L245 管線鋼及焊縫在硫酸鹽還原菌環(huán)境下的腐蝕行為研究

李鑫，李子墨，尚東芝，于浩波，陳長風(fēng)

（1.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.中國石油管道局國際事業(yè)部，河北 廊坊 065000）

微生物腐蝕（Microbiologically Influenced Corrosion，MIC）是威脅油氣管道集輸系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素，與 MIC 相關(guān)的管線損失占比可達(dá)15%～30%[1]。硫酸鹽還原菌（SRB）被認(rèn)為是油田系統(tǒng)中最主要的腐蝕性厭氧微生物[2-3]。油氣田集輸管道20%的失效和40%的內(nèi)腐蝕是由SRB 引起的[4-5]。1931 年，首個由微生物腐蝕導(dǎo)致的地下管道失效事故發(fā)生，排除其他的腐蝕機(jī)理，SRB 引發(fā)的腐蝕已成為管道失效的主要問題[6-9]。隨著油田進(jìn)入枯竭期，試壓用水和油田提高采收率使原油管道的微生物腐蝕問題更加突出[10-13]。據(jù)報道，管道內(nèi)壁在SRB 環(huán)境中比在無SRB 環(huán)境中的腐蝕速度增加約15 倍，點(diǎn)蝕速率可達(dá)0.7～7.4 mm/a[14]。在國內(nèi)一些站場實(shí)地調(diào)研結(jié)果顯示，原油集輸管道表現(xiàn)為內(nèi)壁局部腐蝕，并形成腐蝕穿孔，說明SRB 引起的腐蝕穿孔已成為油氣田行業(yè)管材應(yīng)用的一大“痛點(diǎn)”。

國內(nèi)外對SRB 作用下單一管線鋼的腐蝕做了大量研究，但是對焊接接頭處等敏感區(qū)域的MIC 研究并不多。有學(xué)者對不同強(qiáng)度級別和不同組織形態(tài)低碳鋼的細(xì)菌初始附著數(shù)量進(jìn)行過原位統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸越小，其附著的細(xì)菌數(shù)量越多，微生物腐蝕速率隨晶粒尺寸減小而增大[15-16]。K. Nandakumar 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，焊接區(qū)晶界比例的增加，也會促進(jìn)微生物在該區(qū)域的吸附和繁殖。

隨著國內(nèi)油氣田逐漸進(jìn)入中后期開發(fā)階段，伴水作業(yè)不斷增加，各類管材因微生物腐蝕引起的穿孔問題頻頻出現(xiàn)，管道焊接處發(fā)生快速穿孔尤為嚴(yán)重（圖1）。

圖1 微生物引起的酸性氣體管道的腐蝕穿孔[18]Fig.1 Microbiologically induced corrosion in a sour gas pipeline

本研究針對SRB 環(huán)境下L245 管線鋼帶焊縫試樣在不同時段的MIC 過程，采用SEM&EDS、FIB、CLSM等微觀表面分析技術(shù)，研究了焊接區(qū)與母材區(qū)微生物膜的生長特征和差異，進(jìn)而分析了膜下不同區(qū)域的點(diǎn)蝕特征及差異，探尋膜生長過程、點(diǎn)蝕發(fā)展與材料表面差異、細(xì)菌生長趨勢之間的對應(yīng)關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料的制備

本文選取埋弧焊工藝預(yù)制的L245 帶焊縫管材作為研究對象，焊縫區(qū)與母材區(qū)成分存在差異，如表1所示。

表1 L245 母材區(qū)及焊縫區(qū)元素成分Tab.1 Composition of L245 carbon steel and weld zone wt%

沿管道軸向跨焊縫縱向取樣，制作掛片，尺寸為50 mm×10 mm×3 mm，分別以200～1000#砂紙逐級打磨。以試樣焊縫窄面（根焊區(qū)）為研究對象。試樣侵蝕后，利用OLYMPUS DSX510 金相顯微鏡觀察組織，在熔合線處作刻痕標(biāo)記，見圖2。試片浸沒在丙酮中，取出后超聲清洗并吹干，紫外線殺菌處理。

圖2 L245 帶焊縫試樣Fig.2 L245 coupons with weld

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

SRB 菌種來自于我國西南某油氣田，屬于脫硫弧菌科，采用Postgare’s C 培養(yǎng)基進(jìn)行富集培養(yǎng)。培養(yǎng)基均使用NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 值為7.2±0.2。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的化學(xué)組成如下：每1 L 去離子水中含有6.0 g 乳酸鈉、4.5 g Na2SO4、1.0 g NH4Cl、1.0 g 酵母、0.5 g KH2PO4、0.3 g 檸檬酸鈉、0.06 g CaCl2·6H2O、0.06 g MgSO4·7H2O 以及適量鐵粉。

實(shí)驗(yàn)前，培養(yǎng)基用氮?dú)獬? h，置于高溫高壓滅菌鍋中（121 ℃/1.03×105Pa）滅菌20 min。按照每1000 mL 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)注入10 mL 種菌液進(jìn)行培養(yǎng)24 h，作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。

本研究采用靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)方法，對9 個試樣分三組進(jìn)行周期為24、72、168 h 的接菌浸泡腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，定時抽取溶液約1 mL，采用最大可能計(jì)數(shù)法（MPN）進(jìn)行細(xì)菌計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)在38 ℃恒溫水浴鍋中進(jìn)行，避光。同時在非SRB 環(huán)境下（通入N2），將試樣浸泡168 h 作為對比實(shí)驗(yàn)，如圖3c 所示。

圖3 浸泡腐蝕前后對照圖Fig.3 Comparison of before and after incubation corrosion test: a) coupons before immersion; b) SRB environment; c) non-SRB environment

浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣在戊二醛（2.5%戊二醛+97.5%磷酸鹽緩沖液）中浸泡約30 min，之后在磷酸鹽緩沖液中洗滌三次，每次約10 min，再在25%、50%、75%和 100%乙醇（每個梯度約浸泡15 min）中固定，最后將樣品放置在氮?dú)猸h(huán)境中自然風(fēng)干，對觀測面進(jìn)行噴金處理。利用FEI Quanta 200 F 掃描電鏡（SEM）觀察試樣表面形貌，用自帶能譜儀（EDS）對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素表征。上述測試結(jié)束后，利用除銹劑（10%鹽酸+5%烏洛托品）超聲清洗試樣，去除腐蝕產(chǎn)物膜。利用CLSM 和SEM 觀測母材區(qū)與焊縫區(qū)的點(diǎn)蝕程度，隨機(jī)抽取母材區(qū)和焊縫區(qū)各20 個點(diǎn)蝕坑進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)分析，算出平均點(diǎn)蝕坑深度和最大點(diǎn)蝕坑深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相分析

從金相組織分析，母材區(qū)以多邊形鐵素體為主，平均晶粒大小為20～30 μm。熱影響區(qū)晶粒相對較細(xì)小，平均尺寸處于20 μm 以下。所取焊縫位置為根焊處，含有柱狀晶，主要是鐵素體與珠光體（部分鐵素體以晶界自由鐵素體存在），且晶粒大小不均勻，差異較大，如圖4 所示。

2.2 細(xì)菌數(shù)量分析

計(jì)數(shù)結(jié)果表明，SRB 接菌溶液中的懸浮細(xì)菌數(shù)量隨時間的延長，呈先升后降的趨勢。前期階段（0～24 h），游離態(tài)的SRB 起始含量約為1×102cfu/mL，至24 h 末，約為2×104cfu/mL。前期增殖速度快是由于溶液中碳源充足，SRB 具有很高的繁殖活性。一般來講，0～72 h 期間屬于SRB 的對數(shù)生長期。中期階段（72～96 h），溶液中游離態(tài)SRB 含量最高，測得最大值約5×108cfu/mL，達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，屬于穩(wěn)定期。后期階段（96～168 h），由于體系中營養(yǎng)物質(zhì)受限，且SRB 自身代謝產(chǎn)生的H2S 的毒性逐漸積累，溶液中游離的SRB 開始進(jìn)入衰亡期，其數(shù)量逐漸減少，在168 h 時，細(xì)菌含量降至1.5×103cfu/mL。

圖4 L245 焊縫試樣的金相圖Fig.4 Microstructure of the sample: a) parent metal zone; b) heat affected zone; c) weld zone

2.3 腐蝕產(chǎn)物的宏觀形貌

在0～168 h 全腐蝕過程中，隨著浸泡腐蝕時間的延長，瓶子里的溶液逐漸變黑，打開均有臭雞蛋氣味。從宏觀上看，浸泡24 h 的試樣表面光澤消退，肉眼可看到細(xì)微的腐蝕產(chǎn)物附著，并未發(fā)現(xiàn)有明顯的腐蝕變化。浸泡72 h 后，試樣表面產(chǎn)生較薄的黑色腐蝕產(chǎn)物膜，局部地方呈現(xiàn)疏松不均勻性。浸泡168 h 后，試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜呈黑色和棕黃色，表面形成連續(xù)分布的大面積腐蝕區(qū)域，有部分區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物膜發(fā)生開裂或脫落，如圖5 所示。

2.4 不同時段的SRB 生物膜及腐蝕產(chǎn)物分析

前期階段（0～24 h）是一個初級吸附膜初步形成的階段，SRB 個體以菌落形式局部富集，在試樣表面出現(xiàn)不連續(xù)的絮狀產(chǎn)物，表現(xiàn)為異相不均勻性。通過比較，附著在試樣焊縫區(qū)（圖6b）的絮狀產(chǎn)物附著密度明顯高于母材區(qū)（圖6a）。生物膜的不均勻性增加了材料局部腐蝕的活性位點(diǎn)。無論是母材，還是焊縫區(qū)，均出現(xiàn)了很少量微小點(diǎn)蝕，焊縫區(qū)的點(diǎn)蝕坑相對較大。成分分析顯示，表面絮狀產(chǎn)物為Fe、Mn 與S、C、P、O 的化合物，細(xì)小的黑色腐蝕產(chǎn)物推斷為Fe-S 化合物，因?yàn)镠S–是SRB 代謝過程的主要產(chǎn)物。通過對比不同區(qū)域腐蝕產(chǎn)物膜的成分差異，焊縫處產(chǎn)物膜S 元素含量為5.46%，相比母材區(qū)2.94%高出將近一倍，說明SRB 在焊縫區(qū)代謝活動相對旺盛，造成含S 代謝產(chǎn)物偏多。

圖5 L245 試樣在SRB 環(huán)境下腐蝕后的宏觀形貌Fig.5 Coupons macro morphology after corrosion by SRB

圖6 浸泡24 h 后試樣SEM 形貌圖及EDS 元素分析Fig.6 SEM&EDS results of after 24 hours incubation in the medium: a) parent metal zone; b) weld zone

隨著浸泡時間延長，在中期階段（24～72 h），試樣腐蝕產(chǎn)物繼續(xù)增多，表面已基本被覆蓋，形成相對完整的膜層，但是仍呈現(xiàn)為不均勻性。焊縫區(qū)和母材區(qū)的生物膜覆蓋物已看不出明顯差異（圖7），生物膜外表面密集沉積大量桿狀SRB 個體，單個個體長度大約在1～5 μm，寬度大約為0.5 μm。

后期階段（72～168 h），腐蝕產(chǎn)物膜持續(xù)變厚且致密，已全部覆蓋試樣表面，有皸裂發(fā)生（圖8）。腐蝕產(chǎn)物表面仍有一定量SRB 的聚集，但對比中期階段，細(xì)菌個體沉積密度明顯降低。

圖7 浸泡72 h 后試樣SEM 形貌圖及EDS 元素分析Fig.7 SEM&EDS results of after 72 hours incubation in the medium: a) parent metal zone; b) weld zone

圖8 浸泡168 h 后試樣SEM 形貌圖及EDS 元素分析Fig.8 SEM&EDS results after 168 hours incubation in the SRB medium: a) parent metal zone; b) weld zone

微生物膜表現(xiàn)為層級結(jié)構(gòu)，膜中SRB 個體、腐蝕產(chǎn)物與EPS 等交織在一起。SRB 選擇性地分布在沉淀的內(nèi)層和中間層，被包裹在微生物膜內(nèi)，最底層主要為S-Fe 化合物。較疏松的白色微生物膜由表面向膜下延伸，沉淀物中主要包含的元素有Fe、C、O、Ca、S、P 等，其中Fe 含量較高，說明生物膜對產(chǎn)物Fe2+有吸附作用，如圖9 所示。在內(nèi)層沉淀中S 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)17.6%，而在外層沉淀中幾乎不含S，從側(cè)面反映出內(nèi)層SRB 的活性仍然很高。

圖9 浸泡168 h 微生物膜截面FIB-SEM 圖和元素分析Fig.9 Cross section of the biofilm SEM micrograph of L245 by FIB and element analysis after 168h incubation

2.5 微生物膜下點(diǎn)蝕坑分析

試樣去除腐蝕產(chǎn)物膜后，利用掃描電鏡SEM 和激光共聚焦顯微鏡（CLSM）觀測表面。試樣表面存在明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象，且腐蝕坑周圍拋光線清晰可見，表明局部腐蝕發(fā)生在SRB 生物膜下，如圖10 所示。從腐蝕程度上看，三個不同浸泡時段的試樣焊縫區(qū)的點(diǎn)蝕程度均比母材區(qū)劇烈。從點(diǎn)蝕坑分布上看，焊縫區(qū)點(diǎn)蝕比母材區(qū)要密集，且點(diǎn)蝕坑在焊縫一側(cè)融合線附近分布較為集中。

而在非SRB 環(huán)境下的對照試驗(yàn)中，如圖11 所示，試樣去除腐蝕產(chǎn)物后，表面無明顯點(diǎn)蝕坑。

圖10 去除腐蝕產(chǎn)物后腐蝕形貌SEM 圖Fig.10 SEM image of pit morphology after eliminating the biofilm: a) parent metal zone; b) weld zone

圖11 非SRB 環(huán)境下腐蝕168 h 去除腐蝕產(chǎn)物后SEM&EDS 結(jié)果Fig.11 SEM&EDS results after 168 hours incubation in the Non-SRB medium

為進(jìn)一步研究不同浸泡時段和不同區(qū)域的點(diǎn)蝕特征差異，在24、72、168 h 的各組掛片的母材區(qū)和焊縫區(qū)各隨機(jī)選取20 個點(diǎn)蝕坑進(jìn)行深度測量記錄，如圖12 所示，并計(jì)算平均點(diǎn)蝕深度，分析不同浸泡腐蝕時段與區(qū)域的腐蝕差異。

不同浸泡腐蝕時段、不同區(qū)域的點(diǎn)蝕坑平均深度測量結(jié)果如圖13 所示。經(jīng)計(jì)算，0～72 h 階段（細(xì)菌對數(shù)生長期），試樣母材區(qū)平均點(diǎn)蝕速率為0.962 mm/a，焊縫區(qū)為1.49 mm/a，而在72～168 h 階段（細(xì)菌生長衰退期），試樣母材區(qū)平均點(diǎn)蝕速率降至0.573 mm/a，焊縫區(qū)降至0.85 mm/a。

圖14 為不同浸泡腐蝕時段的試樣在不同區(qū)域挑選出的最大點(diǎn)蝕坑示意圖，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見圖15。在0～72 h 階段（細(xì)菌對數(shù)生長期），試樣母材區(qū)最大點(diǎn)蝕速率為1.11 mm/a；焊縫區(qū)為1.74 mm/a；而在72～168 h 階段（細(xì)菌生長衰退期），試樣母材區(qū)最大點(diǎn)蝕速率降至0.68 mm/a，焊縫區(qū)降至0.94 mm/a。由此可見，焊縫區(qū)在同一時段的點(diǎn)蝕深度均比母材區(qū)大，且無論是焊縫區(qū)，還是母材區(qū)，試樣在SRB 繁殖最為旺盛的階段（對數(shù)生長期），點(diǎn)蝕速率最大，而在衰退期，腐蝕速率明顯降低。

圖12 利用激光共聚焦顯微鏡分析點(diǎn)蝕坑平均深度Fig.12 Corrosion pitting average depth analysis by CLSM

圖13 點(diǎn)蝕坑平均深度統(tǒng)計(jì)圖Fig.13 The result of average pitting depth analysis

圖14 利用激光共聚焦顯微鏡分析最大點(diǎn)蝕坑深度Fig.14 Corrosion pitting maximum depth analysis by CLSM

圖15 點(diǎn)蝕坑最大深度統(tǒng)計(jì)圖Fig.15 The result of maximum pitting depth analysis

2.6 討論

2.6.1 膜下腐蝕過程

結(jié)合微生物膜的生長過程與點(diǎn)蝕坑的發(fā)展特點(diǎn)，初期腐蝕推斷為微生物化學(xué)腐蝕過程（CMIC），可由化學(xué)反應(yīng)式(1)—(3)解釋。實(shí)驗(yàn)初期（0～24 h），SRB細(xì)菌主要以浮游態(tài)存在于溶液中，初始數(shù)量相對較少，隨即大量繁殖，伴有代謝有機(jī)物和SO42－的過程，同時選擇性地附著在材料的特定部位，如焊縫區(qū)域熔合線附近，這就使該區(qū)域SRB 活性強(qiáng)，原始吸附密度較高，形成更多的微生物菌落及EPS，從而在吸附位點(diǎn)優(yōu)先造成點(diǎn)蝕萌生與發(fā)展[19-21]。

中期階段（24～72 h），細(xì)菌快速增殖，同時在表面繼續(xù)產(chǎn)生大量的FeS 和胞外聚合物（EPS），生物菌落相互連接成完整生物膜，仍呈現(xiàn)不均勻性。此階段，生物膜經(jīng)歷了從疏松到連續(xù)的過程，相鄰SRB個體間的相互協(xié)同作用促進(jìn)了橫向吸附[22-23]。多種膠體顆粒（氨基酸、DNA、脂質(zhì)和多糖）可利用范德華力、離子鍵、氫鍵吸附到EPS 中，利用“架橋”作用快速拓展膜生長，細(xì)菌個體聚集可引起細(xì)胞界面更大的吸附，形成高密度的生物膜。同時高濃度的EPS 可吸附Fe2+形成金屬絡(luò)合物，可促進(jìn)金屬的陽極溶解[24]。試樣表面生物膜的生長和結(jié)構(gòu)變化會導(dǎo)致表面電化學(xué)性質(zhì)的不均勻性，為點(diǎn)蝕的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造條件。

浸泡后期（72～168 h），SRB 代謝產(chǎn)物與腐蝕產(chǎn)物交織，形成完整連續(xù)的膜，這可能對均勻腐蝕能產(chǎn)生一定的減緩作用。但FIB-SEM 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物膜中包裹著大量的SRB 細(xì)菌及FeS 產(chǎn)物，且分布不均勻。有研究表明，膜內(nèi)細(xì)菌密度較溶液中懸浮狀態(tài)的細(xì)菌密度高出105～106倍。鑲嵌膜內(nèi)的SRB 細(xì)菌處于嚴(yán)格缺氧環(huán)境下，SO42－和H＋可到達(dá)膜內(nèi)供SRB代謝，根據(jù)微生物電化學(xué)腐蝕理論（EMIC）（化學(xué)反應(yīng)式（4）—（8）），SRB 自身具備直接從Fe 中獲得電子或者間接利用FeS、生物膜、核酸等傳導(dǎo)電子來滿足自身代謝所需能量，加之膜對鐵離子的絡(luò)合作用，這就進(jìn)一步促進(jìn)了膜下的局部腐蝕[25-32]。

2.6.2 不同區(qū)域腐蝕差異

按照腐蝕電化學(xué)原理，焊縫區(qū)在溶液環(huán)境中屬于加強(qiáng)相，應(yīng)為陰極區(qū)。然而在SRB 環(huán)境下，焊縫區(qū)轉(zhuǎn)為陽極區(qū)，形成小陽極-大陰極的腐蝕模型。L245鋼焊接頭看作是多電極的腐蝕電池，不同區(qū)域（焊縫、母材）的表面電位并不相同，在溶液中表現(xiàn)為表面電位差異，焊縫區(qū)腐蝕電位更負(fù)。腐蝕初期，SRB個體具有電活性，這就影響了SRB 細(xì)菌在不同區(qū)域的吸附。微生物腐蝕與細(xì)菌在鋼表面的附著量有直接關(guān)系。

3 結(jié)論

通過對L245 碳鋼材料和焊縫的SRB 腐蝕行為的研究，得出以下結(jié)論：

1）腐蝕早期（24 h）階段，SRB 細(xì)菌選擇合適的位置在試樣表面團(tuán)簇，焊縫區(qū)微生物膜生長比母材區(qū)生長快。推斷是由于SRB 電活性和不同區(qū)域的表面電化學(xué)性質(zhì)差異，導(dǎo)致SRB 早期吸附不同。SRB微生物膜生長對碳鋼局部腐蝕起到明顯的促進(jìn)作用。

2）大量SRB 個體存在于微生物膜中，膜下腐蝕以點(diǎn)蝕為主。點(diǎn)蝕坑的深度隨浸泡腐蝕時間延長而增加，表面生物膜的生長也隨之增加。從腐蝕速率上看，SRB 對數(shù)生長期（0～72 h）的點(diǎn)蝕速度較快，待衰退期（96～168 h）膜完全覆蓋表面時，膜下點(diǎn)蝕速率降低，但點(diǎn)蝕深度繼續(xù)增加。

3）焊縫區(qū)對SRB 引發(fā)的點(diǎn)蝕敏感性更高，在熔合線附近區(qū)域尤為嚴(yán)重。在SRB 環(huán)境下形成小陽極（焊縫區(qū)）-大陰極（母材區(qū)）的腐蝕模式，焊縫區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)蝕陽極區(qū)。焊縫區(qū)微觀結(jié)構(gòu)為鐵素體+珠光體，耐蝕性差。