让巨轮断裂、大桥损毁,宇宙第一元素竟这么邪门
2020-11-26 14:43

让巨轮断裂、大桥损毁,宇宙第一元素竟这么邪门

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,题图来自:视觉中国


咱们在中学时就知道,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、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3600万美金油轮以一个月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学科分支。今天,我们就来了解一下这个奇异元素的你不知道的另一面。


仅存的四艘自由轮之一的 SS John W. Brown 号 图片来源:wikipedia


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(Liberty Ships)。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。在严寒而又波涛汹涌的海面上,一些自由轮甚至断成了两节。其中最出名的就是就是 S.S. Schenectady 号油轮。


裂成两半的自由轮 S.S. Schenectady 号 图片来源:wikipedia


1943年1月16日的晚上,俄勒冈州Swan Island造船厂发出巨响,尚未交付的 S.S. Schenectady 裂成了两半。


因为这是该造船厂造的第一艘船,所以引起了恐慌。实际上在那年3月,另一艘自由轮 the Esso Manhattan 号在进入纽约湾的时候也裂开了。


自由轮以一个月140艘的速度沉没。自由轮在当时的造价是每艘约200万美金,相当于现在的3600万美金。这种沉船速度里为美军带来了巨大的损失。问题究竟出在哪儿了呢?


裂开的自由轮 图片来源:tf.uni-kiel.de


战争时期没有人知道答案,不过大家还是找到了解决方法,那就是打补丁。美国造船厂在裂缝处用钢板打补丁,防止轮船进一步开裂。这个方法还挺有效,因此后来这些防开裂钢板就叫做止裂铆缝(crack arrestor)


在这个措施全面实施后,一个月里就只有20艘自由轮沉没,数量速降到了之前的七分之一。


二战后,美国海军研究实验室的物理学家乔治·兰金·欧文(George Irwin)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(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。


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,这让铆接工的成本占到轮船组装人力成本的三分之一之巨。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。


船体铆接 图片来源:boat-building.org


由于缺乏熟练的铆接工,美国联邦海事委员要求美国的造船厂用焊接替代铆接。这样一来,轮船的交货速度迅速提高了。在1930~1937年间,美国的造船厂才制造了71艘船。但是用上电焊技术后,在1939~1945年间美国造船厂造了5777艘船。


制造一艘自由轮只需要5天。在1941~1945年间,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,当时的人们不知道的是,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,在自由轮大量出事前,大家还不知道氢有这么强的破坏力。在把裂开的自由轮归因于氢脆后,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。


刚才说到,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。


镀镉可以防腐蚀 图片来源:milinc


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。


2014~2015年间,伦敦金融区的利德贺大楼的好几个螺栓因为氢脆坏掉了。


旧金山-奥克兰海湾大桥 图片来源:wikipedia


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。更换螺栓花费了加利福尼亚州运输部2500万美金,是预估的5倍,引发舆论哗然。


发生氢脆的保险螺栓横断面


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(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。


氢能源汽车丰田Mirai的氢罐 图片来源:wikipedia


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。


真没想到你是这样的氢啊。


本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

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