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(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(ying)力腐蝕(shi)裂紋(wen)呈(cheng)枯樹枝狀，大體上沿著垂直于(yu)拉應(ying)力的方(fang)向發展。裂紋(wen)的微觀形態有穿晶型、晶間型（沿晶型）和兩(liang)者(zhe)兼有的混(hun)合型。

  應力(li)的來(lai)源，對于(yu)管道來(lai)說，焊接、冷加工及安裝時殘余應力(li)是主要的。

  并不是任何的(de)(de)金屬與介質的(de)(de)共同(tong)作用都引(yin)起(qi)應(ying)力(li)(li)腐蝕破(po)(po)裂(lie)(lie)。其中金屬材料(liao)只(zhi)有(you)在某些特定(ding)的(de)(de)腐蝕環境中，才(cai)發生(sheng)應(ying)力(li)(li)腐蝕破(po)(po)裂(lie)(lie)。表3-4列出了容易引(yin)起(qi)應(ying)力(li)(li)腐蝕開裂(lie)(lie)的(de)(de)管道金屬材料(liao)和腐蝕環境的(de)(de)組合。

1. 堿脆 

  金(jin)屬(shu)在(zai)堿(jian)液(ye)中(zhong)的應力腐蝕(shi)破裂稱堿(jian)脆。碳鋼(gang)、低合金(jin)鋼(gang)、不銹鋼(gang)等(deng)多種金(jin)屬(shu)材料皆可發(fa)生堿(jian)脆。碳鋼(gang)（含低合金(jin)鋼(gang)）發(fa)生堿(jian)脆的趨勢如圖3-6所示。

  由圖3-6可(ke)(ke)知，氫(qing)氧(yang)化鈉濃(nong)(nong)(nong)度(du)在5％以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)全部濃(nong)(nong)(nong)度(du)范圍內碳鋼(gang)幾(ji)乎都可(ke)(ke)能(neng)產生(sheng)堿(jian)脆(cui)，堿(jian)脆(cui)的(de)(de)(de)(de)最(zui)低(di)溫(wen)度(du)為(wei)50℃，所需(xu)堿(jian)液的(de)(de)(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)度(du)為(wei)40％～50％，以(yi)(yi)沸點(dian)附(fu)近的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)區最(zui)易發生(sheng)。裂紋(wen)呈晶間(jian)型(xing)(xing)。奧氏(shi)(shi)(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)發生(sheng)堿(jian)脆(cui)的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢如圖3-7所示。氫(qing)氧(yang)化鈉濃(nong)(nong)(nong)度(du)在0.1％以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)度(du)時(shi)18-8型(xing)(xing)奧氏(shi)(shi)(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)即(ji)可(ke)(ke)發生(sheng)堿(jian)脆(cui)。以(yi)(yi)氫(qing)氧(yang)化鈉濃(nong)(nong)(nong)度(du)40％最(zui)危險，這時(shi)發生(sheng)堿(jian)脆(cui)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)為(wei)115℃左(zuo)右(you)。超低(di)碳不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)堿(jian)脆(cui)裂紋(wen)為(wei)穿(chuan)晶型(xing)(xing)，含(han)碳量高時(shi)，堿(jian)脆(cui)裂紋(wen)則為(wei)晶間(jian)型(xing)(xing)或混(hun)合(he)型(xing)(xing)。當(dang)奧氏(shi)(shi)(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)中加入2％鉬(mu)時(shi)，則可(ke)(ke)使(shi)其堿(jian)脆(cui)界限縮小，并向堿(jian)的(de)(de)(de)(de)高濃(nong)(nong)(nong)度(du)區域移(yi)動(dong)。鎳和鎳基(ji)合(he)金(jin)具有較高的(de)(de)(de)(de)耐應力腐蝕的(de)(de)(de)(de)性能(neng)，它的(de)(de)(de)(de)堿(jian)脆(cui)范圍變得狹窄，而(er)且位(wei)于高溫(wen)濃(nong)(nong)(nong)堿(jian)區。

2. 不銹鋼的氯離子應力腐蝕(shi)破(po)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)銹鋼氯離子應(ying)力腐蝕破裂不(bu)僅(jin)僅(jin)發(fa)生在管道(dao)的內壁(bi)，發(fa)生在管道(dao)外壁(bi)的事例(li)也屢(lv)見不(bu)鮮，如圖3-8所示。

  作為(wei)管外側的(de)(de)腐蝕因素(su)，被(bei)認為(wei)是保溫(wen)材(cai)料的(de)(de)問(wen)題，對(dui)保溫(wen)材(cai)料進行分(fen)析的(de)(de)結果，被(bei)檢驗出含(han)有約0.5％的(de)(de)氯離子。這個數值(zhi)可認為(wei)是保溫(wen)材(cai)料中含(han)有的(de)(de)雜質，或由于保溫(wen)層破損、浸入(ru)的(de)(de)雨水(shui)中帶入(ru)并經過濃縮的(de)(de)結果。

3. 不銹鋼連多(duo)硫酸(suan)應(ying)力腐蝕破(po)裂 

  以加(jia)氫脫硫裝置最為典型，不銹(xiu)鋼(gang)連多硫酸的應力腐(fu)蝕破裂頗為引人關(guan)注。

  管(guan)道在正常運行(xing)時，受硫(liu)化氫腐(fu)(fu)蝕，生成的硫(liu)化鐵(tie)，在停車檢(jian)修時，與(yu)空氣(qi)中(zhong)的氧及水反應(ying)(ying)生成了連多硫(liu)酸(suan)。在Cr-Ni奧(ao)氏體不(bu)銹(xiu)鋼管(guan)道的殘余(yu)應(ying)(ying)力較大的部位（焊縫熱影響區(qu)、彎管(guan)部位等）產生應(ying)(ying)力腐(fu)(fu)蝕裂紋。

4. 硫化物腐蝕破(po)裂

  ①. 金屬在同時含有硫(liu)化(hua)氫及(ji)水的(de)介質中發生的(de)應(ying)力腐蝕(shi)破裂(lie)(lie)(lie)即為(wei)硫(liu)化(hua)物腐蝕(shi)破裂(lie)(lie)(lie)，簡稱硫(liu)裂(lie)(lie)(lie)。在天然(ran)氣、石油(you)(you)采集，加工煉制，石油(you)(you)化(hua)學(xue)及(ji)化(hua)肥等工業(ye)部門(men)(men)常常發生管道(dao)、閥門(men)(men)硫(liu)裂(lie)(lie)(lie)事(shi)故。發生硫(liu)裂(lie)(lie)(lie)所需的(de)時間短則幾天，長(chang)則幾個月到幾年不等，但是未見(jian)超(chao)過十年發生硫(liu)裂(lie)(lie)(lie)的(de)事(shi)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。對于奧氏體不銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L不銹(xiu)鋼和316L不(bu)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(gang)和(he)低(di)合金鋼(gang)來(lai)說，淬(cui)火十回(hui)火的金相組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)抗硫裂(lie)最好，未回(hui)火馬(ma)氏體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)最差(cha)。鋼(gang)抗硫裂(lie)性能依(yi)淬(cui)火+回(hui)火組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)→正(zheng)火十回(hui)火組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)→正(zheng)火組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)→未回(hui)火馬(ma)氏體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)的順序遞降。

  鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)強度(du)(du)越高(gao)，越易發生硫(liu)裂(lie)(lie)。鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)(du)越高(gao)，越易發生硫(liu)裂(lie)(lie)。在發生硫(liu)裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)事故中，焊(han)(han)縫特(te)別是(shi)熔合線(xian)是(shi)最易發生破(po)裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)(bu)位，這是(shi)因(yin)為(wei)(wei)(wei)這里的(de)(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)(du)最高(gao)。NACE對碳(tan)鋼(gang)焊(han)(han)縫的(de)(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)(du)進(jin)行了嚴(yan)格的(de)(de)(de)(de)(de)規(gui)定(ding)：≤200HB。這是(shi)因(yin)為(wei)(wei)(wei)焊(han)(han)縫硬(ying)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)分布(bu)比母(mu)材(cai)復(fu)雜，所以(yi)對焊(han)(han)縫硬(ying)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)規(gui)定(ding)比母(mu)材(cai)嚴(yan)格。焊(han)(han)縫部(bu)(bu)位常發生破(po)裂(lie)(lie)，一方面是(shi)由于(yu)焊(han)(han)接殘余(yu)應力的(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)，另一方面是(shi)焊(han)(han)縫金屬、熔合線(xian)及熱影響區(qu)出(chu)現(xian)淬硬(ying)組織的(de)(de)(de)(de)(de)結果。為(wei)(wei)(wei)防止(zhi)硫(liu)裂(lie)(lie)，焊(han)(han)后進(jin)行有效的(de)(de)(de)(de)(de)熱處理(li)十分必要。

5. 氫損傷 

  氫(qing)滲(shen)透進入(ru)金屬內部(bu)而(er)造(zao)成金屬性能劣(lie)化稱為氫(qing)損傷，也(ye)稱氫(qing)破壞(huai)。氫(qing)損傷可分為四(si)種(zhong)不同類(lei)型：氫(qing)鼓(gu)泡、氫(qing)脆、脫(tuo)碳和氫(qing)腐蝕。

 ①. 氫(qing)鼓泡及氫(qing)誘發階梯(ti)裂紋。

  主(zhu)要(yao)發生在含(han)濕(shi)硫化氫(qing)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(pao)及氫誘發階梯裂(lie)紋一(yi)般(ban)發生在鋼板(ban)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

  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)(de)(de)(de)滲碳(tan)(tan)體減少，而碳(tan)(tan)便從(cong)鄰近(jin)的(de)(de)(de)(de)尚(shang)未反應的(de)(de)(de)(de)金屬(shu)層逐(zhu)漸擴散到此反應區，于是有一(yi)定(ding)厚(hou)度的(de)(de)(de)(de)金屬(shu)層因缺(que)碳(tan)(tan)而變為鐵素體。脫碳(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)結果造成(cheng)鋼的(de)(de)(de)(de)表面強度和疲勞極限(xian)的(de)(de)(de)(de)降低(di)。

 ④. 氫腐蝕

  鋼受到(dao)高溫(wen)高壓氫作用后，其力學性(xing)能劣化，強度、韌性(xing)明顯(xian)降低(di)，并且是不可逆的，這種現象稱為氫腐蝕。

 氫腐蝕的(de)歷程可用圖3-10來解(jie)釋。

  氫腐(fu)蝕(shi)的(de)過程(cheng)大致(zhi)可分(fen)為三個階段：孕育(yu)期，鋼的(de)性能沒(mei)有變化；性能迅(xun)速變化階段，迅(xun)速脫碳，裂紋快(kuai)速擴(kuo)展；最后階段，固溶(rong)體中碳已耗(hao)盡。

  氫腐蝕的(de)(de)孕育(yu)期(qi)是重要的(de)(de)，它往(wang)往(wang)決定了鋼的(de)(de)使用壽命。

  某氫壓力下產生(sheng)氫腐(fu)蝕有一(yi)起始溫度，它(ta)是衡量鋼材抗氫性能的(de)指標。低(di)于這個溫度氫腐(fu)蝕反應(ying)速度極(ji)慢(man)，以(yi)致孕育期超過正常(chang)使用壽命。碳鋼的(de)這一(yi)溫度大約在(zai)220℃左右(you)。

  氫分(fen)壓(ya)也(ye)有一(yi)個(ge)起始點(dian)（碳鋼大(da)約(yue)在(zai)1.4MPa左右(you)），即無論溫度多高，低于此(ci)分(fen)壓(ya)，只(zhi)發生表面脫碳而不發生嚴重的氫腐蝕。

  各(ge)種抗氫(qing)鋼發生腐(fu)蝕的溫度(du)和壓力組(zu)合條件，就(jiu)是著名的Nelson曲線（在很多管道器材(cai)選用標準規(gui)范(fan)內均有此曲線圖，如(ru)SH/T 3059《石油化工管道設計器材(cai)選用規(gui)范(fan)》）。

  冷加工變形，提高了(le)碳(tan)、氫的擴(kuo)散能力(li)，對腐蝕起加速作(zuo)用。

  某氮(dan)肥廠(chang)，氨合(he)成塔出口至(zhi)廢熱鍋爐的高(gao)壓(ya)管(guan)道(dao)，工(gong)作溫度320℃左右、工(gong)作壓(ya)力(li)33MPa，工(gong)作介質為(wei)H2、N2、NH3混合(he)氣，應(ying)按Nelson曲線選(xuan)用(yong)抗(kang)氫鋼(gang)。其中有一異(yi)徑短管(guan)，由于錯用(yong)了(le)普通碳鋼(gang)，使用(yong)不久便因氫腐蝕(shi)而破裂，造(zao)成惡性事故，損失非常慘重。