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(fu)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。

  應力腐蝕裂紋(wen)呈(cheng)枯(ku)樹枝狀，大體上沿著垂(chui)直于拉應力的(de)方向發展。裂紋(wen)的(de)微觀形態有穿(chuan)晶型、晶間型（沿晶型）和兩者(zhe)兼有的(de)混合型。

  應(ying)力的(de)來源，對于管道來說，焊接、冷加工(gong)及(ji)安裝(zhuang)時殘余應(ying)力是主要的(de)。

  并不(bu)是任何的金(jin)屬(shu)與介質(zhi)的共同作用都引起(qi)應力腐(fu)蝕破(po)裂。其中金(jin)屬(shu)材(cai)(cai)料只(zhi)有在某(mou)些(xie)特定的腐(fu)蝕環(huan)境(jing)中，才發生應力腐(fu)蝕破(po)裂。表3-4列出了容易(yi)引起(qi)應力腐(fu)蝕開裂的管道(dao)金(jin)屬(shu)材(cai)(cai)料和腐(fu)蝕環(huan)境(jing)的組合。

1. 堿脆(cui) 

  金屬在堿(jian)液中的應力腐蝕(shi)破裂稱堿(jian)脆(cui)。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多(duo)種(zhong)金屬材(cai)料(liao)皆可發(fa)生(sheng)堿(jian)脆(cui)。碳鋼（含低合金鋼）發(fa)生(sheng)堿(jian)脆(cui)的趨勢如(ru)圖3-6所(suo)示。

  由(you)圖3-6可(ke)知，氫氧化鈉濃(nong)(nong)度(du)在5％以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)(de)全部濃(nong)(nong)度(du)范圍內碳(tan)鋼(gang)幾乎都可(ke)能(neng)產(chan)生堿脆，堿脆的(de)(de)(de)(de)最低溫(wen)(wen)度(du)為50℃，所需堿液的(de)(de)(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)為40％～50％，以(yi)(yi)沸點附近的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)區(qu)最易發(fa)生。裂(lie)紋呈晶(jing)(jing)(jing)間型(xing)。奧氏(shi)體不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)發(fa)生堿脆的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)如圖3-7所示。氫氧化鈉濃(nong)(nong)度(du)在0.1％以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)時18-8型(xing)奧氏(shi)體不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)即可(ke)發(fa)生堿脆。以(yi)(yi)氫氧化鈉濃(nong)(nong)度(du)40％最危險，這時發(fa)生堿脆的(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)為115℃左右(you)。超低碳(tan)不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)堿脆裂(lie)紋為穿晶(jing)(jing)(jing)型(xing)，含碳(tan)量高(gao)時，堿脆裂(lie)紋則(ze)為晶(jing)(jing)(jing)間型(xing)或混(hun)合型(xing)。當奧氏(shi)體不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)中加入2％鉬時，則(ze)可(ke)使其堿脆界限縮小，并向堿的(de)(de)(de)(de)高(gao)濃(nong)(nong)度(du)區(qu)域移(yi)動。鎳和(he)鎳基合金具有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)耐(nai)應力腐蝕的(de)(de)(de)(de)性能(neng)，它(ta)的(de)(de)(de)(de)堿脆范圍變得(de)狹窄，而且位于(yu)高(gao)溫(wen)(wen)濃(nong)(nong)堿區(qu)。

2. 不(bu)銹(xiu)鋼的(de)氯離子(zi)應力腐蝕(shi)破裂 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹(xiu)鋼(gang)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。

  不銹(xiu)鋼氯離子應力腐蝕破裂不僅僅發生在管道的(de)內(nei)壁，發生在管道外壁的(de)事例也屢見不鮮，如圖3-8所示(shi)。

  作為管外側(ce)的(de)腐蝕因(yin)素，被(bei)認為是(shi)保溫材(cai)料的(de)問(wen)題，對保溫材(cai)料進行分析(xi)的(de)結果(guo)，被(bei)檢驗出含(han)有約0.5％的(de)氯離子(zi)。這(zhe)個(ge)數值可認為是(shi)保溫材(cai)料中(zhong)含(han)有的(de)雜質，或(huo)由于保溫層(ceng)破損(sun)、浸入(ru)的(de)雨水(shui)中(zhong)帶入(ru)并經過濃縮的(de)結果(guo)。

3. 不銹鋼連多硫酸(suan)應力腐蝕破裂 

  以加氫(qing)脫(tuo)硫裝(zhuang)置最(zui)為典型，不銹鋼連多(duo)硫酸的應力腐蝕破裂頗為引人(ren)關注。

  管(guan)道(dao)在(zai)正常運行時，受硫(liu)化氫(qing)腐(fu)蝕，生成(cheng)的硫(liu)化鐵，在(zai)停車檢修時，與(yu)空氣(qi)中的氧及(ji)水(shui)反應(ying)生成(cheng)了連多(duo)硫(liu)酸。在(zai)Cr-Ni奧(ao)氏體不銹鋼管(guan)道(dao)的殘余應(ying)力(li)較大的部位（焊縫熱影響(xiang)區(qu)、彎管(guan)部位等）產(chan)生應(ying)力(li)腐(fu)蝕裂紋。

4. 硫化物腐蝕破裂

  ①. 金屬在同(tong)時含有硫(liu)化(hua)(hua)氫及水的介質中發(fa)生的應力腐(fu)蝕(shi)破裂(lie)即(ji)為硫(liu)化(hua)(hua)物腐(fu)蝕(shi)破裂(lie)，簡(jian)稱硫(liu)裂(lie)。在天(tian)(tian)然氣、石油采(cai)集，加(jia)工煉制，石油化(hua)(hua)學及化(hua)(hua)肥等(deng)工業部門常(chang)常(chang)發(fa)生管道、閥(fa)門硫(liu)裂(lie)事故。發(fa)生硫(liu)裂(lie)所(suo)需的時間短則幾(ji)天(tian)(tian)，長則幾(ji)個月到幾(ji)年(nian)不(bu)等(deng)，但(dan)是未(wei)見超(chao)過十年(nian)發(fa)生硫(liu)裂(lie)的事例。

  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。對于奧氏體不銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L不銹鋼和316L不銹(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）。

  對于碳鋼(gang)和低合(he)金鋼(gang)來說，淬火(huo)十回(hui)火(huo)的(de)金相組(zu)織抗(kang)(kang)硫(liu)裂(lie)(lie)最好，未回(hui)火(huo)馬(ma)氏體組(zu)織最差。鋼(gang)抗(kang)(kang)硫(liu)裂(lie)(lie)性(xing)能依淬火(huo)+回(hui)火(huo)組(zu)織→正(zheng)火(huo)十回(hui)火(huo)組(zu)織→正(zheng)火(huo)組(zu)織→未回(hui)火(huo)馬(ma)氏體組(zu)織的(de)順(shun)序遞降。

  鋼的(de)強(qiang)度越(yue)高，越(yue)易發(fa)(fa)生硫(liu)裂(lie)(lie)。鋼的(de)硬(ying)度越(yue)高，越(yue)易發(fa)(fa)生硫(liu)裂(lie)(lie)。在發(fa)(fa)生硫(liu)裂(lie)(lie)的(de)事故中，焊縫(feng)(feng)(feng)特別(bie)是(shi)熔合線是(shi)最易發(fa)(fa)生破(po)裂(lie)(lie)的(de)部位，這(zhe)是(shi)因為這(zhe)里(li)的(de)硬(ying)度最高。NACE對碳(tan)鋼焊縫(feng)(feng)(feng)的(de)硬(ying)度進(jin)行了嚴格(ge)(ge)的(de)規定(ding)：≤200HB。這(zhe)是(shi)因為焊縫(feng)(feng)(feng)硬(ying)度的(de)分布(bu)比母材(cai)復雜(za)，所以對焊縫(feng)(feng)(feng)硬(ying)度的(de)規定(ding)比母材(cai)嚴格(ge)(ge)。焊縫(feng)(feng)(feng)部位常發(fa)(fa)生破(po)裂(lie)(lie)，一方面(mian)是(shi)由于焊接殘余應(ying)力的(de)作用(yong)，另一方面(mian)是(shi)焊縫(feng)(feng)(feng)金屬、熔合線及熱影響(xiang)區出現淬硬(ying)組織的(de)結果。為防止硫(liu)裂(lie)(lie)，焊后進(jin)行有(you)效的(de)熱處理(li)十分必要。

5. 氫損傷(shang) 

  氫滲透進入金(jin)屬(shu)內部而造成金(jin)屬(shu)性能(neng)劣化稱(cheng)為(wei)氫損傷(shang)，也稱(cheng)氫破壞(huai)。氫損傷(shang)可分為(wei)四種不同類型：氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐(fu)蝕。

 ①. 氫(qing)鼓泡(pao)及氫(qing)誘(you)發階梯裂紋。

  主要發生在含濕硫化氫(qing)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(pao)及氫誘發階(jie)梯裂(lie)紋一般發生在鋼(gang)板卷(juan)制(zhi)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(fan)(fan)應(ying)結(jie)果導致表面層(ceng)的滲碳(tan)體減少，而碳(tan)便從鄰近的尚未反(fan)(fan)應(ying)的金(jin)屬(shu)層(ceng)逐漸擴(kuo)散到此反(fan)(fan)應(ying)區，于是有一定厚度(du)(du)的金(jin)屬(shu)層(ceng)因缺碳(tan)而變為鐵素體。脫(tuo)碳(tan)的結(jie)果造成鋼(gang)的表面強度(du)(du)和疲(pi)勞(lao)極限的降低(di)。

 ④. 氫腐蝕(shi)

  鋼受到高溫高壓氫(qing)作用后(hou)，其力學性(xing)(xing)能劣化，強度(du)、韌性(xing)(xing)明顯降低，并且是不可(ke)逆的，這種(zhong)現象(xiang)稱為氫(qing)腐蝕。

 氫腐蝕的歷程可用圖3-10來(lai)解釋。

  氫(qing)腐蝕的(de)過(guo)程大(da)致可分(fen)為三個階(jie)段(duan)：孕(yun)育(yu)期，鋼(gang)的(de)性(xing)能沒有變化(hua)(hua)；性(xing)能迅(xun)(xun)速(su)變化(hua)(hua)階(jie)段(duan)，迅(xun)(xun)速(su)脫(tuo)碳(tan)，裂紋快速(su)擴展；最后階(jie)段(duan)，固溶(rong)體中碳(tan)已耗(hao)盡。

  氫腐蝕(shi)的(de)孕育期是重要的(de)，它往(wang)往(wang)決(jue)定了鋼的(de)使(shi)用壽命。

  某氫壓力下產生氫腐蝕(shi)有一(yi)起始溫(wen)(wen)度，它是衡量鋼(gang)材抗氫性能(neng)的指(zhi)標。低于這(zhe)個溫(wen)(wen)度氫腐蝕(shi)反應速度極(ji)慢，以致孕育期超過正常使用壽命(ming)。碳(tan)鋼(gang)的這(zhe)一(yi)溫(wen)(wen)度大(da)約在220℃左右。

  氫(qing)分(fen)壓也有一個起始點（碳鋼大約在1.4MPa左右），即無論溫度多高，低于(yu)此(ci)分(fen)壓，只發(fa)生表(biao)面(mian)脫(tuo)碳而(er)不發(fa)生嚴重的氫(qing)腐蝕(shi)。

  各種抗氫鋼發生腐(fu)蝕的溫度和壓力組(zu)合條件，就是著(zhu)名的Nelson曲線(xian)（在很多管(guan)道器材選用(yong)標(biao)準規范(fan)內均有(you)此曲線(xian)圖(tu)，如SH/T 3059《石油(you)化工管(guan)道設計器材選用(yong)規范(fan)》）。

  冷加工變形，提高(gao)了碳、氫的擴散能力，對腐(fu)蝕起加速作用。

  某(mou)氮肥(fei)廠，氨(an)合(he)成塔出口至廢熱鍋(guo)爐(lu)的高壓(ya)管道，工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)溫度(du)320℃左右、工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)壓(ya)力33MPa，工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)介質(zhi)為H2、N2、NH3混(hun)合(he)氣，應(ying)按Nelson曲線選用抗氫(qing)鋼(gang)。其(qi)中有一(yi)異(yi)徑短管，由(you)于錯用了普(pu)通碳鋼(gang)，使用不久(jiu)便因(yin)氫(qing)腐(fu)蝕而(er)破裂，造成惡性事(shi)故，損失非常慘重。