你听说过氢脆、氢致开裂以及氢腐蚀吗？氢在什么状态和什么环境下会对金属有所损伤？

什么是氢损伤？危害几何？如何识别与防范？带着这些问题，我们走访了中国失效分析的著名专家、博导 /华东理工大学王志文教授，听他娓娓道来他在氢损伤领域的研究。

悄悄进行的破坏：氢损伤

几年前，某化工厂的重油裂解装置在裂解过程中，循环油管泄漏引起了爆炸事故。事故发生时，反应操作温度为397℃，操作压力为16.6MPa (G)。

经过分析研究，此次事故主要是由于管道内部结构受到氢腐蚀导致管道破坏，高温高压下管道内的物质漏出并遇电火花进而引发火灾。由于氢腐蚀而产生的甲烷气体还会引起管道的内外表面出现鼓包和钢材脱碳现象。该工厂运行7年，大约供氢52天（累计每次开机时），而工作高温环境引起了氢蚀。

早在1875年Johnson首次报道了钢和氢作用导致材料脆化现象，这也是最早的关于氢脆的报道。

氢会导致很多金属构件的损伤，使微观结构及组织变化，并引起其性能的下降，导致钢材的开裂、鼓泡或断裂，并降低疲劳寿命，降低蠕变抗力，产生氢化物相，最常见的是导致构件脆性断裂，这种脆性断裂通常是突然发生的，习惯上称为氢脆。

其实，氢损伤的模式还远远不止于以往所发生的氢脆。化工及石化生产过程中经常会遇到高温高压氢介质引起的氢腐蚀，这是金属内部的氢和合金元素或杂质在微观结构上发生化学反应形成不可溶解于金属的现象。

氢损伤失效的的模式和特征有哪些？

各种机理的氢损伤所造成的失效、破坏，特别是承压设备氢损伤失效模式主要分为：

• 内气体氢致开裂，因材料氢脆而发生的断裂
• 氢鼓包，由于溶解在金属内部的内氢导致金属结构出现各种形式的裂纹
• 氢脆
• 氢腐蚀脱碳

氢损伤导致失效的主要形式是发生脆性断裂，承压设备因氢损伤极易出现破坏性大的碎片碎块造成人员伤亡。爆炸时不仅形成冲击波，还会因氢或其他可燃物质泄漏引发燃烧、二次爆炸、火灾、毒性物质伤害及环境破坏。

高强度焊接结构钢焊接时极易发生延迟裂纹，也与氢致开裂有关。有色金属钛、锆对氢损伤更为敏感。此外，当今氢能源汽车的充氢站需在70Mpa以上高压下工作，涉及到的储氢容器在常温下也会有氢脆的问题。

如何预防氢损伤？

在现代工业和各种工程技术中，无法避免接触介质及环境中的分子氢、原子氢及离子氢，也无法在使用过程中阻止这些形态的氢进入设备的金属之中。重要的是如何防止氢损伤的发生，以杜绝氢损伤引起的失效和事故。

首先，针对氢损伤的特殊性在设计时就应该选好材料，以抗氢致开裂和抗氢腐蚀的钢材为主。抗氢致开裂钢主要靠冶炼时提高纯度和采用高真空脱气消除钢水中的气孔，这样钢在结晶凝固之后就不会有明显的夹杂物，可大大消除氢在钢中的储存空间。另一方面，抗腐蚀的钢材主要是加入能够强烈形成碳化物的合金元素，它们可在钢水凝固后的较高温度下迅速与C形成稳定碳化物且不易分解，即使氢进入也不会破坏这些合金元素的碳化结构，从而避免氢腐蚀。

其次，采用有效的消氢热处理。消氢是要创造一种必需的温度条件和低氢或无氢的周边环境，以利于氢的扩散或外逸。200℃时氢分子即可分解为氢原子，有逸出金属的可能性。工程上常常将工件加热到300℃左右，更有利于扩散和逸出。同时，消氢热处理还要考虑钢材的厚度、尺寸。大厚度的设备应加长消氢时间，保证氢原子扩散。

此外，对于工程设备氢损伤的监控也十分必要。氢致开裂最有效的检测方法是超声波检测，这比射线检测更有效可信，可避免射线法的漏检。当超声波测厚结果显示的壁厚比原始壁厚明显增大时，应怀疑发生了高温氢造成的氢腐蚀。金相检验也是临氢设备非常重要的检验手段，应以现场覆膜法为首选。金相可直接观察到氢致开裂的裂纹，夹渣、气孔缺陷和开裂的状态，也可观察脱碳时产生微裂纹的情况。

如今，国内企业对氢损伤的认识及预防做得比较欠缺，设计、生产、检测、使用、设备维护，各干各的。实际上，失效分析应该参与到产品的各个环节中，这样才能从根本上避免失效。另外，企业应建立适用于自身专门的失效分析数据库和资料库，以此作为依据，指导产品设计、生产、使用管理等，这样可大大降低产品的失效风险，避免同类问题重复发生。

2018年5月10日， TÜV莱茵将在上海举办“质胜之道：第四届德国莱茵TÜV失效分析论坛——氢损伤篇”。届时，华东理工大学王志文教授、TÜV莱茵大中华区工业服务副总裁陈伟康博士将与来自国内外压力容器、石油化工、轨道交道、新能源等各个行业的企业设计研发人员、技术人员以及质检人员等针对氢损伤失效模式和解决方案展开深入探讨，分享案例和经验。

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质者：

王志文

华东理工大学教授，重点研究压力容器和压力管道的安全问题、缺陷评定、失效分析等。

曾任中国压力容器学会使用管理委员会副主任委员

曾任中国压力容器学会压力管道委员会副主任委员

中国机械工程学会失效分析分会失效分析专家