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(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。

  應力腐蝕裂(lie)(lie)紋呈枯(ku)樹枝(zhi)狀，大體上沿著(zhu)垂直于拉應力的(de)方向發展(zhan)。裂(lie)(lie)紋的(de)微觀形態有穿(chuan)晶(jing)(jing)型(xing)、晶(jing)(jing)間型(xing)（沿晶(jing)(jing)型(xing)）和兩者兼有的(de)混(hun)合型(xing)。

  應力(li)的來源，對于管道(dao)來說，焊接、冷加(jia)工及安裝時殘余應力(li)是主要的。

  并不是任何的金屬與介質的共同作(zuo)用(yong)都引(yin)起應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)破裂(lie)。其中金屬材料只有在(zai)某些特定的腐(fu)蝕(shi)環(huan)境(jing)中，才(cai)發生應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)破裂(lie)。表3-4列出了(le)容(rong)易引(yin)起應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)開裂(lie)的管道(dao)金屬材料和腐(fu)蝕(shi)環(huan)境(jing)的組合。

1. 堿脆 

  金(jin)(jin)屬在堿(jian)(jian)(jian)液中(zhong)的應力腐蝕(shi)破裂稱堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)。碳(tan)鋼(gang)、低(di)合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)、不銹鋼(gang)等多種金(jin)(jin)屬材料皆可發(fa)生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)。碳(tan)鋼(gang)（含低(di)合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)）發(fa)生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)的趨勢如圖3-6所示。

  由(you)圖3-6可知，氫氧(yang)化(hua)(hua)鈉(na)濃(nong)(nong)度(du)在5％以(yi)(yi)上的(de)(de)全部濃(nong)(nong)度(du)范圍(wei)內碳鋼幾乎(hu)都(dou)可能產生堿(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)，堿(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)的(de)(de)最(zui)(zui)低溫(wen)度(du)為(wei)(wei)(wei)50℃，所需堿(jian)(jian)液的(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)為(wei)(wei)(wei)40％～50％，以(yi)(yi)沸(fei)點附(fu)近的(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)區最(zui)(zui)易發生。裂紋呈晶(jing)間型(xing)(xing)。奧(ao)(ao)氏體不銹(xiu)鋼發生堿(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)的(de)(de)趨(qu)勢如(ru)圖3-7所示。氫氧(yang)化(hua)(hua)鈉(na)濃(nong)(nong)度(du)在0.1％以(yi)(yi)上的(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)時(shi)18-8型(xing)(xing)奧(ao)(ao)氏體不銹(xiu)鋼即可發生堿(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)。以(yi)(yi)氫氧(yang)化(hua)(hua)鈉(na)濃(nong)(nong)度(du)40％最(zui)(zui)危險，這時(shi)發生堿(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)的(de)(de)溫(wen)度(du)為(wei)(wei)(wei)115℃左(zuo)右。超低碳不銹(xiu)鋼的(de)(de)堿(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)裂紋為(wei)(wei)(wei)穿(chuan)晶(jing)型(xing)(xing)，含碳量高(gao)(gao)時(shi)，堿(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)裂紋則為(wei)(wei)(wei)晶(jing)間型(xing)(xing)或混合型(xing)(xing)。當(dang)奧(ao)(ao)氏體不銹(xiu)鋼中(zhong)加入2％鉬時(shi)，則可使其(qi)堿(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)界限(xian)縮小，并(bing)向堿(jian)(jian)的(de)(de)高(gao)(gao)濃(nong)(nong)度(du)區域移動。鎳和鎳基合金(jin)具有較高(gao)(gao)的(de)(de)耐應力腐蝕的(de)(de)性(xing)能，它的(de)(de)堿(jian)(jian)脆(cui)(cui)(cui)范圍(wei)變得狹(xia)窄(zhai)，而且位于高(gao)(gao)溫(wen)濃(nong)(nong)堿(jian)(jian)區。

2. 不銹鋼的氯離子應力腐蝕破裂 

 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)(bu)銹鋼氯離子(zi)應力腐蝕破裂不(bu)(bu)僅僅發(fa)生在(zai)管道的(de)內(nei)壁(bi)，發(fa)生在(zai)管道外壁(bi)的(de)事例也屢見不(bu)(bu)鮮，如圖3-8所示。

  作(zuo)為管外側的(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)因素，被認為是(shi)保溫(wen)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)問(wen)題，對(dui)保溫(wen)材(cai)料(liao)進行分析的(de)(de)(de)結(jie)果，被檢(jian)驗出含有約0.5％的(de)(de)(de)氯離子。這個數值可(ke)認為是(shi)保溫(wen)材(cai)料(liao)中(zhong)含有的(de)(de)(de)雜質，或由于保溫(wen)層破損(sun)、浸入(ru)的(de)(de)(de)雨水中(zhong)帶入(ru)并經過濃(nong)縮的(de)(de)(de)結(jie)果。

3. 不銹鋼連多硫酸應力腐蝕破裂 

  以加氫脫硫裝置最為(wei)典型，不銹(xiu)鋼(gang)連(lian)多(duo)硫酸的(de)應力(li)腐蝕(shi)破裂(lie)頗為(wei)引人關注(zhu)。

  管道在(zai)正常(chang)運行(xing)時，受硫化氫腐蝕，生(sheng)成(cheng)的硫化鐵，在(zai)停車檢修時，與空氣中的氧(yang)及水反(fan)應(ying)生(sheng)成(cheng)了連多(duo)硫酸。在(zai)Cr-Ni奧(ao)氏體不銹鋼(gang)管道的殘余應(ying)力(li)較(jiao)大的部位（焊縫熱影響區、彎管部位等）產生(sheng)應(ying)力(li)腐蝕裂紋。

4. 硫化物腐蝕破裂

  ①. 金屬在(zai)同時(shi)含(han)有硫(liu)(liu)化氫(qing)及水的介質(zhi)中發(fa)(fa)生的應力腐蝕破(po)裂即為(wei)硫(liu)(liu)化物腐蝕破(po)裂，簡稱硫(liu)(liu)裂。在(zai)天(tian)然氣、石油(you)采集(ji)，加工(gong)煉制，石油(you)化學及化肥等(deng)工(gong)業(ye)部(bu)門常常發(fa)(fa)生管道、閥門硫(liu)(liu)裂事故(gu)。發(fa)(fa)生硫(liu)(liu)裂所(suo)需的時(shi)間短(duan)則幾天(tian)，長則幾個月到幾年(nian)(nian)不等(deng)，但是未見超(chao)過十年(nian)(nian)發(fa)(fa)生硫(liu)(liu)裂的事例(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(gang)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(di)合金鋼(gang)來說，淬火十回火的金相組(zu)織(zhi)抗硫裂最好，未(wei)回火馬(ma)氏體(ti)組(zu)織(zhi)最差(cha)。鋼(gang)抗硫裂性能依(yi)淬火+回火組(zu)織(zhi)→正火十回火組(zu)織(zhi)→正火組(zu)織(zhi)→未(wei)回火馬(ma)氏體(ti)組(zu)織(zhi)的順序(xu)遞降(jiang)。

  鋼的(de)(de)(de)強度(du)越高(gao)，越易發(fa)生(sheng)硫(liu)裂(lie)(lie)。鋼的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)越高(gao)，越易發(fa)生(sheng)硫(liu)裂(lie)(lie)。在發(fa)生(sheng)硫(liu)裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)事故中，焊(han)縫(feng)特(te)別是(shi)(shi)熔合線是(shi)(shi)最易發(fa)生(sheng)破裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)部位，這是(shi)(shi)因為這里的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)最高(gao)。NACE對(dui)碳(tan)鋼焊(han)縫(feng)的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)進行了嚴(yan)格的(de)(de)(de)規定：≤200HB。這是(shi)(shi)因為焊(han)縫(feng)硬(ying)度(du)的(de)(de)(de)分布比(bi)母材復雜，所以對(dui)焊(han)縫(feng)硬(ying)度(du)的(de)(de)(de)規定比(bi)母材嚴(yan)格。焊(han)縫(feng)部位常(chang)發(fa)生(sheng)破裂(lie)(lie)，一方面是(shi)(shi)由于焊(han)接殘余應力的(de)(de)(de)作(zuo)用，另(ling)一方面是(shi)(shi)焊(han)縫(feng)金屬、熔合線及熱影響(xiang)區出現淬硬(ying)組織的(de)(de)(de)結果。為防止硫(liu)裂(lie)(lie)，焊(han)后(hou)進行有效的(de)(de)(de)熱處理十分必要。

5. 氫損傷 

  氫(qing)(qing)滲透進入金(jin)屬內部而造成金(jin)屬性能劣(lie)化稱為(wei)氫(qing)(qing)損傷，也稱氫(qing)(qing)破(po)壞。氫(qing)(qing)損傷可(ke)分為(wei)四種不(bu)同(tong)類(lei)型：氫(qing)(qing)鼓泡、氫(qing)(qing)脆、脫(tuo)碳(tan)和氫(qing)(qing)腐蝕。

 ①. 氫鼓(gu)泡及氫誘發階梯裂紋。

  主要發生在(zai)含(han)濕硫(liu)化氫的介質中。

  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(qing)鼓泡及氫(qing)誘發階(jie)梯裂(lie)紋一般發生在鋼板卷制的管(guan)道(dao)上。

 ②. 氫(qing)脆(cui)

  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(ying)(ying)結果導致表面層的(de)滲(shen)碳(tan)體(ti)減少，而碳(tan)便(bian)從鄰近的(de)尚未反應(ying)(ying)的(de)金屬(shu)層逐漸擴散到此反應(ying)(ying)區，于是有一定厚度的(de)金屬(shu)層因缺碳(tan)而變為鐵(tie)素體(ti)。脫碳(tan)的(de)結果造成鋼的(de)表面強(qiang)度和疲勞(lao)極限(xian)的(de)降低(di)。

 ④. 氫腐蝕

  鋼受到高(gao)溫高(gao)壓(ya)氫作用后，其力學性能劣化，強(qiang)度(du)、韌性明顯降低，并(bing)且是不可逆(ni)的，這種現象(xiang)稱為氫腐蝕(shi)。

 氫腐蝕的(de)歷程可用(yong)圖3-10來解釋。

  氫腐蝕的過程大致可分為三個階段：孕(yun)育(yu)期，鋼的性能(neng)沒有變化(hua)；性能(neng)迅速變化(hua)階段，迅速脫碳，裂紋快速擴(kuo)展(zhan)；最后(hou)階段，固溶體(ti)中碳已耗盡(jin)。

  氫腐蝕的孕育期(qi)是(shi)重要的，它往往決定了鋼的使用壽命(ming)。

  某氫壓力(li)下產生氫腐(fu)蝕有一起始(shi)溫度(du)，它是衡(heng)量(liang)鋼材抗氫性能的指標(biao)。低于這(zhe)(zhe)個溫度(du)氫腐(fu)蝕反應速度(du)極慢(man)，以致孕育期超過(guo)正(zheng)常使用壽命(ming)。碳鋼的這(zhe)(zhe)一溫度(du)大(da)約(yue)在220℃左右。

  氫(qing)(qing)分壓(ya)也有一個起始(shi)點（碳鋼大約在1.4MPa左右(you)），即(ji)無論溫(wen)度多(duo)高，低于此分壓(ya)，只(zhi)發(fa)生表面脫碳而(er)不發(fa)生嚴重的(de)氫(qing)(qing)腐蝕(shi)。

  各種(zhong)抗(kang)氫鋼發生腐(fu)蝕的溫(wen)度和壓(ya)力組合(he)條件，就(jiu)是著名(ming)的Nelson曲(qu)線（在很多管道器(qi)材(cai)選用(yong)標準規范(fan)內均(jun)有此曲(qu)線圖，如(ru)SH/T 3059《石油化工(gong)管道設計器(qi)材(cai)選用(yong)規范(fan)》）。

  冷加工變形，提高了碳、氫的擴散(san)能力，對腐蝕起加速作用。

  某氮肥廠(chang)，氨合成(cheng)塔出口至廢(fei)熱鍋爐的高(gao)壓管(guan)道，工作溫度320℃左右、工作壓力33MPa，工作介質為H2、N2、NH3混合氣，應按Nelson曲線選用(yong)抗(kang)氫鋼(gang)。其中有一異徑短管(guan)，由于錯用(yong)了(le)普(pu)通(tong)碳鋼(gang)，使(shi)用(yong)不久便因氫腐蝕(shi)而破裂，造成(cheng)惡性事故(gu)，損(sun)失非常慘重(zhong)。