不同Cl-濃度下SRB對抗微生物腐蝕管材性能的影響*

2024-02-20 09:12:52丁浪勇趙國仙劉冉冉張思琦王映超張雅妮胥聰敏李蘭云

焊管 2024年1期

丁浪勇，趙國仙，劉冉冉，張思琦，宋洋，王映超，張雅妮，胥聰敏，李蘭云

（1.西安石油大學材料科學與工程學院，西安 710065；2.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，西安 710065）

0 前言

微生物腐蝕（MIC）作為近幾年研究的熱點，已有大量相關報道，硫酸鹽還原菌（SRB）作為MIC中常見的細菌，造成的MIC分布廣泛且影響最大[1]。調研發現，如果發生SRB 腐蝕，水中的SO4

2-將被還原最終形成H2S，導致鋼制設備破壞、水體結垢以及油層傷害等危害[2-3]，甚至還可能引發電偶腐蝕[4]、垢下腐蝕[5]、縫隙腐蝕[6]、沉積下腐蝕[7]、應力腐蝕開裂（SCC）[8]等。

油田環境復雜多樣，存在CO2、H2S、Cl-等大量腐蝕性介質，同時，油田環境中的Cl-濃度通常高于土壤、海水、污水等環境[9]。大量研究表明[10-13]，由于Cl-半徑較小，因而能夠穿透材料表面的腐蝕產物膜，破壞不銹鋼表面的鈍化膜，導致腐蝕過程中離子擴散速度加快。同時在材料表面形成微觀腐蝕原電池，促進點蝕的形成。Cl-不僅對點蝕有自催化作用，還會影響存活的SRB的數量[14]。在SRB和Cl-共存體系中，XIE 等[14]研究發現，當Cl-濃度為20 g/L時，存活的SRB數量最多；當Cl-濃度為30 g/L時，高Cl-濃度和SRB協同作用使得陽極溶解速率加快，SCC 靈敏度增強。郭紫薇[15]研究發現，Cl-濃度為20 g/L 時，SRB 活性最強，但EPS 分泌量最少，與Fe2+吸附作用最弱。辛征等[16]研究發現，Cl-濃度為30 g/L 時，SRB生長代謝活動旺盛，其代謝活動產物及腐蝕產物共同促進了不銹鋼表面鈍化膜的破壞和溶解，降低了不銹鋼的耐腐蝕性能。

由于油田環境復雜、水質多樣，模擬油田現場環境很難解釋Cl-對微生物腐蝕的影響以及Cl-和微生物共同作用下對材料腐蝕的影響，因此本研究以抗微生物腐蝕管材為對象，分析在適宜微生物生存的培養基中不同Cl-濃度對抗微生物腐蝕管材性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗材料的制備

試驗用抗微生物腐蝕管材的化學成分見表1。失重腐蝕試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm 的掛片；電化學試樣呈圓柱體，底面半徑為6 mm。將電化學試樣背面與銅導線用焊錫絲連接，環氧樹脂密封。試驗前，掛片和電化學試樣均用砂紙逐級打磨至1 200#，然后用丙酮除油，無水乙醇脫水，冷風吹干，放入干燥皿中干燥24 h后，用分析天平（精確至0.1 mg）對掛片試樣稱重，記錄腐蝕前試樣的質量。

表1 抗微生物腐蝕管材化學成分 %

1.2 細菌培養

SRB 菌種來自某油田的現場水，采用SRB培養基對其進行富集培養。培養基配方見表2。試驗前，將培養基用冰醋酸調節pH值至7.0，采用高溫高壓滅菌鍋在121 ℃下滅菌20 min，冷卻30 min 至常溫后，加入經紫外線消毒的1 g/L硫酸亞鐵銨，再將富集的SRB 以5%的比例接種到培養基中密封，通入N2除氧1 h，除氧完成后，放置于恒溫（37 ℃）生化培養箱中培養。

表2 培養基配方 g·L-1

1.3 浸泡試驗

試驗前，將容器及培養基進行高溫滅菌（滅菌條件同1.2小節），再將橡膠塞、掛片等在紫外燈下滅菌30 min，防止其他雜菌感染。

試驗分為五組，即Cl-濃度分別為0 g/L（培養基中不加NaCl，只有培養基中含有的少量Cl-，把該組看作0 g/L Cl-）以及20 g/L、40 g/L、80 g/L、120 g/L 四組，通過向培養基中加入不同濃度的NaCl，配置不同Cl-濃度的培養基。用1 L容器分別盛裝上述溶液于高溫高壓滅菌冷卻后，將滅菌后的掛片懸掛于容器中，加入經紫外消毒的硫酸亞鐵銨，再用無菌注射器抽取20 mL（2%的體積比）富集的SRB注射于容器中，橡膠塞密封，用N2除氧1 h，最后將容器放入40 ℃恒溫生化培養箱中15天，每天采用血球板計數法測細菌數量。每組四個平行試樣，其中三個用于腐蝕速率計算，一個用于SEM、EDS、XRD分析。

試驗結束后，每組取出三個掛片，分別用去離子水沖洗，清洗液（配比為鹽酸100 mL、六次甲基四胺10 g，加蒸餾水至1 L）中超聲波清洗5 min，接著用無水乙醇脫水，放入干燥皿中干燥24 h后用分析天平稱重，記錄失重后質量，以計算均勻腐蝕速率。剩余的一個掛片用5%戊二醛溶液固化5 h，再依次用25%、50%、75%和100%的酒精進行逐級脫水處理，每次脫水15 min，脫水完成后，將試樣自然晾干。

采用NovaNanoSEM 場發射掃描電子顯微鏡對浸泡后的試樣表面形貌及成分進行分析，采用布魯克D8A型X射線衍射儀（XRD）對試樣腐蝕產物進行物相分析。

1.4 電化學測試

試驗前，將整個電化學裝置及溶液進行滅菌和接菌，滅菌和接菌方式分別同1.2小節和1.3小節。電化學測試采用三電極體系，抗微生物腐蝕管材為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，碳棒為輔助電極。試驗時，通入N2除氧1 h后進行電化學測量，待開路電位穩定后，進行極化曲線測試。電化學測試在VersaSTAT 3 電化學工作站上進行，動電位掃描速度為1 mV/s，電位掃描范圍為相對于開路電位-300～300 mV。

2 試驗結果及分析

2.1 SRB生長規律

在SRB、Cl-濃度變化環境中，浸泡不同時間浮游SRB生長曲線如圖1所示。由圖1可見，在不同Cl-濃度環境中，15天內SRB的生長趨勢不同。Cl-濃度為0 g/L時，浮游SRB數量在第3天達到最大值，為4.4×108個/ml；Cl-濃度為20 g/L時，在生長期前4天，高濃度鹽會讓部分細菌脫水死亡，浮游SRB數量在第4天最大，為3.42×108個/ml；Cl-濃度為40 g/L時，浮游SRB數量在第1天達到最大值，為7.51×107個/ml；Cl-濃度為80 g/L時，浮游SRB 數量在第3 天達到最大值，為3.7×107個/ml。此后，浮游SRB 進入衰亡期。當進入衰亡期后，Cl-濃度為20 g/L時，衰亡期每天的細菌存活數量最高，甚至超過Cl-濃度為0 g/L中細菌存活數量。隨著Cl-濃度升高，衰亡期內每天的細菌存活數量均減少，當Cl-濃度為120 g/L 時，細菌無生長期，直接進入衰亡期，浮游SRB 存活數量最少。說明Cl-濃度為20 g/L 條件最適宜SRB 生長，但其有一個適應的過程。衰亡期內，每天的細菌存活數量隨著Cl-濃度升高而減少，當Cl-濃度達到120 g/L 時，細菌脫水死亡現象嚴重，死亡細菌大于生長細菌，表明在此條件下，細菌不能正常生長。

2.2 腐蝕速率對比

抗微生物腐蝕管材在不同Cl-濃度中浸泡15 天后均勻腐蝕速率計算結果如圖2 所示。由圖2 可見，當Cl-濃度為0 g/L 時，抗微生物腐蝕管材的腐蝕速率為0.039 9 mm/a；當Cl-濃度為20 g/L 時，腐蝕速率為0.016 6 mm/a；當Cl-濃度為20～80 g/L 時，腐蝕速率增長緩慢；當Cl-濃度達到120 g/L 時，腐蝕速率迅速增長且達到最高，達到0.109 8 mm/a。結合表面微觀形貌分析可知，腐蝕速率出現以上變化的原因是Cl-濃度為0 g/L 時，試樣表面形成大量的生物膜，此時主要為SRB 腐蝕；當Cl-濃度為20 g/L 時，腐蝕速率減小，是因為試樣表面的生物膜減少，SRB對管材腐蝕作用減小；此后，隨著Cl-濃度的增加，生物膜急劇減少，增加的原因主要為Cl-對基體形成的腐蝕。

圖2 抗微生物腐蝕管材在不同Cl-濃度中的腐蝕速率

2.3 表面微觀形貌及成分分析

圖3、圖4、圖5 和表3～表5 分別為不同Cl-濃度中浸泡15 天后的抗微生物腐蝕管材表面微觀形貌圖及不同位置的EDS的結果。

圖3 抗微生物腐蝕管材在Cl-濃度為0 g/L時的表面SEM圖像

圖4 抗微生物腐蝕管材在Cl-濃度為20 g/L時的表面SEM圖像

圖5 不同Cl-濃度條件下抗微生物腐蝕管材表面SEM形貌

表3 Cl-濃度為0 g/L時腐蝕產物的EDS分析結果 %

表4 Cl-濃度為20 g/L時不同位置處腐蝕產物的EDS分析結果

表5 Cl-濃度分別為40 g/L、80 g/L、120 g/L時選取位置處EDS分析結果 %

Cl-濃度為0 g/L時，試樣表面腐蝕后的微觀形貌如圖3所示。由圖3（a）可見，試樣表面形成連續的腐蝕產物膜和生物膜，多孔結構，呈蜂窩狀。對圖3（a）中區域A進行放大，得到圖3（b），可見不連續的腐蝕產物膜和生物膜出現分層現象，上層生物膜由細菌分泌于體外的高分子聚合物（EPS）以及團簇狀腐蝕產物、白色細小顆粒構成，存在許多細微的孔洞，生物膜下方有一層腐蝕產物層，該層多處存在微裂紋。對圖3（b）區域B進行放大，得到圖3（c）所示，腐蝕產物層中的微裂紋清晰可見，同時還存在孔洞，給離子交換提供了通道，導致腐蝕性離子穿過膜層，對基底持續造成腐蝕，最終形成點蝕。在生物膜表面，多處細菌聚集，細菌之間相互溶解，增加了與金屬表面的接觸面積，從而使細菌獲得并共享更多的電子，造成微生物腐蝕[17]。細菌與EPS黏附于一體，其中EPS為細菌分泌于體外的一些高分子聚合物，呈黏液狀，主要成分與微生物胞內成分相似，如多糖、蛋白質、核酸、脂質和磷脂等聚合物[18]。經EDS 分析，團簇狀腐蝕產物（位置1），含有C、N、O、P、S、Mg、Fe、Si 元素，其中Fe、S元素含量最高，推測該物質為FeS；位置2產物含有C、N、O、P、S、Mg、Cr、Fe、Si 元素，其中依然是Fe、S元素含量最高，可能是因為EPS 中分布的白色亞細小顆粒物質為FeS，當積累到一定數量，會形成團簇狀腐蝕產物。有研究發現[19]，C、O元素為生物膜的有機成分，N可能來自于SRB 產生的代謝產物或者微生物膜[18]，再由本節位置1、位置2的EDS分析以及微觀形貌分析可以判斷，生物膜由腐蝕產物FeS、EPS以及細菌混合而成。腐蝕產物層中（位置3），P元素含量升高，推測腐蝕產物層多為含磷化合物。

在Cl-濃度為20 g/L 時，腐蝕產物和生物膜形貌分別如圖4所示。由圖4（a）可見，試樣表面覆蓋一層完整的腐蝕產物膜，腐蝕產物膜上方由許多不連續的絮狀腐蝕產物，且在膜上方形成塊狀腐蝕產物，同時塊狀腐蝕產物上還分布有絮狀腐蝕產物，局部區域還發現花瓣狀腐蝕產物嵌入膜上。對圖4（a）的區域C 進行放大，得到圖4（b），可見腐蝕產物膜上方零星分布著細菌以及些許白色顆粒物質。對圖4(b)的區域D進行放大，得到圖4（c），絮狀腐蝕產物中未發現明顯的EPS，只附帶有許多細菌及球狀腐蝕產物，它們共同構成生物膜，腐蝕產物層還存在微裂紋，對比0 g/L Cl-中生物膜明顯減少，且未出現孔洞，腐蝕產物層中的裂紋也明顯變小，所以穿過膜層的腐蝕性離子減少，導致腐蝕速率減小。而SRB的生長規律中，Cl-濃度為20 g/L時最適宜SRB 生長，形成的生物膜卻比0 g/L Cl-中明顯減少，可能是因為鹽度的增加，SRB有一個適應期，延緩生物膜的形成。Cl-濃度為20 g/L時不同位置腐蝕產物的EDS 分析結果見表2，由表2可知，花瓣狀腐蝕產物（位置4）只含有Ca、Fe元素，推測其為SRB 產生的EPS（高分子聚合物）將Ca2+、Fe2+固定下來形成的礦化產物[20]。塊狀腐蝕產物（位置5）含有C、N、O、P、S、Mg、Fe、Si元素，其中Fe、P元素含量最高，推測該腐蝕產物可能為鐵的磷化物。絮狀腐蝕產物（位置6）含有N、O、P、S、Ca、Mg、Fe、Si元素，其中除N 元素之外，O、P、Fe 元素含量最高，推測為O、P、Fe 的化合物可能性很大。腐蝕產物層（位置7）含有C、N、P、S、Cr、Fe、Cu、Si元素，其中Fe元素含量比其他位置都高，說明該腐蝕產物層很薄。

在Cl-濃度分別為40 g/L、80 g/L、120 g/L時，腐蝕產物/生物膜形貌分別如圖5所示。由圖5可見，Cl-濃度分別為40 g/L、80 g/L 時，一層連續的腐蝕產物層覆蓋于整個試樣表面，形貌極為相似。由圖5（a）可見，當Cl-濃度為40 g/L 時，形成的腐蝕產物膜薄，還能看見砂紙打磨留下的痕跡，局部區域還發現蝕坑痕跡以及微裂紋，細菌零星分布于試樣表面，生物膜急劇減少。當Cl-濃度為80 g/L 時，由圖5（b）和圖5（c）可見，形成的腐蝕產物膜多處存在微裂紋，局部區域腐蝕產物膜形成鼓包以及腐蝕產物膜破裂現象，高倍掃描圖下，只發現單個的細菌分布于腐蝕產物膜上，基本上不存在生物膜。其中Cl-濃度為40 g/L、80 g/L 時，由于Cl-半徑小，導致更多的Cl-穿過腐蝕產物層對基體造成腐蝕，出現腐蝕上升的趨勢。Cl-濃度為120 g/L 時，試樣表面已無生物膜形成，腐蝕產物膜呈明顯龜裂狀，給離子交換提供了通道，導致腐蝕性離子穿過膜層，對基底持續造成腐蝕，腐蝕最為嚴重。因此，隨著Cl-濃度的升高，生物膜逐漸減少，當Cl-濃度為120 g/L 時，無生物膜形成；經EDS 對比發現，Fe 元素含量逐漸減少，說明腐蝕產物膜在增厚，同時Cr的富集現象變得更加明顯。

2.4 表面腐蝕產物XRD分析

圖6為抗微生物腐蝕管材在不同濃度Cl-環境中浸泡15天后試樣表面腐蝕產物的XRD圖譜。由圖6可見，當Cl-濃度為0 g/L時，腐蝕產物主要為FeS和Fe3(PO4)2，其中FeS的形成是因為硫酸鹽還原菌將SO42-還原成H2S，與Fe2+反應生產FeS腐蝕產物膜[21]，證實了0 g/L Cl-中表面微觀形貌的猜想，即產物膜中白色細小顆粒物質為FeS；Fe3(PO4)2的形成是因為Fe2+與溶液中的磷酸鹽電離出的微量磷酸根離子[22]以及生物膜上的磷酸根[23]反應生成，Fe3(PO4)2在腐蝕產物膜中形成，且在2θ=13.1°時出現明顯的Fe3(PO4)2衍射峰[24]。當Cl-濃度為20 g/L時，腐蝕產物主要為FeS和Fe3(PO4)2，其中FeS的衍射強度明顯比0 g/L 時低，這是因為試樣表面的生物膜減少，同時生物膜上的團簇狀腐蝕產物以及白色顆粒物質減少；Fe3（PO4）2的形成原因與Cl-濃度為0 g/L時的Fe3（PO4）2形成原因中一致。其中Fe3（PO4）2的衍射峰較高，而FeS 的衍射峰相對較低，主要是因為Fe3（PO4）2的溶度積小于FeS的溶度積，Fe2+會優先與PO43-離子結合形成Fe3（PO4）2。

圖6 不同Cl-濃度條件下抗微生物腐蝕管材XRD圖譜

2.5 電化學測試結果

抗微生物腐蝕管材在不同Cl-濃度環境中的極化曲線如圖7所示。由圖7可知，Cl-濃度為0 g/L時，陽極極化曲線出現了鈍化區，說明此時大量的微生物形成的生物膜阻礙了溶液中的腐蝕性離子對抗微生物腐蝕管材的腐蝕，附著的SRB對基體起到了鈍化保護作用[27]。其余四組極化曲線接近重合，且陽極極化曲線未出現活化-鈍化轉變區，根據SRB生長規律，細菌生長前期高濃度鹽會使部分細菌脫水死亡，所以附著在試樣表面的生物膜會減少，此時形成的生物膜對基體沒有鈍化保護作用，均以活化溶解為主。

圖7 不同Cl-濃度條件下抗微生物腐蝕管材的極化曲線

采用Tafel直線外推法擬合不同Cl-濃度環境中測的極化曲線，結果見表6。由表6可見，在不同Cl-濃度中，陰極Tafel斜率均大于陽極Tafel斜率，說明腐蝕受陰極反應控制。Cl-濃度分別為0 g/L、20 g/L、40 g/L、80 g/L和120 g/L時，腐蝕電流密度分別為5.62 μA/cm2、4.35 μA/cm2、4.62 μA/cm2、4.69 μA/cm2和6.14 μA/cm2，腐蝕電流密度先減小后增大，表明腐蝕速率先減小后增大，與浸泡腐蝕速率一致，但腐蝕電流密度相差不大，說明反應初期Cl-濃度變化對腐蝕速率的影響不大。