SRB对X100钢在鹰潭土壤模拟溶液中腐蚀行为的影响

胥聪敏，杨东平，张灵芝，史立强，李辉辉

(西安石油大学 材料科学与工程学院 材料加工工程重点实验室，西安 710065)



SRB对X100钢在鹰潭土壤模拟溶液中腐蚀行为的影响

胥聪敏，杨东平，张灵芝，史立强，李辉辉

(西安石油大学 材料科学与工程学院 材料加工工程重点实验室，西安 710065)

采用失重法、线性极化曲线和阻抗谱电化学技术，结合扫描电子显微镜和能谱分析仪研究了X100钢在有/无SRB的鹰潭土壤模拟溶液中的腐蚀行为。结果表明：X100钢在无菌与有菌时的腐蚀速率随时间延长均为：减小→增大→减小， 腐蚀速率有菌时小于无菌，SRB的存在减缓了X100钢的腐蚀；腐蚀速率的控制主要由腐蚀产物膜的均匀性与致密性决定，无菌介质中，腐蚀产物膜不致密、不均匀，保护性较差，在有菌介质中，钢表面形成致密均匀的结合膜，致密的膜对传质有一定的阻碍作用，从而减轻了X100钢的腐蚀；无菌时腐蚀产物主要为Fe2O3，Fe3O4，α-FeO(OH)，有菌时腐蚀产物为Fe3O4，FeS。

鹰潭土壤；X100钢；SRB；腐蚀行为

微生物腐蚀(Microbiologically Influenced Corrosion,MIC)是指微生物生命活动直接或间接地促进了腐蚀过程所引起的金属破坏作用，在土壤、机械、油田、海水和电力等各个领域的设备中都有发现[1-3]，每年在工业中由微生物腐蚀造成的经济损失约为300～500亿美元[4-6]。在石油工业中，引起地下管线腐蚀的重要原因之一就是微生物腐蚀，而根据大量的样品分析表明，剥离涂层下管线钢的微生物腐蚀多与硫酸盐还原菌(SRB)有关[7-9]，SRB新陈代谢产生具有强腐蚀性、毒性和再活化性的硫化物，能够导致严重的腐蚀问题[10]，同时新陈代谢形成生物膜，其主要成分包括水、铁硫化合物以及胞外高聚物(EPS)[11,12]，EPS是生物膜黏附在各种物质上的媒介，同时促进细菌获得营养物质维持其生长代谢[13]。微生物膜的完整均匀程度能够改变金属的表面性能，进而促进或抑制腐蚀敏感性[14,15]。目前对于X70，X80钢在酸性、近中性土壤模拟溶液及土壤浸出液中的微生物腐蚀的研究工作比较多，如刘彤等[16]研究表明，在含SRB的介质中，钢表面形成对传质有一定阻碍作用的致密的生物膜，减轻X70钢的腐蚀。吴堂清等[17]的研究表明，在酸性土壤浸出液中SRB形成的微生物膜在前期对X80钢腐蚀起到抑制作用，后期微生物代谢产物促进管线钢的腐蚀。

迄今为止，关于硫酸盐还原菌腐蚀的报道大多是关于海洋、工业循环冷却水、油田等环境[18-21]，而对于一些特殊的土壤环境中，硫酸盐还原菌对腐蚀影响的研究较少。我国高腐蚀性土壤特征明显，东南地区以鹰潭土壤为酸性土壤的典型代表，其土壤导电率低、pH值低(3～6)、氧含量低，此外土壤中的含水量和CO2含量较高[22-24]。X100钢作为超前储备用钢，具有更高强度、耐压和低经济成本等优点，研究主要关注土壤物理和化学因素对金属腐蚀的影响，但对于酸性土壤中微生物腐蚀特征研究却没有。本工作拟对X100钢在鹰潭土壤中微生物腐蚀进行电化学、表面分析技术表征，详细地研究了鹰潭土壤中硫酸盐还原菌对X100钢腐蚀行为的影响，具有重要的研究意义。

1 实验材料与方法

1.1 试样制备

实验材料为X100管线钢，其化学成分(质量分数/%)为C 0.04,Si 0.20,Mn 1.50,P 0.011,S 0.003,Mo 0.02,Fe余量，室温力学性能为：抗拉强度850MPa，屈服强度为752MPa，屈强比为0.89，伸长率为24%。试样直接取自直缝焊管，通过线切割加工成50mm×25mm×2mm的片状和11mm×11mm×3mm的正方形试样。正方形试样用于电化学测量，片状试样用于失重实验和腐蚀形貌观察。

1.2 实验溶液

选取我国典型的东南酸性土壤——鹰潭土壤环境为模拟研究介质，根据鹰潭土壤的主要理化数据配制的模拟溶液成分为：CaCl2:0.222g/L,NaCl:0.936g/L,Na2SO4:0.284g/L,MgSO4·7H2O:0.394g/L,KNO3:0.596g/L,NaHCO3:0.302g/L，溶液pH值为4。实验溶液均用分析纯CaCl2，NaCl，Na2SO4，MgSO4·7H2O，KNO3，NaHCO3及去离子水配得。

实验所用硫酸盐还原菌菌种是通过富集培养的方式从某炼油厂的循环冷却水系统中分离出来的。使用修正的 Postgate'C培养基对水样中SRB 进行富集培养，培养基成分为：0.5g/L KH2PO4，2.0g/L Mg2SO4，0.1g/L CaCl2，0.5g/L Na2SO4，1.0g/L NH4Cl，3.5g/L乳酸钠，1.0g/L酵母膏。用1mol/L NaOH调节pH值为7.2±0.2。实验前将培养后的SRB菌种在30℃恒温箱中进行活化。接菌时将50mL细菌培养液接种到950mL的土壤模拟溶液中。

1.3 电化学测量

电化学采用EG&G公司的PARSTAT 2273电化学测试系统，实验采用三电极体系，工作电极为X100钢,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),石墨为辅助电极，对腐蚀了不同时间的X100钢进行极化曲线的测量，动电位极化曲线的扫描速率为1mV/s，依据Tafel曲线外推法比较自腐蚀电流密度icorr，观察期变化规律；交流阻抗谱测试所用频率范围为5mHz～100kHz，激励信号为10mV的正弦波，测量结果用Zsimpwin数据处理软件进行曲线拟合和处理。

1.4 腐蚀形貌观察与失重实验

X100钢试样腐蚀到一定时间后取出，对无菌溶液中的试样进行如下处理：用乙醇脱水，干燥；对含SRB溶液中的试样进行如下处理：将附着有生物膜的试片先在4%(质量分数)戊二醛溶液(用无菌水配制)中固定15min，然后分别用25%，50%，75%和100%的乙醇溶液进行逐级脱水15min，干燥。用JSM-6390A扫描电镜观察表面形貌，并进行腐蚀产物的电子能谱(EDS)分析。用毛刷将试样表面坚实的腐蚀产物刮去，但要注意避免损伤试样金属基体，然后用除锈液(500mL盐酸+500mL去离子水+3.5g六次甲基四胺)进行彻底除锈，用无水酒精清洗吹干后放置在干燥器中充分干燥，用电子分析天平称量，计算损失的质量及腐蚀速率。

2 实验结果与讨论

2.1 腐蚀速率的测定

图1为X100钢在鹰潭土壤模拟溶液中浸泡不同时间后的平均腐蚀速率。由图1可知，X100钢在鹰潭土壤模拟溶液中浸泡35，60d后无菌和有菌的平均腐蚀速率分别为：0.2149，0.1453mm·a-1和0.1201，0.1137mm·a-1，根据NACE RP-0775-91标准可知，无菌情况下属于严重腐蚀，有菌情况下属于中度腐蚀。无菌与有菌时从35d到60d平均腐蚀速率均减小。同时发现，X100管线钢在无菌溶液中的平均腐蚀速率要大于有菌溶液中的平均腐蚀速率，说明SRB的存在抑制了腐蚀。

图1 X100钢在鹰潭土壤模拟溶液中浸泡不同时间后的平均腐蚀速率Fig.1 Average corrosion rates for X100 steel in simulated solution of Yingtan soil after different exposure time

2.2 电化学分析

图2(a)，(b)为X100钢在无菌和有菌的鹰潭土壤模拟溶液中浸泡不同时间后的动电位极化曲线图。表1为X100钢在无菌和有菌的鹰潭土壤模拟溶液中不同浸泡时间下的极化曲线拟合结果。从图2可以看出，在无菌与有菌下都不存在钝化区，说明在整个实验过程中，X100钢在无菌与有菌的鹰潭土壤模拟溶液中一直处于活化状态，没有钝态出现。从表1可看出，自腐蚀电位Ecorr在无菌情况下是先减小后增大，有菌时一直减小，说明X100钢的腐蚀倾向在无菌溶液中为随时间延长先增大后减小，在有菌溶液中时为一直增大，但两者的腐蚀倾向总体都是在增加。自腐蚀电流密度icorr在无菌和有菌溶液中均为先迅速减小后缓慢增大再缓慢减小，由Farady第二定律可知，腐蚀电流密度与腐蚀速率之间成正比，这说明X100钢的腐蚀速率在无菌与有菌溶液中随时间延长的变化趋势均为：迅速减小→缓慢增大→缓慢减小，但两者整体趋势都是腐蚀速率趋于减小。同时对比无菌溶液与有菌溶液的自腐蚀电流密度发现，无菌溶液的自腐蚀电流密度均大于有菌溶液，即X100管线钢在无菌溶液中的腐蚀速率高于在有菌溶液，这说明SRB代谢活动所产生的生物膜影响了X100管线钢电极表面的腐蚀过程，生物膜的存在对腐蚀有一定的抑制作用。

图2 X100钢在鹰潭土壤模拟溶液中浸泡不同时间后的极化曲线 (a)无菌;(b)有菌Fig.2 Polarization curves for X100 steel in simulated solution of Yingtan soil after different exposure time (a)without SRB;(b)with SRB

Exposuretime/dWithoutSRBWithSRBicorr/(μA·cm-2)Ecorr/mVicorr/(μA·cm-2)Ecorr/mV583．23-656．64337．20-679．2331714．39-756．04210．16-688．3313523．19-677．27516．90-718．7956020．11-658．91914．16-762．913

为进一步监测腐蚀过程中不同腐蚀时间后各式样表面腐蚀产物的变化情况，进行了交流阻抗测试。图3为X100管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中的电化学阻抗图谱。实验结果采用图4所示不同的等效电路进行拟合，采用Zsimpwin软件进行数据拟合得到的各等效电路参数如表2和表3所示。其中，Rs为模拟溶液电阻，Qdl代表双电层电容的常相位元件，Rt为电荷转移电阻，Qf为腐蚀产物膜或生物膜电容，Rf为腐蚀产物膜或生物膜电阻，nf表示电容指数，ndl表示双电层电容指数,L为电感。从图3的Nyquist图可以看出，测出的曲线偏离半圆的轨迹，存在“弥散效应”，弥散效应反映出了电极界面双电层偏离理想电容的性质，即把电极界面双电层简单地等效成一个纯电容是不准确的[25]，本研究均采用常相位元件Q代替电容元件。

如图3所示，在无菌环境中阻抗谱表现为一个时间常数，表明X100钢电极的腐蚀行为主要由电极表面电极反应过程决定，随时间变化阻抗半径先增大后减小再增大，表明管线钢的腐蚀速率先减小后增大再减小，17d和60d时等效电路如图4(a)所示。在5d和35d时，电极表现出感抗，等效电路如图4(c)所示。有菌环境中，在浸泡初期(5d)X100钢的阻抗谱只有一个时间常数，表现为一个高频容抗弧的频谱特征，等效电路如图4(a)所示。中后期(17，35，60d)表现为两个时间常数，表现为一个高频容抗弧和一个中低频容抗弧的双容抗弧特征，表明X100钢表面附着有微生物膜，腐蚀在微生物膜和钢表面同时发生，等效电路如图4(b)所示。阻抗半径也先增大后减小再增大，说明管线钢的腐蚀速率先减小后增大再减小。

图3 X100管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中浸泡不同时间后的电化学阻抗图谱 1-Nyquist图；2-频率相位角图(a)无菌；(b)有菌Fig.3 EIS of X100 steel in simulated solution of Yingtan soil after different exposure time 1-Nyquist plots;2-frequency and phase angle plots (a)without SRB;(b)with SRB

Time/dRs/(Ω·cm2)Qdl/(F·cm-2)ndlRt/(Ω·cm2)L/(H·cm2)517．020．00090970．883272．4112301713．710．0053930．6365681．7-3518．050．0014130．8783237．9313506013．920．0019620．8166397．3-

表3 X100管线钢在含SRB的鹰潭土壤模拟溶液中浸泡不同天数后的EIS拟合结果

表2为无菌时阻抗数据拟合结果，可以看出溶液电阻Rs在13～18Ω·cm2范围内变化，变化很小，表明腐蚀过程基本稳定。Rs是Rt的10～25倍，因此Rt的变化是判断腐蚀快慢的主要因素。不同阶段Rt值分别为272.4，681.7，237.9，397.3Ω·cm2，Rt变化趋势为增大→减小→增大。Rt越大，腐蚀速率越小，因此X100钢的腐蚀速率随时间的变化趋势为：减小→增大→减小，这与试样表面生成的腐蚀产物膜的完整性和致密性有关。

表3为有菌时阻抗数据拟合结果，可以看出Rs在15～19Ω·cm2范围内变化，变化很小，表明腐蚀过程基本稳定。不同阶段Rt值分别为508.2，1674.0，464.5，939.9Ω·cm2，Rt变化趋势为增大→减小→增大。因此X100钢在有菌溶液中的腐蚀速率随时间延长的变化趋势为：减小→增大→减小，这与试样表面的腐蚀产物膜、微生物膜的完整性和致密性有关。

从表2，3可以看出，有菌溶液中的Rt值要大于无菌溶液中的Rt值，因此X100管线钢在无菌溶液中的腐蚀速率高于在有菌溶液中，这说明SRB代谢活动所产生的生物膜影响了X100管线钢电极表面的腐蚀过程，生物膜的存在对钢的侵蚀具有保护作用。以上分析与极化曲线的分析结果是一致的。

2.3 腐蚀形貌观察及腐蚀机理分析

图5，6为X100管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中浸泡不同时间的SEM形貌。无菌环境中从图5(a)～(d)可以看出，5d时布满了较为致密的竹叶状腐蚀产物，表面还有少许团簇状腐蚀产物。17d时腐蚀产物变得更为致密，外层团簇状腐蚀产物增多。35d时腐蚀产物分层明显，内层腐蚀产物更为致密，但存在裂纹，外层腐蚀产物继续增多且形状多为片状，片状腐蚀产物表面存在颗粒状腐蚀产物。60d时外层腐蚀产物部分已脱落，裸露出内层致密但存在裂纹的腐蚀产物。可以看出，腐蚀产物的致密性与完整性的变化与腐蚀速率的变化基本相对应。

图5 X100管线钢在鹰潭无菌土壤模拟溶液中浸泡不同时间的SEM形貌 (a)5d;(b)17d;(c)35d;(d)60dFig.5 SEM morphologies of X100 steel in simulated solution of Yingtan soil without SRB after different days exposure (a)5d;(b)17d;(c)35d;(d)60d

图6 X100管线钢在鹰潭有菌土壤模拟溶液中浸泡不同时间的SEM形貌 (a)5d;(b)17d;(c)35d;(d)60dFig.6 SEM morphologies of X100 steel in simulated solution of Yingtan soil with SRB after different days exposure (a)5d;(b)17d;(c)35d;(d)60d

有菌环境中从图6(a)～(d)可以看出，5d时表面形成了一层致密的微生物膜，17d时微生物膜上夹杂有团簇状的腐蚀产物，可看成是致密性更好的一种结合膜，35d时曝露出带有裂纹的内层腐蚀产物，局部位置还存在结瘤状腐蚀产物，60d时内层腐蚀产物表面布满大量条状和片状腐蚀产物，相比35d时更致密。可以看出，腐蚀产物的致密性与完整性的变化与腐蚀速率的变化也基本相对应。

腐蚀速率的控制主要由腐蚀产物膜的均匀、致密性决定，在有菌时腐蚀产物膜是微生物代谢产生的一系列物质组成的微生物膜与腐蚀产物一起结合成的结合膜，其相比无菌时生成的腐蚀产物膜更致密，能够更好地抑制腐蚀，因此无菌时的腐蚀速率要大于有菌时的腐蚀速率，SRB抑制了X100钢的腐蚀。

图7，8为60d时的腐蚀产物EDS和XRD分析图，通过对X100钢在鹰潭土壤模拟溶液中腐蚀60d所得腐蚀产物进行能谱分析知，无菌时腐蚀产物中含有较高质量分数的O(21.84%)和Fe(78.16%)，通过XRD分析知该腐蚀产物主要为Fe2O3，Fe3O4，α-FeO(OH)；含SRB时腐蚀产物中含有较多的O，S ，Fe和Cr元素，其中S的含量远高于管线钢中的硫含量，且通过XRD分析可知，该腐蚀产物主要为Fe3O4，FeS。

图7 X100钢在鹰潭土壤模拟溶液中浸泡60d后的EDS分析 (a)无菌；(b)有菌Fig.7 EDS analysis of X100 steel in simulated solution of Yingtan soil after 60 days exposure (a)without SRB;(b)with SRB

图8 X100钢在鹰潭土壤模拟溶液中浸泡60d后的XRD分析 (a)无菌；(b)有菌Fig.8 XRD analysis of X100 steel in simulated solution of Yingtan soil after 60 days exposure (a)without SRB;(b)with SRB

3 结论

(1)腐蚀速率的控制主要由腐蚀产物膜的均匀性与致密性决定，无菌介质中，X100钢表面生成的腐蚀产物膜不致密、不均匀，保护性较差，在有菌介质中，钢表面形成致密均匀的结合膜，致密的膜对传质有一定的阻碍作用，腐蚀速率有菌时小于无菌，SRB的存在减缓了X100钢的腐蚀；无菌时腐蚀产物主要为Fe2O3，Fe3O4，α-FeO(OH)，有菌时腐蚀产物为Fe3O4，FeS。

(2)X100钢在无菌与有菌时的腐蚀速率随时间延长的变化趋势均为：减小→增大→减小，这与试样表面的腐蚀产物膜、微生物膜的完整性和致密性有关；腐蚀倾向在无菌溶液中为随时间延长先增大后减小，有菌时为一直增大。

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Effect of SRB on Corrosion Behavior of X100 Steel in Simulated Solution of Yingtan Soil

XU Cong-min,YANG Dong-ping,ZHANG Ling-zhi,SHI Li-qiang,LI Hui-hui

(Key Laboratory of Materials Processing Engineering, School of Materials Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065,China)

The corrosion behavior of X100 steel was studied in simulated solution of Yingtan soil with and without sulfate-reducing bacteria (SRB) by means of mass-loss measurement, linear polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) techniques,combined with scanning electron microscopy(SEM) and spectroscopy analyzer(EDS). The results show that the corrosion rate with and without SRB with time is:decrease→increase→decrease，the corrosion rate with SRB is less than without SRB,SRB inhibit the corrosion of X100 steel;Corrosion rate is controlled by uniformity and compactness of corrosion product films, Corrosion product film is loose,uneven and less protective in the solution without SRB.In the solution with SRB,however, a compact and homogeneous bonding film is formed on the steel surface, which could suppress the mass transfer so that to mitigate the steel corrosion.Corrosion products are Fe2O3,Fe3O4and α-FeO(OH) in the solution without SRB,while corrosion products are Fe3O4and FeS in the solution with SRB.

Yingtan soil; X100 steel;SRB;corrosion behavior

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.06.012

TG172.7

A

1001-4381(2015)06-0071-08

陕西省教育厅专项科研计划项目(2013JK0895) ；陕西省重点学科专项资金资助项目(ys37020203)

2014-09-10;

2015-03-19

胥聪敏(1977—)，女，博士，副教授，主要从事材料腐蚀及防护方面的研究，联系地址：陕西省西安市雁塔区电子二路18号西安石油大学材料科学与工程学院(710065)，E-mail:cmxu@xsyu.edu.cn