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(fu)蝕(shi)裂(lie)紋(wen)呈枯樹枝狀，大(da)體上沿著垂直于拉應力的(de)(de)方向發(fa)展。裂(lie)紋(wen)的(de)(de)微觀形態(tai)有穿(chuan)晶型(xing)、晶間型(xing)（沿晶型(xing)）和(he)兩者兼有的(de)(de)混合(he)型(xing)。

  應力的(de)來源，對(dui)于管(guan)道來說，焊(han)接、冷加工及安裝時殘余應力是主(zhu)要(yao)的(de)。

  并不是(shi)任何的(de)金屬與介質的(de)共同作用都引起應力(li)腐蝕(shi)破(po)裂(lie)。其中金屬材料只有在某些特定(ding)的(de)腐蝕(shi)環境中，才發生應力(li)腐蝕(shi)破(po)裂(lie)。表3-4列(lie)出了容易引起應力(li)腐蝕(shi)開裂(lie)的(de)管(guan)道金屬材料和腐蝕(shi)環境的(de)組合。

1. 堿脆 

  金(jin)屬在(zai)堿液(ye)中的應力腐(fu)蝕破(po)裂稱堿脆。碳(tan)鋼、低合(he)金(jin)鋼、不銹鋼等多種金(jin)屬材料皆(jie)可(ke)發生堿脆。碳(tan)鋼（含低合(he)金(jin)鋼）發生堿脆的趨勢如圖3-6所示。

  由圖3-6可知，氫氧化鈉(na)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)在(zai)(zai)5％以(yi)上的(de)(de)全部濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)范圍(wei)內碳(tan)(tan)鋼幾乎(hu)都可能產(chan)生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆，堿(jian)(jian)(jian)脆的(de)(de)最低(di)溫度(du)(du)(du)(du)為(wei)50℃，所需堿(jian)(jian)(jian)液的(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)為(wei)40％～50％，以(yi)沸點附近的(de)(de)高(gao)溫區(qu)最易(yi)發(fa)生(sheng)。裂紋呈晶(jing)間型(xing)。奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼發(fa)生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆的(de)(de)趨(qu)勢如圖3-7所示。氫氧化鈉(na)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)在(zai)(zai)0.1％以(yi)上的(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)時18-8型(xing)奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼即可發(fa)生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆。以(yi)氫氧化鈉(na)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)40％最危險(xian)，這(zhe)時發(fa)生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆的(de)(de)溫度(du)(du)(du)(du)為(wei)115℃左右。超低(di)碳(tan)(tan)不(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)堿(jian)(jian)(jian)脆裂紋為(wei)穿(chuan)晶(jing)型(xing)，含(han)碳(tan)(tan)量(liang)高(gao)時，堿(jian)(jian)(jian)脆裂紋則(ze)為(wei)晶(jing)間型(xing)或(huo)混合型(xing)。當奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼中加入2％鉬時，則(ze)可使其堿(jian)(jian)(jian)脆界限縮小，并向堿(jian)(jian)(jian)的(de)(de)高(gao)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)區(qu)域移動。鎳(nie)和鎳(nie)基合金具(ju)有(you)較高(gao)的(de)(de)耐應力腐蝕的(de)(de)性能，它(ta)的(de)(de)堿(jian)(jian)(jian)脆范圍(wei)變(bian)得(de)狹窄，而且位于高(gao)溫濃(nong)(nong)(nong)堿(jian)(jian)(jian)區(qu)。

2. 不銹鋼的氯(lv)離子應力腐蝕破裂 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔(kong)蝕(shi)，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(gang)氯離子應力腐蝕破裂(lie)不(bu)僅(jin)僅(jin)發生(sheng)在(zai)管(guan)道的(de)內(nei)壁(bi)(bi)，發生(sheng)在(zai)管(guan)道外(wai)壁(bi)(bi)的(de)事例也屢見(jian)不(bu)鮮，如圖3-8所示。

  作為管(guan)外側的(de)(de)腐蝕因素(su)，被認為是保(bao)(bao)溫(wen)材料的(de)(de)問題，對保(bao)(bao)溫(wen)材料進(jin)行(xing)分(fen)析的(de)(de)結(jie)果，被檢驗出含有約0.5％的(de)(de)氯離子。這個數(shu)值可認為是保(bao)(bao)溫(wen)材料中含有的(de)(de)雜(za)質，或由(you)于保(bao)(bao)溫(wen)層破損、浸(jin)入的(de)(de)雨水(shui)中帶入并經過(guo)濃縮的(de)(de)結(jie)果。

3. 不銹(xiu)鋼連多硫酸應力腐蝕破裂 

  以加氫脫硫裝置最為典型(xing)，不銹鋼連(lian)多硫酸(suan)的(de)應(ying)力腐(fu)蝕破裂頗(po)為引人關注。

  管道在正常運行時，受(shou)硫化(hua)氫腐蝕，生成(cheng)的(de)(de)硫化(hua)鐵，在停車(che)檢(jian)修時，與(yu)空氣中的(de)(de)氧及水(shui)反應生成(cheng)了連多硫酸。在Cr-Ni奧氏體不銹(xiu)鋼(gang)管道的(de)(de)殘余應力(li)較大的(de)(de)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(liu)化物腐蝕破裂(lie)

  ①. 金屬在(zai)同(tong)時含有硫(liu)化氫及水的(de)(de)介質中發(fa)生的(de)(de)應力腐蝕(shi)破(po)裂即為硫(liu)化物腐蝕(shi)破(po)裂，簡稱硫(liu)裂。在(zai)天然氣、石油采集，加工煉制，石油化學及化肥等工業部門(men)常常發(fa)生管道、閥(fa)門(men)硫(liu)裂事故。發(fa)生硫(liu)裂所需的(de)(de)時間短(duan)則(ze)幾天，長則(ze)幾個月到幾年不等，但(dan)是未(wei)見超過(guo)十年發(fa)生硫(liu)裂的(de)(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(ti)不銹鋼的硫裂，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）。

  對于碳鋼(gang)和低合金鋼(gang)來說，淬(cui)火(huo)十(shi)回火(huo)的金相組(zu)(zu)(zu)織(zhi)抗(kang)硫裂最好(hao)，未回火(huo)馬氏體(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)最差。鋼(gang)抗(kang)硫裂性能依(yi)淬(cui)火(huo)+回火(huo)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)→正(zheng)火(huo)十(shi)回火(huo)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)→正(zheng)火(huo)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)→未回火(huo)馬氏體(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)的順序遞降。

  鋼的(de)(de)強度越高，越易(yi)發生硫裂(lie)(lie)。鋼的(de)(de)硬度越高，越易(yi)發生硫裂(lie)(lie)。在發生硫裂(lie)(lie)的(de)(de)事(shi)故中，焊(han)縫(feng)特別是熔合線(xian)是最(zui)易(yi)發生破裂(lie)(lie)的(de)(de)部位(wei)，這是因(yin)為(wei)這里(li)的(de)(de)硬度最(zui)高。NACE對碳鋼焊(han)縫(feng)的(de)(de)硬度進行(xing)了嚴格的(de)(de)規(gui)定：≤200HB。這是因(yin)為(wei)焊(han)縫(feng)硬度的(de)(de)分(fen)布比母材(cai)復雜，所以對焊(han)縫(feng)硬度的(de)(de)規(gui)定比母材(cai)嚴格。焊(han)縫(feng)部位(wei)常發生破裂(lie)(lie)，一(yi)方(fang)(fang)面(mian)是由于焊(han)接殘余應(ying)力的(de)(de)作用，另(ling)一(yi)方(fang)(fang)面(mian)是焊(han)縫(feng)金屬、熔合線(xian)及(ji)熱影響區出(chu)現(xian)淬(cui)硬組織的(de)(de)結果。為(wei)防止硫裂(lie)(lie)，焊(han)后進行(xing)有效(xiao)的(de)(de)熱處理十分(fen)必(bi)要。

5. 氫損傷 

  氫(qing)(qing)滲(shen)透進入金屬內部(bu)而造成(cheng)金屬性能劣化稱為氫(qing)(qing)損傷，也稱氫(qing)(qing)破(po)壞(huai)。氫(qing)(qing)損傷可分(fen)為四種不同類型：氫(qing)(qing)鼓泡、氫(qing)(qing)脆(cui)、脫碳和氫(qing)(qing)腐蝕(shi)。

 ①. 氫鼓(gu)泡及氫誘發階梯裂(lie)紋。

  主要發生在(zai)含濕(shi)硫(liu)化(hua)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。

  氫鼓泡及氫誘發階梯(ti)裂紋一般發生在鋼(gang)板卷制(zhi)的管道上(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)應結果(guo)導(dao)致表面層的滲碳(tan)體(ti)減少，而碳(tan)便從鄰近的尚未反(fan)應的金屬層逐漸擴散到此(ci)反(fan)應區，于(yu)是有一定厚度的金屬層因(yin)缺碳(tan)而變為鐵素體(ti)。脫碳(tan)的結果(guo)造成鋼的表面強度和(he)疲勞極(ji)限的降(jiang)低。

 ④. 氫腐(fu)蝕

  鋼受到高溫(wen)高壓氫作用后，其力學性能劣化，強度、韌(ren)性明顯降低，并且是(shi)不可逆的，這種現象稱為氫腐(fu)蝕(shi)。

 氫腐(fu)蝕的(de)歷(li)程可用(yong)圖3-10來解釋。

  氫腐蝕的過程大致(zhi)可分為三(san)個階(jie)段：孕育期，鋼(gang)的性能(neng)沒有(you)變(bian)化；性能(neng)迅(xun)速(su)(su)(su)變(bian)化階(jie)段，迅(xun)速(su)(su)(su)脫(tuo)碳，裂紋快速(su)(su)(su)擴展；最后(hou)階(jie)段，固溶體(ti)中(zhong)碳已耗盡。

  氫腐(fu)蝕的(de)(de)孕(yun)育期是(shi)重要的(de)(de)，它往往決定了鋼的(de)(de)使用(yong)壽命。

  某(mou)氫(qing)壓力下(xia)產(chan)生氫(qing)腐蝕有一(yi)起始溫度(du)，它是衡量鋼(gang)材抗氫(qing)性能(neng)的(de)指標。低于這個溫度(du)氫(qing)腐蝕反應(ying)速(su)度(du)極慢，以(yi)致(zhi)孕育期超過正常使用壽命(ming)。碳鋼(gang)的(de)這一(yi)溫度(du)大(da)約在(zai)220℃左右。

  氫分壓也有一個起(qi)始點（碳鋼大約在1.4MPa左(zuo)右），即(ji)無論溫(wen)度多高，低(di)于此分壓，只發(fa)生表面(mian)脫碳而(er)不發(fa)生嚴(yan)重的氫腐蝕。

  各(ge)種(zhong)抗(kang)氫(qing)鋼(gang)發生(sheng)腐蝕的溫度和(he)壓(ya)力組合條件，就是著名的Nelson曲線(xian)（在很多管道(dao)器材選(xuan)用(yong)標準規(gui)范內均有此曲線(xian)圖，如SH/T 3059《石油化工管道(dao)設計器材選(xuan)用(yong)規(gui)范》）。

  冷加(jia)工變形(xing)，提高了碳(tan)、氫(qing)的擴散能(neng)力，對腐蝕起(qi)加(jia)速作用。

  某氮肥廠，氨(an)合成(cheng)塔出(chu)口至廢熱(re)鍋爐的高壓(ya)管道，工作(zuo)溫度320℃左右、工作(zuo)壓(ya)力(li)33MPa，工作(zuo)介質(zhi)為H2、N2、NH3混合氣(qi)，應按Nelson曲(qu)線選用抗氫鋼(gang)。其(qi)中有(you)一異徑短管，由于錯用了普通(tong)碳鋼(gang)，使(shi)用不久便(bian)因氫腐蝕而破裂，造成(cheng)惡(e)性事故(gu)，損失(shi)非常慘重。