摘要

采用極化曲線、電化學(xué)阻抗譜技術(shù)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(jié)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(gè)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(dǎo)率在SRB的對數(shù)生長期時(shí)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(jìn)了點(diǎn)蝕的發(fā)生；在SRB衰減期，腐蝕產(chǎn)物成團(tuán)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(dǎo)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(guān)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(yùn)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(guān)[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(xué)反應(yīng)中的離子傳輸過程，共同構(gòu)成了腐蝕的一個(gè)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(jìn)行，導(dǎo)致金屬陽極溶解和力學(xué)性能的損失[3,4]，并生成影響腐蝕的生物膜層[5]。據(jù)報(bào)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(dǎo)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(dǎo)致H2S等強(qiáng)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(qiáng)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(guān)。Wu[9]等研究了X80鋼在沈陽土壤中的微生物腐蝕行為，認(rèn)為SRB的新陳代謝誘發(fā)了X80鋼點(diǎn)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(jié)果表明：由于生物膜的保護(hù)，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(shè)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(diǎn)[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(guān)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(xué)方法結(jié)合微觀觀察手段對X70鋼在大慶土壤中微生物腐蝕行為進(jìn)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(hù)提供有效的數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為X70管線鋼，其化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)試樣尺寸為40 mm×10 mm×2 mm，電化學(xué)試樣尺寸為10 mm×10 mm×1 mm。電化學(xué)試樣背面點(diǎn)焊引出銅導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(hù)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(shí)驗(yàn)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(xiǎn)粉，0.1 g/L硫酸亞鐵銨。用4% （質(zhì)量分?jǐn)?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(dāng)中，在121 ℃下滅菌15 min。培養(yǎng)基 （II） 通過圓筒式過濾器進(jìn)行過濾，經(jīng)由紫外線滅菌處理。在生物安全柜中進(jìn)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(dāng)中的生長曲線。對含SRB的溶液進(jìn)行提取上清液，連續(xù)測量14 d。用紫外分光光度計(jì) （UV-2550型） 進(jìn)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(jìn)行稀釋5~10倍，直至達(dá)到此范圍，最后的結(jié)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(dǎo)率儀監(jiān)測SRB生長對溶液導(dǎo)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(shí)間后取出，用5% （體積分?jǐn)?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(shí)期后試樣的腐蝕形貌及分析試樣的腐蝕產(chǎn)物。

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)工作站對浸泡至4，7，10和14 d的試樣進(jìn)行動電位極化曲線和電化學(xué)阻抗譜 （EIS） 測量。EIS譜的測量頻率為105~10-2 Hz，交流激勵(lì)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)階段：0~4 d為對數(shù)生長期，在這個(gè)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(qiáng)，并在第4 d時(shí)達(dá)到最大值；5~10 d為衰減期，SRB的數(shù)量在這個(gè)階段逐漸減少，此時(shí)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(shí)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(shí)由9迅速降低至8.07，此后pH值隨時(shí)間增加呈整體增高趨勢，并最終達(dá)到8.96，表明SRB新陳代謝能導(dǎo)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(dāng)SRB進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)率增加，并在第4 d時(shí)達(dá)到最高值為5030 μs/cm，隨著SRB的衰減，電導(dǎo)率呈整體下降趨勢，當(dāng)SRB進(jìn)入死亡期，電導(dǎo)率急劇下降，最終降到4440 μs/cm。值得注意的是，當(dāng)SRB進(jìn)入死亡期，電導(dǎo)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(hù)作用，此時(shí)溶液中侵蝕性離子加速對金屬溶解造成的。

圖4   溶液電導(dǎo)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(jié)果。從圖5a1中可以看出，浸泡至第4 d時(shí)，X70鋼表面覆蓋有生物膜，且伴隨有點(diǎn)蝕坑；浸泡至7 d時(shí) （圖5a2），生物膜和腐蝕產(chǎn)物團(tuán)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(jié)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(shí)含有Na、Mg、Ca等少量的無機(jī)離子。其中圖 （5a2） 中腐蝕產(chǎn)物A點(diǎn)的P含量高于光滑表面B點(diǎn)，而S含量則低于B點(diǎn)；同樣，圖5a3中C點(diǎn)的P含量大于D點(diǎn)，而S含量小于D點(diǎn)。由此可知，團(tuán)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(jié)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(jié)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(xué)實(shí)驗(yàn)

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(jié)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(shí)間的X70鋼電化學(xué)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(xué)反應(yīng)控制。容抗弧半徑大小一般與金屬耐蝕性有關(guān)，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(shí)系統(tǒng)中的電阻特性最大，此時(shí)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(shí)達(dá)到最大，最大相位角接近90°，說明此時(shí)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(shí)間的EIS圖

采用ZsimpWin軟件和圖8中的等效電路圖對EIS結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)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(zhuǎn)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(guān)，由兩個(gè)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(yīng)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(jié)果

由表1可知，電荷轉(zhuǎn)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(shí)的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct和膜電阻Rf之和最大，14 d的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct和膜電阻Rf之和最小，即第7 d時(shí)X70鋼的耐蝕性最好，第14 d時(shí)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(shí)的腐蝕電流密度最小，為1.776 ?A/cm2，說明此時(shí)耐蝕性最好。而其它時(shí)間的極化曲線差別不大，第14 d時(shí)的腐蝕電流密度較大，為4.203 ?A/cm2，說明此時(shí)耐蝕性最差。這與電化學(xué)阻抗結(jié)果相一致。文獻(xiàn)[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(shí)驗(yàn)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(yīng)。

圖9   X70鋼在含SRB的大慶土壤模擬溶液中浸泡不同時(shí)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(jī)酸導(dǎo)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(dǎo)致溶液中的pH值升高。具體反應(yīng)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(shí)，對體系中SO42-的還原能力增強(qiáng)，低價(jià)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(qiáng)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(luò)合成Fe的硫化物，使溶液中的S2-量降低，導(dǎo)致Eh升高。具體反應(yīng)為：

Fe→Fe2++2e（4）

Fe2++S2?→FeS（5）

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

3.2 SRB生長對微觀腐蝕形貌的影響

SEM 結(jié)果表明，第7 d時(shí)，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(fù)性[20]，排斥本體溶液中侵蝕性陰離子到達(dá)管線鋼表面[21]，從而管線鋼的腐蝕減緩。第14 d時(shí)，隨著SRB的死亡，微生物膜的電負(fù)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(dǎo)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(jī)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(jī)物質(zhì)[22]。胞外聚合物具有很強(qiáng)的絡(luò)合能力，能夠?qū)⒍喾N無機(jī)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(jī)礦化物，形成復(fù)雜的生物膜[24]。腐蝕產(chǎn)物中的P是因?yàn)榕囵B(yǎng)基中的K2HPO4存在所形成的[25]。

3.3 SRB生長對X70鋼的電化學(xué)行為的影響

EIS結(jié)果和極化曲線結(jié)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(guān)。第4 d時(shí)，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(shí)大量的SRB浮游在溶液中，保護(hù)性生物膜尚未形成。SEM結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。第7 d時(shí)，Rf與Rct均為最大值，腐蝕電流密度最小。此時(shí)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(qiáng)了X70鋼的耐蝕性。10和14 d時(shí)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(shí)間的增長，鋼表面的生物膜不能在金屬表面附著，SEM結(jié)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(shí)，在對數(shù)生長期時(shí)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(jī)酸參與陰極去極化過程[26]，導(dǎo)致X70鋼發(fā)生腐蝕 （反應(yīng) （1）、（2）和 （4）。4~10 d時(shí)，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(dāng)SRB進(jìn)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(shí)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(jìn)了腐蝕[28]。

4 結(jié)論

（1） SRB在大慶土壤模擬溶液中一個(gè)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(gè)階段。

（2） SRB的生長代謝影響了土壤當(dāng)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(shí)降低，在衰減期和死亡期增加。電導(dǎo)率在SRB的對數(shù)生長期時(shí)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(jìn)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(shí)減緩了腐蝕；SRB進(jìn)入死亡期后，由于生物膜脫落，形成微觀腐蝕電池，導(dǎo)致鋼基體的腐蝕加劇。