應力腐蝕開裂（SCC）存在固定模式：將特定金屬置于高拉伸應力與腐蝕劑環境中，一段時間后（往往過快），這種組合刺激就會致使金屬內部或表面的裂紋擴展。無論應力腐蝕裂紋大小、形狀是圓形還是分支狀、處于表面還是深層，都會嚴重損害資產的結構完整性。本文將闡述這一現象的本質以及緩解辦法。

應力腐蝕開裂的成因

1. 材料敏感性：因合金元素的差異，部分材料比其他材料更易出現應力腐蝕開裂。含鎳量 35% 的合金抗應力腐蝕開裂性能出色，而鎳含量超 45% 的合金幾乎不受此缺陷影響。并且，不同金屬（甚至其不同等級）對不同介質的敏感性或抵抗力各異。例如，奧氏體不銹鋼極易遭受氯化物導致的損壞；相反，像 LDX 2101 這類精益雙相不銹鋼，在 ASTM G39 U 型彎頭應力腐蝕測試中對氯化物的抵抗力更強。此外，SAF™ 3207 和 SAF™ 2707 HD Sandvik 等級能成功抵御氯化物引發的 SCC。銅合金在氨中通常會開裂，但在海水中腐蝕程度較輕。鈦合金（主要是 2 級和 4 級）對堿性、鹽液和有機酸抵抗力強，但在無水甲醇溶液中易斷裂?？傊?，要依據環境來選擇材料。

2. 操作環境：應力腐蝕引發的開裂只有在特定化學物質存在時才會出現。化學物質暴露可能來自外部（如管道埋置處土壤中的硫污染物），也可能來自內部（如儲存罐中的甲醇）。根據 API 571，以下是常見腐蝕性物質及其易受影響材料的表格：[此處可插入相關表格]。另外，一些額外觸發因素會加速 SCC，如高溫、pH 值、濕度、氧氣水平以及其他污染物的存在。而且，部分合金與其他金屬接觸時更易損壞。例如，2 級和 4 級鈦在接觸鎘或液態汞時會發生 SCC。

3. 拉伸應力和腐蝕應力：拉伸應力是指拉伸或拉開材料所需的力，通常由直接施加的壓力、機械載荷，或者焊接、機械加工和冷加工產生的殘余應力導致。因此，拉伸應力在熱交換器元件、制冷機組、水冷式冷凝器、加氫處理設備和工業鍋爐中較為常見。一般而言，金屬抗拉強度良好，在破裂前能承受較大變形（如不銹鋼可承受高達 690 MPa 的變形）。然而，當面對特定化學劑和溫度時，敏感材料在較低拉伸應力水平下也會破裂，這就是堿性應力腐蝕產生的原因。堿性應力腐蝕源于堿性環境中的施加應力和殘余應力，堿性環境通常指化學物質暴露在高溫（一般是堿性氫氧化物溶液）下。在溫度下，堿性裂紋數小時內就會擴散。通常，堿性應力腐蝕發生在未消除應力的資產中。

   
   

   

應力腐蝕開裂的檢測與測試方法

1. 目視檢查：目視檢查能夠發現較大且明顯的應力腐蝕裂紋，可通過手動或借助照相機、潛望鏡、放大鏡等光學設備進行。通常，目視檢查是所有其他測試方法的前置步驟，主要用于初步檢查或現場準備。影響視覺測試對 SCC 評估的因素包括裂紋大小、照明條件、測試速度、相機分辨率和表面特性。商業檢查無人機在檢測此類問題時很有幫助。若裂紋出現在高架資產、密閉空間或危險化學品附近，工業檢查無人機是最佳檢查幫手。其結構緊湊、機動性強，能接觸任何組件，拍攝詳細圖像和視頻，便于從各個角度檢查損壞情況。

2. 超聲波檢測：超聲波檢測（UT）利用高頻聲波檢測細小的外部裂紋、內部缺陷或材料退化。UT 需要高精度設備，包括傳感器、探傷儀、厚度計以及用于難以到達區域的無人機。但需注意，UT 沒有通用解決方案。傳統傳感器能檢測 SCC 的某些方向，但無法確定每個孤立裂紋的大小或它們之間的距離。多波束模型可檢測中壁或較深裂紋的精確深度。導波傳感器在精確定位缺陷位置方面表現出色。此外，可能需要借助其他軟件擴展 UT 數據，如 SAFT 算法，以檢測裂紋長度。因此，要根據具體用例選擇 UT 設備。例如，當需要檢測難以觸及資產的表面開裂和材料損失時，配備 UT 有效載荷的 Voliro T 檢查無人機是不錯的選擇。該無人機可執行 A 掃描，測量 2 - 150 毫米 / 0.08 - 5.9 英寸之間的材料厚度，分辨率達 0.06 毫米 / 0.002 英寸，有助于找到易出現裂紋的區域。特別是在存在拉伸應力的氯化物或腐蝕性環境中，材料變薄先于實際裂紋出現。還有一種 UT 探頭是高溫探頭，可可靠測量加熱至 0 - 260°C/32 - 500°F 的資產厚度。

3. 聲發射測試：受拉伸應力的資產會發出聲發射（AE），即由材料變形或缺陷形成引發的應力波。現代 AE 傳感器工作頻率范圍為 50 kHz 至 1 MHz。將其附著在表面時，能分析高頻聲波并檢測裂紋擴展。通過在不同位置放置多個 AE 傳感器，可對發射源進行三角測量，精確定位開裂位置。聲發射測試的主要優勢在于能在微裂紋產生初期就檢測到。AE 傳感器與資產監控軟件集成后，可發送信號并快速捕捉變化。另一個應用是將模式識別算法應用于聲發射記錄，以識別精確的開裂特征。例如，某研究小組嘗試使用線性回歸技術分析從 304H 不銹鋼板連續監測中獲得的 AE 數據，編寫了迭代算法來識別 AE 信號的精確位置和信號特征。

4. 慢應變速率測試（SSRT）：慢應變速率測試是將材料浸入模擬腐蝕環境中，以恒定速率直接施加應變的過程。測試結果可確定物體的抗拉強度、腐蝕裂紋閾值和失效時間。SSRT 是評估應力腐蝕開裂的標準方法，由 ASTM G129 - 21 規范。其主要優點包括設置簡單、模塊化、成本低于斷裂力學測試，且篩選速度相對較快。然而，該方法也有局限性。近期一項研究發現，SSRT 無法準確預測鎳銅高溫合金中材料對氫致脆性的敏感性，因為氫無法深入晶間結構。

   
   

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應力腐蝕開裂緩解策略

1. 保護涂層：應用保護涂層、油漆和粘合劑能在金屬表面與腐蝕劑之間形成屏障。例如，環氧樹脂和氯化橡膠涂料與金屬結合力強，即使在地下環境也能減少金屬與有害化學物質的接觸。石墨基涂層可保護核反應堆中的鋯合金免受應力腐蝕開裂。同時，MAO 陶瓷涂層顯示出保護鎂合金的潛力。不過，由于日常磨損，涂層可能變薄或出現孔洞。定期檢查能幫助主動發現這些變化，在裂紋侵入金屬前重新涂抹涂層。在 Voliro，可使用專用干膜厚度（DFT）探頭加快檢查速度。DFT 測量儀有兩種模式，可檢查黑色金屬和有色金屬上的涂層，能測量高達 1.5 毫米 / 0 - 60 密耳的油漆厚度，無論新舊漆。

2. 熱處理：熱處理（如固溶退火或硬化）可通過釋放殘余應力，使某些合金更耐應力腐蝕開裂。例如：

• 冷軋 316L 不銹鋼：在 650°C 下熱處理 10 小時，可使開裂幾率降低 50%。

• 182 合金焊縫：在 600°C、620°C 或 650°C 下熱處理 10 小時，可增強抗裂性能。

• 316 L 不銹鋼：在 1066°C 和 1150°C 下進行固溶退火會降低抗 SCC 性能，而硬化處理可降低 SCC 敏感性。

• AISI 304 奧氏體不銹鋼：低溫表面滲碳降低了氯誘導 SCC 的可能性。

3. 持續狀態監測：持續的狀況監測有助于早期發現 SCC。該策略涉及持續實時數據收集，并與基線測量值對比。借助機器學習（ML）算法，可增強對狀況數據的分析，以預測 SCC 的發生。為實施狀態監測預防 SCC，需投入：

• 物聯網傳感器，用于收集資產的聲波、振動、轉子速度、工作溫度、濕度和腐蝕性化學物質存在等信息。

• 光學設備，如安裝高清和變焦攝像頭的無人機，用于對易受 SCC 影響的部件進行定期目視檢查。

• 無損檢測設備，如超聲波傳感器或 EMAT，用于發現任何微小的表面裂紋、結構變薄和涂層損失。

結論

行業無人機機載大腦 —— 面向高校、科研院所的低空經濟解決方案

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