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(shi)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)紋(wen)呈枯樹枝(zhi)狀，大體上沿(yan)著垂直于拉應力的方向發展(zhan)。裂(lie)紋(wen)的微觀(guan)形態有穿晶(jing)型(xing)(xing)、晶(jing)間型(xing)(xing)（沿(yan)晶(jing)型(xing)(xing)）和兩(liang)者(zhe)兼(jian)有的混合型(xing)(xing)。

  應力的來源，對(dui)于管道來說(shuo)，焊接、冷加工及安(an)裝時殘(can)余應力是主要的。

  并不是任何的(de)(de)金(jin)屬(shu)與介質的(de)(de)共同作用(yong)都引起應力(li)腐蝕(shi)(shi)破裂。其中金(jin)屬(shu)材料只有在某些特定(ding)的(de)(de)腐蝕(shi)(shi)環境(jing)中，才發生應力(li)腐蝕(shi)(shi)破裂。表3-4列出了容(rong)易引起應力(li)腐蝕(shi)(shi)開裂的(de)(de)管道金(jin)屬(shu)材料和腐蝕(shi)(shi)環境(jing)的(de)(de)組合。

1. 堿脆 

  金(jin)(jin)(jin)屬在堿(jian)液中(zhong)的(de)應力腐(fu)蝕破裂稱堿(jian)脆(cui)。碳(tan)鋼(gang)(gang)、低合金(jin)(jin)(jin)鋼(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)等多(duo)種(zhong)金(jin)(jin)(jin)屬材料(liao)皆可(ke)發生(sheng)堿(jian)脆(cui)。碳(tan)鋼(gang)(gang)（含低合金(jin)(jin)(jin)鋼(gang)(gang)）發生(sheng)堿(jian)脆(cui)的(de)趨勢如圖3-6所示。

  由圖(tu)3-6可知，氫(qing)(qing)氧(yang)化鈉濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)在(zai)5％以上(shang)(shang)的(de)全部濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)范圍內碳鋼(gang)(gang)幾乎都可能產生堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)，堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)的(de)最(zui)低溫(wen)度(du)(du)(du)為(wei)50℃，所(suo)需堿(jian)(jian)(jian)液的(de)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)為(wei)40％～50％，以沸(fei)點附近的(de)高(gao)(gao)溫(wen)區(qu)最(zui)易(yi)發(fa)生。裂(lie)紋(wen)(wen)呈晶(jing)間型(xing)(xing)。奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)發(fa)生堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)的(de)趨(qu)勢如圖(tu)3-7所(suo)示。氫(qing)(qing)氧(yang)化鈉濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)在(zai)0.1％以上(shang)(shang)的(de)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)時18-8型(xing)(xing)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)即(ji)可發(fa)生堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)。以氫(qing)(qing)氧(yang)化鈉濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)40％最(zui)危險，這(zhe)時發(fa)生堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)的(de)溫(wen)度(du)(du)(du)為(wei)115℃左右。超低碳不銹(xiu)鋼(gang)(gang)的(de)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)裂(lie)紋(wen)(wen)為(wei)穿晶(jing)型(xing)(xing)，含碳量高(gao)(gao)時，堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)裂(lie)紋(wen)(wen)則為(wei)晶(jing)間型(xing)(xing)或混合(he)型(xing)(xing)。當(dang)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)中(zhong)加入2％鉬時，則可使其堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)界限(xian)縮(suo)小，并向堿(jian)(jian)(jian)的(de)高(gao)(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)區(qu)域移(yi)動。鎳(nie)(nie)和(he)鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)金具有(you)較高(gao)(gao)的(de)耐(nai)應力腐蝕的(de)性能，它的(de)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)范圍變得狹窄，而(er)且位于高(gao)(gao)溫(wen)濃(nong)(nong)(nong)(nong)堿(jian)(jian)(jian)區(qu)。

2. 不銹鋼的氯離子應力(li)腐蝕(shi)破裂(lie) 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹鋼(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(bu)銹鋼氯(lv)離子(zi)應力腐(fu)蝕破裂不(bu)僅僅發生在(zai)管道的內壁(bi)，發生在(zai)管道外(wai)壁(bi)的事例也屢見不(bu)鮮，如(ru)圖3-8所示。

  作為管外側的腐蝕因(yin)素，被(bei)認(ren)為是保溫(wen)材(cai)料的問題，對保溫(wen)材(cai)料進行(xing)分析的結果(guo)，被(bei)檢(jian)驗出含(han)有約0.5％的氯離子(zi)。這個數值可認(ren)為是保溫(wen)材(cai)料中(zhong)含(han)有的雜(za)質，或(huo)由于保溫(wen)層破(po)損、浸入的雨水中(zhong)帶入并經過濃(nong)縮(suo)的結果(guo)。

3. 不銹鋼連多(duo)硫酸應力腐蝕(shi)破裂 

  以加氫(qing)脫(tuo)硫(liu)裝置最(zui)為(wei)典型(xing)，不(bu)銹鋼連多硫(liu)酸的應力腐蝕破裂頗(po)為(wei)引(yin)人關注。

  管(guan)道在正常運行時，受硫(liu)化氫腐蝕，生(sheng)成的硫(liu)化鐵，在停車檢修時，與空氣中的氧及(ji)水反(fan)應生(sheng)成了連多硫(liu)酸。在Cr-Ni奧氏體不銹鋼管(guan)道的殘余應力較(jiao)大(da)的部(bu)位（焊縫(feng)熱影響區、彎管(guan)部(bu)位等）產生(sheng)應力腐蝕裂紋(wen)。

4. 硫化物腐蝕破裂

  ①. 金屬在(zai)同(tong)時含有硫化(hua)氫(qing)及(ji)水的(de)介質中發生(sheng)的(de)應(ying)力腐蝕破(po)裂(lie)即為硫化(hua)物腐蝕破(po)裂(lie)，簡稱(cheng)硫裂(lie)。在(zai)天然氣、石油(you)采集，加工(gong)煉制，石油(you)化(hua)學及(ji)化(hua)肥等工(gong)業部(bu)門常常發生(sheng)管道、閥門硫裂(lie)事(shi)故。發生(sheng)硫裂(lie)所需的(de)時間短則幾天，長則幾個月到幾年不等，但(dan)是未見超過十年發生(sheng)硫裂(lie)的(de)事(shi)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(xiu)鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L不銹鋼和316L不(bu)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(tan)鋼和低合金鋼來說，淬(cui)(cui)火(huo)十(shi)回(hui)(hui)火(huo)的金相(xiang)組織(zhi)(zhi)抗硫裂最(zui)好，未回(hui)(hui)火(huo)馬(ma)氏體(ti)組織(zhi)(zhi)最(zui)差。鋼抗硫裂性能依淬(cui)(cui)火(huo)+回(hui)(hui)火(huo)組織(zhi)(zhi)→正火(huo)十(shi)回(hui)(hui)火(huo)組織(zhi)(zhi)→正火(huo)組織(zhi)(zhi)→未回(hui)(hui)火(huo)馬(ma)氏體(ti)組織(zhi)(zhi)的順序遞降(jiang)。

  鋼的(de)(de)(de)(de)強度(du)(du)越(yue)高(gao)，越(yue)易發(fa)(fa)生(sheng)硫(liu)裂(lie)。鋼的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)(du)越(yue)高(gao)，越(yue)易發(fa)(fa)生(sheng)硫(liu)裂(lie)。在發(fa)(fa)生(sheng)硫(liu)裂(lie)的(de)(de)(de)(de)事故中，焊縫(feng)(feng)特別是(shi)(shi)熔合線是(shi)(shi)最易發(fa)(fa)生(sheng)破裂(lie)的(de)(de)(de)(de)部(bu)位，這(zhe)(zhe)是(shi)(shi)因為這(zhe)(zhe)里的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)(du)最高(gao)。NACE對碳鋼焊縫(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)(du)進(jin)(jin)行了嚴(yan)格(ge)的(de)(de)(de)(de)規定(ding)：≤200HB。這(zhe)(zhe)是(shi)(shi)因為焊縫(feng)(feng)硬(ying)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)比(bi)母材(cai)復雜，所(suo)以(yi)對焊縫(feng)(feng)硬(ying)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)規定(ding)比(bi)母材(cai)嚴(yan)格(ge)。焊縫(feng)(feng)部(bu)位常發(fa)(fa)生(sheng)破裂(lie)，一方(fang)面(mian)是(shi)(shi)由于焊接殘余(yu)應力的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用，另一方(fang)面(mian)是(shi)(shi)焊縫(feng)(feng)金屬(shu)、熔合線及熱(re)影響區(qu)出(chu)現淬硬(ying)組織的(de)(de)(de)(de)結果(guo)。為防止硫(liu)裂(lie)，焊后(hou)進(jin)(jin)行有效的(de)(de)(de)(de)熱(re)處(chu)理十(shi)分(fen)必要(yao)。

5. 氫損傷(shang) 

  氫(qing)(qing)(qing)滲透進入金屬(shu)內部而造成金屬(shu)性能劣化(hua)稱為(wei)(wei)氫(qing)(qing)(qing)損(sun)傷(shang)，也稱氫(qing)(qing)(qing)破壞。氫(qing)(qing)(qing)損(sun)傷(shang)可分為(wei)(wei)四種不(bu)同(tong)類(lei)型：氫(qing)(qing)(qing)鼓泡、氫(qing)(qing)(qing)脆、脫碳和氫(qing)(qing)(qing)腐蝕。

 ①. 氫(qing)鼓泡及氫(qing)誘發階梯裂(lie)紋。

  主要發生在含濕硫化氫的介質(zhi)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(fa)階梯裂(lie)紋一般(ban)發(fa)生在(zai)鋼板卷制的管道上。

 ②. 氫(qing)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(tan)

  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(ying)結果(guo)導致表面(mian)層的(de)(de)(de)滲碳(tan)體減少，而碳(tan)便從鄰近的(de)(de)(de)尚未反(fan)應(ying)的(de)(de)(de)金屬層逐漸擴散到(dao)此反(fan)應(ying)區，于是有一(yi)定(ding)厚度的(de)(de)(de)金屬層因(yin)缺(que)碳(tan)而變(bian)為(wei)鐵素(su)體。脫碳(tan)的(de)(de)(de)結果(guo)造成鋼(gang)的(de)(de)(de)表面(mian)強度和疲(pi)勞(lao)極限(xian)的(de)(de)(de)降低。

 ④. 氫腐蝕

  鋼受到高溫高壓(ya)氫作(zuo)用后，其力學性(xing)能劣化(hua)，強度(du)、韌性(xing)明顯降低，并且是不可(ke)逆的，這(zhe)種現象稱為氫腐蝕。

 氫(qing)腐蝕(shi)的(de)歷程可用圖3-10來解釋(shi)。

  氫腐蝕的過程大致(zhi)可分為三個階(jie)段：孕育期(qi)，鋼的性(xing)能沒有變化；性(xing)能迅(xun)(xun)速變化階(jie)段，迅(xun)(xun)速脫碳，裂(lie)紋快速擴展；最后階(jie)段，固溶體中碳已耗盡。

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

  某(mou)氫壓力下產生氫腐蝕(shi)有一起始溫度，它是衡量(liang)鋼材抗(kang)氫性(xing)能的(de)指標。低(di)于這個溫度氫腐蝕(shi)反應速度極慢，以致(zhi)孕育(yu)期超過正常使用壽命(ming)。碳(tan)鋼的(de)這一溫度大(da)約(yue)在(zai)220℃左右(you)。

  氫分(fen)壓也有一個起始點（碳(tan)鋼(gang)大(da)約(yue)在1.4MPa左右(you)），即(ji)無論溫度多高(gao)，低于此分(fen)壓，只發生(sheng)(sheng)表面(mian)脫(tuo)碳(tan)而(er)不發生(sheng)(sheng)嚴(yan)重的氫腐蝕。

  各種抗氫鋼發生腐蝕的溫度(du)和(he)壓力(li)組合條件，就是著名(ming)的Nelson曲(qu)線（在很多管道(dao)器材(cai)選用(yong)標準規范(fan)內均有此曲(qu)線圖，如SH/T 3059《石(shi)油化工管道(dao)設計(ji)器材(cai)選用(yong)規范(fan)》）。

  冷加(jia)工變形，提高了碳、氫的擴(kuo)散能力，對腐蝕起加(jia)速作用(yong)。

  某氮肥廠(chang)，氨合成(cheng)塔出(chu)口至廢熱鍋爐的高(gao)壓(ya)管道，工(gong)作溫度320℃左右、工(gong)作壓(ya)力33MPa，工(gong)作介(jie)質為(wei)H2、N2、NH3混合氣，應按Nelson曲線選用(yong)抗氫鋼。其中有(you)一異徑(jing)短管，由于錯用(yong)了普(pu)通(tong)碳鋼，使用(yong)不久便因氫腐蝕而(er)破裂，造成(cheng)惡性事故，損失非(fei)常慘重。