金屬材料在拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的斷裂破壞，稱為應(yīng)力腐蝕破裂。發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的時(shí)間有長(zhǎng)有短，有經(jīng)過幾天就開裂的，也有經(jīng)過數(shù)年才開裂的，這說明應(yīng)力腐蝕破裂通常有一個(gè)或長(zhǎng)或短的孕育期。

  應(yīng)力腐蝕裂紋呈枯樹枝狀，大體上沿著垂直于拉應(yīng)力的方向發(fā)展。裂紋的微觀形態(tài)有穿晶型、晶間型（沿晶型）和兩者兼有的混合型。

  應(yīng)力的來源，對(duì)于管道來說，焊接、冷加工及安裝時(shí)殘余應(yīng)力是主要的。

  并不是任何的金屬與介質(zhì)的共同作用都引起應(yīng)力腐蝕破裂。其中金屬材料只有在某些特定的腐蝕環(huán)境中，才發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。表3-4列出了容易引起應(yīng)力腐蝕開裂的管道金屬材料和腐蝕環(huán)境的組合。

1. 堿脆 

  金屬在堿液中的應(yīng)力腐蝕破裂稱堿脆。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多種金屬材料皆可發(fā)生堿脆。碳鋼（含低合金鋼）發(fā)生堿脆的趨勢(shì)如圖3-6所示。

  由圖3-6可知，氫氧化鈉濃度在5％以上的全部濃度范圍內(nèi)碳鋼幾乎都可能產(chǎn)生堿脆，堿脆的最低溫度為50℃，所需堿液的濃度為40％～50％，以沸點(diǎn)附近的高溫區(qū)最易發(fā)生。裂紋呈晶間型。奧氏體不銹鋼發(fā)生堿脆的趨勢(shì)如圖3-7所示。氫氧化鈉濃度在0.1％以上的濃度時(shí)18-8型奧氏體不銹鋼即可發(fā)生堿脆。以氫氧化鈉濃度40％最危險(xiǎn)，這時(shí)發(fā)生堿脆的溫度為115℃左右。超低碳不銹鋼的堿脆裂紋為穿晶型，含碳量高時(shí)，堿脆裂紋則為晶間型或混合型。當(dāng)奧氏體不銹鋼中加入2％鉬時(shí)，則可使其堿脆界限縮小，并向堿的高濃度區(qū)域移動(dòng)。鎳和鎳基合金具有較高的耐應(yīng)力腐蝕的性能，它的堿脆范圍變得狹窄，而且位于高溫濃堿區(qū)。

2. 不銹鋼的氯離子應(yīng)力腐蝕破裂 

 氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂。發(fā)生應(yīng)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(dá)到10-6，即能引起破裂。發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕破裂的臨界溫度為70℃。具有氯離子濃縮的條件（反復(fù)蒸干、潤(rùn)濕）是最易發(fā)生破裂的。工業(yè)中發(fā)生不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕破裂的情況相當(dāng)普遍。

  不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕破裂不僅僅發(fā)生在管道的內(nèi)壁，發(fā)生在管道外壁的事例也屢見不鮮，如圖3-8所示。

  作為管外側(cè)的腐蝕因素，被認(rèn)為是保溫材料的問題，對(duì)保溫材料進(jìn)行分析的結(jié)果，被檢驗(yàn)出含有約0.5％的氯離子。這個(gè)數(shù)值可認(rèn)為是保溫材料中含有的雜質(zhì)，或由于保溫層破損、浸入的雨水中帶入并經(jīng)過濃縮的結(jié)果。

3. 不銹鋼連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂 

  以加氫脫硫裝置最為典型，不銹鋼連多硫酸的應(yīng)力腐蝕破裂頗為引人關(guān)注。

  管道在正常運(yùn)行時(shí)，受硫化氫腐蝕，生成的硫化鐵，在停車檢修時(shí)，與空氣中的氧及水反應(yīng)生成了連多硫酸。在Cr-Ni奧氏體不銹鋼管道的殘余應(yīng)力較大的部位（焊縫熱影響區(qū)、彎管部位等）產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

4. 硫化物腐蝕破裂

  ①. 金屬在同時(shí)含有硫化氫及水的介質(zhì)中發(fā)生的應(yīng)力腐蝕破裂即為硫化物腐蝕破裂，簡(jiǎn)稱硫裂。在天然氣、石油采集，加工煉制，石油化學(xué)及化肥等工業(yè)部門常常發(fā)生管道、閥門硫裂事故。發(fā)生硫裂所需的時(shí)間短則幾天，長(zhǎng)則幾個(gè)月到幾年不等，但是未見超過十年發(fā)生硫裂的事例。

  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(fā)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(huì)發(fā)生。

  碳鋼和低合金鋼在20～40℃溫度范圍內(nèi)對(duì)硫裂的敏感性最大，奧氏體不銹鋼的硫裂大多發(fā)生在高溫環(huán)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(zhì)中，如果同時(shí)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(duì)鋼的硫裂起促進(jìn)作用。對(duì)于奧氏體不銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進(jìn)作用，304L不銹鋼和316L不銹鋼對(duì)硫裂的敏感性有如下的關(guān)系：H₂S+H₂O<H₂S+H₂O+Cl^-<H₂S+H₂O+Cl^-+O₂（硫裂的敏感性由弱到強(qiáng)）。

  對(duì)于碳鋼和低合金鋼來說，淬火十回火的金相組織抗硫裂最好，未回火馬氏體組織最差。鋼抗硫裂性能依淬火+回火組織→正火十回火組織→正火組織→未回火馬氏體組織的順序遞降。

  鋼的強(qiáng)度越高，越易發(fā)生硫裂。鋼的硬度越高，越易發(fā)生硫裂。在發(fā)生硫裂的事故中，焊縫特別是熔合線是最易發(fā)生破裂的部位，這是因?yàn)檫@里的硬度最高。NACE對(duì)碳鋼焊縫的硬度進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定：≤200HB。這是因?yàn)楹缚p硬度的分布比母材復(fù)雜，所以對(duì)焊縫硬度的規(guī)定比母材嚴(yán)格。焊縫部位常發(fā)生破裂，一方面是由于焊接殘余應(yīng)力的作用，另一方面是焊縫金屬、熔合線及熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織的結(jié)果。為防止硫裂，焊后進(jìn)行有效的熱處理十分必要。

5. 氫損傷 

  氫滲透進(jìn)入金屬內(nèi)部而造成金屬性能劣化稱為氫損傷，也稱氫破壞。氫損傷可分為四種不同類型：氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐蝕。

 ①. 氫鼓泡及氫誘發(fā)階梯裂紋。

  主要發(fā)生在含濕硫化氫的介質(zhì)中。

  由上述過程可以看出，鋼在這種環(huán)境中，不僅會(huì)由于陽(yáng)極反應(yīng)而發(fā)生一般腐蝕，而且由于S^2-在金屬表面的吸附對(duì)氫原子復(fù)合氫分子有阻礙作用，從而促進(jìn)氫原子向金屬內(nèi)滲透。當(dāng)氫原子向鋼中滲透擴(kuò)散時(shí)，遇到了裂縫、分層、空隙、夾渣等缺陷，就聚集起來結(jié)合成氫分子造成體積膨脹，在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生極大壓力（可達(dá)數(shù)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(nèi)部深處，則形成誘發(fā)裂紋。它是沿軋制方向上產(chǎn)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(fā)階梯裂紋輕者使鋼材脆化，重者會(huì)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(gè)硫化氫臨界濃度值。有資料介紹，硫化氫分壓在138Pa時(shí)將產(chǎn)生氫鼓泡。如果在含濕硫化氫介質(zhì)中同時(shí)存在磷化氫、砷、碲的化合物及CN^-時(shí)，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(fā)階梯裂紋一般發(fā)生在鋼板卷制的管道上。

 ②. 氫脆

  無論以什么方式進(jìn)入鋼內(nèi)的氫，都將引起鋼材脆化，即伸長(zhǎng)率、斷面收縮率顯著下降，高強(qiáng)度鋼尤其嚴(yán)重。若將鋼材中的氫釋放出來（如加熱進(jìn)行消氫處理），則鋼的力學(xué)性能仍可恢復(fù)。氫脆是可逆的。

  H₂S-H₂O介質(zhì)常溫腐蝕碳鋼管道能滲氫，在高溫高壓臨氫環(huán)境下也能滲氫；在不加緩蝕劑或緩蝕劑不當(dāng)?shù)乃嵯催^程能滲氫，在雨天焊接或在陰極保護(hù)過度時(shí)也會(huì)滲氫。

 ③. 脫碳

  在工業(yè)制氫裝置中，高溫氫氣管道易產(chǎn)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(yīng)結(jié)果導(dǎo)致表面層的滲碳體減少，而碳便從鄰近的尚未反應(yīng)的金屬層逐漸擴(kuò)散到此反應(yīng)區(qū)，于是有一定厚度的金屬層因缺碳而變?yōu)殍F素體。脫碳的結(jié)果造成鋼的表面強(qiáng)度和疲勞極限的降低。

 ④. 氫腐蝕

  鋼受到高溫高壓氫作用后，其力學(xué)性能劣化，強(qiáng)度、韌性明顯降低，并且是不可逆的，這種現(xiàn)象稱為氫腐蝕。

 氫腐蝕的歷程可用圖3-10來解釋。

  氫腐蝕的過程大致可分為三個(gè)階段：孕育期，鋼的性能沒有變化；性能迅速變化階段，迅速脫碳，裂紋快速擴(kuò)展；最后階段，固溶體中碳已耗盡。

  氫腐蝕的孕育期是重要的，它往往決定了鋼的使用壽命。

  某氫壓力下產(chǎn)生氫腐蝕有一起始溫度，它是衡量鋼材抗氫性能的指標(biāo)。低于這個(gè)溫度氫腐蝕反應(yīng)速度極慢，以致孕育期超過正常使用壽命。碳鋼的這一溫度大約在220℃左右。

  氫分壓也有一個(gè)起始點(diǎn)（碳鋼大約在1.4MPa左右），即無論溫度多高，低于此分壓，只發(fā)生表面脫碳而不發(fā)生嚴(yán)重的氫腐蝕。

  各種抗氫鋼發(fā)生腐蝕的溫度和壓力組合條件，就是著名的Nelson曲線（在很多管道器材選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)均有此曲線圖，如SH/T 3059《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范》）。

  冷加工變形，提高了碳、氫的擴(kuò)散能力，對(duì)腐蝕起加速作用。

  某氮肥廠，氨合成塔出口至廢熱鍋爐的高壓管道，工作溫度320℃左右、工作壓力33MPa，工作介質(zhì)為H2、N2、NH3混合氣，應(yīng)按Nelson曲線選用抗氫鋼。其中有一異徑短管，由于錯(cuò)用了普通碳鋼，使用不久便因氫腐蝕而破裂，造成惡性事故，損失非常慘重。