H2S环境中硫酸盐还原菌对碳钢点蚀行为的影响

2018-08-06,,,,,

腐蚀与防护 2018年7期

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(中国石油塔里木油田油气工程研究院，库尔勒 841000)

地下金属因微生物腐蚀引起的损坏约占80%,其中最主要是硫酸盐还原菌 (SRB)引起的腐蚀[1-2]。SRB是一种以有机物为养料的厌氧型细菌,可以把硫酸盐还原为硫化物,广泛存在于土壤、海水、河水、地下管道、油气井等处。研究发现，SRB在厌氧条件下会大量生长和繁殖,产生黏液物质,助长垢的形成,造成注水管道堵塞。管线内沉积物及垢下SRB的繁殖,往往会带来严重的局部腐蚀，引发点蚀穿孔，造成很大的经济损失[3-8]。在美国,77%以上的油井腐蚀是由SRB造成的,其主要特征是点蚀[9]。对于SRB引起的微生物腐蚀，研究者们提出了不同的腐蚀机理用以解释其诱发或加速腐蚀的原因，其中较为有名的有阴极去极化理论[10]、局部腐蚀电池理论[11]。但在一些特殊环境中，SRB引起的腐蚀并未得到深入研究，有研究表明，SRB在高含H2S或高矿化度条件下不能存活[12-14]，但在高含H2S和高矿化度的油气田集输管线以及油井管内也会发生严重的SRB腐蚀，基于这一现象，本工作对H2S环境中硫酸盐还原菌对碳钢点蚀行为的影响进行了研究。

1 试验

1.1 试样

试验材料为经过冷轧处理的L245NCS管材，其主要化学成分见表1。浸泡试样尺寸为50 mm×10 mm×3 mm，试验前用水砂纸(200～800号)逐级打磨；电化学试样的工作面积为10 mm×3 mm,背部引出铜导线，非工作面用环氧树脂固封。试验前，电化学试样用水砂纸(200～1 500号)逐级打磨并抛光,丙酮擦洗后用紫外线杀菌备用。

表1 L245NCS钢的化学成分Tab. 1 Chemical composition of L245NCS steel %

1.2 菌种的培养及初步鉴定

试验菌种来自胜利油田污水，经过多次划线法分离、提纯培养后获得。菌种的培养采用API-RP38培养基[15]，培养基组成如下:乳酸钠3.5 g/L，NH4Cl 1 g/L，CaCl20.1 g/L，K2HPO40.5 g/L，MgSO42 g/L，酵母浸膏1.0 g/L，将上述试剂溶解在去离子水中，定容为1 000 mL。用氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节培养基pH至7.2±0.2，并分装在500 mL广口瓶(有刻度)中，每瓶不超过350 mL，瓶口塞上棉塞，用牛皮纸包好，除氧2 h，蒸汽压力灭菌器(121±1) ℃灭菌15 min，将细菌接种于广口瓶内,于37 ℃恒温培养箱中进行培养，培养时间为7 d。剩余菌种在冰箱中0 ℃保存。

利用SRB测试瓶以及细菌形貌观察对SRB进行初步确定，SRB生长代谢可以产生H2S气体，判断SRB是否生长的标志是在加有二价铁盐的培养基中,培养基颜色是否变黑。细菌在API-RP38培养基中培养7 d后，观察SRB测试瓶内溶液是否变黑，同时，采用扫描电子显微镜(SEM)观察细菌形貌。

SRB观察用试样的制备过程容下：将试样浸泡在细菌溶液中20 min→2.5%(质量分数)戊二醛固定4 h→磷酸缓冲液洗涤3次→乙醇梯度脱水(质量分数为30%、50%、70%、85%、90%的乙醇各1次，100%乙醇2次，15 min/次)→将表面吸附SRB的试样置于氮气氛下自然干燥待用。用SEM对吸附在试样表面的SRB进行形貌观察[16]。

1.3 试验方法

1.3.1 浸泡试验

腐蚀失重法是将试样分别浸泡在有、无SRB的培养基(API-RP38培养基和含油污水培养基)中,然后在恒温(37±1) ℃培养箱中培养，培养3 d后持续通入H2S气体，使广口瓶内H2S一直处于饱和状态，每周注入50 mL API-RP38培养基以提供细菌生长所需的营养物质，试验时间为30 d。含油污水培养基即在API-RP38培养基中加入Cl-67 g/L，Ca2+12 g/L。试验结束后取出试片,在纯酒精中浸泡10 min，电吹风冷风吹干，在扫场发射环境扫描电子显微镜(FEI Quanta 200F)中观察试样表面腐蚀产物形貌，最后经常规处理(去除腐蚀产物)后称量。根据式(1)计算腐蚀速率。

(1)

式中:A为试样表面积，cm2；t为腐蚀时间，h；ρ为试样密度，g/cm3;w1和w2分别是试样腐蚀前后的质量，g。

1.3.2 SRB检测

在含油污水培养基中的浸泡试验结束后，取出试样，向试验溶液中通氮气1 h去除溶液中的H2S(以免影响SRB检测的阳性反应)，之后取1 mL试验溶液注入提前配好的API-RP38培养基中，此溶液记作1号溶液，培养7 d后，检测1号溶液中是否含有活性SRB。此外，刮下腐蚀后试样表面的腐蚀产物，将腐蚀产物放入提前配好API-RP38培养基中，此溶液记作2号溶液，培养7 d，检测2号溶液中是否含有活性SRB。因为在自配的API-RP38培养基加入了(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O，如果有SRB生长，溶液会变成黑色呈阳性反应，通过观察2种溶液是否变色来检测反应后溶液和腐蚀产物中是否含有SRB。

1.3.3 电化学试验

电化学试验在CHI660E电化学工作站上完成，试验采用三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为铂片,工作电极为电化学试样。化学阻抗谱(EIS)测试频率范围为10 mHz～100 kHz，激励信号为5 mV正弦波，用ZSimpWin软件拟合曲线；极化曲线扫描范围为-500～500 mV(相对于开路电位)，扫描速率为0.02 mV/s。试验时,将电极分别浸泡在有无SRB的API-RP38培养基中1，12，24 h，在含H2S条件下进行电化学测试。

2 结果与讨论

2.1 菌种鉴定

图1(a)为刚注入细菌液时SRB测试瓶内溶液的颜色;图1(b)为培养7 d后SRB测试瓶内溶液的颜色。由图1可见：经过7 d培养，5个测试瓶内溶液全部变为黑色，呈现了阳性反应，SRB测试瓶里内含经过化学限定的培养基，SRB可以在测试瓶内生长，产生的H2S与测试瓶内Fe2+反应呈现阳性[16]，试验结果表明从胜利油田污水提取的菌种为硫酸盐还原菌，菌种在自配的API-RP38培养基内可以生长。

(a) 培养前

(b) 培养后图1 SRB初步鉴定结果 Fig. 1 Preliminary identification results of SRB:(a) before culture; (b) after culture

由图2可见：SRB为杆状，无鞭毛，长度约为1～5 μm，宽度约为0.5 μm，细菌扫描形貌结果与伯杰细菌鉴定手册描述结果一致[17]。由图2还可见：大多数细菌选择合适的地方一起团簇在试表面，细菌代谢产生的胞外聚酯物会使水溶液中的不溶物沉积，在细菌表面吸附形成囊包，细菌的团簇使微生物腐蚀阳极区固定，这就解释了微生物腐蚀多以点蚀为主。

(a) 4 000× (b) 10 000×图2 SRB宏观形貌Fig. 2 Macro morphology of SRB

2.2 表面形貌

2.2.1 API-RP38培养基

由图3可见：在含SRB的API-RP38培养基中，试样表面形成了凸凹不平的腐蚀产物膜，还有大的囊包形成，试样发生了严重的腐蚀;去除腐蚀产物膜可以看到试样表面出现密密麻麻的点蚀。SRB以菌落形式吸附在试样表面，SRB代谢产生黏液物质,黏液物质与FeS共同形成一层生物膜局部覆盖在试样表面，生物膜下的SRB处于一个局部的利好的环境，利于SRB繁殖、生长，SRB代谢产生的S2-继续与Fe2+作用生成FeS，并逐渐聚集成较大的颗粒附着在试样表面，FeS附着在基体表面形成阴极与Fe基体形成局部电偶腐蚀电池，阴极析氢反应在FeS表面进行，而SRB的作用在于不断提供H2S以维持FeS的电化学活性[11]。其次在生物膜内SRB代谢产生的一些其他具有腐蚀性的产物会促进局部腐蚀[18]，这就导致试样生物膜下生成大量点蚀坑。且在较厚腐蚀产物膜保护下，SRB可以生长，不受外界高浓度H2S的影响，这就导致SRB一直保持活性，加速试样腐蚀，直至点蚀穿孔。

(a) 有SRB,有腐蚀产物 (b) 有SRB,无腐蚀产物

(c) 无SRB,有腐蚀产物 (b) 无SRB,无腐蚀产物图3 试样在有、无SRB的API-RP38培养基中腐蚀后的表面形貌Fig. 3 Surface morphology of samples after immersion in API-RP38 culture medium with and without SRB： (a) with SRB， with corrosion products； (b) with SRB， without corrosion products； (c) without SRB， with corrosion products； (d) without SRB， without corrosion products

在不含SRB的API-RP38培养基中，随着腐蚀的进行，试样表面形成了一层均匀的腐蚀产物膜，去除腐蚀产物后，未发现点蚀坑，说明在不含SRB条件下，试样主要发生均匀腐蚀。

2.2.2 含油田污水培养基

由图4可见：在含SRB的含油污水培养基中，试样表面形成了较厚的腐蚀产物膜，去除腐蚀产物后可见试样表面发生了严重的局部腐蚀。一方面,在高含SRB的油污水培养基中，SRB优先在试样表面局部富集，随着腐蚀产物的增多，腐蚀产物和细菌代谢产物在试样表面局部形成较厚的生物膜，生物膜对细菌起保护作用，细菌借助生物膜的保护抵挡高矿化度对细胞渗透压的影响，这些受到保护的细菌不易受到外界环境的影响。另一方面,SRB大量吸附于膜层内，受保护的SRB通过产生的代谢产物S2-、H2S起到阴极去极化作用加速碳钢的阳极溶解，同时保持活性的SRB会使腐蚀一直进行，造成严重的局部腐蚀。

(a) 有SRB,有腐蚀产物 (b) 有SRB,无腐蚀产物

(c) 无SRB,有腐蚀产物 (b) 无SRB,无腐蚀产物图4 试样在有、无SRB的含油污水培养基中腐蚀后的表面形貌Fig. 4 Surface morphology of samples after immersion in culture medium contaning oily water with and without SRB： (a) with SRB， with corrosion products； (b) with SRB， without corrosion products； (c) without SRB， with corrosion products； (d) without SRB， without corrosion products

在不含SRB的含油污水培养基中，试样腐蚀均匀，去除腐蚀产物后,试样表面未发现点蚀坑，即试样主要发生均匀腐蚀。

2.3 浸泡试验后SRB检测

由图5和6可见：在高含硫化氢和高矿化度的溶液中，SRB不能正常生长；在较厚腐蚀产物膜下，SRB可以正常的生长。这解释了SRB腐蚀会发生在很多不适合SRB生长的条件下,虽然现场污水中SRB含量很低，管材表面SRB生长繁殖受到抑制，但垢中的SRB借助细菌胞外高聚合物和沉积垢及腐蚀产物形成的局部小环境得以生存，进而造成严重的局部腐蚀。

图5 1号溶液中SRB测试结果Fig. 5 SRB test results from solution 1

图6 2号溶液中SRB测试结果Fig. 6 SRB test results from solution 2

2.4 腐蚀速率

由图7可见：试样在含SRB溶液中的腐蚀速率远高于在不含SRB溶液中的，SRB的存在对金属腐蚀起到阴极去极化作用，见式(1)～(6)。

(SRB促进阴极去极化反应)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

FeS+3Fe(OH)2+2OH-

(6)

图7 试样在不同溶液中腐蚀30 d后的腐蚀速率Fig. 7 Corrosion rates of samples immersed in different test solutions for 30 d

SRB通过氢去极化加速碳钢的阳极溶解,加速试样腐蚀。同时生物膜下SRB的代谢产物中浓度较高的Fe2+对低碳钢厌氧腐蚀有促进作用,这使得在SRB存在条件下,试样腐蚀速率增大。试样在含油污水培养基中的腐蚀速率低于在API-RP38培养基中的，这可能是因为SRB在高矿化度溶液中的活性有所下降,造成腐蚀速率有所减小。

2.5 电化学试验

2.5.1 极化曲线

由图8可见：在浸泡初期，试样在含SRB的API-RP38培养基中的自腐蚀电位(Ecorr)高于在不含SRB溶液中的，随着浸泡时间的延长，在含SRB的API-RP38培养基中，试样的Ecorr开始下降，腐蚀电流密度(Jcorr)有所增加。而在无SRB条件下，随着浸泡时间的延长，试样的Ecorr正移，Jcorr减小。用外推法对曲线进行拟合，结果见表2。

在含SRB溶液中，浸泡初期，SRB大量吸附在试样表面，生物膜的存在一定程度上阻碍了腐蚀的进一步发展[19-20]，使自腐蚀电位相对于灭菌条件下的有所增加；随着浸泡时间的延长,自腐蚀电位开始负移，腐蚀电流密度开始变大。这是因为：首先随着浸泡时间的增加SRB的繁殖改变了溶液中离子成分，生成的硫化物导电性增加，自腐蚀电位降低[21]，这使得管材在SRB环境中更容易发生腐蚀，其次SRB腐蚀生成的FeS与铁基体接触时还能对阴极析氢产生催化作用而形成腐蚀电偶加速腐蚀[22]。在灭菌条件下，随着浸泡时间的延长，H2S使试样产生均匀的腐蚀产物膜，由于产物膜的保护，试样的自腐蚀电位正移，腐蚀电流密度减小，试样得到保护。

(a) 含SRB

(b) 不含SRB图8 试样在有无SRB的API-RP38培养基中浸泡不同时间后的极化曲线Fig. 8 Polarization curves of samples immersed in API-RP38 culture medium with (a) and without (b) SRB for different times

条件浸泡时间/hEcorr/VRp/(Ω·cm2)Jcorr/(μA·cm2)1-0.77626 4851.374含SRB12-0.8279 1253.97424-0.8722 474.816.031-0.8676 7983.148无SRB12-0.83110 6451.77524-0.81527 8310.945

2.5.2 电化学阻抗谱(EIS)

由图9可见：在有无SRB的API-RP38培养基中，试样的EIS均呈现单容抗弧特征。浸泡时间不同,容抗弧的半径有差异，即Rp的大小不同。采用ZSimpWin数据处理软件对曲线进行拟合，结果见表3。根据YU等[23]的研究，对碳钢的SRB腐蚀而言，生物膜和产物层的贡献是不能分离的，因此采用如图10所示等效电路Rs{Qf[Rf(QdlRct)]}对阻抗谱等效电路进行拟合。

(a) 含SRB (b) 不含SRB图9 试样在有无SRB的API-RP38培养基中浸泡不同时间后的电化学阻抗谱Fig. 9 EIS of samples immersed in API-RP38 culture medium with (a) and without (b) SRB for different times

图10 中，Rs为溶液电阻，Rf是试样表面电荷转移电阻，Qdl是双电层电容。Qf和Qdl为常相位角元件，分别有两个参数：电容导纳Y和无量纲指数n。在本文中分别标记为Yf，Ydl，nf和ndl。

由表3可见：在浸泡初期，由于SRB的吸附，含SRB溶液中Rf、Rct相对于灭菌溶液中的有所增加;随着浸泡时间的延长，含SRB溶液中，Rf，Rct都有所降低。这表明随着试验的进行，SRB产生的硫化物增多，腐蚀产物膜的导电率增加，腐蚀产物膜阻抗Rf降低。同时，SRB代谢产物与金属间的直接电子转移，使Rct减小促进腐蚀加速过程。在不含SRB溶液中，随着浸泡时间的延长，H2S腐蚀使试样产生均匀的腐蚀产物膜，由于产物膜的保护作用，Rf、Rct有所增加，腐蚀减弱，这一试验结果与极化曲线的测量结果一致。