北京科技大學(xué)李曉剛教授團(tuán)隊(duì)：殺菌劑THPS對X80管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂影響及機(jī)理研究
2024-12-12 13:58:29
作者：表面云社區(qū) 來源：表面云社區(qū)
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使用殺菌劑消滅腐蝕性微生物，或者抑制腐蝕性微生物的活動，從而減緩發(fā)生在鐵金屬上的微生物腐蝕是一種慣常的金屬防護(hù)手段。在油田、管道、化工設(shè)備等工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境中，由于管道的形態(tài)是彎曲的且內(nèi)部又有運(yùn)輸物，所以應(yīng)力常常與腐蝕共同作用于管線鋼之上。而工業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)力的存在往往無可避免，而腐蝕性微生物的活動可以通過添加殺菌劑進(jìn)行減輕或者消除。為了盡量減少應(yīng)力腐蝕開裂這種對管道服役壽命和生命財(cái)產(chǎn)安全具有直接威脅的現(xiàn)象，使用既有優(yōu)異抑菌能力又對環(huán)境保護(hù)相對友好的殺菌劑具有重要意義。
目前，對THPS抵御X80鋼微生物腐蝕的研究，主要為加入THPS后對SRB在鐵上生成點(diǎn)蝕的緩解效應(yīng)，尚未拓展到THPS對應(yīng)力腐蝕開裂的影響。北京科技大學(xué)李曉剛教授團(tuán)隊(duì)將應(yīng)力因素引入，著重研究THPS這種常見的殺菌劑對微生物活動造成的應(yīng)力腐蝕開裂的減緩功效，為工業(yè)應(yīng)用中解決應(yīng)力-微生物腐蝕-開裂現(xiàn)象提供方法和依據(jù)。與此同時，結(jié)合吸附理論進(jìn)行模擬計(jì)算，從分子角度揭示THPS對X80鋼的吸附作用機(jī)制。探討THPS的抗SRB性能、抗應(yīng)力腐蝕開裂能力并深入理解其作用機(jī)理。
關(guān)鍵詞：微生物腐蝕；硫酸鹽還原菌；應(yīng)力腐蝕開裂；殺菌劑
圖4和圖5顯示了D. vulgaris SRB在被注入了不同質(zhì)量濃度的THPS（0、15、30、45、60 mg/L）的ATCC1249培養(yǎng)液中培養(yǎng)14 d后的游離細(xì)胞和固著細(xì)胞數(shù)及二者之間的變化趨勢。。很明顯，未注入THPS的溶液中，游離細(xì)胞數(shù)和固著細(xì)胞數(shù)都是最多的。兩相比較，不同濃度THPS作用下，固著細(xì)胞數(shù)都比游離細(xì)胞數(shù)高了 1 個數(shù)量級。
由于激光共聚焦熒光顯微鏡（CLSM）更方便對平面的試片進(jìn)行觀察，所以試驗(yàn)之初，在厭氧瓶里共同浸泡了若干X80平片試樣，以便對D. vulgaris菌在不同濃度的THPS的環(huán)境里的生存狀況進(jìn)行表征，結(jié)果如圖8所示。由圖中可以看出，未注入任何THPS的條件下（圖8a），X80平片試樣的表面活細(xì)胞最多，大量細(xì)胞和生物膜附著在試片表面。隨著THPS濃度升高，呈現(xiàn)出綠色的活細(xì)胞逐漸減少，呈現(xiàn)出紅色的死亡細(xì)胞逐漸增多，說明THPS對D. vulgaris菌具有殺滅作用，趨勢與附著細(xì)胞計(jì)數(shù)結(jié)果（圖4）相一致。但是，THPS的質(zhì)量濃度升高到了60 mg/L后，也依然有少量D. vulgaris 菌存留于表面（圖8e）。據(jù)其他研究結(jié)果表明[23]，SRB 的另一亞種菌株 D. ferrophilus 在 50 mg/L THPS 下已經(jīng)被殺滅的很干凈，說明D. vulgaris 雖然比D. ferrophilu 腐蝕性較弱，但并不能被輕易地殺滅干凈。
圖10 是 X80 U 彎電極在不同濃度THPS的 D. vulgaris 菌的培養(yǎng)液浸泡14 d中的能奎斯特圖和波特圖。整體而言，D. vulgaris菌的培養(yǎng)液被注入THPS的能奎斯特圖（圖10b~c）半圓弧直徑和波特圖中對應(yīng)的模值log|Z|都比未注入THPS的（圖 10a）大，說明THPS能有效抑制微生物腐蝕活動，抑制生物膜在電極表面附著，從而導(dǎo)致腐蝕活動減緩。其中，未注入THPS時，第1天的阻抗弧最大。隨著D. vulgaris菌活動旺盛，導(dǎo)致阻抗弧逐步降低，并且隨著腐蝕產(chǎn)物在表面堆積，出現(xiàn)了擴(kuò)散現(xiàn)象。注入THPS后，腐蝕產(chǎn)物較未注入THPS有所減少，擴(kuò)散現(xiàn)象消失并且阻抗弧和模值log|Z|均變大。
1）60 mg/L THPS 可以基本抑制D. vulgaris 生長（緩蝕率達(dá)到97%），有效抑制X80鋼發(fā)生微生物引起的應(yīng)力腐蝕開裂。2）從細(xì)胞計(jì)數(shù)、熒光染色和腐蝕產(chǎn)物成分測定的結(jié)果可得出，THPS的加入，對游離細(xì)胞、固著細(xì)胞和生物膜都具有良好的殺滅和驅(qū)散作用，并溶解掉腐蝕產(chǎn)物 FeS 和 FeS2，從而顯著降低了固著細(xì)胞和X80 表面之間的胞外電子轉(zhuǎn)移過程（EET），有效降低了MIC的速率。3）從裂紋形貌電鏡照片可得出，隨著加入的THPS 濃度逐步升高，放慢的MIC速率會形成體積較小的點(diǎn)蝕坑。D. vulgaris SRB 造成的X80 U彎試樣的裂紋形貌，會隨著THPS的初步加入變得更加狹窄細(xì)長。隨著加入的THPS濃度的進(jìn)一步升高，D. vulgaris 造成的點(diǎn)蝕進(jìn)一步縮小到近乎消失。形成裂尖的條件因此受限，應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象也得到了緩解。4）隨著THPS的加入，封閉體系中的H原子的量會隨著THPS濃度升高而減少。較少的H原子會降低裂尖承受的壓力，導(dǎo)致裂紋生長變慢，裂紋長度進(jìn)一步降低。5）THPS 在 X80 鋼的表面吸附類型，既存在由于THPS和X80鋼表面之間的靜電效應(yīng)造成的物理吸附，也存在THPS和X80鋼表面之間的電荷交換造成的化學(xué)吸附。
該文章發(fā)表在《表面技術(shù)》2024年第53卷 第20期。
引文格式：楊吉可, 李眾, 王軍磊, 等. 殺菌劑THPS對X80管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂影響及機(jī)理研究[J]. 表面技術(shù), 2024, 53(20): 69-81.
YANG Jike, LI Zhong, WANG Junlei, et al. Mitigation of Stress Corrosion Cracking of X80 Steel Induced by Sulfate Reducing Desulfovibrio vulgaris Biofilm Using THPS[J]. Surface Technology, 2024, 53(20): 69-81.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.006
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