鷹潭土壤模擬溶液中SRB+IOB對X100管線鋼SCC行為的影響*

孫福洋，楊 旭，李學順

(西安特種設備檢驗檢測院，陜西 西安 710065)

微生物腐蝕(Microbiologically Induced Corrosion，簡稱MIC)是指微生物生命活動直接或間接地引起金屬破壞所造成的腐蝕[1]。在石油工業中，大多數長輸油氣管道外表面的剝離涂層下均存在微生物腐蝕[2-3]。硫酸鹽還原菌(SRB)和鐵氧化菌(IOB)是導致管線鋼發生微生物腐蝕的主要因素，兩者的新陳代謝產物附著在埋地鋼制管道外表面，會改變其電化學特性，導致材料發生嚴重的局部腐蝕(以點蝕為主)[4-5]。點蝕易誘發埋地長輸油氣管道發生應力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking，簡稱SCC)，從而造成重大的突發性失效事故。SCC屬于一種失效速度很快的低應力破壞形式，根據相關文獻報道，在土壤介質中的管道的SCC裂紋大部分產生于基體表面的點蝕坑底部，SRB和IOB對管道微生物腐蝕的作用與SCC的發生密切相關[6-7]。目前，MIC和SCC已經成為影響埋地長輸油氣管道長周期安全運行的兩大主要因素。

為了了解和證實MIC和SCC的協同性和相關性，選取鷹潭土壤模擬溶液作為試驗介質，研究在國內典型酸性土壤中SRB+IOB對X100管線鋼應力腐蝕開裂行為的影響，為“西氣東輸”工程中“西四線”、“西五線”X100管線鋼的實際應用提供數據支持與理論參考[8-9]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為X100管線鋼，抗拉強度為848 MPa，延伸率為24%，其化學成分(質量分數)為：C 0.06%，Si 0.26%，Mn 1.97%，P 0.009%，S 0.000 8%，Ni 0.44%，Cr 0.35%，Mo 0.32%，V 0.03%，余量為Fe。慢應變速率拉伸(SSRT)試樣(母材試樣、焊縫試樣)取樣位置、尺寸及形狀如圖1和圖2所示。

圖1 X100管線鋼SSRT試樣取樣位置

圖2 X100管線鋼SSRT試樣尺寸及形狀

其中，焊縫試樣為手工電弧焊(SMAW)預制。試驗前母材和焊縫試樣分別采用金相砂紙從320號逐級打磨至1200號以消除機加工劃痕，打磨后依次采用無水乙醇沖洗、丙酮除油，冷風吹干待用。

1.2 試驗條件

試驗介質根據鷹潭土壤的主要理化分析數據，由分析純化學試劑和去離子水配制而成。模擬溶液的具體成分見表1。溶液的pH值為4.0。

表1 模擬溶液的具體成分 ρ/(g·L-1)

試驗所用SRB和IOB均采用富集培養方式。其中，SRB和IOB菌種培養基成分見表2。采用濃度為1 mol/L的NaOH溶液分別調節培養基的pH值為7.2±0.2。試驗前分別將培養好的SRB和IOB菌種放在30 ℃恒溫箱中進行活化，接菌時將50 mL SRB和IOB菌種培養液接種到900 mL的土壤模擬溶液中，最終配制成試驗所用有菌條件下的模擬溶液介質。

表2 SRB和IOB菌種培養基的具體成分 ρ/(g·L-1)

1.3 測試表征

采用瑞格爾RGM-6050型微機控制慢應變應力腐蝕試驗機分別對X100管線鋼母材和焊縫試樣進行SSRT拉伸測試，應變速率為1×10-6s-1，(參照GB/T 15970.7—2017《金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 第7部分：慢應變速率試驗》標準要求)。試驗前通入氮氣2 h進行除氧，防止氧化。試驗結束后，應立即將斷裂試樣取出，注意保護斷口的完整性。斷裂試樣先用超聲波振蕩清洗去除其表面附著的腐蝕產物，然后依次用無水乙醇脫水、丙酮除油，冷風吹干待用。采用JSM-6390A型掃描電鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌，分析SRB+IOB的存在對X100管線鋼SCC敏感性的影響。

試樣拉斷后采用抗拉強度損失系數、延伸率損失系數和斷面收縮率損失系數評價X100管線鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的SCC敏感性。

2 結果與分析

2.1 SSRT應力-應變曲線分析

X100管線鋼母材和焊縫試樣在鷹潭土壤模擬溶液中的SSRT應力-應變曲線如圖3所示。不同試樣的應力腐蝕參數和結果見表3。

圖3 X100試樣的應力-應變曲線

由圖3和表3可以看出，在無菌環境下，抗拉強度損失系數出現負值，延伸率損失系數最大降低了5.70%，斷面收縮率損失系數最大降低了28.89%。在有菌(SRB+IOB)環境下，抗拉強度損失系數均為正值，焊縫試樣的延伸率損失系數最大增加了33.69%，母材試樣的斷面收縮率損失系數最大降低了9.05%。母材和焊縫試樣在無菌環境下的斷面收縮率和延伸率基本上均小于其在有菌環境下的，因此，可以確定的是，母材和焊縫試樣在無菌環境中的SCC敏感性均大于其在有菌環境中的；另外，焊縫試樣在有菌環境下的延伸率損失系數為負值，且斷面收縮率損失系數遠小于母材試樣的，說明SRB+IOB對于焊縫試樣的SCC敏感性影響更大，使其SCC敏感性顯著降低。由此可知，SRB+IOB對X100管線鋼的SCC敏感性的影響主要集中在材料的塑性，對抗拉強度的影響不明顯，其原因可能是SRB和IOB在試樣基體表面附著，新陳代謝產生生物膜，生物膜與腐蝕產物結合形成一種結構復雜的、致密的復合膜，一定程度上可以阻隔腐蝕性陰離子接觸基體表面，導致其SCC敏感性降低。根據以上分析可知，SRB+IOB的存在抑制了X100管線鋼的脆變，導致其SCC敏感性降低。

表3 X100試樣的應力腐蝕參數和結果

2.2 SSRT斷口形貌分析

圖4是X100管線鋼母材試樣在鷹潭土壤無菌和有菌(SRB+IOB)模擬溶液中的SSRT斷口形貌。

圖4 母材試樣的SSRT斷口形貌

從圖4可以看出，無菌和有菌環境下的母材試樣斷口均出現了明顯的頸縮現象，有菌環境下的斷口頸縮程度明顯大于無菌環境下的。無菌和有菌環境下的試樣斷裂面均為斜斷口，與試樣拉伸軸方向大致呈45°角。從斷口微觀形貌可以看出，在無菌環境下，斷口中間區域韌窩較少且淺，局部表面平整無光澤，存在河流狀花樣，呈現脆性斷裂特征，在斷口兩側出現了大量的條紋狀SCC裂紋，未發現明顯的二次裂紋。因此，斷口為韌性+脆性混合型斷口，無菌環境下的母材試樣具有較高的SCC敏感性。在有菌環境下，斷口形貌以韌窩為主，并且斷口中間區域的韌窩明顯比邊緣區域的更多更大，在斷口兩側出現了少量的條紋狀SCC裂紋，裂紋間局部分布著少量微孔洞，呈現韌性+脆性混合特征，未發現明顯的二次裂紋。這說明X100管線鋼母材試樣在有菌環境下的SCC敏感性明顯低于無菌環境的，SRB+IOB的存在導致其SCC敏感性降低。

圖5是X100管線鋼焊縫試樣在鷹潭土壤無菌和有菌(SRB+IOB)模擬溶液中的SSRT斷口形貌。

圖5 焊縫試樣的SSRT斷口形貌

從圖5可以看出，無菌和有菌環境下的焊縫試樣斷裂面均為斜斷口，與拉伸軸方向大致呈45°角，有菌環境下的斷口頸縮現象明顯，無菌環境下的斷口頸縮很小。從斷口微觀形貌可以看出，在無菌環境下，斷口中間區域以扁平的韌窩為主，較小且淺，屬于準解理形貌，呈現脆性斷裂特征；斷口邊緣區域的韌窩比中間區域的更大更深，但數量較少，同時，局部韌窩間出現了明顯的撕裂棱，呈現韌性+脆性混合特征，未發現明顯的SCC裂紋，這說明X100管線鋼焊縫試樣在無菌環境下具有較高的SCC敏感性。在有菌環境下，斷口中間區域以小韌窩為主，數量較多且深，局部存在微孔洞；斷口邊緣區域韌窩較大且深，未發現明顯的SCC裂紋，這說明X100管線鋼焊縫試樣在有菌環境下的SCC敏感性明顯低于無菌環境的，SRB+IOB的存在導致其SCC敏感性降低。

3 結 論

(1)SRB+IOB的存在抑制了X100管線鋼的脆變，導致其SCC敏感性降低。其中，焊縫試樣的SCC敏感性顯著降低。同時，SRB+IOB對X100管線鋼的SCC敏感性的影響主要集中在材料的塑性，對材料抗拉強度影響不大。

(2)X100管線鋼母材和焊縫試樣在鷹潭土壤無菌和有菌(SRB+IOB)模擬溶液中拉伸時，母材和焊縫斷口在無菌環境下均為韌性+脆性混合型斷口，呈現準解理形貌特征；在有菌環境下均為韌性斷口，呈現韌窩形貌特征。同時，在無菌環境下，母材斷口兩側出現了大量明顯的SCC裂紋，但未發現明顯的二次裂紋，SCC敏感性明顯高于有菌環境。因此，SRB+IOB的存在導致X100管線鋼母材和焊縫試樣在鷹潭土壤模擬溶液中的SCC敏感性降低。