H2S環(huán)境中硫酸鹽還原菌對(duì)碳鋼點(diǎn)蝕行為的影響

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(中國(guó)石油塔里木油田油氣工程研究院，庫(kù)爾勒 841000)

地下金屬因微生物腐蝕引起的損壞約占80%,其中最主要是硫酸鹽還原菌 (SRB)引起的腐蝕[1-2]。SRB是一種以有機(jī)物為養(yǎng)料的厭氧型細(xì)菌,可以把硫酸鹽還原為硫化物,廣泛存在于土壤、海水、河水、地下管道、油氣井等處。研究發(fā)現(xiàn)，SRB在厭氧條件下會(huì)大量生長(zhǎng)和繁殖,產(chǎn)生黏液物質(zhì),助長(zhǎng)垢的形成,造成注水管道堵塞。管線(xiàn)內(nèi)沉積物及垢下SRB的繁殖,往往會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的局部腐蝕，引發(fā)點(diǎn)蝕穿孔，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失[3-8]。在美國(guó),77%以上的油井腐蝕是由SRB造成的,其主要特征是點(diǎn)蝕[9]。對(duì)于SRB引起的微生物腐蝕，研究者們提出了不同的腐蝕機(jī)理用以解釋其誘發(fā)或加速腐蝕的原因，其中較為有名的有陰極去極化理論[10]、局部腐蝕電池理論[11]。但在一些特殊環(huán)境中，SRB引起的腐蝕并未得到深入研究，有研究表明，SRB在高含H2S或高礦化度條件下不能存活[12-14]，但在高含H2S和高礦化度的油氣田集輸管線(xiàn)以及油井管內(nèi)也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的SRB腐蝕，基于這一現(xiàn)象，本工作對(duì)H2S環(huán)境中硫酸鹽還原菌對(duì)碳鋼點(diǎn)蝕行為的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)材料為經(jīng)過(guò)冷軋?zhí)幚淼腖245NCS管材，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。浸泡試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm，試驗(yàn)前用水砂紙(200～800號(hào))逐級(jí)打磨；電化學(xué)試樣的工作面積為10 mm×3 mm,背部引出銅導(dǎo)線(xiàn)，非工作面用環(huán)氧樹(shù)脂固封。試驗(yàn)前，電化學(xué)試樣用水砂紙(200～1 500號(hào))逐級(jí)打磨并拋光,丙酮擦洗后用紫外線(xiàn)殺菌備用。

表1 L245NCS鋼的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of L245NCS steel %

1.2 菌種的培養(yǎng)及初步鑒定

試驗(yàn)菌種來(lái)自勝利油田污水，經(jīng)過(guò)多次劃線(xiàn)法分離、提純培養(yǎng)后獲得。菌種的培養(yǎng)采用API-RP38培養(yǎng)基[15]，培養(yǎng)基組成如下:乳酸鈉3.5 g/L，NH4Cl 1 g/L，CaCl20.1 g/L，K2HPO40.5 g/L，MgSO42 g/L，酵母浸膏1.0 g/L，將上述試劑溶解在去離子水中，定容為1 000 mL。用氫氧化鈉溶液或鹽酸溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH至7.2±0.2，并分裝在500 mL廣口瓶(有刻度)中，每瓶不超過(guò)350 mL，瓶口塞上棉塞，用牛皮紙包好，除氧2 h，蒸汽壓力滅菌器(121±1) ℃滅菌15 min，將細(xì)菌接種于廣口瓶?jī)?nèi),于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)時(shí)間為7 d。剩余菌種在冰箱中0 ℃保存。

利用SRB測(cè)試瓶以及細(xì)菌形貌觀察對(duì)SRB進(jìn)行初步確定，SRB生長(zhǎng)代謝可以產(chǎn)生H2S氣體，判斷SRB是否生長(zhǎng)的標(biāo)志是在加有二價(jià)鐵鹽的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)基顏色是否變黑。細(xì)菌在API-RP38培養(yǎng)基中培養(yǎng)7 d后，觀察SRB測(cè)試瓶?jī)?nèi)溶液是否變黑，同時(shí)，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察細(xì)菌形貌。

SRB觀察用試樣的制備過(guò)程容下：將試樣浸泡在細(xì)菌溶液中20 min→2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))戊二醛固定4 h→磷酸緩沖液洗滌3次→乙醇梯度脫水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、50%、70%、85%、90%的乙醇各1次，100%乙醇2次，15 min/次)→將表面吸附SRB的試樣置于氮?dú)夥障伦匀桓稍锎?。用SEM對(duì)吸附在試樣表面的SRB進(jìn)行形貌觀察[16]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 浸泡試驗(yàn)

腐蝕失重法是將試樣分別浸泡在有、無(wú)SRB的培養(yǎng)基(API-RP38培養(yǎng)基和含油污水培養(yǎng)基)中,然后在恒溫(37±1) ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)3 d后持續(xù)通入H2S氣體，使廣口瓶?jī)?nèi)H2S一直處于飽和狀態(tài)，每周注入50 mL API-RP38培養(yǎng)基以提供細(xì)菌生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，試驗(yàn)時(shí)間為30 d。含油污水培養(yǎng)基即在API-RP38培養(yǎng)基中加入Cl-67 g/L，Ca2+12 g/L。試驗(yàn)結(jié)束后取出試片,在純酒精中浸泡10 min，電吹風(fēng)冷風(fēng)吹干，在掃場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(FEI Quanta 200F)中觀察試樣表面腐蝕產(chǎn)物形貌，最后經(jīng)常規(guī)處理(去除腐蝕產(chǎn)物)后稱(chēng)量。根據(jù)式(1)計(jì)算腐蝕速率。

(1)

式中:A為試樣表面積，cm2；t為腐蝕時(shí)間，h；ρ為試樣密度，g/cm3;w1和w2分別是試樣腐蝕前后的質(zhì)量，g。

1.3.2 SRB檢測(cè)

在含油污水培養(yǎng)基中的浸泡試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，向試驗(yàn)溶液中通氮?dú)? h去除溶液中的H2S(以免影響SRB檢測(cè)的陽(yáng)性反應(yīng))，之后取1 mL試驗(yàn)溶液注入提前配好的API-RP38培養(yǎng)基中，此溶液記作1號(hào)溶液，培養(yǎng)7 d后，檢測(cè)1號(hào)溶液中是否含有活性SRB。此外，刮下腐蝕后試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，將腐蝕產(chǎn)物放入提前配好API-RP38培養(yǎng)基中，此溶液記作2號(hào)溶液，培養(yǎng)7 d，檢測(cè)2號(hào)溶液中是否含有活性SRB。因?yàn)樵谧耘涞腁PI-RP38培養(yǎng)基加入了(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O，如果有SRB生長(zhǎng)，溶液會(huì)變成黑色呈陽(yáng)性反應(yīng)，通過(guò)觀察2種溶液是否變色來(lái)檢測(cè)反應(yīng)后溶液和腐蝕產(chǎn)物中是否含有SRB。

1.3.3 電化學(xué)試驗(yàn)

電化學(xué)試驗(yàn)在CHI660E電化學(xué)工作站上完成，試驗(yàn)采用三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為鉑片,工作電極為電化學(xué)試樣?；瘜W(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試頻率范圍為10 mHz～100 kHz，激勵(lì)信號(hào)為5 mV正弦波，用ZSimpWin軟件擬合曲線(xiàn)；極化曲線(xiàn)掃描范圍為-500～500 mV(相對(duì)于開(kāi)路電位)，掃描速率為0.02 mV/s。試驗(yàn)時(shí),將電極分別浸泡在有無(wú)SRB的API-RP38培養(yǎng)基中1，12，24 h，在含H2S條件下進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌種鑒定

圖1(a)為剛注入細(xì)菌液時(shí)SRB測(cè)試瓶?jī)?nèi)溶液的顏色;圖1(b)為培養(yǎng)7 d后SRB測(cè)試瓶?jī)?nèi)溶液的顏色。由圖1可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)7 d培養(yǎng)，5個(gè)測(cè)試瓶?jī)?nèi)溶液全部變?yōu)楹谏尸F(xiàn)了陽(yáng)性反應(yīng)，SRB測(cè)試瓶里內(nèi)含經(jīng)過(guò)化學(xué)限定的培養(yǎng)基，SRB可以在測(cè)試瓶?jī)?nèi)生長(zhǎng)，產(chǎn)生的H2S與測(cè)試瓶?jī)?nèi)Fe2+反應(yīng)呈現(xiàn)陽(yáng)性[16]，試驗(yàn)結(jié)果表明從勝利油田污水提取的菌種為硫酸鹽還原菌，菌種在自配的API-RP38培養(yǎng)基內(nèi)可以生長(zhǎng)。

(a) 培養(yǎng)前

(b) 培養(yǎng)后圖1 SRB初步鑒定結(jié)果 Fig. 1 Preliminary identification results of SRB:(a) before culture; (b) after culture

由圖2可見(jiàn)：SRB為桿狀，無(wú)鞭毛，長(zhǎng)度約為1～5 μm，寬度約為0.5 μm，細(xì)菌掃描形貌結(jié)果與伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)描述結(jié)果一致[17]。由圖2還可見(jiàn)：大多數(shù)細(xì)菌選擇合適的地方一起團(tuán)簇在試表面，細(xì)菌代謝產(chǎn)生的胞外聚酯物會(huì)使水溶液中的不溶物沉積，在細(xì)菌表面吸附形成囊包，細(xì)菌的團(tuán)簇使微生物腐蝕陽(yáng)極區(qū)固定，這就解釋了微生物腐蝕多以點(diǎn)蝕為主。

(a) 4 000× (b) 10 000×圖2 SRB宏觀形貌Fig. 2 Macro morphology of SRB

2.2 表面形貌

2.2.1 API-RP38培養(yǎng)基

由圖3可見(jiàn)：在含SRB的API-RP38培養(yǎng)基中，試樣表面形成了凸凹不平的腐蝕產(chǎn)物膜，還有大的囊包形成，試樣發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕;去除腐蝕產(chǎn)物膜可以看到試樣表面出現(xiàn)密密麻麻的點(diǎn)蝕。SRB以菌落形式吸附在試樣表面，SRB代謝產(chǎn)生黏液物質(zhì),黏液物質(zhì)與FeS共同形成一層生物膜局部覆蓋在試樣表面，生物膜下的SRB處于一個(gè)局部的利好的環(huán)境，利于SRB繁殖、生長(zhǎng)，SRB代謝產(chǎn)生的S2-繼續(xù)與Fe2+作用生成FeS，并逐漸聚集成較大的顆粒附著在試樣表面，F(xiàn)eS附著在基體表面形成陰極與Fe基體形成局部電偶腐蝕電池，陰極析氫反應(yīng)在FeS表面進(jìn)行，而SRB的作用在于不斷提供H2S以維持FeS的電化學(xué)活性[11]。其次在生物膜內(nèi)SRB代謝產(chǎn)生的一些其他具有腐蝕性的產(chǎn)物會(huì)促進(jìn)局部腐蝕[18]，這就導(dǎo)致試樣生物膜下生成大量點(diǎn)蝕坑。且在較厚腐蝕產(chǎn)物膜保護(hù)下，SRB可以生長(zhǎng)，不受外界高濃度H2S的影響，這就導(dǎo)致SRB一直保持活性，加速試樣腐蝕，直至點(diǎn)蝕穿孔。

(a) 有SRB,有腐蝕產(chǎn)物 (b) 有SRB,無(wú)腐蝕產(chǎn)物

(c) 無(wú)SRB,有腐蝕產(chǎn)物 (b) 無(wú)SRB,無(wú)腐蝕產(chǎn)物圖3 試樣在有、無(wú)SRB的API-RP38培養(yǎng)基中腐蝕后 的表面形貌Fig. 3 Surface morphology of samples after immersion in API-RP38 culture medium with and without SRB： (a) with SRB， with corrosion products； (b) with SRB， without corrosion products； (c) without SRB， with corrosion products； (d) without SRB， without corrosion products

在不含SRB的API-RP38培養(yǎng)基中，隨著腐蝕的進(jìn)行，試樣表面形成了一層均勻的腐蝕產(chǎn)物膜，去除腐蝕產(chǎn)物后，未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，說(shuō)明在不含SRB條件下，試樣主要發(fā)生均勻腐蝕。

2.2.2 含油田污水培養(yǎng)基

由圖4可見(jiàn)：在含SRB的含油污水培養(yǎng)基中，試樣表面形成了較厚的腐蝕產(chǎn)物膜，去除腐蝕產(chǎn)物后可見(jiàn)試樣表面發(fā)生了嚴(yán)重的局部腐蝕。一方面,在高含SRB的油污水培養(yǎng)基中，SRB優(yōu)先在試樣表面局部富集，隨著腐蝕產(chǎn)物的增多，腐蝕產(chǎn)物和細(xì)菌代謝產(chǎn)物在試樣表面局部形成較厚的生物膜，生物膜對(duì)細(xì)菌起保護(hù)作用，細(xì)菌借助生物膜的保護(hù)抵擋高礦化度對(duì)細(xì)胞滲透壓的影響，這些受到保護(hù)的細(xì)菌不易受到外界環(huán)境的影響。另一方面,SRB大量吸附于膜層內(nèi)，受保護(hù)的SRB通過(guò)產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物S2-、H2S起到陰極去極化作用加速碳鋼的陽(yáng)極溶解，同時(shí)保持活性的SRB會(huì)使腐蝕一直進(jìn)行，造成嚴(yán)重的局部腐蝕。

(a) 有SRB,有腐蝕產(chǎn)物 (b) 有SRB,無(wú)腐蝕產(chǎn)物

(c) 無(wú)SRB,有腐蝕產(chǎn)物 (b) 無(wú)SRB,無(wú)腐蝕產(chǎn)物圖4 試樣在有、無(wú)SRB的含油污水培養(yǎng)基中腐蝕后 的表面形貌Fig. 4 Surface morphology of samples after immersion in culture medium contaning oily water with and without SRB： (a) with SRB， with corrosion products； (b) with SRB， without corrosion products； (c) without SRB， with corrosion products； (d) without SRB， without corrosion products

在不含SRB的含油污水培養(yǎng)基中，試樣腐蝕均勻，去除腐蝕產(chǎn)物后,試樣表面未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，即試樣主要發(fā)生均勻腐蝕。

2.3 浸泡試驗(yàn)后SRB檢測(cè)

由圖5和6可見(jiàn)：在高含硫化氫和高礦化度的溶液中，SRB不能正常生長(zhǎng)；在較厚腐蝕產(chǎn)物膜下，SRB可以正常的生長(zhǎng)。這解釋了SRB腐蝕會(huì)發(fā)生在很多不適合SRB生長(zhǎng)的條件下,雖然現(xiàn)場(chǎng)污水中SRB含量很低，管材表面SRB生長(zhǎng)繁殖受到抑制，但垢中的SRB借助細(xì)菌胞外高聚合物和沉積垢及腐蝕產(chǎn)物形成的局部小環(huán)境得以生存，進(jìn)而造成嚴(yán)重的局部腐蝕。

圖5 1號(hào)溶液中SRB測(cè)試結(jié)果Fig. 5 SRB test results from solution 1

圖6 2號(hào)溶液中SRB測(cè)試結(jié)果Fig. 6 SRB test results from solution 2

2.4 腐蝕速率

由圖7可見(jiàn)：試樣在含SRB溶液中的腐蝕速率遠(yuǎn)高于在不含SRB溶液中的，SRB的存在對(duì)金屬腐蝕起到陰極去極化作用，見(jiàn)式(1)～(6)。

(SRB促進(jìn)陰極去極化反應(yīng))

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

FeS+3Fe(OH)2+2OH-

(6)

圖7 試樣在不同溶液中腐蝕30 d后的腐蝕速率Fig. 7 Corrosion rates of samples immersed in different test solutions for 30 d

SRB通過(guò)氫去極化加速碳鋼的陽(yáng)極溶解,加速試樣腐蝕。同時(shí)生物膜下SRB的代謝產(chǎn)物中濃度較高的Fe2+對(duì)低碳鋼厭氧腐蝕有促進(jìn)作用,這使得在SRB存在條件下,試樣腐蝕速率增大。試樣在含油污水培養(yǎng)基中的腐蝕速率低于在API-RP38培養(yǎng)基中的，這可能是因?yàn)镾RB在高礦化度溶液中的活性有所下降,造成腐蝕速率有所減小。

2.5 電化學(xué)試驗(yàn)

2.5.1 極化曲線(xiàn)

由圖8可見(jiàn)：在浸泡初期，試樣在含SRB的API-RP38培養(yǎng)基中的自腐蝕電位(Ecorr)高于在不含SRB溶液中的，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，在含SRB的API-RP38培養(yǎng)基中，試樣的Ecorr開(kāi)始下降，腐蝕電流密度(Jcorr)有所增加。而在無(wú)SRB條件下，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的Ecorr正移，Jcorr減小。用外推法對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。

在含SRB溶液中，浸泡初期，SRB大量吸附在試樣表面，生物膜的存在一定程度上阻礙了腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展[19-20]，使自腐蝕電位相對(duì)于滅菌條件下的有所增加；隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),自腐蝕電位開(kāi)始負(fù)移，腐蝕電流密度開(kāi)始變大。這是因?yàn)椋菏紫入S著浸泡時(shí)間的增加SRB的繁殖改變了溶液中離子成分，生成的硫化物導(dǎo)電性增加，自腐蝕電位降低[21]，這使得管材在SRB環(huán)境中更容易發(fā)生腐蝕，其次SRB腐蝕生成的FeS與鐵基體接觸時(shí)還能對(duì)陰極析氫產(chǎn)生催化作用而形成腐蝕電偶加速腐蝕[22]。在滅菌條件下，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，H2S使試樣產(chǎn)生均勻的腐蝕產(chǎn)物膜，由于產(chǎn)物膜的保護(hù)，試樣的自腐蝕電位正移，腐蝕電流密度減小，試樣得到保護(hù)。

(a) 含SRB

(b) 不含SRB圖8 試樣在有無(wú)SRB的API-RP38培養(yǎng)基中浸泡 不同時(shí)間后的極化曲線(xiàn)Fig. 8 Polarization curves of samples immersed in API-RP38 culture medium with (a) and without (b) SRB for different times

條件浸泡時(shí)間/hEcorr/VRp/(Ω·cm2)Jcorr/(μA·cm2)1-0.77626 4851.374含SRB12-0.8279 1253.97424-0.8722 474.816.031-0.8676 7983.148無(wú)SRB12-0.83110 6451.77524-0.81527 8310.945

2.5.2 電化學(xué)阻抗譜(EIS)

由圖9可見(jiàn)：在有無(wú)SRB的API-RP38培養(yǎng)基中，試樣的EIS均呈現(xiàn)單容抗弧特征。浸泡時(shí)間不同,容抗弧的半徑有差異，即Rp的大小不同。采用ZSimpWin數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)YU等[23]的研究，對(duì)碳鋼的SRB腐蝕而言，生物膜和產(chǎn)物層的貢獻(xiàn)是不能分離的，因此采用如圖10所示等效電路Rs{Qf[Rf(QdlRct)]}對(duì)阻抗譜等效電路進(jìn)行擬合。

(a) 含SRB (b) 不含SRB圖9 試樣在有無(wú)SRB的API-RP38培養(yǎng)基中浸泡不同時(shí)間后的電化學(xué)阻抗譜Fig. 9 EIS of samples immersed in API-RP38 culture medium with (a) and without (b) SRB for different times

圖10 中，Rs為溶液電阻，Rf是試樣表面電荷轉(zhuǎn)移電阻，Qdl是雙電層電容。Qf和Qdl為常相位角元件，分別有兩個(gè)參數(shù)：電容導(dǎo)納Y和無(wú)量綱指數(shù)n。在本文中分別標(biāo)記為Yf，Ydl，nf和ndl。

由表3可見(jiàn)：在浸泡初期，由于SRB的吸附，含SRB溶液中Rf、Rct相對(duì)于滅菌溶液中的有所增加;隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，含SRB溶液中，Rf，Rct都有所降低。這表明隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，SRB產(chǎn)生的硫化物增多，腐蝕產(chǎn)物膜的導(dǎo)電率增加，腐蝕產(chǎn)物膜阻抗Rf降低。同時(shí)，SRB代謝產(chǎn)物與金屬間的直接電子轉(zhuǎn)移，使Rct減小促進(jìn)腐蝕加速過(guò)程。在不含SRB溶液中，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，H2S腐蝕使試樣產(chǎn)生均勻的腐蝕產(chǎn)物膜，由于產(chǎn)物膜的保護(hù)作用，Rf、Rct有所增加，腐蝕減弱，這一試驗(yàn)結(jié)果與極化曲線(xiàn)的測(cè)量結(jié)果一致。

表3 電化學(xué)阻抗譜擬合結(jié)果Tab. 3 Fitting results for EIS

圖10 電化學(xué)阻抗擬合等效電路圖Fig. 10 The electrochemical equivalent circuit for EIS fitting

3 結(jié)論

(1) 從油田污水中提取的菌種為硫酸鹽還原菌，菌種在自配的API-RP38培養(yǎng)基中可以生長(zhǎng)，細(xì)菌選擇合適的位置團(tuán)簇在試樣表面。

(2) 含SRB溶液中，試樣發(fā)生了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，進(jìn)一步的研究表明,一旦SRB吸附在試樣表面，可以在高含H2S及高礦化度條下生存，造成試樣發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，且使腐蝕加速。

(3) 極化曲線(xiàn)結(jié)果表明：SRB存在條件下，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣自腐蝕電位負(fù)移，腐蝕電流密度增大；滅菌條件下隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的自腐蝕電位變正，腐蝕電流密度減小。

(4) EIS結(jié)果表明：含SRB溶液中，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，Rf、Rct下降，腐蝕加速;不含SRB溶液中，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，H2S腐蝕產(chǎn)生的均勻腐蝕產(chǎn)物膜使Rf、Rct變大，腐蝕減弱。