诞生138亿年的邪门元素，让巨轮断裂大桥损毁，威力超乎想象

138.2亿年前，一场炫目的无声爆炸之后的第一秒，许多事情在同时发生。温度在下降，空间距离在膨胀，四大作用力逐渐分解开来。38万年后，电子和原子核结合成为原子，再之后宇宙中的第一种元素诞生了，那就是数量占比高达91.2%的氢。

诞生得最早，又身姿轻盈的氢，仿佛传说中的精灵。和氧结合之后，只产生纯净的水的性质，让它成为了清洁能源的超级潜力股。换种流行的说法就是，氢元素——未来可期。

清洁能源——单原子氢

可是早在1766年，著名科学家卡文迪许就制备出了氢气。几百年过去了，是什么让氢仍然没有攀上巅峰，成为主流扛把子呢？因为小小的氢在工业应用上，前科太多太多了。

造价昂贵的巨轮，一个月给你沉140艘；延伸着80号州际公路的海湾大桥，一不小心就差点被搞报废。为了把这淘气的元素，从野生驯成家养，化学家们可是耗了不少心思。那么，氢为什么会有如此惊人的破坏力呢？

因氢脆而损坏的大桥

二战时美军为了提高运输效率，决定对自己的运输设备做一次升级大改造。2710艘Liberty Ship 自由轮华丽登场。这些船成本较低、工期较短，一次能运载5500吨左右的货物，美军对这些船的未来寄予了无限希望。

然而好景不长，不到三千艘的自由轮中，1500艘出现了无法在航行中修补的裂缝。当时正值冬季，低温之下，一些自由轮毫无预兆地断为两截。损失的物资不说，许多士兵不得不在茫茫海面挣扎求生，对美军的后勤补给造成了严重的影响。

其中最出名的一件，发生在1943年1月16日，当晚平静的黑暗被一声巨响划破，尚未交付的 S.S. Schenectady 号油轮，在造船厂内裂成了两半。这艘油轮是该造船厂承接的第一份订单。消息一出，满座皆惊。

也有一些人自我安慰，也许是这厂技术不够成熟呢？无情的事实在两个月之后打了他们脸。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 the Esso Manhattan号

偶然的一艘两艘出师未捷身先死也就罢了，问题是这些自由轮仿佛约好了一样，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，这种名副其实的往水里扔钱听响的行为，家底再厚也经不住。

问题究竟出在哪儿？由于技术上的限制，战争时期没有人知道答案。不过呢，只要思想不滑坡，办法总比困难多。美国人一拍脑袋，既然是破了，那往上打补丁不就得了。缝缝补补，三年又三年。

于是美国的造船厂们达成一致，对事故发生原因的研究先推一推，我们一起来用钢板给裂缝处打补丁，防止轮船继续开裂吧。这种从补衣服得到的灵感还挺有效，熟能生巧之后，这些防开裂钢板就有了正式的名字——止裂铆缝。

轮船的缝缝补补——止裂铆缝

全面推广补丁技术后，自由轮的月沉没数降到了20艘/月，变成了之前的七分之一，真是可喜可贺。二战之后，终于闲下来的美国人，开始总结教训。自由轮沉没的事情，比海底的自由轮更早浮上水面。

美国海军研究实验室的物理学家，乔治·欧文决定对自由轮的数据进行研究。终于 他找到了沉船的最大原因——氢。

这事说起来还得怪美军高层，20世纪初一些新的焊接技术投入应用，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，使两块金属焊到一块，一刻也不能分割。

20世纪初焊接技术的引入

在电焊技术出现前，拼接轮船的金属板用的是铆接技术，打洞、放铆钉、启动用铆钉枪铆死它们。看起来非常简单，但在实际操作中，需要受过专门训练的技工来确定铆哪儿、铆几个、怎么铆。

这些技术型工人的工资，足足占了轮船组装人力成本的三分之一。此外铆接时还需要把金属板交叠，船体的重量和原材料成本手牵着手飞升，打仗花钱的速度比扔火里烧还快。再加上前线补给需求的坑的增加，铆接工萝卜不够用了。

美国联邦海事委员会一拍脑袋，要求美国的造船厂统一用焊接替代铆接，胜利的果实很快就摘到了手。1930到1937年间，美国的造船厂制造了71艘船。用上电焊技术后，1939到1945年间，美国的造船厂总计出厂5777艘船。

制造一艘自由轮的速度更是惊人，5天即可完成。但是一切命运馈赠的礼物，都在暗中标好了价格。当时的人们不知道的是，焊接时会产生单原子氢，而把两块钢板合成一块的过程中，偶尔会有性格叛逆的原子，不肯乖乖的跑到合适的位置。

原本整齐的金属原子阵列中，就会发生错排、空隙的现象，科学家们管它叫“位错”。调皮的单原子氢一看，真巧你也喜欢逼死强迫症啊。它就钻到发生位错的原子身边，呼朋唤友形成氢气。

焊接时产生的特殊情况——位错

位错本来就是金属材料的薄弱区，等到焊接完毕、材料渐渐冷却的时候，氢气们开始想念外面自由的空气。它们就会团结起来猛攻弱点，破坏金属的结构，让金属胀气变脆，这个现象被命名为氢脆。

可别小看了它，有时氢气在金属内能累积成18.7兆帕的高压，是地表气压的187倍。还有一种情况，高温之下被钢铁吸收的氢原子，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。

金属变得脆弱，坚固的本质被腐蚀之后，它们的结局就是注定的——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，已经发生氢脆或氢腐蚀的金属，表面看起来无事发生，躲过质检那是轻轻松松，根本不会引起制造和使用者的警觉，这就埋下了隐患。

使用者无法预知，脚下的庞然大物会在什么时候、什么地方无情的裂开，让冷冷的海水在脸上胡乱地拍，跟乘客玩一把心跳。

早在1875年W. H. Johnson，就发现了爱和人们玩心跳的氢脆。不过在自由轮大量出事前，大家不知道氢脆有这么强的破坏力。在总结了自由轮“生病”的原因后，乔治·欧文开创了一门新学科，专门分析断裂力学和材料强度。

建筑业和制造业，也终于开始重视宇宙第一元素貌不惊人的氢。很可惜的是，虽然我们知道了什么是氢脆，但迄今为止，研究者们还是没有完全弄清楚氢脆的原理。

氢脆现象

由于氢元素的随心所欲，我们无法预测材料会在何时何处出现氢脆，因此最好的方法还是预防。研究不透氢脆，条条大路通罗马，改研究电焊吧。

经过长期的论证和实验，产生单原子氢的原因，是因为电弧和焊条表面的纤维素涂层会和空气中的水蒸汽接触。对此人们首先决定，提高焊条的抵抗力，于是低氢焊条应运而生。它可以减少单氢原子的产生，适用于焊接高强度的钢材。

一波刚平一波又起，有时氢在制造过程中就扩散到了金属里，电镀和清洗的过程也可能会产生单原子氢。

博士举个例子，一些螺栓为了防腐蚀，常会做一层镀镉。单原子氢那幺小，那么无孔不入，自然不会放过乘镀镉的时候钻进去的机会。

因此美国空军不得不设立了低氢脆性镀镉的标准，并要求承包商严格遵照执行。为了去除氢，螺栓的供应商通常在镀镉后，对螺栓进行退火等热处理工艺，让氢气从螺栓中逸出。除了这些，还有一种方法，叫做真空高温冶炼。

真空高温冶炼

顾名思义，对金属原材料进行冶炼加工时，让外界保持真空，氢自然就无法钻进金属里，而是被抽吸到环境之中。为了避免氢脆“病毒”入侵材料，研究者们可谓是挖空了心思。

在氢的人畜无害面具被摘下后，氢脆引发的灾难相对减少了许多，但也没有彻底绝迹。比如视频开头提到的海湾大桥。2013年美国终于决定，改造重建在1989年大地震中受损的，旧金山-奥克兰海湾大桥东段新桥。

维修中的旧金山-奥克兰海湾大桥

72亿美元的投资，让这项工程成为加州史上最昂贵的工程之一，重建后的新大桥将会超越金门大桥，成为美国又一新地标。尤为引人注目的是，这座新大桥最重要的东段，由中国上海振华重工建造。

在通车前的测试中，细心的工程师发现了问题。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，96个保险螺栓里坏掉了30个，究其原因还是氢在捣乱。

最后更换螺栓花费了预估的五倍，氢脆毫不犹豫地带走了加州运输部2500万美金，舆论一片哗然，可这钱又不得不花。毕竟海湾大桥要是变成断桥，可没有貌美心善的女子，在雨天向美国人民借一把伞。

氢的“坏脾气”不但祸害别人，也阻碍了自身发展。在氢脆的阴影下，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，典型案例发生在法国。

法国金属氢气罐发生意外爆炸

1988年里昂附近的圣丰小城，一个3千升的金属氢气罐发生爆炸，方圆半里内的财物无一幸免。可是它是在1939年投入使用的，谁也猜不到，半个世纪相安无事后，氢还是来了一出昂贵烟火。

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一直难产，氢气运输管网成本居高不下。最最最重要的是，氢气扩散速度极快，而且重量轻向上跑。所以在空旷地区，很快就散发到天空中，爆炸概率不大。

但是在隧道里就不一样了，美国实验了一把。按照联邦要求快速排走了储气罐的情况下，氢气泄露1秒后，1米距离内到达爆炸浓度；2秒后，3米内达到爆炸浓度。

运气好氢表演一个喷火，如果运气不好，1秒之后点着可能会炸死车内人，3秒之后点着十米之内的人自求多福吧。假如这时候后面再开来一辆燃油车，那画面真是不敢想象。

有的观众会说，氢气扩散快不是比燃油安全吗？非也非也，扩散快的另一面就是，同样的爆炸之下，汽油有十几分钟的逃跑时间；天然气有几分钟逃跑时间；氢气给你两秒。

我国汽车工业协会副秘书长叶盛基曾表示，氢燃料汽车在产业化推进中，仍处于起步和培育阶段，话是说得相当委婉。

氢元素，由宇宙大爆炸产生，也被爆炸限制，是名副其实的第一元素，却迟迟没有成为第一能源。不过，人类对科技永远充满好奇，充满探索的欲望，也许不久的将来，我们就可以让能源“氢”一个，再稳定的“氢”很久。