常見應力腐蝕及其選材

某種金屬材料只有在特定的腐蝕環境中，才發生應力腐蝕開裂。下表是容易引起應力腐蝕開裂的壓力容器用鋼和腐蝕環境的組合。可見，幾乎每一種材料都有可能發生應力腐蝕開裂。

根據上述應力腐蝕開裂特徵，得出共同的防止途徑是：

① 儘量消除拉應力，或施加以壓應力 。設備機加工或焊接後最好進行消除應力退火，或進行噴丸處理等操作，造成表面壓應力。

拉應力的來源有三個：一是設備的壓力載荷或非壓力載荷應力（如熱應力）；二是加工製造和安裝過程中產生的殘餘應力；三是腐蝕產物膨脹造成的應力，即由於腐蝕產物體積比被腐蝕掉的金屬的體積大，所造成的“楔入作用”。

② 改變介質的腐蝕性 ，使其完全不腐蝕（包括使其進入穩定鈍態），或者使其轉爲全面腐蝕，均可以防止應力腐蝕開裂。前者如使用緩蝕劑；後者如對於可經常更換的零部件改變介質成分造成全面腐蝕。

③ 選用耐應力腐蝕開裂的金屬材料 。

④ 採用陰極保護 。

鹼脆

金屬在氫氧化鈉溶液中的應力腐蝕開裂稱鹼脆。碳鋼、低合金鋼、不鏽鋼等多種金屬材料皆可發生鹼脆。氫氧化鈉濃度在5%以上的全部濃度範圍內，碳鋼幾乎都可能產生鹼脆；碳鋼及低合金鋼的溫度和氫氧化鈉濃度超過曲線對應的限定值時，焊後應進行消除應力熱處理。碳鋼及低合金鋼壓力容器殼體用鋼板的腐蝕裕量不得小於3mm，以增強耐均勻腐蝕能力並降低殼體應力水平。盛裝氫氧化鉀溶液的碳鋼及低合金鋼焊制容器也應參照上述要求。

下圖所示的關係早在20世紀50年代初就已發表併成爲腐蝕著作引用最多的資料，但時至今日仍不斷髮生碳鋼設備的鹼脆破壞事故，且環境溫度條件明顯地在破裂區（應力消除）範圍。究其原因，有些與加熱方式有關，即以熱水加熱爲主但是在冬季輔助以蒸汽加熱造成了超溫（超過50℃）。解決措施可以考慮以下幾方面： 改變加熱方式，重新 考慮選材和熱處理方案；設置溫度檢測點防止超溫 等。

對於奧氏體不鏽鋼而言，氫氧化鈉濃度在0.1%以上時，18-8型奧氏體不鏽鋼即可發生鹼脆，以氫氧化鈉濃度爲40%時最危險，這時發生鹼脆的溫度爲115℃左右。當奧氏體不鏽鋼中加入2%鉬時，則可使其鹼脆界限縮小，並向鹼的高濃度區域移動。鎳和鎳基合金具有較高的耐應力腐蝕性能，它的鹼脆範圍變得狹窄，而且位於高溫濃鹼區。

氯脆

氯離子不但能引起奧氏體不鏽鋼孔蝕，更能引起應力腐蝕開裂。發生應力腐蝕開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開裂臨界溫度爲60℃。具有氯離子濃縮的條件（反覆蒸乾、潤溼）是最易發生破裂的。壓力容器中發生奧氏體不鏽鋼氯離子應力腐蝕開裂情況相當普遍。

奧氏體不鏽鋼氧離子應力腐蝕開裂不僅發生在設備的內壁，在設備、管道外壁也時有發生。空氣中總含有氯化物，在海洋性大氣和工業區域大氣中氯化物含量更高。大氣中的水分在奧氏體不鏽鋼螺栓上凝結和蒸發反覆發生，就會造成螺栓表面的氯化物濃縮。乾溼交替對氯化物濃縮十分有利，因此，處於乾溼交替環境中的不鏽鋼設備容易發生應力腐蝕開裂。氯離子也可能來自於保溫材料中含有的雜質，或由於保溫層破損、進入的雨水帶入並經過濃縮的結果，例如石棉保溫材料。爲避免奧氏體不鏽鋼的隔熱材料溼水後濃縮的氯造成不鏽鋼應力腐蝕，必要時可對隔熱材料含氯量作出規定。

不鏽鋼在連多硫酸中的應力腐蝕開裂

在石油煉製工業中，以加氫脫硫裝置爲典型，不鏽鋼連多硫酸( H 2 S x O 6 ，x=3~5)的應力腐蝕開裂頗爲引人注目。設備在正常運行時，受硫化氫腐蝕，生成的硫化鐵，在停車檢修時，與空氣中的氧及水反應生成了H 2 S x O 6 。在Cr-Ni奧氏體不鏽鋼設備、管道的殘餘應力較大的部位（焊縫熱影響區，彎管部位等）產生應力腐蝕裂紋。

硫化物腐蝕破裂(SSCC-硫裂)

金屬在同時含硫化氫及水的介質中發生的應力腐蝕開裂即爲硫化物腐蝕開裂，簡稱硫裂。發生硫裂所需的時間短則幾天，長則幾個月到幾年不等，但是未見超過十年發生破裂的事例。發生硫裂所需的硫化氫濃度很低，略超過10 -6，甚至小於10 -6。美國腐蝕工程師協會（NACE）以355Pa硫化氫分壓作爲確定特定氣體成分（油田）是否處於硫裂潛伏區的判據。發生硫裂所需的時間一般隨硫化氫濃度增大而縮短。隨着硫化氫濃度增大，臨界應力值降低。

碳鋼和低合金鋼在20~40℃溫度範圍內對硫裂的敏感性最大，但奧氏體不鏽鋼的硫裂大多發生在高溫環境，隨着溫度升高，奧氏體不鏽鋼的硫裂敏感性增強。

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。

對於奧氏體不鏽鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L和316L不鏽鋼對硫裂的敏感性有如下的關係：H 2 S+H 2 O2S+H2O+CI -2S+ H2O+Cl -+O 2（破裂的敏感性由弱到強）。

對於碳鋼和低合金鋼來說，淬火加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+回火組織、正火組織、未回火馬氏體組織的順序遞降。

鋼的強度越高，越容易發生硫裂。鋼的硬度值越高，越容易發生硫裂。NACE標準規定，含流油、氣田用鋼的硬度<22 HRC。現在國際上普遍採用它作爲碳鋼和低合金鋼在溼硫化氫環境中使用的標準。這並沒有什麼理論根據，只是現場經驗的總結。例外的情況是極個別的。

焊縫特別是熔合線是最容易發生硫裂的部位，因爲這裡的硬度最高。NACE對碳鋼焊縫的硬度作了嚴格的規定：≤200 HB。焊縫部位常發生破裂，一方面是由於焊接殘餘應力的作用，另一方面是由於焊縫金屬、熔合線及熱影響區出現淬硬組織的結果。爲防止硫裂，焊後進行有效的熱處理（適當增加625℃±25℃保溫時間）是十分必要的。

控制硫裂措施 ：在硫裂環境中的受壓元件不宜選用18-8型奧氏體不鏽鋼和標準抗拉強度大於540MPa的碳鋼和低合金鋼；降低鋼板中S、P含量；增加非金屬夾雜物和晶粒度檢查以避免夾雜物超標和保證細晶粒要求；當選用標準未推薦材料，或改變材料的製造工藝，或選用無使用經驗的材料時，要對材料進行抗SSCC性能評定試驗；殼體用鋼板的腐蝕裕量不得小於3mm；不得采用銅及各種銅合金；不允許存在鐵素體鋼或雙相不鏽鋼與奧氏體銅之間的異種金屬焊接接頭等。

碳鋼和低合金鋼在其他應力腐蝕開裂環境中的控制措施與上述控制硫裂措施基本相同。因壓力容器設計和使用過程中，“應力集中”和“介質濃縮”是兩個無法避免且十分重要的因素，並與結構設計密切相關，所以資料中給出的產生應力腐蝕開裂的臨界應力和臨界濃度只具有參考價值和相對意義，是可以接受的工程控制指標，或適合使用的實用措施。這也是工程項目的複雜性所在。

其他常見的應力腐蝕開裂體系

① 碳鋼和低合金在液氨中的應力腐蝕開裂（氨脆）

純淨的液氨不會引起應力腐蝕開裂，當液氨中混入空氣(O 0 、N 2 、CO 2 )，如化肥工業中的農用液氨，則會引發應力腐蝕開裂，在液相部位和氣相部位均會產生。如液氨中含水量超過0.2%，可抑制破裂的產生。對焊縫進行消除殘餘應力的熱處理，是必要的防護措施。

② 碳鋼在CO-CO 2 -H 2 O環境中的應力腐蝕開裂

合成氨、制氫的脫碳系統、煤氣系統、有機合成及石油氣等工業中常發生這類損傷事故。

③ 奧氏體不鏽鋼在高溫水中的應力腐蝕開裂

動力工業及核工業中，常發生這類損傷事故。溶解O 2 是促進因素，裂紋是晶間型，但如含有Cl -，則裂紋將呈穿晶型。

④ 碳鋼在硝酸鹽溶液、煤氣液、焦爐氣中都對應力腐蝕開裂敏感

如碳鋼在焦爐氣(以CH 4 和H 2 爲主，內含CO 2 、H 2 S、NH 3 、HCN、H 2 O)中，35℃環境下，使用一年便發現裂紋。