微生物腐蝕（MIC）是指由微生物的代謝活動(dòng)而引起的加速材料腐蝕進(jìn)程的現(xiàn)象，油氣管線的損壞因微生物腐蝕而引起的占80%。抑制微生物腐蝕的傳統(tǒng)方法有物理方法、化學(xué)方法、陰極保護(hù)法等，但這些方法只能在短時(shí)間內(nèi)延緩腐蝕，不能從根本上解決微生物對(duì)金屬管線的腐蝕問(wèn)題。因此，微生物的防治必須從微生物自身出發(fā)尋找新的方法。磁場(chǎng)是一種普遍存在的物理現(xiàn)象，隨著人們對(duì)磁現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的深入，磁場(chǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品安全生產(chǎn)、口腔醫(yī)療、生物工程和腐蝕防護(hù)等方面。當(dāng)微生物處于磁場(chǎng)中時(shí)，磁場(chǎng)和微生物體內(nèi)電子相互作用，產(chǎn)生一種力影響微生物的內(nèi)部及外部特性，從而影響微生物的活性或存活率。磁場(chǎng)可以通過(guò)影響傳質(zhì)過(guò)程和電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程而改變金屬腐蝕速率。本文就磁場(chǎng)對(duì)微生物活性和金屬腐蝕速率兩方面的影響進(jìn)行了分析，提出了利用磁場(chǎng)防治油氣管道微生物腐蝕的設(shè)想。

    1 靜磁場(chǎng)對(duì)微生物存活率的影響

    磁場(chǎng)對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響較復(fù)雜，通常較強(qiáng)的磁場(chǎng)會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)，而弱磁場(chǎng)對(duì)微生物生長(zhǎng)可能有促進(jìn)作用，不同種類微生物其磁效應(yīng)的結(jié)果也不同。靜態(tài)磁場(chǎng)影響微生物的機(jī)制主要是較長(zhǎng)時(shí)間的磁處理能使磁場(chǎng)的能量耦合到微生物細(xì)胞的大分子上而引起結(jié)構(gòu)的改變，使細(xì)胞膜的通透性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致細(xì)胞物質(zhì)泄漏，妨礙微生物的生長(zhǎng)繁殖。

    磁場(chǎng)對(duì)微生物的滅殺作用在醫(yī)學(xué)、食品等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。許喜林等[8]研究磁場(chǎng)對(duì)大腸桿菌和枯草桿菌的影響，發(fā)現(xiàn)不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)對(duì)細(xì)菌的存活率有不同的影響，相同磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)不同細(xì)菌的影響也存在一定的差異，磁場(chǎng)對(duì)細(xì)菌的作用會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的DNA 發(fā)生改變。W.Ji等[9]利用永磁體產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)對(duì)大腸埃希菌進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)大腸埃希菌存活率隨著靜磁場(chǎng)加載時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，隨著溫度的升高（25~40 ℃）而降低。A.C.Morrow等研究發(fā)現(xiàn)，250~300mT的靜磁場(chǎng)能夠增加化膿性鏈球菌代謝產(chǎn)物的最大釋放量，300mT 的靜磁場(chǎng)減緩化膿性鏈球菌的增殖速率。

    SRB是引起金屬管線微生物腐蝕失效的典型厭氧菌，SRB腐蝕是評(píng)價(jià)微生物腐蝕及環(huán)境污染的主要指標(biāo)之一。SRB能將SO24- 還原為 H2S,從而使自身獲得能量，是一類以有機(jī)物為養(yǎng)料的厭氧型微生物，廣泛存在于pH 為6~9的土壤、海水、淤泥以及地下管道和油氣井等缺氧環(huán)境中。本文在磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0、2、5、10mT的條件下，采用半連續(xù)培養(yǎng)法，利用UV-2550紫外分光光度計(jì)測(cè)量了SRB在一個(gè)生長(zhǎng)周期（14d）的分光光度值（OD值），并根據(jù)OD 值繪制了不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的SRB的生長(zhǎng)曲線，如圖1所示。由于采用半連續(xù)培養(yǎng)法，故生長(zhǎng)曲線并沒(méi)有呈現(xiàn)細(xì)菌典型對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期、衰亡期等特征。由圖1可知，磁場(chǎng)條件下SRB的菌量少于無(wú)磁場(chǎng)條件下SRB的菌量，且磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，SRB菌量越小，說(shuō)明靜磁場(chǎng)可以抑制SRB的活性，且磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，抑制作用越強(qiáng)。

    2 靜磁場(chǎng)對(duì)金屬腐蝕的影響

    在靜磁場(chǎng)作用下，金屬在介質(zhì)中的腐蝕按腐蝕機(jī)理可以分為濃差極化和電化學(xué)極化等兩種腐蝕體系。

    2.1 靜磁場(chǎng)對(duì)濃差極化控制腐蝕的影響

    在濃差極化控制的腐蝕體系中，陰極去極化劑到達(dá)金屬表面越多，腐蝕越嚴(yán)重。雍興躍研究了磁場(chǎng)對(duì)碳鋼在不同濃度的FeCl3 中腐蝕速率的影響，發(fā)現(xiàn)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度下碳鋼腐蝕速率均降低，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，腐蝕速率降到最小；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)臨界值后，腐蝕速率隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大。M.A.Ghabashy等認(rèn)為這一結(jié)果是擴(kuò)散層內(nèi)的介質(zhì)流造成的。隨著鐵在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕，在介質(zhì)中形成無(wú)數(shù)個(gè)微電池，使金屬表面附近Fe2+ 濃度大于介質(zhì)其他部位的Fe2+ 濃度，產(chǎn)生向下的自然對(duì)流。另外，由于外加磁場(chǎng)和微電池的電場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，因此產(chǎn)生與自然對(duì)流方向相反的介質(zhì)流動(dòng)。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較小時(shí)，由磁場(chǎng)力引起的向上的介質(zhì)流動(dòng)使自然對(duì)流減弱，金屬表面擴(kuò)散層逐漸增厚，金屬腐蝕減小。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值時(shí)，擴(kuò)散層達(dá)到最厚，腐蝕速率最小。當(dāng)超過(guò)這一臨界值時(shí)，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，自然對(duì)流占主導(dǎo)地位，又導(dǎo)致擴(kuò)散層變薄，因此金屬腐蝕加劇。

    呂戰(zhàn)鵬等研究了磁場(chǎng)對(duì)銅在含F(xiàn)e3+ 溶液中陰極擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)加速銅電極上Fe3+ 陰極擴(kuò)散過(guò)程，使陰極極限擴(kuò)散電流密度增大。L.Y.Ang等研究了磁場(chǎng)對(duì)銅在不同腐蝕介質(zhì)中腐蝕行為的影響，研究發(fā)現(xiàn)存在磁場(chǎng)時(shí)，銅在鹽酸和氫氧化鈉中腐蝕速率均增大，但在氯化鈉中腐蝕速率未發(fā)生變化。在鹽酸和氫氧化鈉介質(zhì)中，傳質(zhì)過(guò)程是影響電化學(xué)腐蝕的主要因素，而磁場(chǎng)通過(guò)磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）效應(yīng)影響腐蝕速率。靜磁場(chǎng)對(duì)傳質(zhì)過(guò)程的影響可以使用MHD 解釋，主要?dú)w結(jié)于靜磁場(chǎng)下電解質(zhì)中洛倫茲力的引入。洛倫茲力可以加速電解質(zhì)內(nèi)電荷在垂直于磁場(chǎng)密度的方向移動(dòng)，對(duì)電解質(zhì)起到攪拌作用。R.Sueptitz等研究了高梯度磁場(chǎng)對(duì)鐵在硫酸溶液中陽(yáng)極腐蝕和局部腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)存在時(shí)鐵在0.5mol/L的H2SO4溶液中電流密度降低，邊緣溶解過(guò)程受到抑制。這是由于磁場(chǎng)力增加了鐵表面附近Fe2+ 的濃度，抑制了傳質(zhì)過(guò)程，進(jìn)而降低金屬腐蝕速率。

    2.2 靜磁場(chǎng)對(duì)電化學(xué)極化控制腐蝕的影響

    在電化學(xué)極化控制的腐蝕體系中，腐蝕速率的大小取決于電化學(xué)反應(yīng)的難易程度，電化學(xué)反應(yīng)越容易腐蝕越劇烈。A.Chiba等研究了磁場(chǎng)對(duì)鋁在氯化鈉溶液中腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)可以抑制鋁的腐蝕速率。Y.J.Li等研究了合金Fe78Si9B13在磁場(chǎng)條件下的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)可以加速合金的腐蝕速率。王晨等研究了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)鐵腐蝕過(guò)程的陰極析氫和陽(yáng)極溶解的影響，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的存在會(huì)產(chǎn)生磁致過(guò)電位。磁致過(guò)電位的產(chǎn)生主要是因離子的水合作用造成的。Fe2+ 的磁矩比鐵原子的磁矩小，在外加磁場(chǎng)作用下，F(xiàn)e2+ 產(chǎn)生了吸附于界面的力，故附著于金屬表面，而對(duì)于液體，在磁場(chǎng)作用下水溶液中的抗磁性離子、鐵磁性離子的水合作用減弱，故在鐵-水溶液界面上產(chǎn)生雙電層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而造成磁致過(guò)電位。K.W.Busch等研究證實(shí)了雙電層結(jié)構(gòu)的說(shuō)法。在外加磁場(chǎng)下，一方面由于Fe2+ 吸附于界面，抑制鐵的溶解，另一方面由于Fe2+ 是鐵磁性離子，因此導(dǎo)致水合作用的下降，使其產(chǎn)生脫附界面的力，加速鐵的溶解。由此可知，適當(dāng)?shù)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度可以抑制金屬的腐蝕速率。徐楠等研究了磁場(chǎng)對(duì)油田污水管道防腐蝕方面的影響，認(rèn)為利用永磁鐵可以使管道內(nèi)部形成磁性氧化鐵，將水與鐵管壁完全隔開(kāi)，起到防腐的作用。吳敏研究了外加磁場(chǎng)對(duì)Sn-9Zn釬料組織、熔化溫度及腐蝕性能的影響，認(rèn)為外加磁場(chǎng)可降低Sn-9Zn釬料合金腐蝕電流，提高釬料合金腐蝕性能。

    3 靜磁場(chǎng)對(duì)油氣管線微生物腐蝕的影響

    通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，靜磁場(chǎng)既可以影響微生物的存活率，也可以影響金屬的腐蝕速率，因此靜磁場(chǎng)也可以用于金屬管道的微生物腐蝕的防治。李克娟、陳碧等研究了磁場(chǎng)對(duì)鐵和銅微生物腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的存在可抑制微生物腐蝕速率。這一研究結(jié)果為防治油氣管線的微生物腐蝕、減少經(jīng)濟(jì)損失提供了新的思路。

    土壤中的主要侵蝕性離子有 Cl-、SO24- 和HCO- 3 ,參考文獻(xiàn),將0.1 mol/L NaCl+0.1mol/LNaHCO3+0.1mol/L Na2SO4 的溶液作為土壤模擬溶液。用靜態(tài)掛片法將4組X100管線鋼失重件浸泡于含SRB的土壤模擬溶液中，磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0、2、5、10mT,在生化培養(yǎng)箱中30℃恒溫厭氧浸泡14d,取出后計(jì)算腐蝕速率，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，外加磁場(chǎng)可以抑制X100鋼的微生物腐蝕速率，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，X100鋼的腐蝕速率先減小后增大，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為5mT時(shí)，腐蝕速率最小。

    4 結(jié) 論

    磁場(chǎng)對(duì)微生物、金屬材料的影響非常復(fù)雜。磁場(chǎng)的大小、微生物的種類、金屬材料的性質(zhì)以及溶液的性質(zhì)都影響腐蝕傾向和腐蝕速率，若要使用磁場(chǎng)防治微生物對(duì)油氣管線的腐蝕，則還需要進(jìn)行更深入的研究。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)磁場(chǎng)的深入研究，磁場(chǎng)將成為油氣管線微生物腐蝕防護(hù)的新方法。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org 

責(zé)任編輯：王元

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：ecorr_org@163.com
中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414