鐵細(xì)菌對聚驅(qū)采出體系管線鋼腐蝕行為研究*

胡俊卿

（大慶油田有限責(zé)任公司 第一采油廠,黑龍江 大慶 163000）

為了提高油田采收率，通過將聚合物加入注水井提高其黏度，從而提高油田采收率[1]。然而，注入水隨油田化學(xué)品一起注入，這將會導(dǎo)致微生物和營養(yǎng)物質(zhì)帶入管道環(huán)境中，導(dǎo)致微生物大量繁殖[2]。

微生物腐蝕（Microbiologically influenced corrosion,MIC）是指附著在材料（金屬及非金屬）表面的生物膜中微生物的生命活動導(dǎo)致金屬材料的腐蝕或破壞[3]。MIC被認(rèn)為是造成管道故障、能源損失和環(huán)境影響的主要原因之一[4]。碳鋼管線作為運輸石油以及石油產(chǎn)品的主要金屬材料，其對MIC（微生物腐蝕）極為敏感[5]。油田采出水中含有大量鐵細(xì)菌（FB）[6]，其會對管線鋼造成侵蝕。

目前，對于聚合物驅(qū)體系中管線鋼的微生物腐蝕研究較少，本文通過電化學(xué)測試技術(shù)以及掃描電子顯微鏡技術(shù)，研究了聚驅(qū)采出體系溶液中FB、SRB單菌以及混合菌下碳鋼的腐蝕規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CS350電化學(xué)工作站（武漢科斯特有限公司）；COXEM EM-30AX+型掃描電鏡（韓國庫賽姆）。

C6H8FeNO7、（NH4）2SO4（麥克林），K2HPO4、Na2SO4、MgCl2（國藥集團化學(xué)試劑有限公司），MgSO4（福晨（天津）化學(xué)試劑有限公司）、CaCl2（遼寧泉瑞試劑有限公司）、NaCl（哈爾濱市化工試劑廠）、BaCl2（天津市大茂化學(xué)試劑廠），以上試劑均為分析純；部分水解聚丙烯酰胺，相對分子質(zhì)量為1900萬，有效含量為90%，大慶煉化公司。

1.2 實驗材料及溶液

實驗材料為20#管線鋼，化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）C 0.17～0.23，Si 0.17～0.37，Mn 0.35～0.65，P≤0.035，S≤0.035，Ni≤0.30，Cr≤0.15，Cu≤0.25，F(xiàn)e余量。電化學(xué)測試樣品面積為1cm2，背面焊接銅導(dǎo)線，其余部分采用環(huán)氧樹脂密封。腐蝕試驗前，用目數(shù)為600、800、1000、1200的砂紙打磨電極表面，去離子水沖洗，丙酮清洗，無水乙醇清洗，吹干備用。

FB從大慶油田采出水分離所得。FB培養(yǎng)基成分為（g·L-1）：C6H8FeNO710，K2HPO40.5，MgSO40.5，CaCl20.5，（NH4）2SO40.5。NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值為7.2左右，高壓蒸汽鍋121℃下滅菌30min后備用。

根據(jù)現(xiàn)場聚驅(qū)采出體系溶液組成配制實驗溶液。其成分為（g·L-1）：Na2SO40.009，CaCl20.1135，MgCl20.0082，NaCl 3.04，BaCl20.069，聚合物0.6。高壓蒸汽鍋殺菌。分別取無菌體系溶液，以及接種FB使其濃度為104個·mL-1作為兩組實驗溶液。

1.3 表面形貌分析

浸泡15d后的試樣，使用酸洗液（去離子水+HCl+六次甲基四胺）清洗10min后，N2干燥后，使用SEM（COXEM EM-30AX+）觀察表面形貌。

1.4 電化學(xué)測量

采用電化學(xué)工作站（CS350）進行電化學(xué)測試，20#鋼為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑板為對電極。EIS施加的擾動電位為10mV，頻率范圍為10－2～105Hz。動電位極化曲線掃描電位范圍為-300mV→+300mV（vs OCP），電位掃描速率為0.5mV·s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

20#碳鋼在不同體系下浸泡21d后，去除腐蝕產(chǎn)物，表面形貌見圖1。

由圖1a可知，無菌體系下，金屬表面預(yù)處理時的劃痕清晰可見，碳鋼表面幾乎未發(fā)生腐蝕，碳鋼腐蝕速率較小。這是由于體系中存在聚合物，其酰胺基團中的極性原子與鐵原子結(jié)合吸附在碳鋼表面形成吸附膜[7]，聚合物分子自身的長鏈結(jié)構(gòu)也有利于在碳鋼表面形成疏水層，對碳鋼的腐蝕起到抑制作用。

由圖1b可知，F(xiàn)B體系中碳鋼表面存在較多的腐蝕小孔和腐蝕縫隙。這是由于體系中的FB能夠?qū)e2+氧化為Fe3+[8],從而促進了碳鋼的腐蝕。并且在FB作用下，碳鋼表面生成Fe（OH）3沉淀以及生物膜，導(dǎo)致碳鋼表面O2分布不均勻，產(chǎn)生氧濃差電池，富氧區(qū)作為小陽極，致密的腐蝕產(chǎn)物以及較厚的生物膜覆蓋的區(qū)域作為較大的陰極，從而促進碳鋼的局部腐蝕。

2.2 交流阻抗測試

圖2為20#管線鋼浸泡不同時間節(jié)點的電化學(xué)阻抗圖譜，圖3為極化電阻值Rp，容抗弧的直徑以Rp與碳鋼的腐蝕速率成反比。

圖2 20#管線鋼在不同狀態(tài)下交流阻抗圖譜Fig.2 Nyquist plots for the 20#pipeline steel under different conditions with time：（a）control，（b）FB

由圖2a及圖3可知，無菌體系下碳鋼的腐蝕速率呈增大、減小和增大的趨勢。碳鋼的腐蝕速率在浸泡1d時最小。這是由于體系中聚合物在碳鋼表面形成吸附層，對碳鋼存在保護作用；聚合物也會增加體系的黏度，體系中O2的擴散受到一定的抑制。隨著浸泡時間的增加，體系黏度降低，其抑制O2擴散的速率減弱，腐蝕速率增大。隨著表面腐蝕產(chǎn)物的生成，抑制了腐蝕的發(fā)生。隨后保護性地腐蝕產(chǎn)物層破裂，腐蝕速率進一步增加。

圖3 20#管線鋼在不同環(huán)境中的極化電阻RP隨時間變化曲線Fig.3 Polarization resistance RP of 20#pipeline steel in different environments

由圖2b可知，F(xiàn)B體系下碳鋼的腐蝕速率呈增大、減小和增大的趨勢。FB能夠?qū)e2+氧化為Fe3+，從而獲得能量，F(xiàn)e2+作為電子供體，O2作為電子受體，從而促進陽極鐵的溶解。浸泡前期聚驅(qū)體系中的管線鋼在FB作用下，其腐蝕速率大于無菌體系時碳鋼的腐蝕速率。隨著浸泡時間的增長，F(xiàn)B作為好氧型微生物，體系中溶解氧消耗過多，此時FB的活性被抑制，因此，碳鋼的腐蝕在浸泡中后期，碳鋼的腐蝕速率有所減小。浸泡后期厚度不一致的生物膜促進了碳鋼的腐蝕。

2.3 極化曲線測試

圖4為浸泡21d后碳鋼的動電位極化曲線圖譜，電化學(xué)擬合參數(shù)見表1。

表1 極化曲線電化學(xué)擬合參數(shù)Tab.1 Electrochemical fitting parameters of polarization curve

圖4 20#管線鋼在不同環(huán)境中的動電位極化曲線Fig.4 Potentiodynamic polarization curves of 20#pipeline steel in different environments

由圖4可知，F(xiàn)B的存在促進了碳鋼陽極的溶解，抑制了陰極反應(yīng)。聚驅(qū)體系采出體系碳鋼為生吸氧腐蝕，F(xiàn)B細(xì)菌能夠?qū)e2+氧化為Fe3+，從而促進了電化學(xué)陽極過程。碳鋼表面生成較厚的生物膜會抑制O2的擴散，電化學(xué)的陰極過程受到抑制。

由表1可知，無菌體系下碳鋼的腐蝕電流小于FB體系下碳鋼的腐蝕電流。

3 結(jié)論

（1）無菌體系中，由于聚合物的存在，導(dǎo)致浸泡14d后碳鋼的腐蝕程度較弱。

（2）FB體系下，浸泡14d內(nèi)，碳鋼的腐蝕速率均大于無菌體系下碳鋼的腐蝕速率，F(xiàn)B促進了碳鋼的腐蝕，主要發(fā)生了局部腐蝕。

（3）碳鋼表面形成的生物膜會影響其電化學(xué)腐蝕過程，較厚的生物膜會抑制陰極氧的還原反應(yīng)，F(xiàn)B的存在促進鐵的溶解，促進作用大于抑制作用。