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(li)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(ying)力腐蝕裂(lie)紋(wen)呈枯樹枝(zhi)狀，大體上(shang)沿著垂直于拉應(ying)力的(de)(de)方向發展。裂(lie)紋(wen)的(de)(de)微觀(guan)形(xing)態有(you)穿晶(jing)(jing)型、晶(jing)(jing)間型（沿晶(jing)(jing)型）和(he)兩者兼有(you)的(de)(de)混(hun)合型。

  應力的來(lai)源，對于(yu)管道(dao)來(lai)說，焊接、冷加(jia)工及安裝時殘(can)余(yu)應力是主要的。

  并(bing)不(bu)是(shi)任何的金屬(shu)與介質(zhi)的共同(tong)作用都引起應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)破裂。其中金屬(shu)材料只有在某些特定的腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)環(huan)境中，才發生應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)破裂。表3-4列(lie)出了(le)容易引起應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)開裂的管道金屬(shu)材料和腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)環(huan)境的組合(he)。

1. 堿脆 

  金(jin)屬在堿液中的應(ying)力(li)腐蝕破裂稱堿脆。碳(tan)鋼(gang)(gang)、低合(he)金(jin)鋼(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)等多種金(jin)屬材(cai)料(liao)皆可(ke)發生堿脆。碳(tan)鋼(gang)(gang)（含(han)低合(he)金(jin)鋼(gang)(gang)）發生堿脆的趨勢如圖3-6所(suo)示(shi)。

  由圖(tu)3-6可知，氫氧(yang)(yang)化鈉濃度在5％以上的(de)(de)(de)全(quan)部濃度范(fan)圍內碳鋼幾乎都可能產生(sheng)堿(jian)(jian)脆(cui)，堿(jian)(jian)脆(cui)的(de)(de)(de)最(zui)低溫度為(wei)(wei)50℃，所需堿(jian)(jian)液(ye)的(de)(de)(de)濃度為(wei)(wei)40％～50％，以沸點(dian)附近的(de)(de)(de)高溫區(qu)最(zui)易發(fa)生(sheng)。裂紋呈晶間(jian)型。奧氏(shi)體不銹鋼發(fa)生(sheng)堿(jian)(jian)脆(cui)的(de)(de)(de)趨勢如圖(tu)3-7所示。氫氧(yang)(yang)化鈉濃度在0.1％以上的(de)(de)(de)濃度時(shi)18-8型奧氏(shi)體不銹鋼即可發(fa)生(sheng)堿(jian)(jian)脆(cui)。以氫氧(yang)(yang)化鈉濃度40％最(zui)危險，這時(shi)發(fa)生(sheng)堿(jian)(jian)脆(cui)的(de)(de)(de)溫度為(wei)(wei)115℃左右。超低碳不銹鋼的(de)(de)(de)堿(jian)(jian)脆(cui)裂紋為(wei)(wei)穿晶型，含碳量高時(shi)，堿(jian)(jian)脆(cui)裂紋則為(wei)(wei)晶間(jian)型或混(hun)合(he)型。當奧氏(shi)體不銹鋼中加入2％鉬時(shi)，則可使(shi)其(qi)堿(jian)(jian)脆(cui)界限縮小，并向(xiang)堿(jian)(jian)的(de)(de)(de)高濃度區(qu)域(yu)移動。鎳和鎳基合(he)金(jin)具有(you)較高的(de)(de)(de)耐(nai)應力腐蝕(shi)的(de)(de)(de)性能，它的(de)(de)(de)堿(jian)(jian)脆(cui)范(fan)圍變得狹窄，而(er)且位于高溫濃堿(jian)(jian)區(qu)。

2. 不銹(xiu)鋼(gang)的(de)氯離子應力腐蝕破裂 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔(kong)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(zi)應力腐蝕(shi)破(po)裂不(bu)僅僅發(fa)生(sheng)在(zai)管道的(de)內壁，發(fa)生(sheng)在(zai)管道外(wai)壁的(de)事例(li)也屢見(jian)不(bu)鮮，如圖3-8所示。

  作為(wei)管外(wai)側(ce)的(de)腐蝕因素，被認為(wei)是保(bao)溫(wen)(wen)材料的(de)問題，對保(bao)溫(wen)(wen)材料進行分析的(de)結果，被檢驗出(chu)含有(you)約0.5％的(de)氯離子。這個數值可(ke)認為(wei)是保(bao)溫(wen)(wen)材料中(zhong)含有(you)的(de)雜(za)質，或由(you)于保(bao)溫(wen)(wen)層破損、浸入的(de)雨水中(zhong)帶入并經過(guo)濃縮的(de)結果。

3. 不銹鋼(gang)連(lian)多硫酸應力腐蝕破裂 

  以加(jia)氫脫硫裝置最為典型，不(bu)銹鋼(gang)連多硫酸(suan)的應力腐蝕破裂頗為引(yin)人關注。

  管(guan)(guan)(guan)道(dao)在正常(chang)運(yun)行時，受硫化氫腐蝕(shi)，生(sheng)成的(de)硫化鐵，在停車檢修(xiu)時，與空氣中的(de)氧及水反應生(sheng)成了連(lian)多(duo)硫酸。在Cr-Ni奧氏體不銹鋼管(guan)(guan)(guan)道(dao)的(de)殘余應力較大的(de)部位（焊縫(feng)熱影響區、彎(wan)管(guan)(guan)(guan)部位等）產(chan)生(sheng)應力腐蝕(shi)裂紋。

4. 硫化物腐(fu)蝕破(po)裂(lie)

  ①. 金(jin)屬(shu)在同時含(han)有硫化氫及水(shui)的(de)介質中發生的(de)應力腐(fu)蝕破裂即為硫化物腐(fu)蝕破裂，簡稱(cheng)硫裂。在天然氣、石油(you)采集(ji)，加工煉制(zhi)，石油(you)化學及化肥等(deng)工業部門常(chang)常(chang)發生管道、閥門硫裂事故。發生硫裂所需的(de)時間短則(ze)幾天，長(chang)則(ze)幾個月到幾年不等(deng)，但是未見超過十年發生硫裂的(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(ti)不(bu)銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L不銹鋼(gang)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(yu)碳鋼和低合金鋼來說，淬火(huo)十(shi)(shi)回(hui)火(huo)的(de)金相組織抗硫(liu)裂最好，未(wei)回(hui)火(huo)馬氏(shi)體(ti)組織最差。鋼抗硫(liu)裂性能依淬火(huo)+回(hui)火(huo)組織→正(zheng)火(huo)十(shi)(shi)回(hui)火(huo)組織→正(zheng)火(huo)組織→未(wei)回(hui)火(huo)馬氏(shi)體(ti)組織的(de)順(shun)序遞降。

  鋼(gang)的(de)(de)(de)強度(du)越高(gao)，越易發(fa)(fa)生硫裂(lie)。鋼(gang)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)度(du)越高(gao)，越易發(fa)(fa)生硫裂(lie)。在(zai)發(fa)(fa)生硫裂(lie)的(de)(de)(de)事故中，焊(han)縫(feng)特別是熔合線是最易發(fa)(fa)生破(po)裂(lie)的(de)(de)(de)部位(wei)，這是因為這里的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)度(du)最高(gao)。NACE對(dui)碳鋼(gang)焊(han)縫(feng)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)度(du)進行(xing)(xing)了(le)嚴格(ge)(ge)的(de)(de)(de)規定：≤200HB。這是因為焊(han)縫(feng)硬(ying)(ying)度(du)的(de)(de)(de)分(fen)布比母材復雜(za)，所以對(dui)焊(han)縫(feng)硬(ying)(ying)度(du)的(de)(de)(de)規定比母材嚴格(ge)(ge)。焊(han)縫(feng)部位(wei)常發(fa)(fa)生破(po)裂(lie)，一(yi)方(fang)面(mian)是由于(yu)焊(han)接殘余應力(li)的(de)(de)(de)作用(yong)，另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)是焊(han)縫(feng)金屬(shu)、熔合線及(ji)熱影響區出現淬硬(ying)(ying)組織的(de)(de)(de)結果。為防止硫裂(lie)，焊(han)后(hou)進行(xing)(xing)有(you)效的(de)(de)(de)熱處理(li)十分(fen)必要。

5. 氫損傷 

  氫(qing)滲(shen)透進入金(jin)屬(shu)內部而造成(cheng)金(jin)屬(shu)性能劣化稱(cheng)為(wei)氫(qing)損傷，也(ye)稱(cheng)氫(qing)破(po)壞。氫(qing)損傷可分(fen)為(wei)四種不同類型(xing)：氫(qing)鼓泡(pao)、氫(qing)脆、脫碳和(he)氫(qing)腐蝕。

 ①. 氫鼓(gu)泡及氫誘(you)發階梯裂紋。

  主要(yao)發生(sheng)在含濕(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。

  氫鼓泡及氫誘(you)發階梯(ti)裂紋一般發生在鋼板卷(juan)制(zhi)的管(guan)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(cui)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)應結果導致表(biao)面層(ceng)的(de)滲碳體減(jian)少，而(er)碳便從鄰近的(de)尚未反(fan)應的(de)金屬層(ceng)逐(zhu)漸擴散到此反(fan)應區，于是有一定厚(hou)度的(de)金屬層(ceng)因缺碳而(er)變為鐵素體。脫碳的(de)結果造成(cheng)鋼的(de)表(biao)面強度和疲勞極限的(de)降低。

 ④. 氫腐蝕

  鋼受到高溫高壓氫作用后，其(qi)力學(xue)性能劣化(hua)，強度、韌性明顯降低，并且是不可逆的，這種現(xian)象稱為氫腐蝕。

 氫腐蝕的歷程可用圖3-10來解釋(shi)。

  氫(qing)腐蝕的過程大致可(ke)分為三(san)個階(jie)段：孕育期，鋼的性(xing)能沒有變化；性(xing)能迅速(su)變化階(jie)段，迅速(su)脫碳(tan)，裂紋快速(su)擴展；最后階(jie)段，固溶體中碳(tan)已耗盡。

  氫(qing)腐蝕的(de)孕(yun)育期是(shi)重要的(de)，它往往決定了鋼的(de)使用壽命。

  某氫壓力下產生(sheng)氫腐(fu)蝕有一起始(shi)溫度，它是衡(heng)量(liang)鋼(gang)材抗氫性能的(de)指(zhi)標。低于這個(ge)溫度氫腐(fu)蝕反(fan)應速度極慢，以(yi)致孕(yun)育期超過正常使用壽命。碳(tan)鋼(gang)的(de)這一溫度大約在220℃左(zuo)右。

  氫(qing)分(fen)壓也有一個起始點（碳(tan)鋼大約(yue)在(zai)1.4MPa左右），即(ji)無論溫度(du)多(duo)高，低(di)于此分(fen)壓，只發生(sheng)表面脫碳(tan)而不發生(sheng)嚴(yan)重(zhong)的氫(qing)腐蝕。

  各種抗氫(qing)鋼發生腐蝕的(de)溫度和壓力組合條件，就是著名的(de)Nelson曲線(xian)（在很多管道(dao)器材選用標準規范(fan)內均有此曲線(xian)圖，如SH/T 3059《石油化工管道(dao)設計器材選用規范(fan)》）。

  冷加工變形，提高(gao)了碳、氫的擴散能(neng)力，對(dui)腐蝕起加速(su)作用(yong)。

  某(mou)氮肥廠，氨合成(cheng)(cheng)塔出口至廢熱鍋爐(lu)的高壓管道，工(gong)作(zuo)溫度320℃左右、工(gong)作(zuo)壓力33MPa，工(gong)作(zuo)介(jie)質為H2、N2、NH3混合氣，應(ying)按Nelson曲線選用抗氫(qing)鋼。其中有(you)一異徑短管，由于(yu)錯(cuo)用了普通(tong)碳鋼，使用不久便因(yin)氫(qing)腐蝕而破(po)裂，造成(cheng)(cheng)惡(e)性事故，損失非常慘重(zhong)。