讓巨輪斷裂、大橋損毀，宇宙第一元素竟這麼邪門

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咱們在中學時就知道，氫原子是元素周期表裡最輕的元素，它也是宇宙中最早誕生、最多的元素，數量佔比達到91.2%。

氫的性質活潑，燃燒後形成水，因此氫能源也是備受期待的清潔能源。

不過，氫並沒有我們想像的那麼「乾淨」，它曾經讓美軍造價為3600萬美金油輪以一個月140艘的速度沉沒，讓加州海灣大橋差點報廢，並且阻止氫能源汽車成為主流。

為了馴服這個頑皮的元素，甚至還出現了一個專門學科分支。

今天，我們就來了解一下這個奇異元素的你不知道的另一面。

^{僅存的四艘自由輪之一的 SS John W. Brown 號 圖片來源：wikipedia}

二戰時，為了運輸士兵和物資，美軍建造了數千艘油輪——自由輪（Liberty Ships）。不過，自由輪很快成了災難片現場。

在2710艘自由輪中，近1500艘出現了嚴重的裂縫。在嚴寒而又波濤洶湧的海面上，一些自由輪甚至斷成了兩節。其中最出名的就是就是 S.S. Schenectady 號油輪。

^{裂成兩半的自由輪 S.S. Schenectady 號 圖片來源：wikipedia}

1943年1月16日的晚上，俄勒岡州Swan Island造船廠發出巨響，尚未交付的 S.S. Schenectady 裂成了兩半。

因為這是該造船廠造的第一艘船，所以引起了恐慌。實際上在那年3月，另一艘自由輪 the Esso Manhattan 號在進入紐約灣的時候也裂開了。

自由輪以一個月140艘的速度沉沒。自由輪在當時的造價是每艘約200萬美金，相當於現在的3600萬美金。這種沉船速度里為美軍帶來了巨大的損失。問題究竟出在哪兒了呢？

^{裂開的自由輪 圖片來源：tf.uni-kiel.de}

戰爭時期沒有人知道答案，不過大家還是找到了解決方法，那就是打補丁。美國造船廠在裂縫處用鋼板打補丁，防止輪船進一步開裂。這個方法還挺有效，因此後來這些防開裂鋼板就叫做止裂鉚縫（crack arrestor）。

在這個措施全面實施後，一個月里就只有20艘自由輪沉沒，數量速降到了之前的七分之一。

二戰後，美國海軍研究實驗室的物理學家喬治·蘭金·歐文（George Irwin）利用自由輪的數據進行了研究，終於找到了讓輪船開裂沉沒的兇手——氫。

原來在20世紀初，一些新的焊接技術被發明了出來，比如手工電弧焊（SMAW）和焊條焊接。電焊時，電弧或乙炔燃燒的熱量會熔化金屬，讓兩塊金屬焊接在一起。

在電焊技術出現前，拼接輪船的金屬板用的是鉚接技術。鉚接技術有不少缺點，比如需要受過專門訓練的技工，這讓鉚接工的成本佔到輪船組裝人力成本的三分之一之巨。此外，鉚接時需要把幾塊金屬板交疊，這不但會增加船體的重量，還會增加成本。

^{船體鉚接 圖片來源：boat-building.org}

由於缺乏熟練的鉚接工，美國聯邦海事委員要求美國的造船廠用焊接替代鉚接。這樣一來，輪船的交貨速度迅速提高了。在1930-1937年間，美國的造船廠才製造了71艘船。但是用上電焊技術後，在1939-1945年間美國造船廠造了5777艘船。

製造一艘自由輪只需要5天。在1941-1945年間，美國的18個造船廠就用焊接技術為美軍製造了2710艘自由輪。

但是，當時的人們不知道的是，焊接時會產生單原子氫（H），而單原子氫會鑽入金屬中形成氫氣（H2）。

氫氣在金屬晶粒附近聚集起來，破壞金屬的結構，讓金屬脹氣變脆。有時氫氣在金屬內能累積成18.7兆帕，也就是地表氣壓187倍的高壓。這個現象被命名為氫脆（hydrogen embrittlement）。

此外在高溫下，被鋼鐵吸收的氫原子還可能和鋼材中的碳原子形成甲烷氣體（CH4），使鋼材脫碳變脆，這被稱為氫腐蝕（hydrogen attack）。

在使用的過程中，發生氫脆和氫腐蝕的焊接部位很容易開裂。油輪運輸的重物和海浪的拍打會加速裂痕的擴張。更可怕的是，已經發生氫脆的金屬表面看起來和普通金屬沒有什麼不同，不會引起製造和使用者的警覺，這就增加了氫脆的危險性。

^{氫脆的金屬（左）和普通金屬（右）的對比，從外觀看不出有什麼差異。}

氫脆的現象最早是在1875年由 W. H. Johnson 發現的。不過，在自由輪大量出事前，大家還不知道氫有這麼強的破壞力。在把裂開的自由輪歸因於氫脆後，歐文開創了斷裂力學和材料強度的學科分支，建築業和製造業也終於開始重視這種邪門的元素了。

需要指出的是，直到現在，研究者還沒有完全搞清楚氫脆的原理，也無法預測材料在何時何處會出現氫脆，因此最好的方法還是預防。

剛才說到，電焊尤其容易釋放氫原子，這是因為電弧和焊條表面的纖維素塗層或空氣中的水蒸汽接觸，會產生單原子氫。現在出現了一種叫做低氫焊條的材料，它可以減少單氫原子的產生，適用於焊接高強度的鋼材。

當然，有時氫是在製造過程中擴散到金屬里的。電鍍和清洗的過程也可能會產生單原子氫，這些單原子氫就有可能污染金屬。

比如，為了防腐蝕，一些螺栓常會做一層鍍鎘。在鍍鎘的時候就有可能產生單原子氫。因為鍍鎘的問題，美國空軍設立了低氫脆性鍍鎘的標準，要求承包商遵照執行。為了去除氫，螺栓的供應商通常在鍍鎘後對螺栓進行烘焙（如在24攝氏度的環境中烤數小時），讓氫氣從螺栓中逸出。

^{鍍鎘可以防腐蝕 圖片來源：milinc}

在氫的真面目被揭發後，現在氫脆引發的大災難比較少見，但也並未徹底消失。

2014-2015年間，倫敦金融區的利德賀大樓的好幾個螺栓因為氫脆壞掉了。

^{舊金山-奧克蘭海灣大橋 圖片來源：wikipedia}

2013年，美國的舊金山-奧克蘭海灣大橋為即將到來的通車進行測試。這座大橋是加州歷史上最昂貴的公共建築，也是被吉尼斯世界紀錄收錄的最寬的橋。

不過，在通車前的測試中工程師發現了問題：負責把橋面架設在水泥柱上的保險螺栓在測試運行2周後就出現了裂痕，讓舊金山-奧克蘭海灣大橋險些變成美式斷橋。

在測試中，96個保險螺栓里30個壞掉了。後來發現，這就是氫脆引起的。更換螺栓花費了加利福尼亞州運輸部2500萬美金，是預估的5倍，引發輿論嘩然。

^{發生氫脆的保險螺栓橫斷面}

氫的討厭性質也成了氫能源廣泛使用的最大阻礙之一。

氫氣（H2）雖然不能被金屬直接吸收，但在某些條件下（如高壓），金屬表面的氫氣分子會拆解成兩個單原子氫，然後被金屬吸收，引發氫脆。換言之，用金屬材料長期儲存高壓氫氣就相當於養了個不定時炸彈。

1988年，法國里昂附近聖豐 (Saint-Fons)的一個3千升的金屬氫氣罐發生爆炸，方圓500米內的財物都受到波及。這個氫氣罐最早在1939年投入使用，後來的檢測表明爆炸就是氫脆引起的。

^{氫能源汽車豐田Mirai的氫罐 圖片來源：wikipedia}

雖然氫氣的燃燒產物只有水，但氫帶來的這些麻煩使能夠安全壓縮氫氣燃料的商業技術難產，這就導致氫氣運輸管網成本居高不下，氫能源汽車也沒有成為主流。

真沒想到你是這樣的氫啊。

來氫一個么么噠，然後鋼裂了。

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^{撰文 | 七君}

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來源：新華號 萬物雜誌