北京科技大學李曉剛教授團隊：殺菌劑THPS對X80管線鋼應力腐蝕開裂影響及機理研究
2024-12-12 13:58:29
作者：表面云社區 來源：表面云社區
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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，從而減緩發生在鐵金屬上的微生物腐蝕是一種慣常的金屬防護手段。在油田、管道、化工設備等工業實際應用的環境中，由于管道的形態是彎曲的且內部又有運輸物，所以應力常常與腐蝕共同作用于管線鋼之上。而工業應用中，應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行減輕或者消除。為了盡量減少應力腐蝕開裂這種對管道服役壽命和生命財產安全具有直接威脅的現象，使用既有優異抑菌能力又對環境保護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在鐵上生成點蝕的緩解效應，尚未拓展到THPS對應力腐蝕開裂的影響。北京科技大學李曉剛教授團隊將應力因素引入，著重研究THPS這種常見的殺菌劑對微生物活動造成的應力腐蝕開裂的減緩功效，為工業應用中解決應力-微生物腐蝕-開裂現象提供方法和依據。與此同時，結合吸附理論進行模擬計算，從分子角度揭示THPS對X80鋼的吸附作用機制。探討THPS的抗SRB性能、抗應力腐蝕開裂能力并深入理解其作用機理。
關鍵詞：微生物腐蝕；硫酸鹽還原菌；應力腐蝕開裂；殺菌劑
圖4和圖5顯示了D. vulgaris SRB在被注入了不同質量濃度的THPS（0、15、30、45、60 mg/L）的ATCC1249培養液中培養14 d后的游離細胞和固著細胞數及二者之間的變化趨勢。。很明顯，未注入THPS的溶液中，游離細胞數和固著細胞數都是最多的。兩相比較，不同濃度THPS作用下，固著細胞數都比游離細胞數高了 1 個數量級。
由于激光共聚焦熒光顯微鏡（CLSM）更方便對平面的試片進行觀察，所以試驗之初，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的環境里的生存狀況進行表征，結果如圖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胞最多，大量細胞和生物膜附著在試片表面。隨著THPS濃度升高，呈現出綠色的活細胞逐漸減少，呈現出紅色的死亡細胞逐漸增多，說明THPS對D. vulgaris菌具有殺滅作用，趨勢與附著細胞計數結果（圖4）相一致。但是，THPS的質量濃度升高到了60 mg/L后，也依然有少量D. vulgaris 菌存留于表面（圖8e）。據其他研究結果表明[23]，SRB 的另一亞種菌株 D. ferrophilus 在 50 mg/L THPS 下已經被殺滅的很干凈，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，導致阻抗弧逐步降低，并且隨著腐蝕產物在表面堆積，出現了擴散現象。注入THPS后，腐蝕產物較未注入THPS有所減少，擴散現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（緩蝕率達到97%），有效抑制X80鋼發生微生物引起的應力腐蝕開裂。2）從細胞計數、熒光染色和腐蝕產物成分測定的結果可得出，THPS的加入，對游離細胞、固著細胞和生物膜都具有良好的殺滅和驅散作用，并溶解掉腐蝕產物 FeS 和 FeS2，從而顯著降低了固著細胞和X80 表面之間的胞外電子轉移過程（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長。隨著加入的THPS濃度的進一步升高，D. vulgaris 造成的點蝕進一步縮小到近乎消失。形成裂尖的條件因此受限，應力腐蝕開裂現象也得到了緩解。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，導致裂紋生長變慢，裂紋長度進一步降低。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吸附。
該文章發表在《表面技術》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管線鋼應力腐蝕開裂影響及機理研究[J]. 表面技術, 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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