張輝，高博文，閆茂成，李東博，許亞男

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)油氣儲(chǔ)運(yùn)管道和電氣化鐵路得到迅速發(fā)展，城市地下鐵路和地下金屬管道往往會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)距離平行或交叉修建，可能會(huì)對(duì)埋地管道產(chǎn)生直流干擾。據(jù)報(bào)道，一些埋地管道的腐蝕是由動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾引起的[1]。由于運(yùn)行期間列車(chē)位置的不斷變化，軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的直流雜散電流呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)特性。這些波動(dòng)受到許多因素的影響，例如軌道對(duì)地阻力、運(yùn)輸車(chē)輛的加速和減速、機(jī)車(chē)吸收的電流、系統(tǒng)上運(yùn)行的運(yùn)輸車(chē)輛的數(shù)量和位置等[2]。因此，在管道上誘發(fā)的電位偏移也表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)波動(dòng)特性[3-4]。大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，受動(dòng)態(tài)直流干擾的埋地管道的管地電位波動(dòng)頻率大多在10 s 至5 min 之間[5-6]。當(dāng)動(dòng)態(tài)干擾嚴(yán)重時(shí)，陰極保護(hù)系統(tǒng)不能有效保護(hù)管道，此時(shí)管地電位和直流電流密度的波動(dòng)可能超出正常保護(hù)范圍，導(dǎo)致腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增加[7-10]。

微生物腐蝕（MIC）是引起材料破損失效的重要因素之一，在大多數(shù)管線失效現(xiàn)場(chǎng)均發(fā)現(xiàn)SRB 參與了管線鋼的土壤腐蝕，微生物黏附在金屬/溶液界面通過(guò)自身代謝活動(dòng)直接或者間接加速金屬材料腐蝕[11-13]。目前大多數(shù)研究集中在微生物或者雜散電流單一因素對(duì)X80 鋼腐蝕的影響，對(duì)動(dòng)態(tài)雜散電流和SRB 協(xié)同作用下X80 鋼腐蝕行為研究鮮有報(bào)道。有研究結(jié)果顯示[14]，直流電場(chǎng)會(huì)改變離子定向傳輸，影響微生物的呼吸作用而改變微生物的活性，進(jìn)而影響碳鋼表面的腐蝕反應(yīng)過(guò)程。陳碩等[15]研究表明直流電流的存在會(huì)改變微生物的生長(zhǎng)活性，從而改變X70 鋼的SRB腐蝕過(guò)程。周生學(xué)等[16]研究表明一定強(qiáng)度范圍內(nèi)的直流電流可以提升細(xì)菌生長(zhǎng)能力和代謝水平，促進(jìn)細(xì)菌細(xì)胞增殖。曹宏斌等[17]研究表明陰極電流會(huì)降低金屬電極附近溶液的pH 值，對(duì)金屬表面的微生物具有殺傷作用，陽(yáng)極電流對(duì)微生物活性的影響較小。Liu 等[18]研究發(fā)現(xiàn)陰極保護(hù)電位的施加，并不會(huì)對(duì)溶液當(dāng)中SRB 的生長(zhǎng)造成影響。

本文在滅菌和接菌NS4 中性土壤模擬溶液中模擬了實(shí)際工程管道受到電氣化鐵路的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾。采用MPN 計(jì)數(shù)法和活/死細(xì)胞染色，研究了動(dòng)態(tài)直流雜散電流對(duì)浮游和附著SRB 的影響。采用SEM、EDS、XPS 和CLSM 等表面分析技術(shù)，結(jié)合失重分析，研究了動(dòng)態(tài)直流雜散電流和SRB 相互作用下X80 鋼的腐蝕行為。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及介質(zhì)

試驗(yàn)用X80 鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：C 0.07%，Mn 1.82%，Si 0.19%，P 0.007%，S 0.023%，Mo 0.23%，Ni 0.17%，Cr 0.026%，Cu 0.020%，V 0.002%，Nb 0.056%，Ti 0.012%，Al 0.028%，N 0.004%，B 0.000 1%，F(xiàn)e 余量。試樣焊接Cu 導(dǎo)線并用環(huán)氧樹(shù)脂密封使工作面尺寸為10 mm×10 mm，用水磨砂紙逐級(jí)打磨至1000#，用去離子水及酒精清洗并干燥。

試驗(yàn)介質(zhì)為 NS4 模擬土壤溶液，化學(xué)成分為0.122 g/L KCl，0.131 g/L MgSO4·7H2O，0.483 g/L NaHCO3，0.181 g/L CaCl2·2H2O。NS4 溶液持續(xù)通95%N2+5%CO2混合氣體4 h，排除溶液中溶解的氧氣。SRB 采自國(guó)家材料環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站，API RP-38培養(yǎng)基的化學(xué)成分為4.0 g/L 乳酸鈉、1.0 g/L 酵母膏、0.2 g/L MgSO4·7H2O、10.0 g/L NaCl、0.5 g/L K2HPO4、0.1 g/L 抗壞血酸，調(diào)節(jié)pH 值至7.0～7.2。培養(yǎng)基溶液持續(xù)通2 h 的純N2，以達(dá)到排氧效果。NS4 溶液和培養(yǎng)基溶液在高壓滅菌鍋中120 ℃保溫30 min 滅菌，試驗(yàn)用的容器、試樣、鹽橋、鉑電極等使用前用紫外燈滅菌30 min，防止雜菌對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響。SRB 菌種保存在4 ℃環(huán)境，試驗(yàn)前將SRB 菌種置于35 ℃培養(yǎng)箱中12 h，提高其生理活性，激活細(xì)菌的休眠。

1.2 方法

試樣在NS4 溶液中進(jìn)行浸泡，為模擬工程管道受到的動(dòng)態(tài)直流干擾，同時(shí)通過(guò)圖1 電路圖對(duì)試樣施加一定周期性的陰極保護(hù)和直流干擾，其中X80 鋼作為工作電極。電路包含2 個(gè)回路，其中一個(gè)回路用于電化學(xué)測(cè)試，另一回路用于對(duì)電極施加動(dòng)態(tài)直流干擾。通過(guò)繼電器轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，試驗(yàn)電路能夠在2 個(gè)直流電源（一個(gè)提供陽(yáng)極電流，另一個(gè)提供陰極電流）間進(jìn)行可調(diào)自動(dòng)切換。

圖1 動(dòng)態(tài)直流干擾室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置Fig.1 Dynamic DC stray current experimental device

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)[18]，采用周期為10 s 的方波直流電流（圖2）模擬埋地管道受到的動(dòng)態(tài)直流干擾?，F(xiàn)場(chǎng)埋地管線均設(shè)置陰極保護(hù)，陰極保護(hù)一定程度上使管線鋼免于腐蝕，本文對(duì)X80 鋼施加-1.0 V（vs.SCE）陰極保護(hù)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50162 中陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。直流干擾本質(zhì)上是引起電極電位的偏移，本次試驗(yàn)中采用電極電位偏離陰極保護(hù)電位的程度來(lái)表征直流干擾大小。在此前提下對(duì)X80 鋼交替施加8.5 s 陰極保護(hù)和1.5 s 直流干擾，直流干擾占峰比為15%。負(fù)半周維持在-1.0 V（vs. SCE）陰極保護(hù)，正半周分別為-400、0、500 mV（vs. SCE）直流干擾，下文提到的電位均相對(duì)飽和甘汞電極，具體參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)NS4 溶液中自然腐蝕為對(duì)照組，-1.0 V（vs. SCE）陰極保護(hù)用于驗(yàn)證陰極保護(hù)的有效性。所有試驗(yàn)組采用3 個(gè)平行試樣，試驗(yàn)周期為14 d，試驗(yàn)過(guò)程均為環(huán)境溫度35 ℃恒溫狀態(tài)并控制無(wú)氧環(huán)境。

表1 各試驗(yàn)組試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Test parameters of each test group

圖2 動(dòng)態(tài)直流電流干擾原理圖Fig.2 Schematic diagram of dynamic DC stray current interference

微生物試驗(yàn)將50 mL 的SRB 菌種添加到450 mL的NS4 溶液中，無(wú)菌試驗(yàn)添加50 mL 滅菌培養(yǎng)基避免溶液成分對(duì)試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)過(guò)程中定期抽取溶液，采用10 倍稀釋法稀釋溶液，各稀釋倍數(shù)采取4個(gè)平行樣，直至稀釋到10-6，利用最大可能計(jì)數(shù)法進(jìn)行SRB 計(jì)數(shù)。試驗(yàn)所有操作均在滅菌操作臺(tái)中進(jìn)行，防止雜菌干擾。在試驗(yàn)第7 d 和第14 d，取出試樣用工具刀刮除生物膜于滅菌培養(yǎng)基中。采用上述方法進(jìn)行附著SRB 計(jì)數(shù)。附著細(xì)胞數(shù)量分別在第7 d 和第14 d，采用單因素方差分析方法，將陰極保護(hù)試驗(yàn)組對(duì)其他試驗(yàn)組進(jìn)行顯著性分析，驗(yàn)證陰極保護(hù)和動(dòng)態(tài)直流干擾單因素對(duì)試樣附著細(xì)菌數(shù)量的有效性。

生物膜用活/死細(xì)菌活性試劑盒在黑暗中染色20 min，制備生物膜活性和生物膜厚度測(cè)試的貼片。使用熒光共聚焦顯微鏡（CLSM，C2 Plus）按不同模式測(cè)定生物膜的存活率，觀察試樣表面生物膜中的活細(xì)胞和死細(xì)胞，在不同波長(zhǎng)熒光作用下活/死細(xì)胞將呈現(xiàn)不同顏色。

試驗(yàn)結(jié)束后，生物膜試樣用含5%戊二醛的磷酸緩沖鹽溶液（PBS）浸泡30 min 對(duì)生物膜進(jìn)行固定處理，無(wú)菌試樣無(wú)需進(jìn)行生物膜固定處理，為研究各試驗(yàn)條件下X80 鋼的腐蝕形貌，使用除銹劑（500 mL HCl+500 mL H2O+3.5 g 六次甲基四胺）進(jìn)行除銹處理，用梯度濃度酒精進(jìn)行脫水并干燥。利用XL30-FEG型SEM 對(duì)試樣微觀形貌進(jìn)行表征，使用EDS 進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物元素分析，同時(shí)結(jié)合XRD 和XPS 分析腐蝕產(chǎn)物的組分。采用激光共聚焦顯微鏡（CLSM）在試樣表面一定深度構(gòu)建三維圖像，分析點(diǎn)蝕坑深度。

失重試驗(yàn)根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) D-2688[19]進(jìn)行，試驗(yàn)前將試樣逐級(jí)脫水干燥后，用精密天平稱(chēng)量w0。試樣背面用銅線連接，用有機(jī)玻璃盒密封保留1 cm2的工作面。試驗(yàn)結(jié)束后，試樣用除銹劑去除表面腐蝕產(chǎn)物和生物膜，用去離子水清洗并用無(wú)水乙醇逐級(jí)脫水，吹干，稱(chēng)取試驗(yàn)后試樣的質(zhì)量w。試驗(yàn)用天平為高精度分析天平，精度為0.000 1 g。用公式（1）計(jì)算平均腐蝕速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)菌生長(zhǎng)情況

圖3 接菌NS4 溶液中浮游SRB 的生長(zhǎng)曲線Fig.3 Growth curve of planktonic SRB in inoculated NS4 solution

數(shù)量隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)先增大后減少的規(guī)律。接菌后第1 d，溶液中SRB 數(shù)量出現(xiàn)小幅度的減少，這是由于SRB 接觸新環(huán)境有一定的適應(yīng)階段，部分SRB 未能適應(yīng)新環(huán)境而死亡。隨后溶液中SRB 數(shù)量開(kāi)始呈指數(shù)級(jí)增大，在第4 d 達(dá)到峰值，約1.6×108cfu/mL。由于細(xì)菌經(jīng)歷了指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)階段消耗了溶液中大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，之后SRB 數(shù)量開(kāi)始逐漸減小，在第14 d SRB 數(shù)量減少到約1.7×105cfu/mL。

圖4 為NS4 溶液中X80 鋼附著SRB 的數(shù)量，附著SRB 的MPN 計(jì)數(shù)結(jié)果顯示，整體上第14 d 試樣表面附著SRB 數(shù)量少于第7 d，這是由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡導(dǎo)致SRB 大量死亡，與SRB 生長(zhǎng)曲線結(jié)果對(duì)應(yīng)。無(wú)論第7 d 還是第14 d，試樣表面附著細(xì)菌數(shù)量均為自然腐蝕環(huán)境下最大，只施加陰極保護(hù)的試樣表面附著細(xì)菌數(shù)量最少，說(shuō)明陰極保護(hù)雖不會(huì)影響溶液中SRB 的生長(zhǎng)，但會(huì)抑制SRB 在X80 鋼表面的附著。動(dòng)態(tài)直流干擾使得試樣表面附著的SRB 數(shù)量增加，并且隨著干擾電位的升高SRB 數(shù)量逐漸增加，可見(jiàn)一定范圍的陽(yáng)極電流可促進(jìn)SRB 在試樣表面附著，且直流干擾程度越高，促進(jìn)作用越強(qiáng)。這是由于SRB本身具有電負(fù)性，從而在電場(chǎng)作用下往陽(yáng)極區(qū)域靠近，以及陽(yáng)極電流促進(jìn)了SRB 呼吸作用，使得SRB更易在試樣表面生存，也可能是陽(yáng)極電流抵消了陰極保護(hù)的抑制作用。值得注意的是，500 mV 試樣表面的細(xì)菌數(shù)量在第14 d 的減少程度明顯大于其他試驗(yàn)組，甚至其表面附著細(xì)菌數(shù)量低于0 mV 試樣，這是因?yàn)?00 mV（vs. SCE）動(dòng)態(tài)直流干擾使得試樣表面的生物膜開(kāi)始脫落，部分SRB 跟隨生物膜脫落。由顯著性分析結(jié)果可知，陰極保護(hù)對(duì)附著SRB 數(shù)量的抑制作用顯著。而-400 mV 和0 mV 動(dòng)態(tài)直流干擾對(duì)附著SRB 數(shù)量的促進(jìn)作用不顯著。500 mV 試樣附著細(xì)菌數(shù)量在第7 d 產(chǎn)生了顯著性的差異，第14 d 差異性不顯著，可能跟生物膜脫落有關(guān)，可見(jiàn)附著SRB計(jì)數(shù)結(jié)果具有一定的有效性。

圖4 接菌NS4 溶液中X80 鋼表面附著SRB 數(shù)量Fig.4 Sessile cell counts of SRB on X80 steel surface in inoculated NS4 solution

2.2 SRB 生物膜及腐蝕產(chǎn)物形貌

圖5 為X80 鋼在滅菌和接菌NS4 溶液中經(jīng)自然腐蝕、-1 000 mV（vs. SCE）陰極保護(hù)以及動(dòng)態(tài)直流干擾14 d 后腐蝕產(chǎn)物微觀形貌?？梢?jiàn)，滅菌NS4 溶液中X80 鋼在自然腐蝕以及陰極保護(hù)下腐蝕程度較輕，表面分布些許顆粒狀腐蝕產(chǎn)物（圖5a1、圖5b1）；施加動(dòng)態(tài)直流干擾后，試樣表面分布大量條狀腐蝕產(chǎn)物（圖5c1、圖5d1、圖5e1），其主要成分可能為FeO(OH)，這在后續(xù)的腐蝕產(chǎn)物物相分析有涉及。圖5a2—e2 為接菌NS4 溶液中14 d 后X80 鋼表面SRB生物膜微觀形貌，試樣表面有些許絮狀的腐蝕產(chǎn)物，疏松不連續(xù)。同時(shí)能看到試樣表面附著棒狀SRB，細(xì)菌與腐蝕產(chǎn)物黏連在EPS 上一起附著在試樣表面構(gòu)成生物膜。有研究發(fā)現(xiàn)[13,20-21]，SRB 之間存在協(xié)同作用產(chǎn)生吸附作用使得生物由疏松變得連續(xù)。EPS 的黏性較強(qiáng)，并且通過(guò)吸附作用使得多種膠體顆粒在其中聚集，從而通過(guò)EPS 以及膠體粒子結(jié)合使得生物膜結(jié)構(gòu)變得致密[22]。試樣表面形成的生物膜使得試樣表面的電化學(xué)性質(zhì)存在不均勻性，為局部腐蝕創(chuàng)造了條件[13,20,23]。只施加陰極保護(hù)試樣表面幾乎沒(méi)有腐蝕，可觀察到生物膜結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)網(wǎng)狀不連續(xù)，生物膜表面零散分布些許腐蝕產(chǎn)物，說(shuō)明陰極保護(hù)可抑制SRB 在試樣表面附著生成生物膜。總的來(lái)說(shuō)，在動(dòng)態(tài)直流干擾作用下，X80 鋼在滅菌NS4 溶液中主要生成條狀腐蝕產(chǎn)物，在接菌環(huán)境中主要生成絮狀腐蝕產(chǎn)物且試樣表面生成了致密的生物膜。

圖5 NS4 溶液中自然腐蝕和動(dòng)態(tài)直流干擾下X80 鋼腐蝕產(chǎn)物微觀形貌以及生物膜活/死細(xì)胞染色CLSM 形貌Fig.5 Microstructure of corrosion products of X80 steel under natural corrosion and dynamic DC stray interference in NS4 solution and CLSM live / dead cell image of biofilm on X80 Pipeline Steel in inoculated NS4 solution

掃描圖像顯示接菌環(huán)境中試樣表面有些許附著細(xì)菌，但并不能區(qū)分活細(xì)菌和死細(xì)菌。生物膜中SRB活性分析結(jié)果如圖5a3—e3 所示，在自然腐蝕環(huán)境中試樣表面分布大量活性SRB，零散分布少量死細(xì)菌，活性細(xì)菌居多。在陰極保護(hù)下試樣表面附著大部分死細(xì)菌，極少數(shù)的活性細(xì)菌，說(shuō)明陰極保護(hù)會(huì)抑制SRB的活性，抑制了SRB 在試樣表面附著，使試樣表面大部分為死細(xì)菌，結(jié)果與前文相對(duì)應(yīng)。動(dòng)態(tài)直流干擾下，試樣表面活性細(xì)菌的數(shù)量增加，-400 mV 試樣表面活性細(xì)菌數(shù)量少于自然腐蝕，此時(shí)動(dòng)態(tài)直流干擾程度較低，并沒(méi)有抵消陰極保護(hù)的作用。隨著干擾強(qiáng)度的增大，0 mV 和500 mV 試樣表面基本為活性細(xì)菌，陽(yáng)極電流促進(jìn)SRB 在試樣表面附著，增加生物膜中SRB 的活性。500 mV 試樣表面生物膜出現(xiàn)了不連續(xù)性，這是由于500 mV（vs. SCE）直流干擾在試樣表面產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)陽(yáng)極電流，在電流振蕩下生物膜出現(xiàn)局部脫落，與前文500 mV 試樣在第14 d 附著SRB數(shù)量出現(xiàn)大幅減小相對(duì)應(yīng)?？傮w來(lái)說(shuō)，陰極保護(hù)會(huì)抑制SRB 在X80 鋼表面附著，降低生物膜SRB 的活性。一定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)直流干擾會(huì)促進(jìn)SRB 在X80 鋼表面附著，提高生物膜內(nèi)SRB 的活性。當(dāng)動(dòng)態(tài)直流干擾電位較高時(shí)，會(huì)促使X80 鋼表面生物膜的脫落。

掃描電鏡微觀圖對(duì)應(yīng)位置的EDS 元素分析見(jiàn)表2。腐蝕產(chǎn)物主要元素為C、Fe、O，接菌環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物還包含大量的S 元素，說(shuō)明SRB 參與了X80 鋼腐蝕。生物膜內(nèi)SRB 呼吸作用還原溶液中的SO42-為S2-，S2-與X80 鋼陽(yáng)極溶解產(chǎn)生的Fe2+形成FeS 并附著在試樣表面。通過(guò)EDS 元素分析可以發(fā)現(xiàn)，在滅菌環(huán)境下施加動(dòng)態(tài)直流干擾后，試樣表面O 元素大幅增加，一方面說(shuō)明試樣表面Fe 的氧化產(chǎn)物大幅增多，另一方面直流干擾使得腐蝕產(chǎn)物氧化程度更高。而接菌環(huán)境下施加動(dòng)態(tài)直流干擾后，試樣表面S 元素大幅增加，這與SRB 參與碳鋼腐蝕過(guò)程有關(guān)，改變了碳鋼的腐蝕過(guò)程，生成大量硫化物腐蝕產(chǎn)物。自然腐蝕下腐蝕產(chǎn)物S 元素含量最高，陰極保護(hù)試樣S 含量最低，陰極保護(hù)通過(guò)抑制SRB 的呼吸作用來(lái)減緩試樣的SRB 腐蝕。存在動(dòng)態(tài)直流干擾時(shí)，S 元素含量隨著干擾電位的升高逐漸增大，但均小于接菌自然腐蝕。說(shuō)明動(dòng)態(tài)直流干擾促進(jìn)了試樣的SRB 腐蝕，且干擾強(qiáng)度越大促進(jìn)作用越強(qiáng)。

表2 EDS 能譜元素分析Tab.2 EDS energy spectrum element analysis wt.%

2.3 腐蝕產(chǎn)物成分分析

對(duì)NS4 溶液中X80 鋼的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了XRD 物相分析，標(biāo)定結(jié)果如圖6 所示，在滅菌和接菌環(huán)境下X80 鋼的腐蝕產(chǎn)物種類(lèi)有明顯差異。滅菌環(huán)境下X80鋼的腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4、Fe2O3和FeO(OH)，接菌環(huán)境下X80 鋼的腐蝕產(chǎn)物主要為FeS、Fe2O3和FeO(OH)。

圖6 X80 鋼腐蝕產(chǎn)物XRD 分析結(jié)果Fig.6 XRD analysis of corrosion products of X80 Steel

為進(jìn)一步分析動(dòng)態(tài)直流干擾對(duì)X80 鋼SRB 腐蝕的影響，對(duì)接菌NS4 溶液中試樣表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XPS 分析，圖7 為S 元素的XPS 精細(xì)譜，由于高價(jià)態(tài)硫離子外層電子數(shù)量較多，從而使其內(nèi)部電子結(jié)合能較高，S 元素的化合價(jià)越高則結(jié)合能越低[13,24]。通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料[25-28]來(lái)確定XPS 中S 元素的化合價(jià)，對(duì)應(yīng)S 元素的化合價(jià)見(jiàn)圖7。腐蝕產(chǎn)物S 元素的化合價(jià)主要為S2-、S-、S4+、S6+，SRB 通過(guò)還原硫酸根離子進(jìn)行呼吸作用，使得硫酸鹽還原為低價(jià)硫化物。擬合結(jié)果顯示，各試驗(yàn)組S 元素均存在S2-價(jià)態(tài)，可知試樣均有SRB 參與X80 鋼的腐蝕過(guò)程。接菌自然腐蝕試樣S 元素的化合價(jià)主要為S2-、S-、S4+，-400 mV試樣S 譜峰反而向高結(jié)合能方向移動(dòng)，說(shuō)明陰極保護(hù)一定程度能夠抑制SRB 腐蝕，并且-400 mV（vs. SCE）動(dòng)態(tài)直流干擾并不能抵消陰極保護(hù)的作用，隨著干擾電位的升高，S 元素整體上由高價(jià)態(tài)向低價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化，接菌環(huán)境下直流干擾在一定范圍內(nèi)增大促進(jìn)了SRB的生理活動(dòng)，有利于微生物腐蝕發(fā)生，與前述SRB計(jì)數(shù)和腐蝕產(chǎn)物EDS 能譜分析結(jié)果一致。

圖7 接菌NS4 溶液中浸泡14 d 后X80 鋼腐蝕產(chǎn)物S 元素的XPS 精細(xì)譜Fig.7 S element of XPS fine spectrum of corrosion product on the surface of samples soaked in inoculated NS4 solution for 14 days

2.4 微觀腐蝕形貌分析

除銹處理后X80 鋼微觀形貌如圖8 所示，X80鋼主要為不均勻腐蝕，接菌自然腐蝕試樣表面部分呈現(xiàn)光滑狀態(tài)，但并未腐蝕，局部位置出現(xiàn)大小不一的腐蝕坑。生物膜內(nèi)SRB 代謝活動(dòng)提高了X80 鋼表面的局部敏感性，再者生物膜的屏蔽性以及分布不均勻性，促進(jìn)了局部腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。有研究表明，在試驗(yàn)前期金屬表面的生物膜EPS 較低，說(shuō)明生物膜內(nèi)SRB 水平不高，此時(shí)會(huì)抑制碳鋼的腐蝕[1]，試驗(yàn)后期發(fā)現(xiàn)生物膜EPS 較高，此時(shí)生物膜內(nèi)SRB 的生理活動(dòng)較強(qiáng)，從而促進(jìn)碳鋼的陽(yáng)極溶解[29]。

圖8 NS4 溶液中自然腐蝕和動(dòng)態(tài)直流干擾下X80 鋼腐蝕微觀形貌Fig.8 Corrosion morphology of X80 steel under natural corrosion and dynamic DC stray current in NS4 solution

在陰極保護(hù)下X80 鋼腐蝕輕微，試樣表面的初始劃痕清晰可見(jiàn)，只有些許輕微腐蝕坑分布在試樣表面，陰極保護(hù)極大程度減緩X80 鋼的均勻腐蝕，而接菌環(huán)境中陰極保護(hù)仍然無(wú)法避免X80 鋼點(diǎn)蝕的發(fā)生。無(wú)論滅菌還是接菌環(huán)境，施加動(dòng)態(tài)直流干擾后，X80 鋼表面腐蝕加劇，試樣均主要發(fā)生局部腐蝕，并且隨著陽(yáng)極電位正移，X80 鋼腐蝕程度加劇。X80 鋼在NS4 溶液中發(fā)生局部選擇性腐蝕主要原因有3 個(gè)，一是X80 鋼材料的性質(zhì)決定，其組織結(jié)構(gòu)主要為鐵素體、貝氏體以及滲碳體，鐵素體性質(zhì)比較活潑更易失去電子發(fā)生腐蝕溶解；二是生物膜附著在X80 鋼表面，改變了試樣局部的物理化學(xué)性質(zhì)，使其腐蝕熱力學(xué)趨勢(shì)和電化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化；三是陽(yáng)極電流優(yōu)先從試樣表面腐蝕產(chǎn)物或生物膜缺陷處流出，并且在動(dòng)態(tài)變換的電場(chǎng)作用下，腐蝕區(qū)域生成的腐蝕產(chǎn)物會(huì)變得疏松易脫落，直流電流趨向于誘發(fā)局部位置發(fā)生腐蝕，使得局部腐蝕區(qū)域進(jìn)一步加深。綜合各種因素下，動(dòng)態(tài)直流干擾和SRB 均會(huì)加劇X80 鋼表面的局部腐蝕。

進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)，自然腐蝕和陰極保護(hù)條件下X80 鋼在接菌環(huán)境中的腐蝕程度大于滅菌環(huán)境，SRB 加速了X80 鋼表面腐蝕。而在動(dòng)態(tài)直流干擾作用下，X80 鋼在接菌環(huán)境中的腐蝕程度反而小于滅菌環(huán)境，在接菌環(huán)境下試樣表面生成了致密的生物膜，通過(guò)浮游和附著SRB 數(shù)量可知，即使在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，溶液中和膜內(nèi)的SRB 數(shù)量依然達(dá)到較高水平。說(shuō)明整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中生成的生物膜相對(duì)比較致密，這種致密的生物膜可以減緩直流雜散電流腐蝕。在滅菌環(huán)境下，施加-400 mV（vs. SCE）的動(dòng)態(tài)直流干擾后，X80鋼的腐蝕程度大于滅菌自然腐蝕，此時(shí)陰極保護(hù)已失去對(duì)試樣的保護(hù)作用，而接菌環(huán)境下，-400 mV試樣的腐蝕程度仍然小于自然腐蝕，陽(yáng)極電位增加到0 mV（vs. SCE）陰極保護(hù)才失去保護(hù)作用，同樣說(shuō)明SRB 能夠在一定程度上抑制X80 鋼的雜散電流腐蝕。

2.5 點(diǎn)蝕形貌和深度分析

點(diǎn)蝕是油氣管線快速和意外失效的主要原因，為更準(zhǔn)確客觀地判斷X80 鋼的腐蝕情況以及定性分析試樣的腐蝕坑深度，采用激光共聚焦顯微鏡對(duì)試樣表面一定深度構(gòu)建三維圖像，測(cè)試結(jié)果如9 所示。X80鋼表面主要發(fā)生點(diǎn)蝕，滅菌和接菌環(huán)境中自然腐蝕下試樣表面的腐蝕坑深度分別為7.00 μm 和12.11 μm，陰極保護(hù)試樣仍然存在少量腐蝕坑，但其腐蝕坑深度大幅減小。在動(dòng)態(tài)直流干擾作用下，試樣的腐蝕坑深度大幅增加，且隨著干擾電位的正移，點(diǎn)蝕坑深度逐漸增大，局部腐蝕加劇。接菌NS4 溶液中-400、0、500 mV 試樣表面腐蝕坑深度分別為8.86、21.73、33.80 μm。滅菌NS4 溶液中-400、0、500 mV 試樣表面腐蝕坑深度分別為12.31、17.90、24.79 μm。

圖9 滅菌和接菌NS4 溶液中X80 鋼激光共聚焦（CLSM）三維腐蝕形貌Fig.9 Three dimensional corrosion morphology of X80 steel in sterile and inoculated NS4 solution by laser confocal microscopy

X80 鋼在NS4 溶液中的點(diǎn)蝕坑深見(jiàn)表3，在接菌環(huán)境中X80 鋼表面的點(diǎn)蝕坑深度總體上大于滅菌環(huán)境。-400 mV 試樣出現(xiàn)反常是因?yàn)殛帢O保護(hù)使得試樣表面微生物水平較低。SRB 和動(dòng)態(tài)直流干擾的協(xié)同作用促進(jìn)了X80 鋼的點(diǎn)蝕。一方面是由于直流干擾能夠促進(jìn)SRB 在試樣表面附著，提高試樣表面SRB 活性，從而加速X80 鋼的SRB 腐蝕，生物膜的不均勻性和動(dòng)態(tài)直流干擾共同作用下加速了金屬點(diǎn)蝕；另一方面動(dòng)態(tài)直流干擾能夠加速生物膜脫落，且電位越高作用越顯著。試樣表面的生物膜出現(xiàn)局部脫落，而其他部位受到生物膜保護(hù)，因而在微生物和動(dòng)態(tài)直流干擾共存下X80 鋼的局部腐蝕更顯著，腐蝕坑的尺寸更大。

表3 X80 鋼表面點(diǎn)蝕坑深度Tab.3 Depth of pitting pit on X80 steel surface μm

2.6 失重分析

通過(guò)失重公式計(jì)算得到接菌NS4 溶液中X80 鋼在自然腐蝕下的腐蝕速率為0.128 7 mm/a，大于滅菌環(huán)境0.089 mm/a，試樣表面的SRB 促進(jìn)了碳鋼腐蝕，X80 鋼-1 000 mV（vs. SCE）陰極保護(hù)下的腐蝕速率為0.013 2 mm/a，陰極保護(hù)有效減緩X80 鋼的SRB腐蝕。-400、0、500 mV 試樣的腐蝕速率分別為0.086 35、0.219 2、0.458 3 mm/a，分別為自然腐蝕速率的0.97、2.46 和5.15 倍。-400 mV 試樣的腐蝕速率小于自然腐蝕，與前面得到的腐蝕微觀形貌結(jié)果一致。

結(jié)合滅菌和接菌NS4 溶液中14 d 的平均腐蝕速率，結(jié)果如圖10 所示。X80 鋼在接菌環(huán)境中的自然腐蝕速率大于滅菌環(huán)境，而在動(dòng)態(tài)直流干擾下，接菌環(huán)境X80 鋼的腐蝕速率反而小于滅菌環(huán)境，可見(jiàn)在動(dòng)態(tài)直流作用下，雜散電流腐蝕起主導(dǎo)作用，SRB 生物膜可以減緩X80 鋼的動(dòng)態(tài)直流干擾腐蝕。這是由于SRB 代謝活動(dòng)生成大量的EPS 附著在試樣表面會(huì)阻礙腐蝕反應(yīng)的發(fā)生；再者，試樣表面的生物膜會(huì)改變金屬/溶液界面的雙電層，使得動(dòng)態(tài)直流干擾產(chǎn)生了更大的非法拉第電流，從而誘發(fā)腐蝕反應(yīng)的法拉第電流減小。在各種因素多重影響下使得X80 鋼在接菌NS4 溶液中的動(dòng)態(tài)直流干擾腐蝕速率小于滅菌環(huán)境。

圖10 接菌及滅菌NS4 溶液中各試驗(yàn)組X80 鋼的失重腐蝕速率Fig.10 Corrosion rate of X80 steel in inoculated and sterile NS4 solution

結(jié)合激光共聚焦顯微鏡三維圖像，接菌環(huán)境下X80 鋼表面的點(diǎn)蝕坑深度均大于無(wú)菌環(huán)境，具體見(jiàn)表3?？梢?jiàn)X80 鋼在接菌環(huán)境中的動(dòng)態(tài)直流干擾腐蝕的局部腐蝕更顯著，動(dòng)態(tài)直流干擾和SRB 協(xié)同作用使得X80 鋼表面主要發(fā)生點(diǎn)蝕。

3 分析討論

陰極保護(hù)和動(dòng)態(tài)直流干擾對(duì) NS4 溶液中浮游SRB 的生長(zhǎng)未產(chǎn)生明顯影響，-1 000 mV（vs. SCE）陰極保護(hù)會(huì)抑制SRB 在試樣表面附著，通過(guò)活/死細(xì)胞染色得到陰極保護(hù)試樣表面大部分為死細(xì)菌。這與試樣附近的pH 升高有關(guān)。卿永長(zhǎng)等[30]研究表明，-1 000 mV（vs. SCE）陰極保護(hù)促使金屬表面H+的還原使得溶液中pH 值由6.7 上升至7.79，試樣表面的pH 值甚至更高。有研究表明[31-32]，高pH 環(huán)境不利于SRB 生存，會(huì)抑制其代謝活動(dòng)。Fletcher 等[33]研究發(fā)現(xiàn)，pH 的升高會(huì)影響與細(xì)菌吸附有關(guān)的酸性多糖的形成，進(jìn)而影響細(xì)菌的吸附。而在陽(yáng)極電流的作用下，試樣表面附著SRB 的數(shù)量增大，同時(shí)試樣表面SRB的活性增強(qiáng)。陽(yáng)極電流會(huì)導(dǎo)致試樣附近溶液的pH 值有所降低，使得更利于SRB 生存。SRB 本身具有電負(fù)性，在陽(yáng)極電流作用下，溶液中的SRB 逐漸向試樣表面遷移，使得試樣附近的溶液中活性SRB 濃度更大。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，SRB 在一定程度上能夠減緩X80鋼表面的均勻腐蝕，抑制X80 鋼的動(dòng)態(tài)直流干擾腐蝕，但是SRB 和動(dòng)態(tài)直流干擾的共同作用加速了X80鋼表面的點(diǎn)蝕。陰極保護(hù)期間X80 鋼的均勻腐蝕雖然有所減緩，但是SRB 的存在使得試樣表面的點(diǎn)蝕仍然存在。在直流干擾期間X80 鋼主要發(fā)生點(diǎn)蝕由以下因素決定（如圖11 所示）：首先，X80 鋼表面會(huì)生成較腐蝕產(chǎn)物致密的生物膜，生物膜內(nèi)的EPS 覆蓋在試樣表面會(huì)抑制試樣腐蝕，但試樣表面的生物膜有缺陷，存在未覆蓋區(qū)域，動(dòng)態(tài)直流干擾優(yōu)先使該區(qū)域發(fā)生陽(yáng)極溶解，動(dòng)態(tài)直流干擾的變化電場(chǎng)使得腐蝕產(chǎn)物從試樣表面脫落以及生物膜出現(xiàn)局部破損，從而使該區(qū)域進(jìn)一步發(fā)生點(diǎn)蝕甚至更多局部區(qū)域發(fā)生腐蝕；其次，陽(yáng)極電流使得溶液中的SRB 向試樣表面移動(dòng)，生物膜內(nèi)SRB 的數(shù)量和活性增大，使得X80鋼的微生物腐蝕更強(qiáng)；再者，生物膜內(nèi)的SRB 會(huì)還原溶液中硫酸根離子消耗X80 鋼陽(yáng)極溶解產(chǎn)生的電子，使得局部區(qū)域電化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，該局部區(qū)域會(huì)優(yōu)先發(fā)生直流腐蝕；最后，SRB 通過(guò)代謝活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的H2S，使得局部區(qū)域的酸性增強(qiáng)，從而在直流干擾作用下優(yōu)先發(fā)生腐蝕。結(jié)合多種因素，SRB 和動(dòng)態(tài)直流干擾協(xié)同作用促進(jìn)了X80 鋼在NS4 溶液中的局部腐蝕甚至點(diǎn)蝕。

圖11 SRB 和動(dòng)態(tài)直流干擾的協(xié)同作用下X80 鋼點(diǎn)蝕的發(fā)展Fig.11 Pitting development of X80 steel under the synergistic effect of SRB and dynamic DC stray current interference

4 結(jié)論

1）動(dòng)態(tài)直流干擾對(duì)NS4 溶液中SRB 的生長(zhǎng)未產(chǎn)生明顯影響。但對(duì)SRB 在試樣表面的附著產(chǎn)生較大影響。陰極保護(hù)會(huì)抑制SRB 在X80 鋼表面的附著，降低金屬表面SRB 活性，從而降低X80 鋼的微生物腐蝕。陽(yáng)極直流干擾促進(jìn)SRB 在X80 鋼表面的附著，金屬表面生物膜內(nèi)的SRB 活性增強(qiáng)。

2）接菌條件下SRB 的生理活動(dòng)導(dǎo)致S 化合價(jià)態(tài)降低，-1.0 V（vs. SCE）陰極保護(hù)在一定程度上能夠抑制SRB 的呼吸作用，隨著干擾電位的增大，S 元素的化合價(jià)由+6 價(jià)向-2 價(jià)偏移，陽(yáng)極干擾電流促進(jìn)了SRB 呼吸作用，從而促進(jìn)微生物腐蝕。

3）接菌NS4 溶液中X80 鋼在自然腐蝕下的腐蝕速率為0.128 7 mm/a，在-1 000 mV（vs. SCE）陰極保護(hù)作用下的腐蝕速率為0.013 2 mm/a，陰極保護(hù)雖顯著降低了X80 鋼的均勻腐蝕，但是無(wú)法避免點(diǎn)蝕的發(fā)生。

4）在動(dòng)態(tài)直流干擾下，X80 鋼的腐蝕速率大幅增加。雖然單次直流干擾的時(shí)間較短，但隨著時(shí)間的累積對(duì)X80 鋼產(chǎn)生了十分嚴(yán)重的破壞。SRB 生物膜在短期內(nèi)能減緩X80 鋼的動(dòng)態(tài)直流干擾腐蝕，但是SRB 和動(dòng)態(tài)直流干擾的協(xié)同作用加速了X80 鋼表面的點(diǎn)蝕。