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。

  應力腐蝕裂紋(wen)呈枯樹枝(zhi)狀，大(da)體上(shang)沿(yan)著垂直于拉應力的(de)方向發展。裂紋(wen)的(de)微觀形態有(you)穿(chuan)晶型(xing)(xing)、晶間型(xing)(xing)（沿(yan)晶型(xing)(xing)）和(he)兩(liang)者兼(jian)有(you)的(de)混合型(xing)(xing)。

  應力的來源，對于(yu)管道來說，焊接、冷加工及(ji)安(an)裝時殘余應力是主要的。

  并不(bu)是任(ren)何的金屬(shu)與介質的共同作(zuo)用都引起應(ying)力腐(fu)蝕(shi)(shi)破(po)裂。其(qi)中金屬(shu)材(cai)料只(zhi)有在某(mou)些特(te)定的腐(fu)蝕(shi)(shi)環(huan)境中，才(cai)發生應(ying)力腐(fu)蝕(shi)(shi)破(po)裂。表(biao)3-4列出了容(rong)易引起應(ying)力腐(fu)蝕(shi)(shi)開裂的管道金屬(shu)材(cai)料和腐(fu)蝕(shi)(shi)環(huan)境的組合。

1. 堿脆 

  金(jin)(jin)屬在堿液中的(de)應力腐(fu)蝕破裂稱堿脆。碳(tan)(tan)鋼(gang)(gang)、低合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)(gang)、不銹(xiu)鋼(gang)(gang)等多種金(jin)(jin)屬材料皆可發生(sheng)堿脆。碳(tan)(tan)鋼(gang)(gang)（含低合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)(gang)）發生(sheng)堿脆的(de)趨勢如圖3-6所(suo)示。

  由圖(tu)3-6可(ke)知，氫(qing)(qing)(qing)氧化(hua)鈉濃度在5％以上的(de)(de)(de)(de)全部(bu)濃度范圍內碳(tan)(tan)鋼(gang)(gang)(gang)幾乎(hu)都可(ke)能產生(sheng)(sheng)堿(jian)(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)，堿(jian)(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)的(de)(de)(de)(de)最低溫度為(wei)50℃，所需堿(jian)(jian)(jian)(jian)液的(de)(de)(de)(de)濃度為(wei)40％～50％，以沸點(dian)附近的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫區最易發生(sheng)(sheng)。裂紋(wen)呈晶間型(xing)。奧(ao)氏(shi)體不銹鋼(gang)(gang)(gang)發生(sheng)(sheng)堿(jian)(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)的(de)(de)(de)(de)趨勢如圖(tu)3-7所示。氫(qing)(qing)(qing)氧化(hua)鈉濃度在0.1％以上的(de)(de)(de)(de)濃度時(shi)18-8型(xing)奧(ao)氏(shi)體不銹鋼(gang)(gang)(gang)即可(ke)發生(sheng)(sheng)堿(jian)(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)。以氫(qing)(qing)(qing)氧化(hua)鈉濃度40％最危險，這時(shi)發生(sheng)(sheng)堿(jian)(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)的(de)(de)(de)(de)溫度為(wei)115℃左(zuo)右(you)。超低碳(tan)(tan)不銹鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)堿(jian)(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)裂紋(wen)為(wei)穿晶型(xing)，含(han)碳(tan)(tan)量高(gao)時(shi)，堿(jian)(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)裂紋(wen)則為(wei)晶間型(xing)或混合型(xing)。當奧(ao)氏(shi)體不銹鋼(gang)(gang)(gang)中加入2％鉬時(shi)，則可(ke)使其堿(jian)(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)界限縮(suo)小(xiao)，并向堿(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)高(gao)濃度區域移(yi)動。鎳和鎳基(ji)合金具(ju)有較高(gao)的(de)(de)(de)(de)耐(nai)應力(li)腐(fu)蝕的(de)(de)(de)(de)性能，它的(de)(de)(de)(de)堿(jian)(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)范圍變(bian)得狹窄，而(er)且位于高(gao)溫濃堿(jian)(jian)(jian)(jian)區。

2. 不銹鋼的氯離子應(ying)力腐蝕破裂 

 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(bu)銹鋼(gang)氯離(li)子應力腐蝕(shi)破裂不(bu)僅僅發生(sheng)在(zai)管道(dao)的內(nei)壁(bi)，發生(sheng)在(zai)管道(dao)外(wai)壁(bi)的事例(li)也(ye)屢見(jian)不(bu)鮮，如圖(tu)3-8所示。

  作(zuo)為管外側的腐蝕(shi)因素，被(bei)認(ren)(ren)為是(shi)保(bao)溫材(cai)料(liao)(liao)的問(wen)題，對保(bao)溫材(cai)料(liao)(liao)進行分析(xi)的結果(guo)，被(bei)檢驗出含(han)有約0.5％的氯離(li)子。這個數(shu)值可認(ren)(ren)為是(shi)保(bao)溫材(cai)料(liao)(liao)中含(han)有的雜質(zhi)，或由于保(bao)溫層破(po)損、浸入的雨水中帶入并(bing)經過濃(nong)縮(suo)的結果(guo)。

3. 不銹鋼連多硫酸應力(li)腐蝕(shi)破裂 

  以加氫(qing)脫硫(liu)裝置最為典型，不(bu)銹鋼連多硫(liu)酸的應力腐蝕破(po)裂頗為引人關注。

  管道(dao)(dao)在(zai)正常(chang)運行時，受(shou)硫化(hua)氫腐蝕，生成(cheng)的硫化(hua)鐵，在(zai)停車(che)檢修(xiu)時，與(yu)空氣中的氧及水反應生成(cheng)了連多硫酸。在(zai)Cr-Ni奧(ao)氏體(ti)不銹鋼管道(dao)(dao)的殘余應力(li)較(jiao)大的部位(wei)（焊縫熱影響區、彎管部位(wei)等）產生應力(li)腐蝕裂紋。

4. 硫化物腐蝕(shi)破裂(lie)

  ①. 金屬(shu)在(zai)同時(shi)含有硫(liu)(liu)化(hua)氫(qing)及(ji)水的介質中發生(sheng)的應力腐(fu)蝕破裂(lie)即為(wei)硫(liu)(liu)化(hua)物腐(fu)蝕破裂(lie)，簡(jian)稱硫(liu)(liu)裂(lie)。在(zai)天(tian)然氣、石油(you)采集(ji)，加工(gong)(gong)煉(lian)制，石油(you)化(hua)學及(ji)化(hua)肥等工(gong)(gong)業部門(men)常(chang)(chang)常(chang)(chang)發生(sheng)管(guan)道(dao)、閥門(men)硫(liu)(liu)裂(lie)事故。發生(sheng)硫(liu)(liu)裂(lie)所需的時(shi)間(jian)短則(ze)幾天(tian)，長則(ze)幾個月到幾年(nian)不(bu)等，但是(shi)未見超過十(shi)年(nian)發生(sheng)硫(liu)(liu)裂(lie)的事例。

  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。對于奧氏體不銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L不銹(xiu)鋼和316L不銹(xiu)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(dui)于碳鋼和低合金(jin)鋼來說，淬(cui)火(huo)十回(hui)火(huo)的(de)金(jin)相組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)抗(kang)硫(liu)裂最好，未回(hui)火(huo)馬(ma)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)最差。鋼抗(kang)硫(liu)裂性能依淬(cui)火(huo)+回(hui)火(huo)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)→正火(huo)十回(hui)火(huo)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)→正火(huo)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)→未回(hui)火(huo)馬(ma)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)順序遞降。

  鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)強度(du)越高，越易(yi)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)硫裂(lie)(lie)。鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)硬度(du)越高，越易(yi)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)硫裂(lie)(lie)。在(zai)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)硫裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)事故中(zhong)，焊(han)(han)縫(feng)特(te)別是(shi)(shi)(shi)熔(rong)(rong)合(he)線是(shi)(shi)(shi)最易(yi)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)破裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)位(wei)，這是(shi)(shi)(shi)因(yin)為這里(li)的(de)(de)(de)(de)(de)硬度(du)最高。NACE對碳鋼(gang)焊(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)硬度(du)進(jin)行了嚴格的(de)(de)(de)(de)(de)規(gui)定(ding)：≤200HB。這是(shi)(shi)(shi)因(yin)為焊(han)(han)縫(feng)硬度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)分布比母(mu)材(cai)復雜，所以對焊(han)(han)縫(feng)硬度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)規(gui)定(ding)比母(mu)材(cai)嚴格。焊(han)(han)縫(feng)部(bu)位(wei)常(chang)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)破裂(lie)(lie)，一(yi)(yi)方面(mian)是(shi)(shi)(shi)由于(yu)焊(han)(han)接(jie)殘余應力的(de)(de)(de)(de)(de)作用，另一(yi)(yi)方面(mian)是(shi)(shi)(shi)焊(han)(han)縫(feng)金(jin)屬、熔(rong)(rong)合(he)線及熱(re)影響(xiang)區出現(xian)淬硬組織的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)果。為防止硫裂(lie)(lie)，焊(han)(han)后(hou)進(jin)行有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)處(chu)理十分必(bi)要(yao)。

5. 氫損傷 

  氫(qing)(qing)(qing)滲透進入(ru)金(jin)屬內(nei)部而(er)造成金(jin)屬性能劣化(hua)稱(cheng)為氫(qing)(qing)(qing)損傷(shang)(shang)，也稱(cheng)氫(qing)(qing)(qing)破壞。氫(qing)(qing)(qing)損傷(shang)(shang)可分為四種(zhong)不同類型：氫(qing)(qing)(qing)鼓泡、氫(qing)(qing)(qing)脆、脫碳和氫(qing)(qing)(qing)腐蝕(shi)。

 ①. 氫(qing)鼓泡及氫(qing)誘發階梯(ti)裂(lie)紋。

  主要發(fa)生(sheng)在含濕硫化(hua)氫的介質(zhi)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(qing)(qing)鼓泡及(ji)氫(qing)(qing)誘(you)發階梯(ti)裂紋一(yi)般發生在鋼板卷制的管道上。

 ②. 氫(qing)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↑

   反應(ying)結果(guo)導致表面層的(de)(de)(de)滲碳體減(jian)少，而碳便從鄰近(jin)的(de)(de)(de)尚未反應(ying)的(de)(de)(de)金屬(shu)(shu)層逐漸(jian)擴散到此反應(ying)區，于(yu)是有一定厚度的(de)(de)(de)金屬(shu)(shu)層因缺碳而變為鐵素體。脫碳的(de)(de)(de)結果(guo)造(zao)成鋼(gang)的(de)(de)(de)表面強度和疲勞(lao)極限的(de)(de)(de)降(jiang)低。

 ④. 氫(qing)腐(fu)蝕

  鋼受到高溫高壓氫作(zuo)用(yong)后，其力學性(xing)能劣化(hua)，強度(du)、韌性(xing)明顯(xian)降低，并(bing)且(qie)是不可(ke)逆(ni)的，這種現象稱為氫腐(fu)蝕(shi)。

 氫腐蝕(shi)的(de)歷程可用圖3-10來解釋(shi)。

  氫腐蝕的(de)過程(cheng)大致可分為(wei)三個階段：孕育期，鋼的(de)性能(neng)沒有變化；性能(neng)迅(xun)速變化階段，迅(xun)速脫碳，裂紋快速擴展；最后階段，固(gu)溶(rong)體中(zhong)碳已(yi)耗(hao)盡(jin)。

  氫(qing)腐蝕的孕育期是重(zhong)要(yao)的，它(ta)往往決定了鋼的使用(yong)壽命。

  某(mou)氫(qing)(qing)壓力(li)下產生(sheng)氫(qing)(qing)腐蝕(shi)有(you)一起始溫度(du)(du)，它是衡量鋼材(cai)抗氫(qing)(qing)性能的指標(biao)。低于這(zhe)個溫度(du)(du)氫(qing)(qing)腐蝕(shi)反應(ying)速度(du)(du)極(ji)慢，以致(zhi)孕(yun)育期超(chao)過(guo)正常(chang)使用壽命(ming)。碳鋼的這(zhe)一溫度(du)(du)大約在(zai)220℃左右。

  氫分壓(ya)也有一個起(qi)始點（碳鋼大約在1.4MPa左右），即無論溫度多高，低于此分壓(ya)，只發生(sheng)表面(mian)脫碳而不發生(sheng)嚴重的氫腐(fu)蝕。

  各(ge)種抗(kang)氫鋼發(fa)生腐蝕的溫度和壓力組(zu)合條件(jian)，就是著名的Nelson曲線（在很多管道器材選用(yong)標準規(gui)范內均有此(ci)曲線圖，如SH/T 3059《石油(you)化工管道設計器材選用(yong)規(gui)范》）。

  冷加工變(bian)形，提(ti)高了碳、氫的擴(kuo)散能力，對腐蝕(shi)起(qi)加速作用。

  某氮肥廠，氨合(he)成塔出口至廢熱鍋爐(lu)的高壓管(guan)道，工(gong)作溫度320℃左(zuo)右(you)、工(gong)作壓力(li)33MPa，工(gong)作介質為(wei)H2、N2、NH3混(hun)合(he)氣，應按(an)Nelson曲線選(xuan)用抗氫鋼。其中有一異徑短管(guan)，由于錯用了普通碳鋼，使用不久便因(yin)氫腐(fu)蝕(shi)而破裂，造成惡性事(shi)故，損失非常慘重。