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为什么长期储存氢气的金属罐会自行爆炸?

作者:万物杂志  时间:2021-03-18
描述:氢气(H2)虽然不能被金属直接吸收,但在某些条件下(如高压),金属表面的氢气分子会拆解成两个单原子氢,然后被金属吸收,引发氢脆。换言之,用金属材料长期储存高压氢气就相当于养了个不定时炸弹。
《生活宝典shenghuobaodian.com》讯  20世纪初,一些新的焊接技术被发明了出来,比如手工电弧焊(SMAW)和焊条焊接。电焊时,电弧或乙炔燃烧的热量会熔化金属,让两块金属焊接在一起。

然而,金属焊接时会产生单原子氢(H),而单原子氢会钻入金属中形成氢气(H2)。

氢原子是元素周期表里最轻的元素,它也是宇宙中最早诞生、最多的元素,数量占比达到91.2%,氢元素十分活泼,燃烧后生成水分子。

氢气在金属晶粒附近聚集起来,破坏金属的结构,让金属胀气变脆。有时氢气在金属内能累积成18.7兆帕,也就是地表气压187倍的高压。这个现象被命名为氢脆(hydrogen embrittlement)。

此外在高温下,被钢铁吸收的氢原子还可能和钢材中的碳原子形成甲烷气体(CH4),使钢材脱碳变脆,这被称为氢腐蚀(hydrogen attack)。

在使用的过程中,发生氢脆和氢腐蚀的焊接部位很容易开裂。油轮运输的重物和海浪的拍打会加速裂痕的扩张。更可怕的是,已经发生氢脆的金属表面看起来和普通金属没有什么不同,不会引起制造和使用者的警觉,这就增加了氢脆的危险性。

氢脆的金属(左)和普通金属(右)的对比,从外观看不出有什么差异。

氢脆的现象最早是在1875年由 W. H. Johnson 发现的。不过,直到现在,研究者还没有完全搞清楚氢脆的原理,也无法预测材料在何时何处会出现氢脆,因此最好的方法还是预防。

电焊尤其容易释放氢原子,这是因为电弧和焊条表面的纤维素涂层或空气中的水蒸汽接触,会产生单原子氢。现在出现了一种叫做低氢焊条的材料,它可以减少单氢原子的产生,适用于焊接高强度的钢材。

当然,有时氢是在制造过程中扩散到金属里的。电镀和清洗的过程也可能会产生单原子氢,这些单原子氢就有可能污染金属。

比如,为了防腐蚀,一些螺栓常会做一层镀镉。在镀镉的时候就有可能产生单原子氢。因为镀镉的问题,美国空军设立了低氢脆性镀镉的标准,要求承包商遵照执行。为了去除氢,螺栓的供应商通常在镀镉后对螺栓进行烘焙(如在24摄氏度的环境中烤数小时),让氢气从螺栓中逸出。

在氢的真面目被揭发后,现在氢脆引发的大灾难比较少见,但也并未彻底消失。

2013年,美国的旧金山-奥克兰海湾大桥为即将到来的通车进行测试。这座大桥是加州历史上最昂贵的公共建筑,也是被吉尼斯世界纪录收录的最宽的桥。

不过,在通车前的测试中工程师发现了问题:负责把桥面架设在水泥柱上的保险螺栓在测试运行2周后就出现了裂痕,让旧金山-奥克兰海湾大桥险些变成美式断桥。

在测试中,96个保险螺栓里30个坏掉了。后来发现,这就是氢脆引起的。

氢气(H2)虽然不能被金属直接吸收,但在某些条件下(如高压),金属表面的氢气分子会拆解成两个单原子氢,然后被金属吸收,引发氢脆。换言之,用金属材料长期储存高压氢气就相当于养了个不定时炸弹。

1988年,法国里昂附近圣丰 (Saint-Fons)的一个3千升的金属氢气罐发生爆炸,方圆500米内的财物都受到波及。这个氢气罐最早在1939年投入使用,后来的检测表明爆炸就是氢脆引起的。

虽然氢气的燃烧产物只有水,但氢带来的这些麻烦使能够安全压缩氢气燃料的商业技术难产,这就导致氢气运输管网成本居高不下,氢能源汽车也没有成为主流。

文章来源:shenghuobaodian.com

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