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(lie)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(li)腐蝕裂紋(wen)呈枯樹(shu)枝狀，大體上沿(yan)著垂直于拉應(ying)力(li)的(de)方向(xiang)發展。裂紋(wen)的(de)微觀形態有(you)穿晶型、晶間型（沿(yan)晶型）和兩者(zhe)兼(jian)有(you)的(de)混合型。

  應力(li)的來(lai)源，對于管道(dao)來(lai)說(shuo)，焊(han)接、冷(leng)加工及安裝時(shi)殘余應力(li)是主(zhu)要的。

  并不是任(ren)何(he)的金屬(shu)與介質的共同作(zuo)用都引起(qi)應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)破(po)裂。其中金屬(shu)材料只有在某些特定的腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)環境中，才發生應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)破(po)裂。表3-4列(lie)出了容易引起(qi)應(ying)力腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)開裂的管道金屬(shu)材料和腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)環境的組合(he)。

1. 堿脆 

  金(jin)屬在堿(jian)(jian)(jian)液中的應力腐蝕(shi)破裂稱堿(jian)(jian)(jian)脆。碳鋼(gang)、低合(he)金(jin)鋼(gang)、不銹鋼(gang)等多種金(jin)屬材料皆可(ke)發生堿(jian)(jian)(jian)脆。碳鋼(gang)（含低合(he)金(jin)鋼(gang)）發生堿(jian)(jian)(jian)脆的趨(qu)勢如圖3-6所示(shi)。

  由(you)圖(tu)3-6可(ke)知，氫氧(yang)化鈉濃度(du)(du)(du)在(zai)5％以(yi)上的(de)(de)(de)(de)全部濃度(du)(du)(du)范圍(wei)內(nei)碳(tan)鋼幾乎(hu)都可(ke)能(neng)產生(sheng)堿(jian)脆(cui)，堿(jian)脆(cui)的(de)(de)(de)(de)最(zui)低溫(wen)度(du)(du)(du)為(wei)(wei)50℃，所需堿(jian)液的(de)(de)(de)(de)濃度(du)(du)(du)為(wei)(wei)40％～50％，以(yi)沸點(dian)附(fu)近的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)區最(zui)易發(fa)生(sheng)。裂(lie)紋(wen)呈晶(jing)間型(xing)(xing)。奧氏體不銹(xiu)鋼發(fa)生(sheng)堿(jian)脆(cui)的(de)(de)(de)(de)趨勢如圖(tu)3-7所示(shi)。氫氧(yang)化鈉濃度(du)(du)(du)在(zai)0.1％以(yi)上的(de)(de)(de)(de)濃度(du)(du)(du)時(shi)18-8型(xing)(xing)奧氏體不銹(xiu)鋼即可(ke)發(fa)生(sheng)堿(jian)脆(cui)。以(yi)氫氧(yang)化鈉濃度(du)(du)(du)40％最(zui)危險，這(zhe)時(shi)發(fa)生(sheng)堿(jian)脆(cui)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)為(wei)(wei)115℃左(zuo)右。超低碳(tan)不銹(xiu)鋼的(de)(de)(de)(de)堿(jian)脆(cui)裂(lie)紋(wen)為(wei)(wei)穿晶(jing)型(xing)(xing)，含碳(tan)量高時(shi)，堿(jian)脆(cui)裂(lie)紋(wen)則為(wei)(wei)晶(jing)間型(xing)(xing)或混合(he)型(xing)(xing)。當奧氏體不銹(xiu)鋼中加入2％鉬時(shi)，則可(ke)使其堿(jian)脆(cui)界限縮(suo)小，并(bing)向(xiang)堿(jian)的(de)(de)(de)(de)高濃度(du)(du)(du)區域移動。鎳(nie)和鎳(nie)基合(he)金具有較高的(de)(de)(de)(de)耐應力腐(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)(de)性能(neng)，它的(de)(de)(de)(de)堿(jian)脆(cui)范圍(wei)變(bian)得(de)狹窄，而且(qie)位于高溫(wen)濃堿(jian)區。

2. 不銹鋼的氯離子應力腐蝕破(po)裂 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不(bu)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(lv)離子(zi)應力腐蝕破裂不(bu)僅僅發生在管(guan)道的(de)內(nei)壁，發生在管(guan)道外(wai)壁的(de)事例也屢見不(bu)鮮，如(ru)圖(tu)3-8所(suo)示。

  作為管外側的(de)(de)腐蝕因素，被認為是保(bao)溫(wen)(wen)材(cai)料的(de)(de)問(wen)題(ti)，對保(bao)溫(wen)(wen)材(cai)料進行分析的(de)(de)結(jie)果(guo)，被檢(jian)驗出含有約0.5％的(de)(de)氯離子。這個數值可認為是保(bao)溫(wen)(wen)材(cai)料中含有的(de)(de)雜質，或由于保(bao)溫(wen)(wen)層破損(sun)、浸入的(de)(de)雨水中帶入并經過(guo)濃縮的(de)(de)結(jie)果(guo)。

3. 不(bu)銹鋼連多硫酸應力腐蝕破裂 

  以加(jia)氫脫硫(liu)裝置最為(wei)典型，不銹鋼(gang)連(lian)多硫(liu)酸(suan)的應(ying)力腐蝕破裂(lie)頗(po)為(wei)引(yin)人關(guan)注。

  管道在正常運行時，受硫化氫腐(fu)蝕，生成的(de)硫化鐵(tie)，在停車檢修時，與空氣中的(de)氧及水反應(ying)生成了連多硫酸(suan)。在Cr-Ni奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼管道的(de)殘(can)余應(ying)力較大的(de)部(bu)位(wei)（焊縫熱影響(xiang)區、彎管部(bu)位(wei)等）產生應(ying)力腐(fu)蝕裂(lie)紋。

4. 硫化物(wu)腐蝕破裂

  ①. 金屬在同時(shi)含有硫化(hua)氫(qing)及水的(de)(de)介質中發生(sheng)的(de)(de)應力腐蝕破裂(lie)(lie)即為硫化(hua)物(wu)腐蝕破裂(lie)(lie)，簡稱硫裂(lie)(lie)。在天然氣、石油采集(ji)，加(jia)工煉制，石油化(hua)學及化(hua)肥(fei)等工業部(bu)門常(chang)常(chang)發生(sheng)管道(dao)、閥門硫裂(lie)(lie)事故。發生(sheng)硫裂(lie)(lie)所需(xu)的(de)(de)時(shi)間短(duan)則幾(ji)天，長則幾(ji)個(ge)月到幾(ji)年(nian)不(bu)等，但(dan)是(shi)未見超過十(shi)年(nian)發生(sheng)硫裂(lie)(lie)的(de)(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。對于奧氏體不銹(xiu)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）。

  對于碳鋼和(he)低合金鋼來說，淬(cui)火(huo)(huo)十回火(huo)(huo)的(de)金相組(zu)織(zhi)(zhi)抗硫裂(lie)最好，未回火(huo)(huo)馬氏體組(zu)織(zhi)(zhi)最差。鋼抗硫裂(lie)性能依淬(cui)火(huo)(huo)+回火(huo)(huo)組(zu)織(zhi)(zhi)→正(zheng)(zheng)火(huo)(huo)十回火(huo)(huo)組(zu)織(zhi)(zhi)→正(zheng)(zheng)火(huo)(huo)組(zu)織(zhi)(zhi)→未回火(huo)(huo)馬氏體組(zu)織(zhi)(zhi)的(de)順(shun)序(xu)遞(di)降。

  鋼的(de)(de)(de)(de)強度越(yue)高，越(yue)易(yi)發(fa)(fa)生硫(liu)裂(lie)(lie)。鋼的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度越(yue)高，越(yue)易(yi)發(fa)(fa)生硫(liu)裂(lie)(lie)。在發(fa)(fa)生硫(liu)裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)事故(gu)中，焊(han)縫(feng)特別(bie)是(shi)熔(rong)合線(xian)是(shi)最易(yi)發(fa)(fa)生破(po)裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)部位(wei)，這是(shi)因為這里的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度最高。NACE對碳鋼焊(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度進(jin)行了嚴格(ge)的(de)(de)(de)(de)規(gui)定(ding)：≤200HB。這是(shi)因為焊(han)縫(feng)硬(ying)度的(de)(de)(de)(de)分布比母材復雜(za)，所以對焊(han)縫(feng)硬(ying)度的(de)(de)(de)(de)規(gui)定(ding)比母材嚴格(ge)。焊(han)縫(feng)部位(wei)常發(fa)(fa)生破(po)裂(lie)(lie)，一(yi)方面是(shi)由(you)于(yu)焊(han)接殘余應力的(de)(de)(de)(de)作用，另一(yi)方面是(shi)焊(han)縫(feng)金(jin)屬、熔(rong)合線(xian)及熱影響區出現淬硬(ying)組織的(de)(de)(de)(de)結果。為防止硫(liu)裂(lie)(lie)，焊(han)后進(jin)行有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)熱處理十分必(bi)要。

5. 氫(qing)損傷 

  氫(qing)(qing)滲(shen)透進入金(jin)屬(shu)內部而(er)造成(cheng)金(jin)屬(shu)性能劣化稱為氫(qing)(qing)損(sun)傷，也稱氫(qing)(qing)破壞。氫(qing)(qing)損(sun)傷可分(fen)為四種不(bu)同類型：氫(qing)(qing)鼓(gu)泡、氫(qing)(qing)脆、脫碳(tan)和氫(qing)(qing)腐(fu)蝕。

 ①. 氫(qing)鼓泡及氫(qing)誘發(fa)階梯裂紋。

  主要發生在(zai)含濕硫(liu)化氫的介質中(zhong)。

  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(ji)氫誘發階(jie)梯裂紋一(yi)般發生在(zai)鋼(gang)板卷制的管(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(jie)(jie)果導致表(biao)面層(ceng)的(de)(de)滲碳體減少，而(er)碳便(bian)從鄰近的(de)(de)尚未反應的(de)(de)金屬層(ceng)逐(zhu)漸擴散到此反應區，于(yu)是(shi)有一定厚度的(de)(de)金屬層(ceng)因(yin)缺碳而(er)變為鐵素(su)體。脫(tuo)碳的(de)(de)結(jie)(jie)果造成(cheng)鋼的(de)(de)表(biao)面強(qiang)度和疲勞(lao)極限的(de)(de)降低。

 ④. 氫腐蝕(shi)

  鋼受到高溫高壓(ya)氫(qing)作用后，其力(li)學性能劣化，強度、韌性明顯降低，并且是不可逆的，這種現象稱(cheng)為(wei)氫(qing)腐蝕。

 氫(qing)腐蝕的歷程(cheng)可用(yong)圖(tu)3-10來解(jie)釋。

  氫腐蝕的過程大(da)致可分為三個階(jie)段：孕育期，鋼的性能沒(mei)有變化；性能迅速(su)變化階(jie)段，迅速(su)脫碳，裂紋快(kuai)速(su)擴展；最后(hou)階(jie)段，固溶體(ti)中碳已耗盡。

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

  某氫(qing)壓(ya)力下產生氫(qing)腐蝕(shi)有(you)一起始溫(wen)度(du)，它(ta)是衡量(liang)鋼(gang)材抗氫(qing)性(xing)能的指(zhi)標。低于(yu)這個溫(wen)度(du)氫(qing)腐蝕(shi)反應(ying)速度(du)極(ji)慢，以致孕育期超(chao)過正常使用壽命。碳鋼(gang)的這一溫(wen)度(du)大約在220℃左右(you)。

  氫分(fen)壓(ya)也有一個起始(shi)點（碳鋼大約在1.4MPa左右），即無論溫度(du)多高，低于此分(fen)壓(ya)，只發(fa)(fa)生表面脫碳而(er)不(bu)發(fa)(fa)生嚴重的氫腐(fu)蝕(shi)。

  各(ge)種抗氫(qing)鋼發生腐(fu)蝕的溫度和壓力(li)組合條件，就(jiu)是(shi)著(zhu)名的Nelson曲線(xian)（在很多管道器材選用標準規(gui)范(fan)內均有此(ci)曲線(xian)圖，如SH/T 3059《石(shi)油化工管道設計器材選用規(gui)范(fan)》）。

  冷加工變形，提高了碳(tan)、氫的擴(kuo)散能(neng)力，對(dui)腐蝕(shi)起加速作用(yong)。

  某氮肥廠，氨合(he)成(cheng)(cheng)塔出口(kou)至廢(fei)熱鍋爐(lu)的高壓管道(dao)，工作溫(wen)度320℃左右、工作壓力(li)33MPa，工作介質為(wei)H2、N2、NH3混合(he)氣，應(ying)按(an)Nelson曲(qu)線(xian)選用(yong)抗氫鋼(gang)。其中有一(yi)異徑短管，由于錯用(yong)了普通碳鋼(gang)，使用(yong)不久便因氫腐蝕而破裂，造成(cheng)(cheng)惡性事故，損失(shi)非常慘重。