自那以后，发现大家似乎都默认：点蚀是发生环境致开裂EAC的必要前提。但事实果真如此吗？不存在局部腐蚀的情况下，是否也会发生EAC？

本文将探讨油气开采工况下，碳钢、低合金钢（LAS）以及耐蚀合金（CRA）可能发生的各类EAC。

环境致开裂的电位区间

依据 ASTM G193 标准定义，环境致开裂（EAC）：材料在拉应力与环境介质共同作用下产生的开裂损伤。环境致开裂可以发生在两个不同电化学电位区间，阴极电位、阳极电位条件下都能够诱发不同类型的EAC。

该示例体系介质为充气环境，可由阴极曲线的扩散控制区判断。当电位负于氢氧化还原可逆电位REDOX时，发生析氢反应；当氢还原反应电流HRR超过氧还原反应极限电流ORR，析氢效应占据主导。

阳极极化初始阶段，维持较低的钝化电流密度Ipass，该区间内钝化膜 / 保护膜持续生长；电位高于点蚀电位时，发生稳定点蚀；电位反向扫描、电位低于再钝化电位时点蚀停止生长。

氢应力开裂（HSC）：材料同时承受拉应力、腐蚀介质，并且存在初生原子氢时发生的开裂损伤。施加阴极电位会加剧氢应力开裂，见图1右图。硫化物应力开裂（SSC）是氢应力开裂的一种特殊形式，体系中存在硫化氢时发生。因此当施加电位低于开路电位时，氢应力开裂与硫化物应力开裂会显著恶化。

与氢应力开裂、硫化物应力开裂不同，应力腐蚀开裂（SCC）：材料在持续拉应力（残余应力或外加应力）与腐蚀共同作用下发生开裂，属于阳极过程，发生在钝化膜失稳的电位区间。对于低合金钢、耐蚀合金，应力腐蚀开裂通常发生在再钝化电位ERP与点蚀电位EP之间（图1右图）。

也就是说：局部腐蚀是应力腐蚀开裂的必要条件，但氢应力开裂、硫化物应力开裂可在阴极电位下发生，无需预先产生局部腐蚀。

促进点蚀的条件同样会提升应力腐蚀开裂敏感性：高温、高氯离子浓度（溴离子、氟离子等强酸性阴离子）、高硫化氢分压、高二氧化碳分压、单质硫存在、低pH值都会加剧应力腐蚀开裂倾向。 既然氢应力开裂、硫化物应力开裂不需要点蚀作为前提，那么裂纹究竟从何处萌生？

当构件被极化至低于氢可逆电位，会生成原子态初生氢。实际工况中，电偶耦合（与耐蚀性更差的材料相连）、阴极保护都会引发析氢反应。氢原子扩散渗入金属基体，就会诱发氢应力开裂；氢原子复合生成氢气则不会带来损伤风险。螺纹接头螺纹部位、尖角等高应力集中区域会富集氢原子，造成快速脆性断裂失效。氢应力开裂常常在远低于材料屈服强度的外加应力水平下就发生开裂。 氢应力开裂与硫化物应力开裂不需要局部腐蚀即可萌生裂纹，且失效模式完全脆性，从这点来看，二者比应力腐蚀开裂危险性更高。

图 2 为 5 wt% 镍-低合金钢浸泡于 NACE TM‑0177 A 溶液（硫化氢饱和，5% 氯化钠 + 0.5% 冰醋酸，pH 2.6‑2.8）室温慢拉伸试验失效试样截面显微图。 左侧试样：阴极极化，外加电流密度‑1.5 mA・cm⁻²，发生硫化物应力开裂二次裂纹；裂纹起始于高应力集中位置，试样没有出现局部腐蚀。 右侧试样：同一种材料，阳极极化，外加电流密度 + 1.8 mA・cm⁻²，发生开裂；试样可见明显点蚀，所有裂纹全部起源于点蚀坑底部。阳极极化条件下生成保护性硫化铁膜，诱发开裂。Yamane 等人在硫化物应力开裂机理中，把长条点蚀 / 沟槽称为活化路径腐蚀（APC），活化路径腐蚀沟槽深度可达 100‑150 μm，之后才产生裂纹。硫化物应力开裂机理后续博文会详细展开。

海底油气行业中，双相不锈钢（DSS）、超级双相不锈钢（SDSS）在阴极保护作用下产氢，引发氢应力开裂，是工程中很典型的案例‑。海底设备依靠 Al‑Zn‑In 牺牲阳极防护外腐蚀，铟元素用来避免阳极钝化。构件被阴极极化至约-1.05V Ag/AgCl，该电位下阴极反应以析氢为主（见图 1）。双相、超级双相不锈钢海底构件发生多起失效，推动了大量相关研究，并出台行业推荐实践标准。

油气开采领域环境致开裂的防护

EAC发生三要素：材料 / 微观组织具备开裂敏感性、接触腐蚀性介质、应力超过临界值。三大要素的关系用维恩图表示，见图 3。

很多工况下，诱发析氢、局部腐蚀的环境条件难以预测，甚至不可改变，阴极保护产氢就属于这类情况。工程设计标准主要管控两个可控因素：材料选型以及构件许用设计应力。

含硫化氢酸性工况油气开采材料选型遵循 ISO 15156 标准：第 2 部分针对碳钢、低合金钢和第 3 部分针对耐蚀合金。 ISO 15156‑2 的设计思路是控制材料强度、硬度、洁净度。油气行业选用碳钢、低合金钢均满足 3 区条件（严酷酸性服役环境）：母材最高硬度限值 250 HV；焊接区不直接接触开采介质，硬度上限 275 HV。目前海底项目还没有突破该限值、完成 2 区（中等酸性服役）材料认证的案例。此外 ISO 15156‑2 把低合金钢中镍合金元素含量限制在质量分数 1.0 % 以内，本文作者团队认为该镍含量限值并不合理。

油气开采过程中酸性腐蚀环境无法消除；阀门、管汇、防喷器等复杂设备，缓蚀剂也很难保证持续有效。因此只能通过管控材料硬度、强度、洁净度以及工作应力，来抑制环境辅助开裂。

ISO 15156‑3 与第 2 部分不同，除强度、硬度指标外，还设置严格环境边界条件，包含温度、pH、硫化氢分压、氯离子浓度、单质硫含量。标准按合金系列分章节，表格给出各类合金的验收准则；企业可通过投票流程完善标准限值、新增合金牌号。

DNV‑GL 联合多家油气运营商、材料与设备厂商发布 DNV‑RP‑F112，该行业推荐规范专门针对施加阴极保护工况下双相、超级双相不锈钢的使用要求。海底双相钢构件不可避免会接触氢，DNV 标准称之为氢致应力开裂（HISC）。标准规定奥氏体最大间距以及许用设计应力：奥氏体晶粒可以阻断铁素体相萌生的裂纹；奥氏体间距越小，合金抗氢应力开裂性能越好。

总结

回到开篇问题：点蚀并非环境致开裂EAC发生的必要前提。应力腐蚀开裂这类阳极型开裂，裂纹通常由点蚀坑萌生；氢应力开裂可以完全不发生局部腐蚀，尖锐螺纹、缺口等应力集中位置就可以成为裂纹起源。