引言

在含硫化氢的油气田开发过程中，湿硫化氢环境对碳钢和低合金钢设备的威胁主要分为两类：一类是统称的硫化物应力开裂（SSC），另一类是氢致开裂（HIC）。与此对应，金属材料耐硫化氢腐蚀性能评价中***常开展的两项试验，就是抗硫化物应力开裂试验和抗氢致开裂试验。这两项试验的原理、加载方式和判定标准各不相同，分别对应湿硫化氢环境中两种不同的开裂形式。本文围绕这两种试验，从机理、开裂形式、试验方法和判定依据几个方面做一梳理。

一、SSC与一般应力腐蚀的区别

抗硫化物应力开裂（Sulfide Stress Corrosion Cracking，简称SSC或SSCC）是应力腐蚀开裂（SCC）中的一个特殊类型，但其机理与通常所说的应力腐蚀有所区别。在一般应力腐蚀中，环境所起的作用以阳极溶解为主，裂纹沿晶界或特定滑移路径扩展，材料的溶解过程直接决定裂纹的发展；而在SSC中，环境的作用以阴极充氢为主，湿硫化氢环境（金属在拉应力和硫化氢及水存在的综合作用下）引发硫化腐蚀反应产生氢原子，氢原子渗入钢基体在夹杂物、位错等“陷阱”处聚集，降低材料的临界断裂应力，***终导致材料在应力作用下的脆性开裂。

目前SSC的机理尚未被完全揭示，但多数学者认为这种开裂由氢导致，硫离子或硫化氢在其中起的是促进作用——硫化物的存在会阻碍氢原子在钢表面复合成氢分子逸出，使更多原子氢渗入钢材内部。也就是说，硫化氢环境本身未必直接溶解金属，其危害主要在于为氢进入金属创造了条件。

从工程后果看，这个问题不容轻视。在石油、天然气长输管道中，尤其是高压输气管道，管材强度等级较高、环向应力较大，硫化物应力开裂一旦发生，裂纹可能快速扩展并引发泄漏乃至断裂，造成重大安全事故。这种风险并非危言耸听，参考资料显示，超过50%的天然气管道故障可归因于应力腐蚀开裂(SCC)。具体而言，2014年中国高雄的一起燃气管道爆炸事故就造成了32人死亡、321人受伤；而在北美，此类问题同样严峻，加拿大每年报告30到40起相关管道失效事件。经济损失同样惊人，数据估算，全球每年由硫化氢（硫化物的主要来源之一）导致的管道完整性损失高达150至200亿美元，单次破裂事故的清理、罚款及生产损失即可超过1亿美元。因此，对用于湿硫化氢环境的管线钢和设备用钢，需要通过试验评价其抗SSC性能，作为材料选用和验收的依据。

二、氢原子进入金属的途径

HIC试验又叫抗氢诱导裂纹试验或抗氢脆试验。氢致开裂的英文全称为Hydrogen Induced Cracking，简称HIC。理解这项试验，先要从氢原子的行为说起。

与金属原子相比，氢原子尺寸很小，能够从金属原子间的间隙扩散进入金属基体内部，并与基体发生物理化学作用，使金属的机械性能下降。材料因氢的进入而变脆的现象，有时又称作氢脆或氢损伤，其断裂形式即为氢致开裂。

在湿润的硫化氢环境中，氢致破坏源于腐蚀反应产生的原子氢。钢与含水硫化氢接触时发生如下反应：

Fe + H2S → FeS + 2H

原子氢是这一腐蚀反应的副产物。两个原子氢如果复合成氢分子（2H → H2），则以气体形式逸出，不再危害钢材；但一部分原子氢未及复合，便扩散进入钢中，成为后续各类氢损伤的起点。由此可见，湿硫化氢环境下的开裂问题，根源都在于原子氢的产生与渗入，区别只在于氢在钢内聚集的位置和所受应力的状态。

三、湿硫化氢环境下的四种开裂形式

碳钢设备在湿硫化氢环境中既会发生均匀腐蚀，也可能发生应力腐蚀开裂。其中开裂的形式按机理和形貌可分为四种。

***种是氢鼓泡。含硫化合物腐蚀过程析出的氢原子向钢中渗透，在钢材内部的裂纹、夹渣、缺陷等处聚集并结合成氢分子。氢分子无法像原子那样在晶格中扩散，只能在缺陷处不断累积，形成很大的内压。随着氢分子不断聚集增多，其对晶格界面产生的压力也持续增大，当压力超过材料的结合强度时，晶格界面便会开裂，进而形成氢鼓泡。氢鼓泡主要分布在设备内壁的浅层表面，宏观上表现为表面鼓包，其形成不依赖外加应力。

第二种是氢致开裂。在钢材内部已发生氢鼓泡的区域，当氢的压力继续增高时，小的鼓泡裂纹趋向于相互连接，形成具有阶梯状特征的裂纹，其分布方向平行于钢材表面。氢原子在钢内部的MnS夹杂等位置聚集后，会产生局部高压，沿轧制方向引发阶梯状的氢致开裂，因此钢中沿轧制方向分布的MnS夹杂带状组织会显著提升氢致开裂的敏感性，这也是HIC试验对试样取向和组织状态有明确要求的原因。

第三种是硫化物应力开裂。湿硫化氢环境中产生的氢原子渗透到钢的内部，溶解于晶格中导致氢脆，在外加应力或残余应力的作用下形成开裂。与氢鼓泡和HIC不同，SSC必须有应力参与，且通常发生在焊缝与热影响区等硬度较高的区域。高强度钢对SSC的敏感性明显高于低强度钢：当碳钢硬度超过22HRC（对应237HBW/248HV）时，SSC敏感性会大幅提升，该硬度阈值被纳入NACE MR0103/ISO17945、NACE MR0175/ISO15156等行业标准。同时，SSC敏感性与钢材强度呈正相关，屈服强度＞620MPa（90ksi）的钢材在含H₂S环境中SSCC风险显著增加，屈服强度＞965MPa（140ksi）的钢材即使在低H₂S分压下也可能开裂。此外，针对X70、X80、X90、X100四种不同强度等级的管线钢实验显示，其HIC和SSC敏感性随强度等级升高而上升，其中裂纹厚度比（CTR）增幅***为明显。这些特性是管道设计中限制管材强度和硬度等级的核心原因之一。

第四种是应力导向氢致开裂（SOHIC）。在应力的引导下，在夹杂物与缺陷处因氢聚集而形成的成排小裂纹，沿垂直于应力的方向发展。它通常发生在焊接接头的热影响区及高应力集中区，如接管处、几何形状突变处、裂纹状缺陷处或已有应力腐蚀开裂的位置。与前三种氢致开裂形式相比，SOHIC的裂纹走向贯穿壁厚方向，一旦各层裂纹连通即造成泄漏，危险性较为突出。这种开裂形式在油气设施中较为罕见，多与焊接残余应力相关（如1984年芝加哥炼油厂胺吸收塔SOHIC事故）；且HIC、SSC、SOHIC常协同作用加速管材失效，据统计全球约30%的油气管道事故与氢损伤相关。

这四种形式中，氢鼓泡和氢致开裂不需要外加应力，氢致开裂试验针对的主要就是它们；硫化物应力开裂和应力导向氢致开裂以应力为必要条件，SSC试验评价的便是材料抵抗这类开裂的能力。

四、SSC试验方法

SSC试验的核心是把承受应力或应力集中的试样置于含硫化氢的溶液中，经过规定的试验周期后检查试样是否开裂。根据加载方式的不同，标准中规定了多种方法，常用的有如下几种。

单轴拉伸法（UT法）采用光滑拉伸试样，施加恒定载荷，载荷水平通常按材料屈服强度的一定比例选取。这种方法应力状态明确、数据便于比较，是评价管线钢抗SSC性能***常用的方法之一。

四点弯曲法（FPB法）将矩形截面试样放在两对支撑点上加载，试样中部一段范围处于等弯矩区，应力均匀且便于计算。该方法试样加工和加载装置相对简单，适合开展较多试样的对比试验，也是标准中规定的方法。

C型环法（CR法）对开有缺口的环形试样施加螺栓载荷，使试样受拉，特别适合管材和环形构件的试验，试样可以直接从管段上切取，与实际构件的几何对应关系较好。

D法即K1sccc法，采用预制疲劳裂纹的试样测定硫化氢环境中的临界应力强度因子，用于定量评价材料抵抗裂纹在硫化氢环境中扩展的能力，结果可用于断裂力学评估。

上述各方法一般均在常温常压的酸性硫化氢溶液中进行。对于实际工况温度和压力较高的场合，还有高温高压（HTHP）环境下的A法试验，试验装置需要承受较高氢分压和温度，用于模拟更接近实际服役条件的腐蚀环境。试验溶液、硫化氢分压、pH值、试验温度和时长等条件，标准中均有明确规定，报告结果时应当一并列出，因为相同材料在不同溶液和pH条件下性能可能差异很大。

五、HIC试验方法

与SSC试验不同，HIC试验不施加任何外部载荷。标准做法是将板状试样全浸入规定的硫化氢饱和溶液中，保持96小时，试验结束后取出试样，磨平抛光表面后检查裂纹。

检查的重点有三项指标：裂纹长度率（CLR），即截面上各条裂纹长度之和与试样截面长度之比；裂纹厚度率（CTR），即各条裂纹厚度之和与试样厚度之比；裂纹敏感率（CSR），综合反映裂纹长度与厚度方向扩展的比例。三项指标（裂纹长度率CLR、裂纹厚度率CTR、裂纹敏感率CSR）按标准规定的截面逐个测量后取平均值，与材料技术条件中规定的限值（常规合格标准为CLR≤15%、CTR≤5%、CSR≤2%，严苛场景要求CLR≤10%、CTR≤3%、CSR≤1%）比较，判定材料是否合格。

由于HIC裂纹平行于板面呈阶梯状分布，试样取向直接影响结果，通常要求同时取板材的横向和纵向试样。行业研究及生产实践普遍表明，钢中的带状组织和MnS夹杂是HIC敏感性的主要来源，因此改善夹杂物形态、减少中心偏析是提高管线钢抗HIC性能的主要冶金途径，试验结果也能在侧面反映冶金质量。例如，通过添加Ca处理将硫化物改性为形态更稳定的球状夹杂，可显著降低MnS诱发HIC的风险；工业生产数据显示，将中心偏析区硬度控制在Hv330以下，能大幅降低HIC萌生概率，这些措施在侧缝管线钢的工业化生产中已得到验证。

六、试验标准与选用

上述试验方法在国内外均有对应标准，试验时应当在合同和技术条件中明确采用的版本和方法。

抗硫化物应力开裂方面，美国腐蚀工程师协会的NACE TM0177-2016（Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments）是国际上应用***广的标准；国内对应的***标准为GB/T 4157-2017《金属在硫化氢环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验方法》，二者在溶液配方和试验程序上基本对应。此外，GB/T 40403-2021《金属和合金的腐蚀 用四点弯曲法测定金属抗应力腐蚀开裂的方法》对四点弯曲法作出了专门规定。

在抗氢致开裂测试领域，NACE TM0284-2016《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂性能评定》明确规定了管线钢与压力容器钢的抗氢致开裂评定方法；国内对应的测试标准为GB/T 8650-2015《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》。

选用时需要注意几点。其一，SSC试验和HIC试验评价的是两种不同的开裂形式，一项合格不能代替另一项，用于湿硫化氢环境的材料通常两项都要做。其二，试验方法应与材料服役状态对应，例如焊缝及热影响区硬度较高的材料，宜优先采用能覆盖焊接区的方法。其三，试验结果受溶液组分、pH值、温度及硫化氢浓度的影响十分显著，因此在对比不同材料的试验数据时，必须确认各组试验的条件保持一致。

七、结语

湿硫化氢环境下的氢损伤问题，源头是腐蚀反应产生的原子氢——具体反应为硫化氢溶于水形成弱酸性介质后，通过阳极反应(Fe→Fe²++2e⁻)和阴极反应(2H++2e⁻→H₂)构成电化学腐蚀循环，产生的原子氢走向决定了损伤形式：氢在近表面缺陷处聚集成分子，形成氢鼓泡（国内某石化分公司2003年投用的液态烃沉降罐曾出现***直径约200mm的氢致鼓包）；在板厚方向连接，形成阶梯状的氢致开裂；氢溶解于晶格并在应力作用下致脆开裂，即硫化物应力开裂；小裂纹在应力引导下沿垂直于应力方向发展，则成为应力导向氢致开裂。与这几种形式对应，SSC试验和HIC试验分别从有无外加应力两个方向评价材料的抗氢开裂性能，配套的NACE及GB/T标准对试验条件与判据作了明确规定：其中NACE TM0284-2016作为国际通用的HIC试验标准，规定试样每组至少制备3个平行试样，采用5%NaCl+0.5%CH₃COOH的试验溶液（H₂S饱和），在25±3℃的常温环境下浸泡96小时；同时明确以裂纹长度率(CLR)、裂纹厚度率(CTR)、裂纹敏感率(CSR)为核心评定指标，通用合格阈值为CLR≤15%、CTR≤5%、CSR≤2%；国内对应的等效国标为GB/T8650-2022，对上述要求进行了适配性规范。对管道和压力容器的设计、选材与验收而言，把两类试验用对、用全，是控制湿硫化氢环境失效风险的基础工作。这一要求的必要性已被多起真实事故验证：国内多家石化厂曾发生硫化氢腐蚀事故，例如南京炼厂催化裂化稳定塔顶冷却器外壳出现大面积氢鼓泡与硫化物应力开裂；2011年吉林松原石化"11·6"爆炸火灾事故中，气体分馏装置脱乙烷塔顶回流罐因湿硫化氢环境下的硫化物应力开裂，先在罐壳头焊缝热影响区形成微裂纹并逐步扩展，***终导致整体断裂，造成4人死亡、7人受伤；塔河油田伴生气输送管道的螺旋焊缝也因湿硫化氢环境发生开裂失效。这些案例充分说明，若未严格落实相关试验要求，可能引发严重的安全与经济损失。

参考资料

[1] NACE TM0177-2016. Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments.

[2] GB/T 4157-2017. 金属在硫化氢环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验方法。

[3] NACE TM0284-2016. Evaluation of Pipeline and Pressure Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking.

[4] GB/T 8650-2015. 管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法。

[5] GB/T 40403-2021. 金属和合金的腐蚀 用四点弯曲法测定金属抗应力腐蚀开裂的方法。

[6] RTM BREDA（1922-2022）及其他网络资料。

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