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管线钢硝酸盐还原菌腐蚀行为机理研究

李军  刘智勇  杜翠薇  李晓刚  王振军  
【摘要】:管线钢作为我国石油天然气管道运输网络建设的主要用材,一直以来都是腐蚀科学与工程领域关注的重点。对管线钢在各种自然和工业环境中的腐蚀行为与机理进行深入研究,进而制定有效的腐蚀防护方案或建立准确的腐蚀失效预测机制,对实现我国油气资源的均衡、合理和顺畅的调配,保障能源的均衡和稳定供应,促进国民经济的长期健康发展具有重要意义。早期对管线钢腐蚀的研究大多集中在无机环境,后来随着认识的不断全面与深入发现,自然及工业环境中的微生物可能也会导致其发生严重的腐蚀失效[1-5]。相关调查表明,全世界大约20%的腐蚀损失是由微生物引起的[6]。而关于管线钢微生物腐蚀与防护的研究,目前尚处于开拓与深化的阶段。微生物可在金属表面快速形成生物膜,通过造成电偶效应,形成浓差电池,分泌有机酸及挥发性的化合物、酶等,或直接消耗电子等方式加速金属腐蚀[7]。在这方面目前研究最多的是硫酸盐还原菌,已建立了阴极去极化、阴极催化硫酸盐还原等理论[8,9],但对于自然及工业环境中种类繁多、功能各异的其他微生物则缺乏深入、系统的认识。作为地球氮循环的重要组成部分,土壤中存在大量的硝化与反硝化细菌,其对埋地油气输运管线腐蚀行为的影响亟需开展研究。尤其是其中的硝酸盐还原菌,热力学计算表明其或可直接从钢表面获取电子,驱动力甚至较硫酸盐还原菌更大[10],更有可能引发严重的腐蚀失效。然而,目前对于管线钢硝酸盐还原菌腐蚀行为的认识还很不系统,对其机理的研究也很不充分,需要进一步地提炼与深入。本文以土壤中广泛存在的硝酸盐还原菌Bacillus licheniformis为对象,研究了其对X80管线钢腐蚀行为的影响。首先,应用电化学测试、失重试验以及形貌与成分分析技术研究了中性土壤模拟液中X80钢在B. licheniformis一个生长周期内的腐蚀行为规律与演变过程;其次,通过将碳饥饿条件与氧化还原荧光探针相结合,设计了一种新颖的胞外电子传递检测方法,同时辅以失重试验与电化学测试,从生物能量学的角度对X80钢B. licheniformis腐蚀机理进行了研究;再次,应用电化学测试与蛋白质组分析技术,结合失重试验,探究了B. licheniformis从X80钢表面获取电子的具体路径,并对其动力学特征进行了分析与讨论;最后,通过将聚焦离子束刻蚀制样技术与高分辨扫描、透射电子显微镜相结合,同时辅以二次离子质谱,对X80钢与B. licheniformis的界面进行微纳米分析,从结构与成分的角度阐明了二者的相互作用。本课题为深入理解钢铁材料硝酸盐还原菌腐蚀行为机理,进而防护与抑制提供了理论支撑与技术参考。

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