什么是应力导向氢致开裂

应力导向氢致开裂（StressOrientedHydrogenInducedCracking，简称SOHIC），是湿硫化氢环境中氢致破坏的一种形式。在石油、天然气以及石化等行业，设备和管道常接触含硫化氢的介质，若材质与防护不当，就可能遭受应力导向氢致开裂的威胁。

当金属处于湿硫化氢环境中，会发生一系列电化学反应。钢与含水硫化氢发生腐蚀反应时，会产生原子氢（H）和分子氢（H₂），化学反应方程式为：Fe+H₂S→FeS+2H，接着，2H→H₂。原子氢体积微小，容易从金属原子间的间隙扩散至金属基体内部，与基体发生物理化学作用，从而降低金属基体的机械性能。

在应力的引导下，原子氢会在金属内部的夹杂物与缺陷处聚集，形成成排的小裂纹，这些小裂纹会沿着垂直于应力的方向发展。应力导向氢致开裂通常发生在焊接接头热影响区和高应力集中区，如接管处、几何形状突变处、裂纹状缺陷处或应力腐蚀开裂处等。

在焊接接头的热影响区，由于焊接过程中的热循环作用，使得该区域的金属组织和性能发生变化，存在较大的残余应力，氢原子更容易聚集，从而引发应力导向氢致开裂；在接管处，由于结构不连续，会产生较高的应力集中，为应力导向氢致开裂提供了条件；在几何形状突变处，如容器的拐角、变径部位等，应力分布不均匀，容易出现应力集中现象，也容易导致应力导向氢致开裂的发生。

应力导向氢致开裂的原理探究

氢的产生与渗透

在湿硫化氢环境中，金属材料表面会发生一系列复杂的化学反应。以碳钢为例，当它与硫化氢（H₂S）接触时，会发生如下电化学反应：阳极反应中，铁（Fe）失去电子变成亚铁离子（Fe²⁺），即Fe→Fe²⁺+2e⁻；阴极反应则是硫化氢在水中电离出的氢离子（H⁺）得到电子生成氢原子（H），H₂S⇌H⁺+HS⁻，2H⁺+2e⁻→2H。这些氢原子非常活泼，由于其原子半径极小，能够轻易地通过金属晶格间的间隙，扩散进入钢基体内部。

在实际的石油化工生产中，一些与含硫原油接触的管道，其内部表面在湿硫化氢环境下不断发生上述反应，持续产生氢原子并向管道钢基体渗透，为后续的氢损伤埋下隐患。

裂纹的形成与发展

氢原子进入钢基体后，不会均匀分布，而是倾向于在夹杂物、位错、晶界等缺陷处聚集。这是因为这些位置的能量较高，氢原子处于这些位置时体系的能量更低，更为稳定。当氢原子在这些缺陷处聚集到一定程度后，会结合形成氢分子（H₂）。由于氢分子的体积比氢原子大得多，在钢内部无法自由移动，从而在局部区域产生巨大的内应力。当这种内应力超过钢的屈服强度时，就会在这些缺陷处产生微小的裂纹。

在没有外力作用的情况下，这些小裂纹可能会保持相对稳定。然而，当金属材料受到外加应力（如管道内的压力产生的应力、设备安装时的装配应力等）或残余应力（如焊接过程中产生的残余应力）作用时，情况就会发生变化。在应力的导向作用下，这些小裂纹会沿着垂直于应力的方向开始扩展。它们会不断连接、合并，逐渐形成宏观可见的应力导向氢致开裂裂纹。这些裂纹的扩展路径常常呈现出锯齿状或阶梯状，因为它们需要不断克服金属内部的各种阻力，如晶界、第二相粒子等。

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