(jin)(jin)屬材料皆可發生堿(jian)脆。碳鋼(gang)（含低(di)合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)）發生堿(jian)脆的趨勢如圖(tu)3-6所示。

  由圖(tu)3-6可知(zhi)，氫(qing)氧(yang)化(hua)鈉(na)濃(nong)(nong)度(du)在5％以(yi)(yi)上的全部濃(nong)(nong)度(du)范(fan)圍(wei)內碳(tan)(tan)鋼(gang)(gang)(gang)幾乎都可能(neng)產生(sheng)(sheng)(sheng)堿(jian)脆(cui)，堿(jian)脆(cui)的最(zui)低(di)溫(wen)度(du)為(wei)50℃，所需堿(jian)液的濃(nong)(nong)度(du)為(wei)40％～50％，以(yi)(yi)沸點(dian)附近的高(gao)溫(wen)區最(zui)易(yi)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)。裂(lie)紋(wen)呈(cheng)晶(jing)間(jian)型(xing)(xing)。奧氏體不(bu)(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)堿(jian)脆(cui)的趨勢如圖(tu)3-7所示。氫(qing)氧(yang)化(hua)鈉(na)濃(nong)(nong)度(du)在0.1％以(yi)(yi)上的濃(nong)(nong)度(du)時18-8型(xing)(xing)奧氏體不(bu)(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)即可發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)堿(jian)脆(cui)。以(yi)(yi)氫(qing)氧(yang)化(hua)鈉(na)濃(nong)(nong)度(du)40％最(zui)危險，這時發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)堿(jian)脆(cui)的溫(wen)度(du)為(wei)115℃左右。超低(di)碳(tan)(tan)不(bu)(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)的堿(jian)脆(cui)裂(lie)紋(wen)為(wei)穿晶(jing)型(xing)(xing)，含碳(tan)(tan)量高(gao)時，堿(jian)脆(cui)裂(lie)紋(wen)則為(wei)晶(jing)間(jian)型(xing)(xing)或(huo)混合型(xing)(xing)。當奧氏體不(bu)(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)中(zhong)加入(ru)2％鉬時，則可使(shi)其堿(jian)脆(cui)界限縮(suo)小，并向堿(jian)的高(gao)濃(nong)(nong)度(du)區域移動。鎳和鎳基合金具有較(jiao)高(gao)的耐應力腐蝕的性能(neng)，它(ta)的堿(jian)脆(cui)范(fan)圍(wei)變得狹窄(zhai)，而且(qie)位于(yu)高(gao)溫(wen)濃(nong)(nong)堿(jian)區。

2. 不銹鋼的(de)氯(lv)離子應力腐(fu)蝕破(po)裂 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹(xiu)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。

  不銹鋼氯(lv)離子(zi)應力腐(fu)蝕破裂不僅僅發生(sheng)在(zai)管道(dao)的內壁(bi)，發生(sheng)在(zai)管道(dao)外壁(bi)的事例也(ye)屢(lv)見(jian)不鮮，如(ru)圖3-8所示。

  作為管外(wai)側的腐蝕因(yin)素，被認為是保溫材(cai)料的問(wen)題，對保溫材(cai)料進行分析的結果，被檢驗出含(han)有(you)約0.5％的氯離(li)子。這(zhe)個數(shu)值(zhi)可認為是保溫材(cai)料中含(han)有(you)的雜質，或(huo)由于(yu)保溫層破損、浸入(ru)的雨水中帶入(ru)并經(jing)過濃縮的結果。

3. 不銹鋼連多硫酸應力腐蝕破裂 

  以加氫脫硫(liu)(liu)裝(zhuang)置最(zui)為(wei)典(dian)型，不(bu)銹鋼連(lian)多硫(liu)(liu)酸的(de)應力(li)腐(fu)蝕破裂頗為(wei)引(yin)人關注。

  管(guan)道在(zai)正常運(yun)行時，受硫(liu)(liu)化氫(qing)腐蝕(shi)，生成(cheng)的硫(liu)(liu)化鐵(tie)，在(zai)停車(che)檢修時，與空(kong)氣中的氧(yang)及水反應生成(cheng)了連多硫(liu)(liu)酸(suan)。在(zai)Cr-Ni奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼(gang)管(guan)道的殘余應力較大的部位（焊縫熱影響區、彎管(guan)部位等(deng)）產生應力腐蝕(shi)裂紋。

4. 硫化(hua)物腐(fu)蝕破裂

  ①. 金屬(shu)在同(tong)時含有硫(liu)化氫及水的介質中(zhong)發(fa)生的應力腐蝕(shi)破(po)(po)裂(lie)即為硫(liu)化物(wu)腐蝕(shi)破(po)(po)裂(lie)，簡(jian)稱硫(liu)裂(lie)。在天然(ran)氣、石油(you)采集，加(jia)工煉(lian)制(zhi)，石油(you)化學(xue)及化肥等工業(ye)部門(men)常(chang)常(chang)發(fa)生管道、閥門(men)硫(liu)裂(lie)事(shi)故。發(fa)生硫(liu)裂(lie)所需的時間短則幾(ji)天，長(chang)則幾(ji)個月(yue)到幾(ji)年不(bu)等，但是未(wei)見超過十年發(fa)生硫(liu)裂(lie)的事(shi)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(ao)氏體不銹(xiu)鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L不銹鋼和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(tan)鋼和低合(he)金(jin)鋼來說，淬(cui)火十(shi)(shi)回(hui)(hui)(hui)火的(de)金(jin)相組(zu)(zu)(zu)織(zhi)抗硫裂最(zui)好，未(wei)回(hui)(hui)(hui)火馬(ma)氏體組(zu)(zu)(zu)織(zhi)最(zui)差。鋼抗硫裂性(xing)能依淬(cui)火+回(hui)(hui)(hui)火組(zu)(zu)(zu)織(zhi)→正火十(shi)(shi)回(hui)(hui)(hui)火組(zu)(zu)(zu)織(zhi)→正火組(zu)(zu)(zu)織(zhi)→未(wei)回(hui)(hui)(hui)火馬(ma)氏體組(zu)(zu)(zu)織(zhi)的(de)順序遞降。

  鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)越(yue)(yue)高(gao)(gao)(gao)，越(yue)(yue)易(yi)(yi)發(fa)生(sheng)硫(liu)裂(lie)。鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)越(yue)(yue)高(gao)(gao)(gao)，越(yue)(yue)易(yi)(yi)發(fa)生(sheng)硫(liu)裂(lie)。在發(fa)生(sheng)硫(liu)裂(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)事故中，焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)特別(bie)是(shi)(shi)熔(rong)合(he)線是(shi)(shi)最(zui)易(yi)(yi)發(fa)生(sheng)破裂(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)位(wei)(wei)，這(zhe)(zhe)是(shi)(shi)因為(wei)(wei)(wei)這(zhe)(zhe)里(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)最(zui)高(gao)(gao)(gao)。NACE對(dui)碳鋼(gang)(gang)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)進行了嚴格的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規定：≤200HB。這(zhe)(zhe)是(shi)(shi)因為(wei)(wei)(wei)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)硬(ying)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布比母(mu)材復雜，所以對(dui)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)硬(ying)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規定比母(mu)材嚴格。焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)部(bu)位(wei)(wei)常發(fa)生(sheng)破裂(lie)，一方面(mian)是(shi)(shi)由(you)于焊(han)(han)(han)接殘余應力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用，另一方面(mian)是(shi)(shi)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)金屬、熔(rong)合(he)線及(ji)熱(re)影響區出(chu)現淬硬(ying)組(zu)織的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結果。為(wei)(wei)(wei)防(fang)止硫(liu)裂(lie)，焊(han)(han)(han)后進行有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)處理十分(fen)必要。

5. 氫損(sun)傷 

  氫滲透進入金屬內部(bu)而造成(cheng)金屬性能劣(lie)化稱(cheng)為氫損傷(shang)，也(ye)稱(cheng)氫破壞。氫損傷(shang)可分(fen)為四種不(bu)同(tong)類型(xing)：氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐(fu)蝕。

 ①. 氫鼓泡及氫誘發階梯(ti)裂紋。

  主(zhu)要發生在(zai)含(han)濕(shi)硫化氫的(de)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。

  氫鼓泡及(ji)氫誘發階梯裂紋一般(ban)發生在鋼板卷制的管道上。

 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(tan)

  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↑

   反應結果導致(zhi)表面層的(de)滲碳(tan)體減少，而(er)(er)碳(tan)便從鄰近的(de)尚未(wei)反應的(de)金(jin)屬層逐漸擴散到此反應區，于(yu)是有一(yi)定厚度(du)的(de)金(jin)屬層因(yin)缺碳(tan)而(er)(er)變為(wei)鐵素(su)體。脫碳(tan)的(de)結果造成(cheng)鋼的(de)表面強度(du)和疲(pi)勞極(ji)限的(de)降低。

 ④. 氫腐蝕

  鋼受(shou)到高溫高壓氫作用后，其力(li)學性能劣(lie)化(hua)，強度、韌性明顯降低，并且是不可(ke)逆的，這(zhe)種現象稱(cheng)為氫腐蝕(shi)。

 氫腐(fu)蝕的歷程可用(yong)圖3-10來解釋。

  氫腐蝕的過程大致可分(fen)為三個(ge)階段：孕育期(qi)，鋼的性能(neng)沒有變化(hua)；性能(neng)迅速(su)變化(hua)階段，迅速(su)脫碳，裂紋快速(su)擴(kuo)展；最后階段，固溶體中碳已(yi)耗盡。

  氫(qing)腐(fu)蝕的孕育期是重要的，它往(wang)往(wang)決定了鋼的使用壽命。

  某氫壓(ya)力(li)下產(chan)生氫腐蝕有一起始溫度，它是衡量鋼(gang)材(cai)抗氫性能(neng)的指標(biao)。低于這(zhe)個溫度氫腐蝕反應(ying)速度極(ji)慢，以致孕育期(qi)超過正常(chang)使用壽命。碳鋼(gang)的這(zhe)一溫度大約(yue)在220℃左右(you)。

  氫分壓(ya)也有一個(ge)起始點(dian)（碳鋼大約在1.4MPa左(zuo)右），即(ji)無論溫度(du)多高(gao)，低于此分壓(ya)，只(zhi)發生(sheng)表(biao)面(mian)脫碳而不發生(sheng)嚴重的氫腐蝕。

  各種抗(kang)氫鋼發(fa)生腐蝕的溫度和壓力組合條件，就(jiu)是著名的Nelson曲線(xian)（在很多管道器材選用(yong)標準(zhun)規范內均(jun)有此曲線(xian)圖，如SH/T 3059《石油化工管道設計器材選用(yong)規范》）。

  冷加(jia)工變形(xing)，提高了碳、氫的擴散能(neng)力，對腐蝕起加(jia)速(su)作用(yong)。

  某氮肥廠，氨合成塔出口至廢熱鍋爐的(de)高壓管道，工(gong)作溫度320℃左右、工(gong)作壓力33MPa，工(gong)作介質為H2、N2、NH3混合氣，應(ying)按Nelson曲(qu)線(xian)選(xuan)用抗氫(qing)鋼。其中有一異徑短管，由于錯用了普通碳鋼，使用不久(jiu)便因氫(qing)腐(fu)蝕(shi)而破裂，造成惡(e)性事故，損失非常(chang)慘(can)重。