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(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(ying)力腐蝕裂紋(wen)呈枯樹枝狀，大體上沿(yan)(yan)著(zhu)垂直(zhi)于拉應(ying)力的(de)方向發展(zhan)。裂紋(wen)的(de)微觀(guan)形態有(you)穿(chuan)晶(jing)型(xing)、晶(jing)間型(xing)（沿(yan)(yan)晶(jing)型(xing)）和兩者兼有(you)的(de)混合型(xing)。
應(ying)力的來(lai)源，對(dui)于管道來(lai)說(shuo)，焊接、冷加工(gong)及安裝時(shi)殘余應(ying)力是主要的。
并不是任何(he)的(de)(de)金屬與介質(zhi)的(de)(de)共同作用(yong)都引起(qi)應力(li)(li)腐(fu)蝕(shi)破裂(lie)。其中(zhong)金屬材料只有在某些特定的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)環境中(zhong)，才(cai)發(fa)生應力(li)(li)腐(fu)蝕(shi)破裂(lie)。表3-4列(lie)出了容易引起(qi)應力(li)(li)腐(fu)蝕(shi)開裂(lie)的(de)(de)管道(dao)金屬材料和(he)腐(fu)蝕(shi)環境的(de)(de)組(zu)合。
1. 堿脆
金屬在堿(jian)液中(zhong)的(de)(de)應力(li)腐蝕破裂稱堿(jian)脆(cui)。碳鋼(gang)(gang)、低合(he)金鋼(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)等多種金屬材料皆可發生堿(jian)脆(cui)。碳鋼(gang)(gang)（含(han)低合(he)金鋼(gang)(gang)）發生堿(jian)脆(cui)的(de)(de)趨勢如圖3-6所示。
由(you)圖3-6可(ke)(ke)知，氫氧(yang)化(hua)(hua)鈉(na)濃(nong)度(du)在5％以上的(de)(de)(de)全(quan)部濃(nong)度(du)范(fan)(fan)圍內(nei)碳鋼(gang)(gang)(gang)幾乎(hu)都可(ke)(ke)能產生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)，堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)的(de)(de)(de)最低溫度(du)為(wei)50℃，所需堿(jian)(jian)(jian)液的(de)(de)(de)濃(nong)度(du)為(wei)40％～50％，以沸點(dian)附近的(de)(de)(de)高(gao)溫區最易發生(sheng)。裂(lie)(lie)紋(wen)呈晶(jing)(jing)(jing)間型(xing)。奧氏體不(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)發生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)的(de)(de)(de)趨勢如圖3-7所示。氫氧(yang)化(hua)(hua)鈉(na)濃(nong)度(du)在0.1％以上的(de)(de)(de)濃(nong)度(du)時(shi)18-8型(xing)奧氏體不(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)即可(ke)(ke)發生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)。以氫氧(yang)化(hua)(hua)鈉(na)濃(nong)度(du)40％最危(wei)險(xian)，這時(shi)發生(sheng)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)的(de)(de)(de)溫度(du)為(wei)115℃左右(you)。超低碳不(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)裂(lie)(lie)紋(wen)為(wei)穿晶(jing)(jing)(jing)型(xing)，含碳量高(gao)時(shi)，堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)裂(lie)(lie)紋(wen)則為(wei)晶(jing)(jing)(jing)間型(xing)或混合型(xing)。當奧氏體不(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)中加入(ru)2％鉬時(shi)，則可(ke)(ke)使其堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)界限縮小，并向堿(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)高(gao)濃(nong)度(du)區域移動。鎳和(he)鎳基合金具有較高(gao)的(de)(de)(de)耐應力腐蝕(shi)的(de)(de)(de)性(xing)能，它的(de)(de)(de)堿(jian)(jian)(jian)脆(cui)(cui)范(fan)(fan)圍變得狹窄，而且(qie)位于高(gao)溫濃(nong)堿(jian)(jian)(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)(bu)銹鋼(gang)氯離子(zi)應(ying)力(li)腐蝕破(po)裂不(bu)(bu)僅僅發生(sheng)在(zai)管道的內(nei)壁(bi)，發生(sheng)在(zai)管道外(wai)壁(bi)的事例也屢(lv)見不(bu)(bu)鮮(xian)，如圖3-8所示。
作為(wei)(wei)管外側(ce)的(de)腐蝕因(yin)素，被認(ren)為(wei)(wei)是(shi)保溫(wen)材料的(de)問題(ti)，對保溫(wen)材料進(jin)行分(fen)析的(de)結果，被檢驗出含有約(yue)0.5％的(de)氯離子(zi)。這個數值可(ke)認(ren)為(wei)(wei)是(shi)保溫(wen)材料中含有的(de)雜(za)質(zhi)，或由于保溫(wen)層破損、浸入(ru)的(de)雨水中帶入(ru)并(bing)經(jing)過(guo)濃縮(suo)的(de)結果。
3. 不銹鋼連(lian)多硫酸應力腐蝕破裂
以(yi)加氫脫硫裝置最為典型，不銹鋼連多硫酸的應力腐(fu)蝕破裂(lie)頗為引(yin)人關注。
管(guan)道在正常運行(xing)時，受硫化(hua)氫腐蝕，生成的硫化(hua)鐵，在停車(che)檢修(xiu)時，與空氣中的氧及水反應(ying)生成了連多(duo)硫酸。在Cr-Ni奧氏體不銹鋼管(guan)道的殘(can)余應(ying)力(li)較(jiao)大的部(bu)位（焊縫熱影響區(qu)、彎(wan)管(guan)部(bu)位等(deng)）產生應(ying)力(li)腐蝕裂紋。
4. 硫化(hua)物腐蝕破裂
①. 金屬在同時含有硫(liu)(liu)化(hua)氫及(ji)水(shui)的介質中發(fa)生(sheng)的應(ying)力腐(fu)蝕破裂即為硫(liu)(liu)化(hua)物腐(fu)蝕破裂，簡稱硫(liu)(liu)裂。在天(tian)(tian)然(ran)氣、石(shi)(shi)油采集(ji)，加工煉(lian)制(zhi)，石(shi)(shi)油化(hua)學及(ji)化(hua)肥等(deng)工業(ye)部門(men)常常發(fa)生(sheng)管道(dao)、閥(fa)門(men)硫(liu)(liu)裂事故。發(fa)生(sheng)硫(liu)(liu)裂所(suo)需的時間短(duan)則幾天(tian)(tian)，長則幾個(ge)月到幾年(nian)不等(deng)，但是(shi)未(wei)見超過十年(nian)發(fa)生(sheng)硫(liu)(liu)裂的事例。
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(bu)銹(xiu)鋼和316L不(bu)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(dui)于(yu)碳(tan)鋼(gang)(gang)和低合金鋼(gang)(gang)來(lai)說，淬(cui)火(huo)(huo)十(shi)回(hui)(hui)火(huo)(huo)的(de)金相組(zu)(zu)織(zhi)抗硫裂(lie)最好，未(wei)回(hui)(hui)火(huo)(huo)馬(ma)(ma)氏體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)最差。鋼(gang)(gang)抗硫裂(lie)性能依淬(cui)火(huo)(huo)+回(hui)(hui)火(huo)(huo)組(zu)(zu)織(zhi)→正(zheng)火(huo)(huo)十(shi)回(hui)(hui)火(huo)(huo)組(zu)(zu)織(zhi)→正(zheng)火(huo)(huo)組(zu)(zu)織(zhi)→未(wei)回(hui)(hui)火(huo)(huo)馬(ma)(ma)氏體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)的(de)順序遞降(jiang)。
鋼(gang)的(de)強(qiang)度(du)越(yue)高，越(yue)易(yi)發生硫(liu)裂(lie)(lie)。鋼(gang)的(de)硬度(du)越(yue)高，越(yue)易(yi)發生硫(liu)裂(lie)(lie)。在(zai)發生硫(liu)裂(lie)(lie)的(de)事故(gu)中，焊(han)縫(feng)(feng)特別是熔(rong)合(he)線是最易(yi)發生破(po)裂(lie)(lie)的(de)部(bu)位，這是因為(wei)這里(li)的(de)硬度(du)最高。NACE對碳鋼(gang)焊(han)縫(feng)(feng)的(de)硬度(du)進(jin)行了嚴格的(de)規定：≤200HB。這是因為(wei)焊(han)縫(feng)(feng)硬度(du)的(de)分布(bu)比(bi)母材復雜，所以對焊(han)縫(feng)(feng)硬度(du)的(de)規定比(bi)母材嚴格。焊(han)縫(feng)(feng)部(bu)位常發生破(po)裂(lie)(lie)，一方面是由于焊(han)接殘余應力的(de)作用，另(ling)一方面是焊(han)縫(feng)(feng)金屬、熔(rong)合(he)線及(ji)熱影響(xiang)區出現(xian)淬(cui)硬組(zu)織的(de)結(jie)果(guo)。為(wei)防止硫(liu)裂(lie)(lie)，焊(han)后進(jin)行有效的(de)熱處(chu)理十分必(bi)要。
5. 氫損傷(shang)
氫(qing)滲透進(jin)入金屬內(nei)部而造成金屬性(xing)能(neng)劣化稱(cheng)為氫(qing)損傷，也稱(cheng)氫(qing)破壞。氫(qing)損傷可分為四種不同類型：氫(qing)鼓泡、氫(qing)脆、脫碳和(he)氫(qing)腐蝕(shi)。
①. 氫(qing)鼓泡及氫(qing)誘(you)發階(jie)梯裂紋。
主(zhu)要發(fa)生(sheng)在含濕硫(liu)化氫的(de)介(jie)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S2-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(pao)及氫(qing)誘發階梯裂紋一般(ban)發生在鋼板卷制的管道上。
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↑
反應結果導(dao)致表面層(ceng)的(de)(de)(de)滲碳體(ti)減少，而碳便從鄰(lin)近的(de)(de)(de)尚未反應的(de)(de)(de)金屬層(ceng)逐漸(jian)擴散到此反應區(qu)，于是有一定厚(hou)度的(de)(de)(de)金屬層(ceng)因缺碳而變(bian)為鐵(tie)素體(ti)。脫碳的(de)(de)(de)結果造成鋼(gang)的(de)(de)(de)表面強度和疲勞極限的(de)(de)(de)降低。
④. 氫腐蝕
鋼受到高溫高壓氫作用后，其力(li)學性(xing)能劣化，強(qiang)度、韌(ren)性(xing)明顯(xian)降低(di)，并且是不(bu)可(ke)逆的，這種(zhong)現象稱(cheng)為氫腐蝕。
氫(qing)腐蝕(shi)的歷(li)程可(ke)用(yong)圖3-10來(lai)解釋(shi)。
氫腐蝕的過程大致可分為三個階段：孕(yun)育(yu)期，鋼的性能沒(mei)有(you)變化(hua)(hua)；性能迅速變化(hua)(hua)階段，迅速脫碳(tan)，裂紋快速擴展(zhan)；最(zui)后階段，固溶(rong)體中(zhong)碳(tan)已耗盡。
氫腐蝕的(de)孕育期是重(zhong)要(yao)的(de)，它往(wang)(wang)往(wang)(wang)決定了鋼的(de)使用壽(shou)命。
某(mou)氫壓(ya)力下產生氫腐(fu)蝕(shi)有一起始溫(wen)(wen)度(du)，它是衡(heng)量鋼材抗氫性能的(de)指(zhi)標。低于(yu)這個溫(wen)(wen)度(du)氫腐(fu)蝕(shi)反應速度(du)極慢，以致孕育期超過正(zheng)常使(shi)用壽命。碳鋼的(de)這一溫(wen)(wen)度(du)大約在(zai)220℃左右。
氫分壓也有一個起始點（碳鋼(gang)大(da)約在1.4MPa左右），即無(wu)論(lun)溫度多高，低于此分壓，只發生表面(mian)脫碳而不發生嚴重的氫腐蝕(shi)。
各種(zhong)抗氫鋼發生腐蝕的(de)溫度(du)和壓力(li)組(zu)合條(tiao)件(jian)，就(jiu)是(shi)著名(ming)的(de)Nelson曲線（在很多管道器(qi)材選用標準規(gui)范內均有(you)此曲線圖，如(ru)SH/T 3059《石油化(hua)工管道設計(ji)器(qi)材選用規(gui)范》）。
冷加工變形，提高了碳、氫的(de)擴散能力，對腐蝕(shi)起加速作用。
某氮(dan)肥(fei)廠，氨合成塔出口至廢熱鍋爐的高壓管道，工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)溫度320℃左右(you)、工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)壓力33MPa，工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)介質為H2、N2、NH3混合氣，應按Nelson曲線選用(yong)(yong)抗(kang)氫(qing)鋼。其中有一異徑短(duan)管，由于錯用(yong)(yong)了普通碳鋼，使(shi)用(yong)(yong)不久便因氫(qing)腐蝕而(er)破裂，造成惡性事故，損失(shi)非常(chang)慘重。
