华北地区土壤环境中硫酸盐还原菌对20#钢的腐蚀行为研究

黄健

中国石油华北油田公司二连分公司

埋地钢制管道作为油气输送的主要方式，其完整性和可靠性直接影响油气资源的安全输送。统计数据表明，我国管道失效案例中70%是由腐蚀原因造成的，其中微生物腐蚀占总体腐蚀案例的15%～20%[1-2]。土壤中富含多种异养菌、厌氧菌和真菌，其中硫酸盐还原菌（SRB）倾向聚集在金属表面附近，是导致金属腐蚀的主要菌种[3-5]。刘彤等研究了SRB 对X70 钢在渤海湾海泥中的腐蚀行为，结果表明，菌环境中生物膜对金属活化的过程有一定阻碍作用[6]。杨旭等研究了X100 钢在鹰潭土壤模拟溶液中的腐蚀行为，结果表明，SRB 的存在加速了X100 钢的腐蚀，腐蚀倾向随时间延长不断减小[7]。孙福洋等在库尔勒土壤溶液环境下研究了SRB 的腐蚀行为，认为SRB 的生长和代谢改变了金属表现的微电池环境，有菌和无菌环境下产物膜的差异决定了局部腐蚀行为[8]。吴堂清等在酸性土壤中研究了X80 钢的开路电位，发现有菌环境的开路电位明显低于无菌环境，代谢产物可改变膜层结构[9]。

以上研究对SRB 的腐蚀行为研究具有重要意义，但在众多土壤微生物腐蚀研究中[10-13]，未见针对华北地区土壤微生物对碳钢的腐蚀研究。华北地区作为京津冀地区最为重要的产油气区域，地下敷设了大量的油气管道，其中20#无缝钢管以低强度、高韧性的特点在油田集输中广泛应用。华北大部分地区为典型的盐碱滩、风沙地，具有地下水位高、含碱高、含盐高等特点。本文通过浸泡试验配合电化学测试和表面分析技术，研究了SRB 在华北地区土壤环境中的生长周期以及SRB 生长对20#钢的腐蚀行为，研究结果可为华北地区防腐蚀措施的制定提供理论依据和实际参考。

1 实验

1.1 实验材料和腐蚀溶液

腐蚀测试试件材质为20#钢，其化学成分：C为0.15%、Si 为0.26%、Mn 为0.53%、P 为0.0046%、S 为0.0029%、Cr 为0.035%、Mo 为0.010%、Ni 为0.022%（质量分数）、Fe 余量。试件采用线切割机加工试样，浸泡试件尺寸为50 mm×10 mm×2 mm，电化学试验试件尺寸10 mm×10 mm×1 mm。电化学试件背面点焊引出铜导线，工作面用砂纸逐级打磨，非工作面用环氧树脂封装。

依据华北同口地区土壤的理化数据，用去离子水和分析纯配制土壤模拟溶液，具体成分：CaCl2为0.285 g/L、KNO3为0.521 g/L、NaCl 为0.986 g/L、Na2SO4为0.285 g/L、NaHCO3为0.238 g/L、MgSO4·7H2O 为0.335 g/L。采用NaOH 调节溶液的pH 值至8.5。

1.2 SRB 培养

SRB 菌种为土壤分离纯化后获得，培养基（I）成分：K2HPO4为0.5 g/L、Na2SO4为0.5 g/L、NH4Cl为1 g/L、CaCl2为0.1 g/L、酵母粉为1 g/L，乳酸钠为3 mL。先用NaOH 调节培养基pH 值到7.2，在高压蒸气灭菌器中消毒，冷却后加入经杀菌处理的培养基（Ⅱ），其成分：抗坏血酸为0.1 g/L、保险粉为0.1 g/L、硫酸亚铁铵为0.1 g/L。在生化培养箱中将培养基（Ⅰ）、培养基（Ⅱ）和土壤模拟溶液按照1∶1∶2 进行接种，配制有菌溶液。

1.3 SRB 生长曲线及对环境参数的影响测试

采用光密度（OD 值）表征SRB 在不同时间下的生长曲线。由于OD 值与吸光度（入射光强度与透射光强度的比值，无量纲）在0.1～0.15 之间，基本一致，因此用分光光度计对吸光度进行测定，得到OD 值。采用Mettler S250 多参数测试仪测试SRB 生长过程中溶液的pH 值及氧化还原电位。

1.4 试件表面分析

将试样浸泡在有菌环境中，在生物培养箱中培养不同时间。浸泡结束后分别用30%、50%、80%和90%乙醇脱水处理，采用FEI-quanta250 型扫描电镜和Q500MX 能量色散X 射线衍射仪对不同浸泡时间下材料表面的腐蚀产物进行分析。

1.5 电化学实验

采用三电极体系，工作电极为20#钢，辅助电极为Pt 电极，参比电极为饱和甘汞电极。采用PARSTAT 2275 电化学工作站测试不同浸泡时间下的电化学阻抗谱和动电位极化曲线。电化学阻抗谱测量频率为100 kHz～10 MHz，激励信号强度为10 mV；动电位极化曲线扫描范围为-0.5～0.5 V（相对于开路电位），扫描速率为0.5 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 SRB 生长曲线

OD 值的测量结果见图1。SRB 在华北地区土壤溶液中的生长周期为14 天，0～5 天时SRB 数量迅速繁殖并达到最大值，此时活性最大，为对数增长期；6～10 天时SRB 数量开始迅速减少，此时SRB的死亡数量大于新繁殖数量，因此整体呈下降趋势，为衰退期；11～14 天时SRB 数量基本保持不变，表明SRB 已消耗殆尽，为死亡期。

图1 SRB 生长曲线Fig.1 SRB growth curve

2.2 SRB 对环境参数的影响

溶液pH 值随SRB 生长周期的变化见图2。SRB的新陈代谢能改变腐蚀产物结构，从而改变溶液的pH 值。在对数增长期的前3 天，溶液pH 值从8.5 迅速降低到7.68，这主要是由于SRB 代谢产生了有机酸使溶液pH 值降低；之后随着时间的延长，溶液的pH 值呈波浪上升趋势，在14 天时达到8.36，这是由于产生的S2-可发生水解反应，促进式（2）和（3）反应向正向移动，导致溶液pH 值上升。

图2 SRB 生长周期内溶液pH 值的变化趋势Fig.2 Variation trend of solution pH value during the growth cycle of SRB

溶液氧化还原电位随SRB生长周期的变化见图3。pH 值在6.5～9 的范围内时，氧化还原电位越低，溶液中微生物对金属的腐蚀作用越强。在对数增长期0～5 天内，SRB 处于繁殖阶段，溶液中SO42-的还原能力较强，S2-含量增大，氧化还原电位从-285 mV降为-347 mV；之后在衰退期和死亡期，SRB 的活性减弱，SO42-的还原能力也减弱，S2-除发生水解外还有一部分与阳极溶解的Fe2+发生反应，络合物为FeS，见式（4），因此氧化还原电位呈上升趋势，其中在死亡期的上升幅度远大于衰退期，最终电位上升至-212 mV。

图3 SRB 生长周期内溶液氧化还原电位的变化趋势Fig.3 Variation trend of solution redox potential during the growth cycle of SRB

2.3 腐蚀产物表面分析

对不同浸泡时间下（5 天、9 天、14 天）的试样表面进行扫描电镜和能谱分析，结果见图4、图5。在第5 天，试样表面形成了一层不完整的生物膜，且部分区域出现了点蚀坑（图4a）。在第9天，微生物代谢产物与腐蚀产物膜结合形成团簇状的复合膜，膜层变厚（图4b）。对其中的团簇（位置1）和表面（位置2）进行EDS 分析（图5），化学元素均为Fe、C、O、P、S 等组成，其中位置1的P 含量大于位置2，S 含量小于位置2，表明团簇状主要为磷的化合物，而金属表面主要为铁的硫化物。同时还检测出了少量的Na、Mg、Ca 等金属离子，证明产生了胞外聚合物EPS，该物质具有很强的络合能力，能够提高复合膜的致密性，阻碍侵蚀性的阴离子到达金属表面。第14 天，试样表面的膜层出现大面积脱落，且形成裂纹，SRB 大量死亡，生物膜中的无机物含量增多，复合膜的电负性消失，稳定性减弱（图4c）。

图4 不同浸泡时间下（5 d、9 d、14 d）的SEM 图Fig.4 SEM images of different soaking times(5 d，9 d，and 14 d)

图5 位置1 和位置2 的EDS 分析Fig.5 EDS analysis for Position 1 and 2

2.4 电化学实验

不同浸泡时间下的电化学阻抗谱见图6。20#钢在华北地区土壤模拟溶液中的电化学阻抗谱呈单一时间常数的容抗弧特性，容抗弧半径越大，金属的耐蚀性越好；随着时间的延长，容抗弧半径先增大后减小，9 天时的阻抗模值最大，可能在试样表明形成了高阻低容的膜层。采用图7 所示的等效电路图对图6 的数据进行拟合，结果见表1。其中Rs为参比电极到工作电极之间的溶液电阻，CPE1 为电极整体与溶液之间的双电层电容，CPE2 为膜层电容，Rct为电荷转移电阻，Rf为膜层电阻。根据表1，Rct值从大到小从时间上看依次为9 d、5 d、14 d，Rf值从大到小从时间上看依次为9 d、14 d、5 d，可用Rct+Rf作为极化电阻衡量金属的耐蚀性，极化电阻越大，金属耐蚀性越好。第9 天时的极化电阻最大，耐蚀性最好，同理第14 天的耐蚀性最差，20#碳钢的耐蚀性随时间先增大后减小。在第5天时，虽然SRB 的活性最强，处于对数增长期，但Rf值最小，证明大量的SRB 浮游在溶液中，只有少量SRB 参与形成了生物膜，生物膜并不完整。第9 天时，虽然SRB 处于衰退期，整体数量呈下降趋势，但是经EPS 络合附着在金属表面的SRB 较多，形成了较为致密的复合膜，提高了20#钢的耐蚀性。第14 天时，Rct和Rf均减小，证明随着时间的延长，复合膜的稳定性变差，开始脱落，腐蚀速率增大，与SEM 结果相符。

表1 电化学阻抗谱拟合结果

图6 不同浸泡时间下的电化学阻抗谱图Fig.6 Nyquist plots at different soaking times

图7 等效电路图Fig.7 Equivalent circuit diagram

不同浸泡时间下的动电位极化曲线见图8。自腐蚀电位先正移后负移，从热力学角度上看，腐蚀倾向先变小后变大。不同时间的极化曲线在阳极均出现了不同程度的钝化区间，主要是生物膜的生成阻碍了阳极溶解的进行，其中第9 天的起钝电位和钝化区间最大。根据Tafel 外推法计算腐蚀电流密度，第9 天的腐蚀电流密度最小，为1.682 μA/cm2，第14 天的腐蚀电流密度最大，为3.798 μA/cm2，与之前的分析结果相符。

图8 不同浸泡时间下的动电位极化曲线Fig.8 Potentiodynamic polarization curves at different soaking times

2.5 SRB 代谢对20#钢的腐蚀行为

在0～5 天内，SRB 处于对数增长期，溶液中游离的SRB 较多，游离SRB 利用H 将SO42-还原成H2S和小分子的有机酸，代谢产物只在金属表面特定的活性点附着，参与阴极去极化反应，表面活性增加，诱发点蚀；6～10 天内，SRB 处于衰退期，更多的SRB 由游离态改为固着态，向金属表面移动，基材表面生成了致密的复合膜，抑制了金属的腐蚀；11～14 天内，SRB 处于死亡期，复合膜不能保持稳定性，出现网格裂纹，部分膜层脱落，此时膜层脱落漏出的金属作为阳极，致密复合膜的部分作为阴极，形成孔-膜微观原电池，进一步促进腐蚀的发生。

3 结论

SRB 在华北土壤模拟溶液中的生长周期分为对数增长期、衰退期和死亡期三个阶段。在对数增长期的前3 天，溶液pH 值下降，随后呈波浪上升趋势；氧化还原电位在对数增长期呈下降趋势，在衰退期和死亡期呈上升趋势；在对数增长期内，只有少量SRB 参与形成了生物膜，诱发点蚀发生；在衰退期，生成了致密的复合膜，抑制了金属的腐蚀；在死亡期，复合膜不能保持稳定性，出现网格裂纹，促进腐蚀的发生。