X70管線鋼在大慶土壤環(huán)境中微生物腐蝕行為研究

摘要

采用極化曲線、電化學阻抗譜技術和SEM、EDS、XRD分析方法研究了X70管線鋼在含硫酸鹽還原菌 （SRB） 的大慶土壤模擬溶液中的微生物腐蝕行為。結果表明，SRB在大慶土壤環(huán)境模擬溶液中生長周期分為對數(shù)生長期、衰減期和死亡期3個階段。SRB的新陳代謝對大慶土壤環(huán)境產(chǎn)生顯著影響：pH值在SRB生長的前2 d降低，然后呈逐漸上升趨勢。氧化還原電位在SRB對數(shù)生長期降低，在衰減期和死亡期呈增加趨勢。溶液電導率在SRB的對數(shù)生長期時增加，在衰減期和死亡期呈整體減小趨勢。在SRB對數(shù)生長期，游離的SRB利用其新陳代謝產(chǎn)物H將硫酸鹽還原成硫化物，促進了點蝕的發(fā)生；在SRB衰減期，腐蝕產(chǎn)物成團簇狀，膜層致密，減緩腐蝕；在SRB死亡期，生物膜脫落，腐蝕產(chǎn)物膜有明顯裂紋出現(xiàn)，形成微觀腐蝕電池，導致X70管線鋼的腐蝕加劇。X70管線鋼在SRB的大慶土壤中腐蝕產(chǎn)物為FeS和Fe3O4。

關鍵詞： X70管線鋼 ; 大慶土壤 ; 硫酸鹽還原菌腐蝕 ; 生長周期 ; 環(huán)境參數(shù)

埋地鋼質(zhì)管道作為油氣運輸?shù)拇髣用}，其可靠性和完整性直接影響著油氣資源的輸送安全[1]。在油氣輸送管線的失效事故中，有70%以上是腐蝕問題造成的，其中15%~30%的管線泄漏與微生物腐蝕有關[2]。土壤中微生物種類繁多且代謝活動旺盛，微生物的新陳代謝與管道表面電化學反應中的離子傳輸過程，共同構成了腐蝕的一個重要環(huán)節(jié)。微生物的代謝過程幾乎可以在所有金屬表面進行，導致金屬陽極溶解和力學性能的損失[3,4]，并生成影響腐蝕的生物膜層[5]。據(jù)報道，2006年微生物腐蝕致使美國阿拉斯加州的輸油管道泄漏，美國的石油產(chǎn)量大幅降低[6]。硫酸鹽還原菌 （SRB） 是導致金屬發(fā)生微生物腐蝕的最主要的菌種。SRB在大多數(shù)情況下是典型的厭氧菌，它們的新陳代謝活動與金屬一起導致H2S等強腐蝕性產(chǎn)物的形成[7]。土壤的低濃度氧環(huán)境特別適宜SRB的生長。宋博強等[8]研究表明，SRB對X70鋼在近中性土壤中腐蝕速率的影響與其生長規(guī)律有關。Wu[9]等研究了X80鋼在沈陽土壤中的微生物腐蝕行為，認為SRB的新陳代謝誘發(fā)了X80鋼點蝕的萌發(fā)。Xu[10]等研究了A36鋼在沈陽土壤中的縫隙腐蝕行為，結果表明：由于生物膜的保護，在早期階段SRB代謝活動抑制了鋼的腐蝕；后期生物膜脫落，A36鋼的腐蝕加快。

大慶作為我國重要的石油工業(yè)基地，地下鋪設大量的油氣管道。大慶土壤為我國典型的蘇打鹽，有堿性、含水率高的特點[11]，油田井口微生物含量極高。在眾多的土壤微生物腐蝕研究成果中，關于我國大慶土壤中微生物對管線鋼腐蝕行為影響的研究甚少。本工作通過電化學方法結合微觀觀察手段對X70鋼在大慶土壤中微生物腐蝕行為進行表征，系統(tǒng)地研究大慶土壤中SRB生長周期對環(huán)境參數(shù)及X70鋼腐蝕行為的影響，研究成果將為管線鋼在我國大慶土壤中的微生物腐蝕與防護提供有效的數(shù)據(jù)支持。

1 實驗方法

實驗材料為X70管線鋼，其化學成分 （質(zhì)量分數(shù)，%） 為：C 0.045，Si 0.26，Mn 1.48，Nb 0.033，Ni 0.16，Cr 0.17，Cu 0.21，S 0.001，P 0.0017，F(xiàn)e余量。線切割浸泡實驗試樣尺寸為40 mm×10 mm×2 mm，電化學試樣尺寸為10 mm×10 mm×1 mm。電化學試樣背面點焊引出銅導線，非工作表面用環(huán)氧樹脂封裝，留出有效面積1 cm2的正方形為工作面。實驗前將試樣用SiC水砂紙從80#逐級打磨到1500#，然后用丙酮去除油污，去離子水清洗后吹干待用。

根據(jù)中國腐蝕與防護網(wǎng)站數(shù)據(jù)，用分析純和去離子水配置大慶土壤模擬溶液，其成分 （g/L） 為：NaHCO3 1.726，CaCl2 0.084，MgSO4·H2O 0.061，KNO3 0.086，Na2SO4 0.109，pH值為9.0。

實驗所用的SRB菌種為土壤分離純化后獲得。所用培養(yǎng)基 （I） 成分為：0.5 g/L K2HPO4，0.5 g/L Na2SO4，1 g/L NH4Cl，0.1 g/L CaCl2，2 g/L MgSO4·7H2O，1 g/L酵母粉，3 mL乳酸鈉；培養(yǎng)基 （II） 為：0.1 g/L抗壞血酸，0.1 g/L保險粉，0.1 g/L硫酸亞鐵銨。用4% （質(zhì)量分數(shù)） NaOH溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)基 （I） 的pH值至7.2。將土壤模擬溶液和培養(yǎng)基 （I） 放入立式壓力蒸汽滅菌器當中，在121 ℃下滅菌15 min。培養(yǎng)基 （II） 通過圓筒式過濾器進行過濾，經(jīng)由紫外線滅菌處理。在生物安全柜中進行接種操作，按照1∶1∶2的比例混合培養(yǎng)基I、II和土壤模擬溶液，再按照1∶100的比例接種SRB，即為有菌溶液。

采用光密度 （OD值） 法，測量SRB在大慶土壤模擬溶液當中的生長曲線。對含SRB的溶液進行提取上清液，連續(xù)測量14 d。用紫外分光光度計 （UV-2550型） 進行吸光度 （Abs） 測定，由于吸光度在0.15~1.0范圍內(nèi)與OD值近似相等，從而測得OD值，得到生長曲線。如果測得的OD值超出此范圍，則把待測樣品用液體培養(yǎng)基進行稀釋5~10倍，直至達到此范圍，最后的結果與稀釋倍數(shù)相乘。

采用S220多參數(shù)測試儀測量SRB生長對溶液pH值和氧化還原電位的影響。通過DDS-307型電導率儀監(jiān)測SRB生長對溶液導電性的影響。連續(xù)測量14 d。

將試樣浸泡在含SRB的大慶土壤模擬溶液中，放置在生物培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)至不同時間后取出，用5% （體積分數(shù)） 的戊二醛固定液固定2 h后，再用不同濃度的乙醇 （30%，50%，80%和100%） 逐級脫水，以最大限度的保持其生物膜的完整性。用SU-8010型掃描電鏡 （SEM）、Q500MW型能量色散X射線光譜儀 （EDS）、D8 Advance型X射線多晶粉末衍射儀 （XRD） 觀察浸泡不同時期后試樣的腐蝕形貌及分析試樣的腐蝕產(chǎn)物。

電化學實驗采用三電極體系，工作電極為X70管線鋼，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極 （SCE）。采用PARSTAT 2273型電化學工作站對浸泡至4，7，10和14 d的試樣進行動電位極化曲線和電化學阻抗譜 （EIS） 測量。EIS譜的測量頻率為105~10-2 Hz，交流激勵信號為10 mV。動電位極化曲線的掃描速率為0.667 mV/s，掃描范圍為-0.5 V（vs. OCP） 至0.2 V。本文中所有的電位均相對于飽和甘汞電極 （SCE）。

2 實驗結果

2.1 SRB的生長曲線

圖1為SRB在大慶土壤模擬溶液中的生長曲線。由圖可知，SRB在大慶土壤模擬溶液中生長周期為14 d，大致分為3個階段：0~4 d為對數(shù)生長期，在這個階段溶液營養(yǎng)充足，SRB迅速繁殖，數(shù)量呈對數(shù)生長且活性增強，并在第4 d時達到最大值；5~10 d為衰減期，SRB的數(shù)量在這個階段逐漸減少，此時由于營養(yǎng)物質(zhì)被迅速消耗，SRB死亡數(shù)量大于繁殖數(shù)量，數(shù)量上整體呈下降趨勢，其中4~7 d下降速度最快。11~14 d為死亡期，在這一階段，SRB數(shù)量基本保持不變，表明此時已經(jīng)沒有新的SRB生成，SRB消失殆盡。

圖1   SRB在大慶土壤模擬液中的生長曲線

2.2 SRB生長對環(huán)境參數(shù)的影響

圖2為溶液pH值隨SRB生長周期的變化。由圖2可知，溶液的pH值在對數(shù)生長期第2 d時由9迅速降低至8.07，此后pH值隨時間增加呈整體增高趨勢，并最終達到8.96，表明SRB新陳代謝能導致pH值增加。

圖2   溶液pH值隨SRB生長過程的變化

圖3為溶液的氧化還原電位Eh隨SRB生長周期的變化。由圖可知，在SRB的對數(shù)生長期Eh從-296 mV降低到-345 mV，然后隨著SRB的衰亡，Eh略有增加，當SRB進入死亡期，Eh急劇增加至-201.3 mV。

圖3   溶液氧化還原電位隨SRB生長過程的變化曲線

圖4為溶液的電導率在SRB生長周期內(nèi)的變化。由圖可知，在SRB對數(shù)生長期溶液電導率增加，并在第4 d時達到最高值為5030 μs/cm，隨著SRB的衰減，電導率呈整體下降趨勢，當SRB進入死亡期，電導率急劇下降，最終降到4440 μs/cm。值得注意的是，當SRB進入死亡期，電導率略有上升，這可能是由于金屬表面生物膜脫落，不能對金屬形成保護作用，此時溶液中侵蝕性離子加速對金屬溶解造成的。

圖4   溶液電導率隨SRB生長過程的變化曲線

2.3 表面腐蝕產(chǎn)物形貌和成分分析

圖5為X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中浸泡至4，7和14 d的SEM圖像和EDS結果。從圖5a1中可以看出，浸泡至第4 d時，X70鋼表面覆蓋有生物膜，且伴隨有點蝕坑；浸泡至7 d時 （圖5a2），生物膜和腐蝕產(chǎn)物團簇生長在鋼基體表面。浸泡至14 d，鋼基體表面的腐蝕產(chǎn)物膜增厚，并出現(xiàn)明顯裂紋 （圖5a3）。EDS能量譜結果表明：X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中浸泡4、7和14 d的腐蝕元素主要為C、O、Fe、P、S、Mn，同時含有Na、Mg、Ca等少量的無機離子。其中圖 （5a2） 中腐蝕產(chǎn)物A點的P含量高于光滑表面B點，而S含量則低于B點；同樣，圖5a3中C點的P含量大于D點，而S含量小于D點。由此可知，團簇狀腐蝕產(chǎn)物主要為磷化物，而硫化物主要分布在電極表面。

圖5   X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中的SEM像和EDS結果

圖6為X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中浸泡14 d的XRD結果。由圖可知，腐蝕產(chǎn)物主要為FeS和Fe3O4，F(xiàn)e3O4可能是樣品取出后被空氣氧化形成的。

圖6   X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中浸泡14 d的XRD譜

2.4 電化學實驗

2.4.1 EIS譜

圖7為X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中的EIS結果。從Nyquist圖可以看出，在含SRB的大慶土壤模擬溶液中不同浸泡時間的X70鋼電化學阻抗譜均呈現(xiàn)為單一容抗弧特性，表明腐蝕過程由電化學反應控制。容抗弧半徑大小一般與金屬耐蝕性有關，容抗弧半徑越大表明耐蝕性越好。浸泡7 d的試樣容抗弧半徑最大，10和4 d次之，14 d的容抗弧半徑最小。在Bode圖中|Z|-lgf曲線可以看出，在浸泡7 d時系統(tǒng)中的電阻特性最大，此時電極表面可能形成了一層高阻抗低電容的隔絕層[12]；而4，10和14 d的|Z|-lg f的曲線幾乎重合。Bode圖中相位角在浸泡第7 d時達到最大，最大相位角接近90°，說明此時微生物腐蝕產(chǎn)物膜完整。

圖7   X70鋼在含SRB的大慶模擬溶液中浸泡不同時間的EIS圖

采用ZsimpWin軟件和圖8中的等效電路圖對EIS結果進行擬合，擬合結果見表1。其中，Rs為溶液介質(zhì)電阻，Qdl為雙電層電容，Rf是試樣表面膜電阻，Rct是電荷轉移電阻，CPE為雙電層常相位角元件，其大小主要與電極表面雙電層的介電性能相關，由兩個參數(shù) （常相系數(shù)Y0和彌散系數(shù)n） 決定[13]，n的取值范圍為0＜n＜1，表示彌散效應的程度。CPE1為膜電容，CPE2為雙電層電容。

圖8   X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中EIS等效電路圖

表1   X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中EIS擬合結果

由表1可知，電荷轉移電阻Rct為7 d＞10 d＞4 d＞14 d，膜電阻Rf為7 d＞10 d＞14 d＞4 d，7 d時的電荷轉移電阻Rct和膜電阻Rf之和最大，14 d的電荷轉移電阻Rct和膜電阻Rf之和最小，即第7 d時X70鋼的耐蝕性最好，第14 d時最差。這表明X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中的耐蝕性呈先增大后減小。

2.4.2 極化曲線

X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中的極化曲線見圖9。由圖可知，各條極化曲線均表現(xiàn)出鈍化行為，其中X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中浸泡7 d時的腐蝕電流密度最小，為1.776 ?A/cm2，說明此時耐蝕性最好。而其它時間的極化曲線差別不大，第14 d時的腐蝕電流密度較大，為4.203 ?A/cm2，說明此時耐蝕性最差。這與電化學阻抗結果相一致。文獻[11]表明，X70鋼在無菌的大慶土壤中的極化曲線均為活化，并沒有出現(xiàn)鈍化。而在本實驗中，在SRB的作用下，X70鋼發(fā)生了“鈍化”行為，這是由于X70鋼表面形成的生物膜在一定程度上阻礙了金屬的陽極溶解反應。

圖9   X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中浸泡不同時間的極化曲線

3 分析與討論

3.1 SRB生長對介質(zhì)環(huán)境參數(shù)的影響

SRB新陳代謝過程中的產(chǎn)物能夠改變腐蝕介質(zhì)中的參數(shù)。SRB代謝活動對溶液中的pH值變化有表現(xiàn)為，對數(shù)生長期前2 d，SRB新陳代謝產(chǎn)生的H2S和小分子有機酸導致pH值的降低[14]。隨后，SRB代謝產(chǎn)生的S2-水解產(chǎn)生的OH-的量增多，導致溶液中的pH值升高。具體反應如下[7]：

SO42?+8H→S2?+4H2O（1）

2H++S2?→H2S（2）

S2?+H2O→HS?+OH?（3）

SRB對溶液體系氧化還原電位Eh的影響是由代謝硫化物的性質(zhì)決定的[15]。SRB處于對數(shù)生長期時，對體系中SO42-的還原能力增強，低價態(tài)的S2-數(shù)量開始增加，Eh迅速下降[16]。Eh的降低表明被還原出的S2-濃度增大是體系還原能力增強的直接原因[17]。在SRB衰減期和死亡期，SO42-被還原的程度降低。溶液中還原產(chǎn)物S2-發(fā)生水解且部分與Fe2+絡合成Fe的硫化物，使溶液中的S2-量降低，導致Eh升高。具體反應為：

Fe→Fe2++2e（4）

Fe2++S2?→FeS（5）

SRB對溶液電導率的影響表現(xiàn)為：當SRB處于對數(shù)生長期時，溶液的電導率升高，這是因為SRB的代謝速度加快能使溶液中離子濃度增加，電導率增大[18]。衰減期和死亡期時，溶液中的營養(yǎng)物質(zhì)不斷消耗，殘余的SRB從其他無機化合物中獲得能量[19]，溶液中的無機化合物被消耗，導致電導率降低。

3.2 SRB生長對微觀腐蝕形貌的影響

SEM 結果表明，第7 d時，鋼基體表面形成了較致密的微生物腐蝕產(chǎn)物膜。在堿性環(huán)境下，SRB與胞外聚合物具有電負性[20]，排斥本體溶液中侵蝕性陰離子到達管線鋼表面[21]，從而管線鋼的腐蝕減緩。第14 d時，隨著SRB的死亡，微生物膜的電負性消失[22]，鋼基體表面的腐蝕產(chǎn)物膜出現(xiàn)裂紋，無法阻礙腐蝕性介質(zhì)接觸基體表面，導致腐蝕的繼續(xù)發(fā)生。

EDS能量譜表明，鋼基體表面的腐蝕產(chǎn)物元素除了C、O、Fe、P、S外，還有Na、Mg、Ca等無機離子，表明基體表面包含胞外聚合物 （主要成分是核酸、脂類、多糖和蛋白質(zhì)） 等有機物質(zhì)[22]。胞外聚合物具有很強的絡合能力，能夠?qū)⒍喾N無機金屬離子固定下來[23]。另外，胞外聚合物具有很高的黏性，可以吸附無機礦化物，形成復雜的生物膜[24]。腐蝕產(chǎn)物中的P是因為培養(yǎng)基中的K2HPO4存在所形成的[25]。

3.3 SRB生長對X70鋼的電化學行為的影響

EIS結果和極化曲線結果表明，X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中的腐蝕行為與SRB的新陳代謝過程有關。第4 d時，SRB處于對數(shù)生長期，溶液中的SRB數(shù)量最多，但是膜電阻Rf最小。說明此時大量的SRB浮游在溶液中，保護性生物膜尚未形成。SEM結果也證實了這一點。第7 d時，Rf與Rct均為最大值，腐蝕電流密度最小。此時SRB處于衰減期，雖然總體上SRB數(shù)量呈下降趨勢，但是附著在鋼表面的SRB數(shù)量增多，使鋼表面形成致密的生物膜，增強了X70鋼的耐蝕性。10和14 d時的Rf和Rct均為減小趨勢且腐蝕電流密度為增大趨勢，說明隨SRB的衰亡及浸泡時間的增長，鋼表面的生物膜不能在金屬表面附著，SEM結果表明X70鋼表面出現(xiàn)大量裂紋，腐蝕速率增加。

3.4 SRB新陳代謝對X70鋼在大慶土壤模擬溶液中的腐蝕行為影響

在大慶土壤環(huán)境中，1~4 d時，在對數(shù)生長期時SRB菌簇主要游離于溶液中，利用新陳代謝產(chǎn)生的H將介質(zhì)中的SO42-還原成S2-、H2S及有機酸參與陰極去極化過程[26]，導致X70鋼發(fā)生腐蝕 （反應 （1）、（2）和 （4）。4~10 d時，SRB處于衰減期，SRB從溶液中開始向電極表面附著，鋼基體表面覆蓋一層致密的微生物膜，抑制基體表面的腐蝕，致使腐蝕速率減小。當SRB進入死亡期，生物膜不能維持完整性，出現(xiàn)明顯裂紋，腐蝕性介質(zhì)直接接觸基體表面，X70鋼的腐蝕速率增大。此時膜層破損的區(qū)域電勢較低成為陽極被加速腐蝕，而微生物腐蝕產(chǎn)物膜致密的區(qū)域電勢較高作為陰極[27,28]。膜層破損的區(qū)域與有生物腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋的區(qū)域形成腐蝕原電池促進了腐蝕[28]。

4 結論

（1） SRB在大慶土壤模擬溶液中一個生長周期分為對數(shù)生長期 （1~4 d）、衰減期 （4~10 d）、死亡期（＞10 d） 3個階段。

（2） SRB的生長代謝影響了土壤當中的環(huán)境參數(shù)。pH值在SRB的對數(shù)生長期前2 d降低，然后呈整體上升趨勢。Eh在對數(shù)生長期時降低，在衰減期和死亡期增加。電導率在SRB的對數(shù)生長期時增加，在衰減期和死亡期降低。

（3） 在SRB對數(shù)生長期，游離的SRB利用介質(zhì)環(huán)境中H將硫酸鹽還原成硫化物，促進了X70鋼腐蝕的發(fā)生；SRB衰減期，致密的微生物膜附著在X70鋼的表面，暫時減緩了腐蝕；SRB進入死亡期后，由于生物膜脫落，形成微觀腐蝕電池，導致鋼基體的腐蝕加劇。