H2S環境中硫酸鹽還原菌對碳鋼點蝕行為的影響

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(中國石油塔里木油田油氣工程研究院，庫爾勒 841000)

地下金屬因微生物腐蝕引起的損壞約占80%,其中最主要是硫酸鹽還原菌 (SRB)引起的腐蝕[1-2]。SRB是一種以有機物為養料的厭氧型細菌,可以把硫酸鹽還原為硫化物,廣泛存在于土壤、海水、河水、地下管道、油氣井等處。研究發現，SRB在厭氧條件下會大量生長和繁殖,產生黏液物質,助長垢的形成,造成注水管道堵塞。管線內沉積物及垢下SRB的繁殖,往往會帶來嚴重的局部腐蝕，引發點蝕穿孔，造成很大的經濟損失[3-8]。在美國,77%以上的油井腐蝕是由SRB造成的,其主要特征是點蝕[9]。對于SRB引起的微生物腐蝕，研究者們提出了不同的腐蝕機理用以解釋其誘發或加速腐蝕的原因，其中較為有名的有陰極去極化理論[10]、局部腐蝕電池理論[11]。但在一些特殊環境中，SRB引起的腐蝕并未得到深入研究，有研究表明，SRB在高含H2S或高礦化度條件下不能存活[12-14]，但在高含H2S和高礦化度的油氣田集輸管線以及油井管內也會發生嚴重的SRB腐蝕，基于這一現象，本工作對H2S環境中硫酸鹽還原菌對碳鋼點蝕行為的影響進行了研究。

1 試驗

1.1 試樣

試驗材料為經過冷軋處理的L245NCS管材，其主要化學成分見表1。浸泡試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm，試驗前用水砂紙(200～800號)逐級打磨；電化學試樣的工作面積為10 mm×3 mm,背部引出銅導線，非工作面用環氧樹脂固封。試驗前，電化學試樣用水砂紙(200～1 500號)逐級打磨并拋光,丙酮擦洗后用紫外線殺菌備用。

表1 L245NCS鋼的化學成分Tab. 1 Chemical composition of L245NCS steel %

1.2 菌種的培養及初步鑒定

試驗菌種來自勝利油田污水，經過多次劃線法分離、提純培養后獲得。菌種的培養采用API-RP38培養基[15]，培養基組成如下:乳酸鈉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，將上述試劑溶解在去離子水中，定容為1 000 mL。用氫氧化鈉溶液或鹽酸溶液調節培養基pH至7.2±0.2，并分裝在500 mL廣口瓶(有刻度)中，每瓶不超過350 mL，瓶口塞上棉塞，用牛皮紙包好，除氧2 h，蒸汽壓力滅菌器(121±1) ℃滅菌15 min，將細菌接種于廣口瓶內,于37 ℃恒溫培養箱中進行培養，培養時間為7 d。剩余菌種在冰箱中0 ℃保存。

利用SRB測試瓶以及細菌形貌觀察對SRB進行初步確定，SRB生長代謝可以產生H2S氣體，判斷SRB是否生長的標志是在加有二價鐵鹽的培養基中,培養基顏色是否變黑。細菌在API-RP38培養基中培養7 d后，觀察SRB測試瓶內溶液是否變黑，同時，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察細菌形貌。

SRB觀察用試樣的制備過程容下：將試樣浸泡在細菌溶液中20 min→2.5%(質量分數)戊二醛固定4 h→磷酸緩沖液洗滌3次→乙醇梯度脫水(質量分數為30%、50%、70%、85%、90%的乙醇各1次，100%乙醇2次，15 min/次)→將表面吸附SRB的試樣置于氮氣氛下自然干燥待用。用SEM對吸附在試樣表面的SRB進行形貌觀察[16]。

1.3 試驗方法

1.3.1 浸泡試驗

腐蝕失重法是將試樣分別浸泡在有、無SRB的培養基(API-RP38培養基和含油污水培養基)中,然后在恒溫(37±1) ℃培養箱中培養，培養3 d后持續通入H2S氣體，使廣口瓶內H2S一直處于飽和狀態，每周注入50 mL API-RP38培養基以提供細菌生長所需的營養物質，試驗時間為30 d。含油污水培養基即在API-RP38培養基中加入Cl-67 g/L，Ca2+12 g/L。試驗結束后取出試片,在純酒精中浸泡10 min，電吹風冷風吹干，在掃場發射環境掃描電子顯微鏡(FEI Quanta 200F)中觀察試樣表面腐蝕產物形貌，最后經常規處理(去除腐蝕產物)后稱量。根據式(1)計算腐蝕速率。

(1)

式中:A為試樣表面積，cm2；t為腐蝕時間，h；ρ為試樣密度，g/cm3;w1和w2分別是試樣腐蝕前后的質量，g。

1.3.2 SRB檢測

在含油污水培養基中的浸泡試驗結束后，取出試樣，向試驗溶液中通氮氣1 h去除溶液中的H2S(以免影響SRB檢測的陽性反應)，之后取1 mL試驗溶液注入提前配好的API-RP38培養基中，此溶液記作1號溶液，培養7 d后，檢測1號溶液中是否含有活性SRB。此外，刮下腐蝕后試樣表面的腐蝕產物，將腐蝕產物放入提前配好API-RP38培養基中，此溶液記作2號溶液，培養7 d，檢測2號溶液中是否含有活性SRB。因為在自配的API-RP38培養基加入了(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O，如果有SRB生長，溶液會變成黑色呈陽性反應，通過觀察2種溶液是否變色來檢測反應后溶液和腐蝕產物中是否含有SRB。

1.3.3 電化學試驗

電化學試驗在CHI660E電化學工作站上完成，試驗采用三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為鉑片,工作電極為電化學試樣。化學阻抗譜(EIS)測試頻率范圍為10 mHz～100 kHz，激勵信號為5 mV正弦波，用ZSimpWin軟件擬合曲線；極化曲線掃描范圍為-500～500 mV(相對于開路電位)，掃描速率為0.02 mV/s。試驗時,將電極分別浸泡在有無SRB的API-RP38培養基中1，12，24 h，在含H2S條件下進行電化學測試。

2 結果與討論

2.1 菌種鑒定

圖1(a)為剛注入細菌液時SRB測試瓶內溶液的顏色;圖1(b)為培養7 d后SRB測試瓶內溶液的顏色。由圖1可見：經過7 d培養，5個測試瓶內溶液全部變為黑色，呈現了陽性反應，SRB測試瓶里內含經過化學限定的培養基，SRB可以在測試瓶內生長，產生的H2S與測試瓶內Fe2+反應呈現陽性[16]，試驗結果表明從勝利油田污水提取的菌種為硫酸鹽還原菌，菌種在自配的API-RP38培養基內可以生長。

(a) 培養前

(b) 培養后圖1 SRB初步鑒定結果 Fig. 1 Preliminary identification results of SRB:(a) before culture; (b) after culture

由圖2可見：SRB為桿狀，無鞭毛，長度約為1～5 μm，寬度約為0.5 μm，細菌掃描形貌結果與伯杰細菌鑒定手冊描述結果一致[17]。由圖2還可見：大多數細菌選擇合適的地方一起團簇在試表面，細菌代謝產生的胞外聚酯物會使水溶液中的不溶物沉積，在細菌表面吸附形成囊包，細菌的團簇使微生物腐蝕陽極區固定，這就解釋了微生物腐蝕多以點蝕為主。

(a) 4 000× (b) 10 000×圖2 SRB宏觀形貌Fig. 2 Macro morphology of SRB

2.2 表面形貌

2.2.1 API-RP38培養基

由圖3可見：在含SRB的API-RP38培養基中，試樣表面形成了凸凹不平的腐蝕產物膜，還有大的囊包形成，試樣發生了嚴重的腐蝕;去除腐蝕產物膜可以看到試樣表面出現密密麻麻的點蝕。SRB以菌落形式吸附在試樣表面，SRB代謝產生黏液物質,黏液物質與FeS共同形成一層生物膜局部覆蓋在試樣表面，生物膜下的SRB處于一個局部的利好的環境，利于SRB繁殖、生長，SRB代謝產生的S2-繼續與Fe2+作用生成FeS，并逐漸聚集成較大的顆粒附著在試樣表面，FeS附著在基體表面形成陰極與Fe基體形成局部電偶腐蝕電池，陰極析氫反應在FeS表面進行，而SRB的作用在于不斷提供H2S以維持FeS的電化學活性[11]。其次在生物膜內SRB代謝產生的一些其他具有腐蝕性的產物會促進局部腐蝕[18]，這就導致試樣生物膜下生成大量點蝕坑。且在較厚腐蝕產物膜保護下，SRB可以生長，不受外界高濃度H2S的影響，這就導致SRB一直保持活性，加速試樣腐蝕，直至點蝕穿孔。

(a) 有SRB,有腐蝕產物 (b) 有SRB,無腐蝕產物

(c) 無SRB,有腐蝕產物 (b) 無SRB,無腐蝕產物圖3 試樣在有、無SRB的API-RP38培養基中腐蝕后 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培養基中，隨著腐蝕的進行，試樣表面形成了一層均勻的腐蝕產物膜，去除腐蝕產物后，未發現點蝕坑，說明在不含SRB條件下，試樣主要發生均勻腐蝕。

2.2.2 含油田污水培養基

由圖4可見：在含SRB的含油污水培養基中，試樣表面形成了較厚的腐蝕產物膜，去除腐蝕產物后可見試樣表面發生了嚴重的局部腐蝕。一方面,在高含SRB的油污水培養基中，SRB優先在試樣表面局部富集，隨著腐蝕產物的增多，腐蝕產物和細菌代謝產物在試樣表面局部形成較厚的生物膜，生物膜對細菌起保護作用，細菌借助生物膜的保護抵擋高礦化度對細胞滲透壓的影響，這些受到保護的細菌不易受到外界環境的影響。另一方面,SRB大量吸附于膜層內，受保護的SRB通過產生的代謝產物S2-、H2S起到陰極去極化作用加速碳鋼的陽極溶解，同時保持活性的SRB會使腐蝕一直進行，造成嚴重的局部腐蝕。

(a) 有SRB,有腐蝕產物 (b) 有SRB,無腐蝕產物

(c) 無SRB,有腐蝕產物 (b) 無SRB,無腐蝕產物圖4 試樣在有、無SRB的含油污水培養基中腐蝕后 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的含油污水培養基中，試樣腐蝕均勻，去除腐蝕產物后,試樣表面未發現點蝕坑，即試樣主要發生均勻腐蝕。

2.3 浸泡試驗后SRB檢測

由圖5和6可見：在高含硫化氫和高礦化度的溶液中，SRB不能正常生長；在較厚腐蝕產物膜下，SRB可以正常的生長。這解釋了SRB腐蝕會發生在很多不適合SRB生長的條件下,雖然現場污水中SRB含量很低，管材表面SRB生長繁殖受到抑制，但垢中的SRB借助細菌胞外高聚合物和沉積垢及腐蝕產物形成的局部小環境得以生存，進而造成嚴重的局部腐蝕。

圖5 1號溶液中SRB測試結果Fig. 5 SRB test results from solution 1

圖6 2號溶液中SRB測試結果Fig. 6 SRB test results from solution 2

2.4 腐蝕速率

由圖7可見：試樣在含SRB溶液中的腐蝕速率遠高于在不含SRB溶液中的，SRB的存在對金屬腐蝕起到陰極去極化作用，見式(1)～(6)。

(SRB促進陰極去極化反應)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

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

(6)

圖7 試樣在不同溶液中腐蝕30 d后的腐蝕速率Fig. 7 Corrosion rates of samples immersed in different test solutions for 30 d

SRB通過氫去極化加速碳鋼的陽極溶解,加速試樣腐蝕。同時生物膜下SRB的代謝產物中濃度較高的Fe2+對低碳鋼厭氧腐蝕有促進作用,這使得在SRB存在條件下,試樣腐蝕速率增大。試樣在含油污水培養基中的腐蝕速率低于在API-RP38培養基中的，這可能是因為SRB在高礦化度溶液中的活性有所下降,造成腐蝕速率有所減小。

2.5 電化學試驗

2.5.1 極化曲線

由圖8可見：在浸泡初期，試樣在含SRB的API-RP38培養基中的自腐蝕電位(Ecorr)高于在不含SRB溶液中的，隨著浸泡時間的延長，在含SRB的API-RP38培養基中，試樣的Ecorr開始下降，腐蝕電流密度(Jcorr)有所增加。而在無SRB條件下，隨著浸泡時間的延長，試樣的Ecorr正移，Jcorr減小。用外推法對曲線進行擬合，結果見表2。

在含SRB溶液中，浸泡初期，SRB大量吸附在試樣表面，生物膜的存在一定程度上阻礙了腐蝕的進一步發展[19-20]，使自腐蝕電位相對于滅菌條件下的有所增加；隨著浸泡時間的延長,自腐蝕電位開始負移，腐蝕電流密度開始變大。這是因為：首先隨著浸泡時間的增加SRB的繁殖改變了溶液中離子成分，生成的硫化物導電性增加，自腐蝕電位降低[21]，這使得管材在SRB環境中更容易發生腐蝕，其次SRB腐蝕生成的FeS與鐵基體接觸時還能對陰極析氫產生催化作用而形成腐蝕電偶加速腐蝕[22]。在滅菌條件下，隨著浸泡時間的延長，H2S使試樣產生均勻的腐蝕產物膜，由于產物膜的保護，試樣的自腐蝕電位正移，腐蝕電流密度減小，試樣得到保護。

(a) 含SRB

(b) 不含SRB圖8 試樣在有無SRB的API-RP38培養基中浸泡 不同時間后的極化曲線Fig. 8 Polarization curves of samples immersed in API-RP38 culture medium with (a) and without (b) SRB for different times

條件浸泡時間/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無SRB12-0.83110 6451.77524-0.81527 8310.945

2.5.2 電化學阻抗譜(EIS)

由圖9可見：在有無SRB的API-RP38培養基中，試樣的EIS均呈現單容抗弧特征。浸泡時間不同,容抗弧的半徑有差異，即Rp的大小不同。采用ZSimpWin數據處理軟件對曲線進行擬合，結果見表3。根據YU等[23]的研究，對碳鋼的SRB腐蝕而言，生物膜和產物層的貢獻是不能分離的，因此采用如圖10所示等效電路Rs{Qf[Rf(QdlRct)]}對阻抗譜等效電路進行擬合。

(a) 含SRB (b) 不含SRB圖9 試樣在有無SRB的API-RP38培養基中浸泡不同時間后的電化學阻抗譜Fig. 9 EIS of samples immersed in API-RP38 culture medium with (a) and without (b) SRB for different times

圖10 中，Rs為溶液電阻，Rf是試樣表面電荷轉移電阻，Qdl是雙電層電容。Qf和Qdl為常相位角元件，分別有兩個參數：電容導納Y和無量綱指數n。在本文中分別標記為Yf，Ydl，nf和ndl。

由表3可見：在浸泡初期，由于SRB的吸附，含SRB溶液中Rf、Rct相對于滅菌溶液中的有所增加;隨著浸泡時間的延長，含SRB溶液中，Rf，Rct都有所降低。這表明隨著試驗的進行，SRB產生的硫化物增多，腐蝕產物膜的導電率增加，腐蝕產物膜阻抗Rf降低。同時，SRB代謝產物與金屬間的直接電子轉移，使Rct減小促進腐蝕加速過程。在不含SRB溶液中，隨著浸泡時間的延長，H2S腐蝕使試樣產生均勻的腐蝕產物膜，由于產物膜的保護作用，Rf、Rct有所增加，腐蝕減弱，這一試驗結果與極化曲線的測量結果一致。

表3 電化學阻抗譜擬合結果Tab. 3 Fitting results for EIS

圖10 電化學阻抗擬合等效電路圖Fig. 10 The electrochemical equivalent circuit for EIS fitting

3 結論

(1) 從油田污水中提取的菌種為硫酸鹽還原菌，菌種在自配的API-RP38培養基中可以生長，細菌選擇合適的位置團簇在試樣表面。

(2) 含SRB溶液中，試樣發生了嚴重的點蝕，進一步的研究表明,一旦SRB吸附在試樣表面，可以在高含H2S及高礦化度條下生存，造成試樣發生嚴重的局部腐蝕，且使腐蝕加速。

(3) 極化曲線結果表明：SRB存在條件下，隨著浸泡時間的延長，試樣自腐蝕電位負移，腐蝕電流密度增大；滅菌條件下隨著浸泡時間的延長，試樣的自腐蝕電位變正，腐蝕電流密度減小。

(4) EIS結果表明：含SRB溶液中，隨著浸泡時間的延長，Rf、Rct下降，腐蝕加速;不含SRB溶液中，隨著浸泡時間的延長，H2S腐蝕產生的均勻腐蝕產物膜使Rf、Rct變大，腐蝕減弱。