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让巨轮断裂、大桥损毁宇宙第一元素居然如此邪门

来源:科技日报2020-12-03 09:29

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  万物有科学

  我们在中学时就知道,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、数量最多的元素,数量占比达到91.2%。氢的性质活泼,燃烧后形成水,因此氢能源也是备受期待的清洁能源。

  不过,氢并没有我们想象的那么“干净”,它曾经让美军造价为3600万美元的油轮以一个月140艘的速度沉没,让加州海湾大桥差点报废,并且阻止氢能源汽车成为主流。

  为了驯服这个顽皮的元素,甚至还出现了一个专门的学科分支。今天,我们就来了解一下这个奇异元素你不知道的另一面。

  让轮船开裂沉没的凶手——氢

  二战时,为了运输士兵和物资,美军建造了数千艘油轮——自由轮。不过,自由轮很快成了灾难片现场。

  在2710艘自由轮中,近1500艘出现了严重的裂缝。在寒冷而又波涛汹涌的海面上,一些自由轮甚至断成了两节。自由轮在当时的造价是每艘约200万美元,相当于现在的3600万美元。这种沉船速度为美军带来了巨大的损失。问题究竟出在哪儿呢?

  二战后,美国物理学家乔治·兰金·欧文利用自由轮的数据进行了研究,终于找到了让轮船开裂沉没的凶手——氢。

  原来在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,让两块金属连在一起。

  在电焊技术出现前,拼接轮船的金属板用的是铆接技术。铆接技术有不少缺点,比如需要受过专门训练的技工才能操作,这让铆接工的成本占到轮船组装人力成本的三分之一。此外,铆接时需要把几块金属板交叠,这不但会增加船体的重量,还会增加成本。

  由于缺乏熟练的铆接工,美国相关机构要求美国的造船厂用焊接替代铆接。在1941—1945年,美国的18个造船厂就用焊接技术为美军制造了2710艘自由轮。

  但是,当时人们不知道的是,焊接时会产生单原子氢,而单原子氢会钻入金属中形成氢气。

  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形成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。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,使钢材脱碳变脆,这被称为氢腐蚀。

  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。

  无法彻底消除只能防微杜渐

  在把自由轮开裂归因于氢脆后,欧文开创了断裂力学和材料强度的学科分支,建筑业和制造业也终于开始重视这种邪门的元素了。

  需要指出的是,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。

  现在出现了一种叫作低氢焊条的材料,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会对螺栓进行烘焙(如在24℃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,如今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,负责把桥面架设在水泥柱上的保险螺栓在测试运行两周后就出现了裂痕。在测试中,96个保险螺栓中有30个坏掉了。后来发现,这就是氢脆引起的。这让旧金山-奥克兰海湾大桥险些变成美式断桥。

  氢的讨厌性质也成了氢能源广泛使用的最大阻碍之一。

  氢气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。

  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,也导致氢气运输管网成本的居高不下,氢能源汽车也没有成为主流。

  (来源:《万物》杂志官方微信“把科学带回家”)

[ 责编:武玥彤 ]
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