1943年1月16日晚上,一艘巨大的油轮正停泊在船库中,这艘油轮名为自由轮号,是当时美国为应对战争物资需求,快速建造的众多油轮之一。它曾在战火纷飞的战场上承担着运输重要战略物资的重任。
按理说,这样一艘“久经沙场”的船只应该非常坚固。可这艘油轮,竟然在静止不动的情况下突然断裂成两半,成了当时人们百思不得其解的一桩悬案。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/08ef1c5fj00sieel50052d000sg00hrm.jpg)
看不见的敌人
造船厂的工人们正忙得热火朝天。他们已经习惯了这种高强度的工作节奏——修修补补、检检修修,确保每一艘船都能在海上稳稳当当地完成任务。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/3a693bacj00sieel700nxd000n700eem.jpg)
就在他们对这艘“自由轮号”例行检查时,忽然听到船体发出了一声低沉的“咔嚓”声,这声响在船库中显得格外刺耳。
紧接着,巨大的钢铁结构发出一系列令人不安的呻吟声,还没等他们回过神来,这艘巨轮竟然在他们眼前断裂了。
目睹这一切的工人们惊呆了,他们从未见过这样诡异的事故,工程师们被紧急召集到现场进行详细检查。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/c960746ej00sieel700mgd000o200f9m.jpg)
经过深入调查,发现这并不是个例而是一个普遍现象,在二战期间,美国建造了超过2,710艘自由轮货船,其中有432艘发生了裂缝,其中95艘的裂缝深入到横梁,20艘的强度甲板完全断裂,5艘完全断成两半。
根本原因是与氢脆现象有关。氢脆现象的危害性与普通的金属疲劳或腐蚀不同,氢脆并不会给出明显的预警信号。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/d2607afej00sieel700gad000lp00gum.jpg)
当金属发生氢脆时,往往是在材料承受正常应力的情况下突然断裂。这种断裂是瞬间的、不可预见的,且通常发生在最不应该发生的时刻。正因为如此,氢脆被认为是材料科学中最具挑战性的难题之一。
尤其是在工业生产的高压环境中。氢脆现象一直是一个潜在的巨大风险,例如,在炼油和化工生产过程中,氢气作为常见的化学反应介质,几乎无处不在。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/cdcb0dfej00sieel700had000og00ebm.jpg)
全球每年由于氢脆导致的管道和设备损坏事故数不胜数,尤其是在高压环境下,钢铁管道和设备极易受到氢脆的影响。
例如1975年美国芝加哥一座大型炼油厂因管道氢脆破裂,导致了大规模的石油泄漏事故,损失超过数千万美元。
也在日常生活中
氢气作为一种清洁能源,凭借其高能量密度和环保特性,在能源舞台上也占据了一席之地。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/499c93b1j00sieel6005sd000jl00bfm.jpg)
工业界为了让氢气安稳“住下”,不得不使用高压储氢罐,将氢气压缩到极高密度。这些储氢罐得承受相当于700个大气压的压力。
在这种情况下氢脆情况更为明显,因为高压加速了氢原子的渗透速率,增加了金属材料内部氢的浓度。这种情况会使得储氢罐、管道以及其他相关设备在长期使用中面临突然断裂的风险。
结果就是,储氢罐和管道等设备可能会在不经意间突然“崩溃”,而且往往没有任何预警,就像一颗定时炸弹,让人防不胜防。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/a9774abej00sieel5003sd000m800x0m.jpg)
当我们谈论氢脆时,很多人可能会觉得这只是一个工业问题,离普通人的生活很远。
根据国际能源署(IEA)的报告,到2030年,全球对氢的需求将超过1.5亿吨,氢能产业规模实现翻倍,达到5000亿美元。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/07d74768j00sieel6007ld000ta00ifm.jpg)
到2050年,全球氢能需求较2022年将增长10倍,氢能产业规模也将超过2.5万亿美元。到2030-2035年,我国将实现氢能及燃料电池汽车的规模应用,燃料电池汽车保有量有望达100万辆左右。
这意味着氢气加气站、氢燃料电池家用系统等设备将会变得越来越普遍。在这样的情况下,氢脆是每一个人都应该了解的安全问题。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/edbb3bc2j00sieel5004jd0010q00nom.jpg)
根据美国材料试验学会(ASTM)的研究数据,奥氏体不锈钢在高压氢气环境中可能导致其延展性降低约30%。
增加了断裂的风险。铁素体不锈钢在低温高压氢气环境下,其拉伸强度可能下降高达40%。
而马氏体不锈钢则在高压氢环境下更为脆弱,其韧性降低幅度可能超过50%。对于普通消费者来说,了解这些风险也是保障家庭安全的重要一环。
制造新的危险?
由于氢脆是一种化学反应,目前没有办法彻底杜绝只能防护,而为了对付“氢脆”这个看不见的敌人,科学家们不得不想出各种“妙招”。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/f8a3f3a4j00sieel600a5d000gi00aqm.jpg)
在材料选择上,科学家们发现,和传统钢材相比,HSLA钢在氢气环境中的表现在氢气的“围攻”下,依然能保持超过85%的强度,远远甩开普通钢材。
也同样可以通过控制焊接材料降低氢渗透的风险,焊接时,氢原子可能会趁着高温“溜进”钢材的晶格结构,给材料埋下氢脆隐患。
为了解决这个问题,科学家们发明了低氢电焊条。专门减少焊接过程中产生和渗透的氢气。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/35c8596fj00sieel600btd000mr00eqm.jpg)
传统电焊条中含有较高的水分和其他化学成分,在高温下会分解释放出氢气,而低氢电焊条则经过特殊处理,杂质含量大幅降低,减少了氢渗透的机会。
除了电焊条,焊接温度的控制也是一大关键,高温可能让氢原子更容易“钻”进材料内部,而过快的冷却速度又可能“锁住”这些氢原子,让材料更加脆弱。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/937faa7aj00sieel600c1d000ih00bom.jpg)
所有通常在焊接后采用缓慢冷却的方式,结合热处理,帮助释放和排除材料内部的氢气。
通过这些操作,钢材中的氢含量可以大幅降低。举个例子,传统电焊条焊接后的钢材,扩散氢含量通常在10-15毫克/百克,而采用低氢电焊条并控制温度后,氢含量可以降低到3-5毫克/百克。
还有一种主要的方法是表面涂层技术。镀镍涂层,这种涂层的核心原理在于它能够在金属表面形成一层致密的屏障,可以有效阻止氢原子的渗透。
![](http://dingyue.ws.126.net/2024/0818/7f3cef11j00sieel5004hd0012k00mmm.jpg)
就因为镍具有抗腐蚀、稳定性,涂层后的氢气渗透率可以减少高达90%。在海洋工程和核工业中,被应用在海底管道、船舶外壳以及核反应堆的压力容器上。
正如历史所证明的那样,科学的进步总是伴随着对未知的不断探索与克服。如今的工程师和材料科学家们,就像当年那些修船的工匠一样,正在尝试彻底解决这个“隐形敌人”。
随着人类科技的增长氢脆问题一定可以得到有效解决,让灾难远离生活!
热门跟贴