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)力腐蝕裂紋(wen)呈(cheng)枯樹枝狀，大體上沿(yan)著垂直(zhi)于拉應(ying)力的方向發(fa)展。裂紋(wen)的微觀形(xing)態有(you)穿晶(jing)型(xing)、晶(jing)間型(xing)（沿(yan)晶(jing)型(xing)）和兩者兼有(you)的混合型(xing)。

  應(ying)力(li)的(de)來源(yuan)，對于管道來說，焊接、冷加工(gong)及安裝時殘余應(ying)力(li)是主要的(de)。

  并(bing)不(bu)是任何的(de)(de)金(jin)屬與介(jie)質的(de)(de)共同作用都引起應力腐蝕(shi)破裂。其中金(jin)屬材料只有在(zai)某些特定(ding)的(de)(de)腐蝕(shi)環(huan)境中，才發生應力腐蝕(shi)破裂。表3-4列出了容易(yi)引起應力腐蝕(shi)開裂的(de)(de)管(guan)道金(jin)屬材料和腐蝕(shi)環(huan)境的(de)(de)組(zu)合(he)。

1. 堿脆 

  金(jin)屬在堿液中的應力腐(fu)蝕破(po)裂(lie)稱堿脆(cui)。碳鋼(gang)、低合(he)金(jin)鋼(gang)、不銹鋼(gang)等多種金(jin)屬材(cai)料(liao)皆可發生堿脆(cui)。碳鋼(gang)（含低合(he)金(jin)鋼(gang)）發生堿脆(cui)的趨勢如(ru)圖(tu)3-6所示。

  由圖3-6可(ke)(ke)(ke)(ke)知，氫(qing)氧化鈉(na)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)在5％以上(shang)的(de)(de)全部濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)范(fan)圍內碳(tan)鋼(gang)幾乎都可(ke)(ke)(ke)(ke)能產生堿(jian)(jian)脆(cui)，堿(jian)(jian)脆(cui)的(de)(de)最(zui)低溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)為(wei)(wei)50℃，所需堿(jian)(jian)液(ye)的(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)為(wei)(wei)40％～50％，以沸(fei)點附近的(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)區最(zui)易發生。裂紋呈晶(jing)間型(xing)(xing)。奧(ao)氏體(ti)(ti)不銹鋼(gang)發生堿(jian)(jian)脆(cui)的(de)(de)趨(qu)勢如圖3-7所示。氫(qing)氧化鈉(na)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)在0.1％以上(shang)的(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)時18-8型(xing)(xing)奧(ao)氏體(ti)(ti)不銹鋼(gang)即(ji)可(ke)(ke)(ke)(ke)發生堿(jian)(jian)脆(cui)。以氫(qing)氧化鈉(na)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)40％最(zui)危險(xian)，這時發生堿(jian)(jian)脆(cui)的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)為(wei)(wei)115℃左右。超(chao)低碳(tan)不銹鋼(gang)的(de)(de)堿(jian)(jian)脆(cui)裂紋為(wei)(wei)穿晶(jing)型(xing)(xing)，含碳(tan)量高(gao)(gao)時，堿(jian)(jian)脆(cui)裂紋則為(wei)(wei)晶(jing)間型(xing)(xing)或混(hun)合(he)型(xing)(xing)。當奧(ao)氏體(ti)(ti)不銹鋼(gang)中加入2％鉬時，則可(ke)(ke)(ke)(ke)使其堿(jian)(jian)脆(cui)界限縮小，并向堿(jian)(jian)的(de)(de)高(gao)(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)區域移動。鎳和鎳基(ji)合(he)金具有(you)較高(gao)(gao)的(de)(de)耐(nai)應力腐蝕的(de)(de)性能，它的(de)(de)堿(jian)(jian)脆(cui)范(fan)圍變得(de)狹窄，而且位于(yu)高(gao)(gao)溫(wen)濃(nong)(nong)(nong)(nong)堿(jian)(jian)區。

2. 不銹鋼的(de)氯離子(zi)應力腐(fu)蝕破裂 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，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(gang)氯離子應力腐蝕破裂不(bu)僅(jin)僅(jin)發(fa)生在(zai)管(guan)道(dao)的內壁，發(fa)生在(zai)管(guan)道(dao)外壁的事例也屢(lv)見(jian)不(bu)鮮，如圖3-8所(suo)示。

  作為管外側的(de)(de)腐蝕因(yin)素，被(bei)認為是保(bao)溫材(cai)料的(de)(de)問題，對(dui)保(bao)溫材(cai)料進(jin)行分析的(de)(de)結果(guo)，被(bei)檢驗出含有(you)約0.5％的(de)(de)氯離子(zi)。這個數值(zhi)可(ke)認為是保(bao)溫材(cai)料中含有(you)的(de)(de)雜質，或由(you)于保(bao)溫層破損、浸(jin)入(ru)的(de)(de)雨水中帶入(ru)并經過濃縮(suo)的(de)(de)結果(guo)。

3. 不銹鋼連多(duo)硫酸應力腐蝕破裂 

  以(yi)加(jia)氫脫硫(liu)裝置最為典型，不銹鋼連多硫(liu)酸(suan)的應力腐蝕(shi)破裂頗(po)為引人關(guan)注。

  管(guan)(guan)道在(zai)正常運行時，受硫(liu)(liu)化(hua)氫腐蝕，生成的硫(liu)(liu)化(hua)鐵(tie)，在(zai)停車檢修時，與(yu)空氣中的氧及水反(fan)應(ying)(ying)生成了連(lian)多硫(liu)(liu)酸(suan)。在(zai)Cr-Ni奧氏體不銹鋼管(guan)(guan)道的殘余(yu)應(ying)(ying)力較大(da)的部位（焊縫熱影響(xiang)區(qu)、彎管(guan)(guan)部位等）產生應(ying)(ying)力腐蝕裂紋。

4. 硫化物腐蝕破裂

  ①. 金屬在(zai)同時(shi)含有硫化氫及水的介(jie)質中發(fa)(fa)生的應力腐蝕破裂(lie)即為硫化物腐蝕破裂(lie)，簡稱硫裂(lie)。在(zai)天(tian)然氣、石油(you)采(cai)集，加工煉(lian)制，石油(you)化學(xue)及化肥等工業部門常常發(fa)(fa)生管道(dao)、閥門硫裂(lie)事故。發(fa)(fa)生硫裂(lie)所需的時(shi)間短則(ze)幾天(tian)，長(chang)則(ze)幾個(ge)月到幾年不(bu)等，但是未見超(chao)過十年發(fa)(fa)生硫裂(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(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(dui)于碳鋼和低合(he)金鋼來說，淬(cui)火(huo)(huo)(huo)十回火(huo)(huo)(huo)的金相組織(zhi)(zhi)抗硫裂(lie)最好，未回火(huo)(huo)(huo)馬(ma)氏(shi)體組織(zhi)(zhi)最差。鋼抗硫裂(lie)性能依淬(cui)火(huo)(huo)(huo)+回火(huo)(huo)(huo)組織(zhi)(zhi)→正(zheng)火(huo)(huo)(huo)十回火(huo)(huo)(huo)組織(zhi)(zhi)→正(zheng)火(huo)(huo)(huo)組織(zhi)(zhi)→未回火(huo)(huo)(huo)馬(ma)氏(shi)體組織(zhi)(zhi)的順序遞降。

  鋼的(de)(de)強度(du)(du)越高(gao)，越易(yi)發(fa)生硫(liu)裂(lie)。鋼的(de)(de)硬度(du)(du)越高(gao)，越易(yi)發(fa)生硫(liu)裂(lie)。在發(fa)生硫(liu)裂(lie)的(de)(de)事故中，焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)特(te)別是(shi)熔合線是(shi)最易(yi)發(fa)生破裂(lie)的(de)(de)部位，這是(shi)因(yin)為(wei)這里的(de)(de)硬度(du)(du)最高(gao)。NACE對(dui)碳鋼焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)硬度(du)(du)進行了(le)嚴(yan)格的(de)(de)規(gui)定：≤200HB。這是(shi)因(yin)為(wei)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)硬度(du)(du)的(de)(de)分布(bu)比母(mu)材(cai)(cai)復雜，所以對(dui)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)硬度(du)(du)的(de)(de)規(gui)定比母(mu)材(cai)(cai)嚴(yan)格。焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)部位常發(fa)生破裂(lie)，一方面是(shi)由于(yu)焊(han)(han)(han)接殘余應力的(de)(de)作用，另一方面是(shi)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)金屬、熔合線及(ji)熱影響區(qu)出現淬硬組織的(de)(de)結果。為(wei)防止硫(liu)裂(lie)，焊(han)(han)(han)后進行有效的(de)(de)熱處(chu)理十(shi)分必要。

5. 氫(qing)損傷(shang) 

  氫滲透進入(ru)金屬內部而造成金屬性能劣(lie)化稱為(wei)氫損(sun)(sun)傷(shang)，也稱氫破壞。氫損(sun)(sun)傷(shang)可(ke)分為(wei)四種不同(tong)類型：氫鼓泡(pao)、氫脆、脫碳和氫腐蝕。

 ①. 氫鼓泡及(ji)氫誘發階梯裂紋。

  主要發生(sheng)在含濕硫化(hua)氫(qing)的介(jie)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。

  氫鼓泡及氫誘發(fa)階梯裂紋一(yi)般發(fa)生在鋼板卷(juan)制(zhi)的管道(dao)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(ying)結(jie)果(guo)導致表面(mian)(mian)層(ceng)的(de)(de)滲碳(tan)體減少(shao)，而(er)碳(tan)便從鄰近(jin)的(de)(de)尚未反應(ying)的(de)(de)金(jin)(jin)屬(shu)層(ceng)逐漸擴散(san)到此反應(ying)區(qu)，于是(shi)有一(yi)定(ding)厚度的(de)(de)金(jin)(jin)屬(shu)層(ceng)因缺碳(tan)而(er)變為鐵素體。脫碳(tan)的(de)(de)結(jie)果(guo)造成鋼的(de)(de)表面(mian)(mian)強度和疲勞極(ji)限(xian)的(de)(de)降低。

 ④. 氫腐蝕

  鋼受(shou)到高(gao)溫高(gao)壓氫作用(yong)后(hou)，其力學性能劣化，強度、韌性明顯降低，并(bing)且(qie)是不(bu)可逆的，這種現象(xiang)稱為氫腐蝕。

 氫腐蝕的歷程可(ke)用圖3-10來(lai)解釋。

  氫(qing)腐蝕的(de)過程(cheng)大致可(ke)分為三個階(jie)段：孕育(yu)期，鋼的(de)性能沒有變化；性能迅速變化階(jie)段，迅速脫碳，裂紋快(kuai)速擴展；最后階(jie)段，固溶體中(zhong)碳已耗盡。

  氫腐蝕的孕育期(qi)是重要的，它往往決定了鋼的使用(yong)壽命。

  某氫壓(ya)力下產生氫腐蝕有一起(qi)始溫(wen)度，它是衡量(liang)鋼材(cai)抗氫性(xing)能的指標。低于這個溫(wen)度氫腐蝕反應速度極慢(man)，以致孕育期超過(guo)正常(chang)使(shi)用壽命。碳鋼的這一溫(wen)度大約在220℃左(zuo)右。

  氫(qing)分(fen)壓(ya)也有一個起(qi)始點（碳鋼(gang)大約在1.4MPa左右(you)），即無論溫度多高(gao)，低于此分(fen)壓(ya)，只發生(sheng)表面(mian)脫碳而不發生(sheng)嚴重的氫(qing)腐蝕。

  各(ge)種抗氫鋼發生(sheng)腐蝕的溫度和(he)壓力組合條件(jian)，就是著名的Nelson曲線（在很多管道器材(cai)選(xuan)用標準規范內均有(you)此曲線圖，如SH/T 3059《石(shi)油化工管道設計器材(cai)選(xuan)用規范》）。

  冷加工變形，提高了碳、氫的擴散能力，對腐蝕(shi)起(qi)加速作用(yong)。

  某(mou)氮肥廠，氨合成塔出口至廢(fei)熱鍋爐的(de)高壓管(guan)道(dao)，工作溫(wen)度(du)320℃左右、工作壓力33MPa，工作介質為H2、N2、NH3混(hun)合氣，應按(an)Nelson曲線選用(yong)(yong)抗氫鋼。其中有(you)一異徑短管(guan)，由于錯用(yong)(yong)了普通碳鋼，使用(yong)(yong)不久便因氫腐(fu)蝕而(er)破裂(lie)，造(zao)成惡性事(shi)故，損失(shi)非(fei)常慘重。