柠檬酸杆菌对X70 管线钢腐蚀行为的影响*

2021-12-06编译

焊管 2021年11期

张歌，马璇，罗刚，郑浩编译

（1. 陕西电子工业研究院，西安 710065；2. 国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡 721008；3. 宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡 721008；4. 陕西航天时代导航设备有限公司，陕西宝鸡 721006）

0 前言

钢质管道是世界范围内广泛使用的主要管道类型之一，近50 年来已成为石油天然气输送的主干网。然而，由于其经常暴露在腐蚀环境中，会降低使用寿命，增加失效的风险。工业上用于清洁的酸性溶液和细菌造成环境酸化是导致钢管力学性能下降和结构早期失效的两个主要原因。因此，特别是在酸性环境中使用时，保护钢管不受腐蚀至关重要。添加缓蚀剂是最有效、最实用的防腐蚀方法之一。近年来，人们对引入合适的有机物作为缓蚀剂进行了大量的研究，并阐明了几种可能的防腐机理。但是，特定缓蚀剂的使用效果取决于腐蚀环境和钢管类型。

微生物腐蚀（MIC）是由工业和自然系统中的微生物（细菌、真菌和藻类）引起的腐蚀。MIC 是生物污垢的后果之一，但其腐蚀行为一直存在争议，包括代谢产物对管道的腐蚀加速和腐蚀抑制以及生物膜的形成。生物膜是一种或多种微生物的集合体，细胞在不使用某种黏附促进剂的情况下相互黏附。这些贴壁细胞通常嵌入胞外多聚物（EPS）基质中，并在较短的时间内附着在金属表面。

硫酸盐还原菌（SRB）是造成金属合金发生微生物腐蚀的主要菌种。细菌的积累和生物膜的形成极大地影响了电化学过程。生物膜的形态和结构对各SRB 菌株的腐蚀行为有很大影响，有研究者发现致密的生物膜能够保护金属表面，也有研究者发现表面形成稳定的生物膜加快了腐蚀的动力学过程。当微生物在金属基材上变得负活性时，可以通过几种方式加速厌氧MIC 行为，如阴极去极化，硫化铁薄膜与金属基材形成耦合电偶，金属离子与生物膜中EPS 发生螯合，从而加速腐蚀。

微合金化管线钢因其优越的性能在石油天然气管网中得到了广泛应用，在管线钢服役过程中最大的威胁之一就是发生MIC， MIC 主要受管线钢成分、组织、土壤环境等因素影响，而微生物会直接影响土壤环境。虽然在管道上涂敷外防腐层起到了保护作用，但随着服役时间的延长，服役条件可能会发生变化，或者由于残余应力导致管道涂层剥离，钢管就会直接暴露在土壤中接触到细菌发生腐蚀。

X70 管线钢在石油天然气输送中具有重要的作用，但硫酸盐还原菌对其腐蚀行为的具体机理尚未得到详细的研究。因此，笔者重点研究了X70 管线钢在硫酸盐还原柠檬酸杆菌的土壤模拟溶液中的腐蚀行为，本研究中使用的细菌菌群是从含污泥的土样中培养的，采用开路电位（OCP）和电化学阻抗谱（EIS）等电化学方法，在厌氧条件下对金属表面的生物膜及其他腐蚀产物进行了表征，并利用场发射扫描电镜（FESEM）研究了金属表面生物膜及其他腐蚀产物的形貌和化学成分。

1 试验材料与方法

1.1 样品制备

在X70 管线钢板上取15 mm×15 mm×10 mm试样，其化学成分见表1，金相显微组织如图1所示。

表1 X70 管线钢化学成分 %

图1 X70 管线钢的金相显微组织

通过图1 可以看出， X70 管线钢金相组织主要由块状铁素体和细小珠光体组成。将试样镶嵌在环氧树脂上，留下225 mm2的裸露面积。先将样品进行研磨和抛光，然后用蒸馏水清洗，接着用95%乙醇冲洗并在丙酮中脱脂后，将样品通过紫外线灯灭菌15 min。

1.2 微生物培养基制备

本研究中使用的土壤来自伊朗阿瓦士（Ahvaz），通过在厌氧条件下制备模拟土壤培养基。将无菌试样分别置于细菌培养基（生物系统）和无菌培养基（非生物系统）中，以进行腐蚀试验。

1.3 菌株鉴定

菌株鉴定通过16S rRNA 测序。采用煮沸法从指数生长期的活性细菌菌落中提取DNA。用正向（fD1： 50-CCGAATTCGTCGACAACAGAGT TTGATCCTGCTCAG-30）和反向（rD1： 50-CCC GGGATCCAAGCTTAAGGAGGTGATCCAGCC-30）引物PCR 扩增16S rRNA 基因。通过在琼脂糖凝胶上电泳确认PCR 产物，然后测序。使用BLAST 算法将获得的序列与GenBank 数据库中的可用序列进行比较。由于光密度（OD）与培养基中的活菌数和生物膜的形成有线性关系，因此，采用UV-M51 分光光度计计算OD 随时间的变化。另一方面，采用碘量滴定法测试纯化菌株的硫酸盐还原量和土壤模拟液中硫化物浓度随时间的变化。

1.4 表面形貌及显微分析

从生物（有菌）和非生物（无菌）系统中取出试样，每次试验后对腐蚀产物进行表面形貌观察和显微分析，采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能谱仪（EDS）分析表面产物的形貌和元素分布，并通过扫描电镜（SEM）对腐蚀坑形貌进行观察。

1.5 电化学测试

采用开路电位（OCP）和电化学阻抗谱（EIS）研究不同时间间隔（7 天、 14 天、 21 天、 28 天、40 天）生物和非生物系统中模拟土壤溶液中腐蚀的电化学性能。电化学测试在（23±2） ℃下进行，利用ZView 软件对测得的EIS 数据进行拟合。

2 结果和讨论

2.1 菌株鉴定

图2 所示为纯化菌株在模拟土壤溶液中OD（波长600 nm 处）随时间的变化曲线。图2 表明菌株的生长过程可分为三个阶段： ①第3 天～第21 天是第一阶段（指数阶段），此阶段活性菌数量迅速增加，第21 天细菌数量达到最大值。21 日龄细菌培养离心提取DNA，对分离物16S rRNA 基因序列的分析表明，与弗氏柠檬酸杆菌（相似性100%）和巴拉克柠檬酸杆菌（相似性99%）的相似度最高。 ②21 天后（死亡阶段），活性菌数量迅速下降。 ③24 天后（静止阶段），活性菌几乎消失。

图2 柠檬酸杆菌在40 天内的OD 曲线

图3 所示为柠檬酸杆菌在生物和非生物系统中不同时间内产生的硫化物量。在非生物系统中，硫化物浓度基本保持相对稳定，从最初的60 mg/L 到40 d 后40 mg/L。该硫化物可能是由于土壤模拟液中的硫酸盐化合物随时间溶解所致，因此溶液中的硫化物含量减少。

图3 生物和非生物系统中硫化物浓度随时间的变化曲线

由于硫化物的溶解浓度与第1 阶段（指数阶段）的活性细菌数量直接相关，因此推断该阶段细菌活性及代谢产物水平较高，与OD 曲线完全一致（图2）。当产生的硫化物量为471.4 mg/L时，其值足以使一株柠檬酸杆菌作为硫酸盐还原菌；在细菌快速生长到第2 阶段（死亡阶段），硫化物浓度明显下降；第3 阶段（静止阶段），OD 值和硫化物浓度值变化趋势相似，说明活性菌几乎消失。

图4 所示为生物和非生物系统中pH 值随时间的变化情况。由图4 可以看出，细菌的攻击性因子和活性代谢产物改变了pH 值。在生物系统中， pH 值从第1 天到第21 天急剧下降， 21 天后随着时间的延长又逐渐升高。在非生物系统中， pH 值基本保持在6.94 左右。

图4 生物和非生物系统中pH 值随时间的变化曲线

2.2 表面形貌及显微分析

图5 和图6 所示为非生物系统中试样在不同腐蚀时间的腐蚀产物形貌和EDS 图谱。由图5 和图6 可以看出，腐蚀时间为7 天时，金属表面可见颗粒状沉积物，分布较为松散；在14 天后，金属表面出现了更多的螺纹状腐蚀产物和其他沉积物；当达到21 天时，在金属表面形成具有多孔形貌的厚膜，对腐蚀产物进行EDS 分析发现以铁氧化合物为主，还包括少量的氯化钠、碳基化合物和硫化物；当腐蚀时间达到40 天时，腐蚀产物开始变得疏松，无附着力，随着腐蚀时间的延长，腐蚀产物逐渐流失，因此出现了台阶，一般认为，这是由于Cl-在金属表面富集，破坏了表面膜层的稳定造成的。

图5 X70 管线钢在非生物系统中不同时间的腐蚀产物形貌

图6 X70 管线钢在非生物系统中不同时间腐蚀产物的EDS 图谱

图7 和图8 为生物系统中试样在不同腐蚀时间的腐蚀产物形貌和EDS 图谱。由图7 和图8可以看出，腐蚀7 天时，试样表面分布着多个细菌、小尺寸的菌落以及少许腐蚀产物，细菌形态呈杆状，部分细菌相互连接在一起，形成长条状结构，是SRB 的一般形态；随着腐蚀时间的延长，吸附在金属表面的细菌逐渐增多，产生大量的EPS，这些EPS 迅速粘附在金属表面上， 14 天后呈现出多孔的生物膜形态； 21 天后生物膜外表面可见附着的细胞形貌。图7 （c）中主要有两个区域，即光外区（A）和暗内区（B）， A 区在形态上表现为密集排列的薄膜，分布不均，对该区域进行EDS 分析发现，腐蚀产物主要由硫化物、碳基化合物、铁氧化物和少量的氯化钠组成；与A 区相比， B 区的硫化物含量较低，对B 区进行EDS 分析发现，腐蚀产物主要由铁氧化物、少量碳基化合物和氯化钠为主，但生物系统中两个区域（A&B）的硫化物含量均显著高于非生物系统中的硫化物含量，这是由细菌代谢造成的。

图7 X70 管线钢在生物系统中不同时间的腐蚀产物形貌

图8 X70 管线钢在生物系统中不同时间腐蚀产物的EDS 图谱

根据阴极去极化理论，硫酸盐还原菌可能通过将介质中的硫酸盐还原为硫化氢，通过氢化酶消耗阴极氢，促进不同类型硫化铁在试样表面的形成。

图9 所示为去除生物膜后，试样在非生物系统和生物系统中40 d 的腐蚀形貌。在图9 （a）所示非生物系统中，试样表面比较光滑，表面只能观察到几个较浅的凹坑。小凹坑可能是由于溶液中Cl-等一些腐蚀性离子通过生物膜孔隙渗透到电极表面而形成的。随后活性腐蚀物种与材料发生化学反应，产生一些应力集中点，从而形成腐蚀坑。在图9 （b）所示生物系统中，试样上出现了几个更深、更大的凹坑，表明本研究中使用的柠檬酸杆菌菌株可以增加钢的局部点蚀。

图9 X70 管线钢去除生物膜后在系统中40 天的SEM 形貌

2.3 电化学测试

2.3.1 开路电位

图10 所示为生物和非生物系统中EOCP随时间的变化情况。钢在非生物系统中的EOCP在前21 天随时间增加到-610 mV，之后随时间的增加而减小，并在670 mV 左右保持恒定；钢在非生物系统中的EOCP在前21 天出现正移，可能是由于溶液中非侵蚀性物种或化合物的积累、腐蚀产物的积累以及在钢表面形成的保护膜，阻止了腐蚀性离子的渗透。由此看来，经过21 天后表面形成的相对致密的保护膜，可以通过阳极极化作用最大程度地改变EOCP。生物系统中EOCP随时间从-618 mV 上升到-570 mV，然后稳定在-620 mV，初始上升与活性菌数量及其代谢活性有关，当细菌过程进入死亡期和稳定期（21～40 天）时，电位降低，证实有活性细菌存在时对EOCP的正效应。

图10 生物和非生物系统的开路电位随时间的变化曲线

2.3.2 电化学阻抗谱

图11 所示为非生物系统中试样的Nyquist图、 Bode 相位角图和Bode 模量图随时间的变化曲线。采用Zview 软件对EIS 谱进行拟合，拟合参数汇总见表2 和表3。由图11 （a）可以得出，电容半圆直径所代表的阻抗大小在前21 天内增大，之后逐渐减小，也可以从图11 （c）得到验证。电容半圆直径在前21 天增大是由于腐蚀产物在试样表面的堆积和溶液中无机化合物的析出阻碍了腐蚀离子的渗透造成的。 21 天以后表面累积的腐蚀产物逐渐流失，可造成电容半圆直径的减小。腐蚀产物中的氯化物和碳基化合物的存在在表面形成了粘附性较差的外层，因而电荷转移电阻减小，腐蚀速率随时间增加而增大。

表2 非生物系统中EIS 图谱拟合结果对比

表3 生物系统中EIS 图谱拟合结果对比

图11 非生物系统中Nyquist 图、Bode 相位角图及Bode 模量图

由表2 可知，腐蚀时间从7 天增至21 天，非生物系统中Rh值从330 Ω·cm2增加到356 Ω·cm2，Rct值从420 Ω·cm2增加到470 Ω·cm2。研究认为，腐蚀时间的增加导致腐蚀速率的降低。在这个时间段内， nh值从0.68 增加到0.79。可见，腐蚀产物层的形成起到了保护屏障的作用进而影响了溶解速率。第21～40 天， Rct从470 Ω·cm2下降到361 Ω·cm2， Rct随时间减小可能是由于不稳定膜的形成和腐蚀产物在电极表面的逐渐流失造成。

图12 所示为生物系统中试样的Nyquist 图、Bode 相位角图和Bode 模量图。当试样处于生物系统中时， EIS 图随时间变化较明显（图12 （a））。以半圆直径为代表的阻抗幅值在前21 天急剧减小，之后从21 天增大到28 天，最后随着时间的延长而减小（图12 （b））。 Bode 模量图中0.01 Hz值随时间的变化趋势也相似（图12 （c））。

图12 生物系统中Nyquist、Bode 相位角、Bode 模量随时间的变化曲线

阻抗曲线直径的初始减小与微生物代谢活动的最大值出现在指数阶段相吻合，说明柠檬酸杆菌菌株加速了电极表面的腐蚀过程。在此期间，硫酸盐还原菌通过新陈代谢将硫酸盐还原为硫化物离子或还原为H2S，形成半导电的硫化铁膜，并形成附着多孔的生物膜层，从而促进腐蚀过程。

在图13 中比较了由极化电阻Rp定义的表面膜的电荷转移电阻和多孔电阻（Rct、 Rh）在非生物系统和生物系统中的线性求和值，为研究腐蚀环境的影响提供参考。在非生物系统中，管线钢的Rp值在21 天时略有上升，到40 天时则略有下降。如前所述，最初Rp的上升可以归因于底层母材上形成了一层保护膜，随后的下降是由于保护膜出现了的恶化。然而，在生物系统中， Rp值在前21 天突然下降， 21 天后达到最小值68 Ω·cm2。之后，到28 天时迅速增加，然后再减少到过程结束。 Rp的首次下降是由于细菌、腐蚀性代谢物、 pH 的改变（图4）、胞外聚合物的产生以及表面多孔疏松的生物膜层的生长共同造成的。此外，表面形成导电的硫化铁膜，在硫化铁与金属之间发生电偶耦合，增强了腐蚀动力学过程，即在生物膜与游离金属之间形成大阴极、小阳极的腐蚀微电池，恶化了腐蚀性环境，加速了阳极溶解反应。