頁巖氣集輸管道生物膜的形成及腐蝕行為研究

吳虹宇 譚 鵬，2 劉漢軍 邱海燕 蘭貴紅 王順慧

（1. 西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500；2. 中國(guó)石油塔里木油田分公司監(jiān)督中心，新疆 庫爾勒 841000；3. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 德陽 618300）

0 引言

微生物腐蝕（MicrobiologicallyInfluenced Corrosion，MIC）是頁巖氣地面集輸管道點(diǎn)蝕穿孔失效的主要原因[1]，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與環(huán)境污染。因此，研究MIC機(jī)理，有效地進(jìn)行腐蝕防護(hù)，保障頁巖氣集輸管道的安全運(yùn)行十分重要。目前，對(duì)四川盆地的頁巖氣集輸管道的MIC研究主要集中于SRB腐蝕，如Wu和劉華敏等[2,3]研究表明，SRB的富集是導(dǎo)致頁巖氣集輸管道出現(xiàn)點(diǎn)蝕的主要原因；Liao等[4]研究認(rèn)為，在低流速的集輸管道中，SRB與CO2、O2和Cl-等腐蝕介質(zhì)的協(xié)同腐蝕是導(dǎo)致集輸管道出現(xiàn)腐蝕穿孔的主要原因。生物膜的形成是MIC發(fā)生的關(guān)鍵步驟之一，但對(duì)頁巖氣集輸管道內(nèi)壁形成腐蝕產(chǎn)物/生物膜的過程研究較少，大部分對(duì)腐蝕產(chǎn)物/生物膜的研究集中于海水和油田。如舒韻等[5]研究模擬海水中X80鋼表面的SRB生物膜形成過程，結(jié)果表明SRB在金屬表面形成的腐蝕產(chǎn)物/生物膜且逐漸致密的過程中，SRB的濃度上升，SRB腐蝕加劇。尚未有學(xué)者對(duì)腐蝕產(chǎn)物/生物膜形成過程中的主要腐蝕微生物演替變化進(jìn)行研究。

因此，本研究模擬長(zhǎng)寧區(qū)塊頁巖氣地面集輸管道環(huán)境，通過動(dòng)態(tài)腐蝕掛片失重法、電化學(xué)阻抗譜圖、高通量測(cè)序以及腐蝕產(chǎn)物形貌表征等手段，研究在L360N鋼表面逐漸形成腐蝕產(chǎn)物/生物膜的過程中，試片表面的主要腐蝕微生物演替以及腐蝕機(jī)制變化，有利于更好地防控MIC。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用水樣為四川盆地某頁巖氣單井壓裂投產(chǎn)四個(gè)月后的采出水，其水質(zhì)情況（mg/L）為：pH 6.6，Na+15240.00，K+571.00，F(xiàn)e2+/Fe3+47.25，Ca2+769.00，Mg2+85.00，Ba2+188.90，Cl-24722.39，SO42-35.89。實(shí)驗(yàn)材料為頁巖氣開采現(xiàn)場(chǎng)外輸管道所用管材L360N鋼加工制成。動(dòng)態(tài)腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)的試片尺寸為40×13×3mm（含Φ2mm的孔）；電化學(xué)測(cè)試所用工作電極尺寸為10×10×2mm。試片經(jīng)打磨拋光后，依次使用丙酮、去離子水、無水乙醇清洗，稱重后，紫外消毒20min。

高通量測(cè)序和腐蝕形貌觀察需要使用0.2mol/L磷酸緩沖液（Phosphate Buffer Saline，PBS），PBS的配方為（g/L）：5.2gNaH2PO4·H2O，58.0gNa2HPO4·12H2O，調(diào)pH值至7.4。戊二醛固定液的配方為：10mL 25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）戊二醛，40mL無菌水，50mL 0.2 mol/LPBS溶液，調(diào)節(jié)pH為7.3。腐蝕酸洗液配方為（g/L）：3.5g六次甲基四胺，500mL濃鹽酸。

1.2 動(dòng)態(tài)腐蝕掛片與電化學(xué)測(cè)試

根據(jù)頁巖氣地面集輸管線的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件為35℃、水相流速為0.5m/s的厭氧環(huán)境（使用高純氮?dú)?h對(duì)采出水進(jìn)行除氧處理），分別進(jìn)行周期為1、3、5、7、10、14d的動(dòng)態(tài)腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出試片，使用1.1節(jié)中所配的腐蝕酸洗液除去試片表面腐蝕產(chǎn)物，再使用去離子水和無水乙醇清洗，稱重，計(jì)算試片腐蝕速率，腐蝕速率計(jì)算公式如式（1）所示[6]：

式中，vcor為腐蝕速率，mm·a-1；m0為試片初始質(zhì)量，g；m1為試片除去腐蝕產(chǎn)物后的試片質(zhì)量，g；S為試片表面積，cm2；t為腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)周期，h；ρ為試片密度，g·m-3。

使用CorrTest（CS310H）電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）測(cè)試。工作電極為L(zhǎng)360N鋼（工作面積為1cm2），輔助電極為石墨電極，參比電極為飽和甘汞電極（Saturated Calomel Electrode，SCE），設(shè)置交流激勵(lì)信號(hào)振幅為5mV（vs Eocp），掃描頻率范圍為10-2～104Hz。EIS數(shù)據(jù)使用ZsimpWin軟件進(jìn)行擬合分析。

1.3 腐蝕產(chǎn)物/生物膜形貌及元素分析

將實(shí)驗(yàn)周期為3、7、14d的動(dòng)態(tài)腐蝕掛片取出后，立即放入1.1節(jié)中配的戊二醛固定液浸泡4h，隨后依次在25%、50%、75%、100%（體積分?jǐn)?shù)）的乙醇溶液中浸泡15min，冷風(fēng)吹干后進(jìn)行形貌表征。采用SU3500型掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對(duì)試片表面的腐蝕產(chǎn)物/生物膜進(jìn)行觀察，Aztec X-Max20型能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）進(jìn)行元素能譜分析[7]。使用1.1節(jié)中配的腐蝕酸洗液和無水乙醇清洗試片后，采用SEM和ContourGT InMotion型三維光學(xué)顯微鏡觀察試片表面腐蝕形貌，并測(cè)量試片點(diǎn)蝕深度。

1.4 腐蝕產(chǎn)物分析及高通量測(cè)序

動(dòng)態(tài)腐蝕掛片試驗(yàn)結(jié)束后，使用X射線衍射儀（X-Ray Diffractometer，XRD）對(duì)試片表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行定性分析。用PBS對(duì)試片表面的生物膜進(jìn)行清洗，對(duì)清洗后的PBS溶液進(jìn)行16S rRNA基因V3-V4區(qū)高通量測(cè)序。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)腐蝕失重實(shí)驗(yàn)與電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

圖1是動(dòng)態(tài)腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)的試片平均腐蝕速率圖。隨著時(shí)間的推移，試片的平均腐蝕速率呈下降趨勢(shì)，7～14d時(shí)平均腐蝕速率維持在0.0143mm/a左右。圖2是電化學(xué)阻抗譜圖。通常容抗弧大小與電極表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜和生物膜有關(guān)[6]。容抗弧的半徑越大，電極表面的保護(hù)膜越致密，工作電極的均勻腐蝕減緩[8]。由圖2（a）可知，隨著時(shí)間的推移，容抗弧半徑呈逐漸增大的趨勢(shì)。這表明工作電極表面腐蝕產(chǎn)物/生物膜形成，并逐漸致密。

圖1 試片平均腐蝕速率隨時(shí)間的變化

圖2 L360N鋼在采出水中浸泡不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間的電化學(xué)阻抗譜圖

為更好地理解L360N鋼電極表面腐蝕產(chǎn)物/生物膜的阻抗特性，使用ZsimpWin軟件對(duì)EIS測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合，等效電路圖如圖3所示。3～14d的測(cè)試結(jié)果采用圖3（b）進(jìn)行擬合，1d的測(cè)試結(jié)果采用圖3（a）進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果誤差均＜10%。在等效電路中，Rs為溶液電阻，Qf為腐蝕產(chǎn)物/生物膜電容，Rf為腐蝕產(chǎn)物/生物膜電阻，Qdl為雙電層電容，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻。其中，Q是常相位元件，Y0為阻納，n為彌散指數(shù)，擬合結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，3d后Rf值呈逐漸增大的趨勢(shì)，從8.085Ω·cm-2增加到12860Ω·cm-2，這表明電極表面有腐蝕產(chǎn)物/生物膜形成并逐漸致密。同時(shí)Rct值的大小可以用來評(píng)價(jià)金屬腐蝕程度[9]，Rct值呈逐漸增大的趨勢(shì)，這表明電極腐蝕程度逐漸減低，與Rf的變化規(guī)律以及動(dòng)態(tài)腐蝕掛片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

表1 EIS擬合數(shù)據(jù)

圖3 EIS擬合等效電路圖

2.2 腐蝕產(chǎn)物/生物膜形貌及元素分析結(jié)果

試片表面腐蝕產(chǎn)物/生物膜的SEM形貌表征和EDS分析結(jié)果如圖4所示，試片表面的微生物和腐蝕產(chǎn)物逐漸增多且分布均勻，14d時(shí)試片表面形成了較致密的腐蝕產(chǎn)物/生物膜，其中Fe元素和S元素含量達(dá)到最高。試片表面的腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果如圖6所示，隨著實(shí)驗(yàn)周期的增加，主要腐蝕產(chǎn)物由Fe2O3，變?yōu)镕e2O3、FeS2和FeS，14d時(shí)主要腐蝕產(chǎn)物為FeS，這些均為典型的SRB腐蝕產(chǎn)物[10]。這都表明腐蝕后期試片表面的主要MIC是SRB腐蝕。由于采出水介質(zhì)中存在CaCO3懸浮物，3d和7d試片表面的腐蝕產(chǎn)物中檢測(cè)出CaCO3。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間的試片表面腐蝕產(chǎn)物/生物膜SEM圖和EDS分析結(jié)果圖

試片的腐蝕形貌表征分別由圖6和圖7所示。3d時(shí)L360N試片表面主要呈均勻腐蝕形貌，局部區(qū)域有深度為3.0138μm的點(diǎn)蝕坑；7d時(shí)試片開始出現(xiàn)明顯的典型點(diǎn)蝕形貌，局部點(diǎn)蝕坑深度為7.4624μm；14d時(shí)試片表面點(diǎn)蝕數(shù)量變多，點(diǎn)蝕直徑變大，試片局部點(diǎn)蝕深度為7.8564μm。這表明，在腐蝕產(chǎn)物/生物膜逐漸致密的過程中，試片表面由均勻腐蝕變?yōu)辄c(diǎn)蝕，且點(diǎn)蝕深度和數(shù)量逐漸增加。

圖6 不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間的試片表面腐蝕形貌SEM圖

圖7 不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間試片表面點(diǎn)蝕的三維顯微鏡圖

2.3 腐蝕產(chǎn)物/生物膜細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)變化

屬水平上的群落結(jié)構(gòu)組成如圖8所示，采出水與試片表面腐蝕產(chǎn)物/生物膜的細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)有較大差異。采出水中的主要菌屬是脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）和嗜蛋白菌屬（Proteiniphilum），而試片表面的主要菌屬是假單胞菌屬（Pseudomonas）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）和脫硫化曲菌屬（Desulfocurvus）。采出水中的嗜蛋白菌屬（Proteiniphilum）屬于產(chǎn)酸菌（Acid-producing Bacteria，APB），是一種嚴(yán)格厭氧的APB，能代謝產(chǎn)生有機(jī)酸腐蝕金屬[11]。而試片表面相對(duì)豐度逐漸上升的假單胞菌（Pseudomonas）是一種產(chǎn)粘液菌（Slime-producingBacteria，SPB）菌屬[12]，可產(chǎn)生大量胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substance,EPS），促進(jìn)金屬表面生物膜的形成[13]。假單胞菌（Pseudomonas）在試片表面的相對(duì)豐度逐漸上升，這意味著試片表面的生物膜逐漸增多。脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）和脫硫化曲菌屬（Desulfocurvus）等典型的SRB菌屬[14]，海細(xì)菌屬（Marinobacterium）、弓形桿菌屬（Arcobacter）和Dethiosulfatibacter等可以代謝產(chǎn)生H2S的非典型SRB菌屬[15-17]，在試片表面的相對(duì)豐度也在逐漸上升。硫膨大桿菌屬（Thioclava）和Thiomicrospira等硫氧化菌（Sulfur-oxidizing Bacteria，SOB）菌屬的相對(duì)豐度在逐步降低[18,19]。

圖8 微生物16S rRNA基因序列屬水平分類圖

2.4 成膜過程中的腐蝕機(jī)制變化

L360N試片在實(shí)驗(yàn)室模擬的頁巖氣地面集輸管線的環(huán)境中（35℃、水相流速為0.5m/s的厭氧環(huán)境），由于微生物的存在，表面會(huì)逐漸形成一層較致密的腐蝕產(chǎn)物/生物膜。在腐蝕產(chǎn)物/生物膜逐漸形成的過程中，試片表面的腐蝕反應(yīng)也在發(fā)生變化，如圖9所示。

圖9 試片表面各階段主要腐蝕反應(yīng)過程

3d時(shí)試片表面有局部腐蝕產(chǎn)物/生物膜形成，有SOB菌屬硫膨大桿菌屬（Thioclava）附著在試片表面，相對(duì)豐度為7.18%。而采出水中相對(duì)豐度為29.37%的嗜蛋白菌屬（Proteiniphilum）是一種嚴(yán)格厭氧的APB。試片的腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3為主，且表面呈均勻腐蝕狀。這表明0～3d時(shí)，試片表面的腐蝕反應(yīng)以SOB腐蝕和APB生長(zhǎng)代謝導(dǎo)致的酸腐蝕為主。

有研究表明[20]，Cl-濃度為30g/L時(shí)，金屬對(duì)Cl-的腐蝕敏感度最高且體系中的SRB代謝活性最強(qiáng)，有助于SRB在金屬表面形成生物膜并與Cl發(fā)生腐蝕協(xié)同作用，而采出水中Cl-含量為24722.39mg/L，這表明該體系的SRB代謝活性最強(qiáng)，且形成生物膜。因此，7d時(shí)試片表面的腐蝕產(chǎn)物/生物膜覆蓋率增加，如圖4（c）所示。試片表面的主要菌屬為假單胞菌屬（Pseudomonas）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、Thiomicrospira和硫膨大桿菌屬（Thioclava）等，SOB、SPB和SRB菌屬的相對(duì)豐度上升。試片表面的主要腐蝕產(chǎn)物有FeS2和FeS，并開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕形貌。這表明試片表面的硫循環(huán)腐蝕過程加強(qiáng)，但腐蝕產(chǎn)物/生物膜的存在阻擋了Cl-的擴(kuò)散[21]，降低了Cl-對(duì)試片的腐蝕。因此，試片的均勻腐蝕下降，開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕。試片表面發(fā)生的主要腐蝕反應(yīng)開始由SOB腐蝕和APB導(dǎo)致的酸腐蝕，轉(zhuǎn)變?yōu)橐許RB和SOB為主的硫循環(huán)腐蝕。SRB引起的主要腐蝕[22]反應(yīng)如下：

14d時(shí)試片表面形成較致密的腐蝕產(chǎn)物/生物膜，主要腐蝕產(chǎn)物為FeS，如圖4（e）和圖5所示。試片的主要細(xì)菌是假單胞菌屬（Pseudomonas）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）、弓形桿菌屬（Arcobacter）和脫硫化曲菌屬（Desulfocurvus），SPB和SRB菌屬的相對(duì)豐度持續(xù)增加，但SOB菌屬降低。由于SRB的腐蝕產(chǎn)物FeS與EPS交織在一起形成腐蝕產(chǎn)物/生物膜，因此大多數(shù)微生物會(huì)嵌入腐蝕產(chǎn)物/生物膜中[23]，膜下的微生物濃度較高。而腐蝕產(chǎn)物/生物膜下的SRB會(huì)用金屬代替碳源獲取電子進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，使點(diǎn)蝕加劇。SRB產(chǎn)生的HS和H2S會(huì)與Fe2O3反應(yīng)，使試片腐蝕產(chǎn)物以FeS為主。

圖5 不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間試片表面腐蝕產(chǎn)物XRD圖

3 結(jié)語

（1）在實(shí)驗(yàn)室模擬的頁巖氣地面集輸管道環(huán)境（常壓、35 ℃、流體流速為0.5m/s的厭氧環(huán)境）中，L360N試片表面形成腐蝕產(chǎn)物/生物膜并逐漸致密。在試片表面成膜的過程中，試片均勻腐蝕速率下降，7d后穩(wěn)定在0.0143 mm/a左右，試片的點(diǎn)蝕數(shù)量和深度逐漸上升，點(diǎn)蝕深度升至7.8564μm；

（2）在L360N試片表面腐蝕產(chǎn)物/生物膜形成并逐漸致密的過程中，試片表面的主要腐蝕細(xì)菌發(fā)生變化，SPB和SRB菌屬富集，SOB菌屬逐漸減少。0～3d時(shí)，試片表面主要發(fā)生APB和SOB的均勻腐蝕，尚未形成明顯腐蝕產(chǎn)物/生物膜，主要腐蝕細(xì)菌是嗜蛋白菌屬（Proteiniphilum）和硫膨大桿菌屬（Thioclava）；3～7d時(shí)，試片表面形成局部腐蝕產(chǎn)物/生物膜，SRB菌屬開始富集，7d時(shí)試片表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕，腐蝕產(chǎn)物/生物膜中的主要腐蝕細(xì)菌是假單胞菌（Pseudomonas）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、Thiomicrospira和硫膨大桿菌屬（Thioclava），主要腐蝕機(jī)制是SRB和SOB的硫循環(huán)腐蝕；7～14d時(shí)，試片表面逐漸形成完整且較為致密的腐蝕產(chǎn)物/生物膜，點(diǎn)蝕加劇，14d時(shí)腐蝕產(chǎn)物/生物膜中的假單胞菌（Pseudomonas）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）和弓形桿菌屬（Arcobacter）富集，SOB菌屬相對(duì)豐度減少，主要腐蝕機(jī)制是SRB腐蝕。