微生物腐蝕（MIC）是指在微生物活動(dòng)參與下金屬所發(fā)生的腐蝕。微生物可以造成銅合金、碳鋼、不銹鋼等大量常見(jiàn)核電材料發(fā)生腐蝕，危害核電站管道和部件的結(jié)構(gòu)完整性。微生物在金屬表面的代謝活動(dòng)和腐蝕過(guò)程相互作用引起的局部腐蝕，是核電站冷卻水系統(tǒng)管道和換熱器管表面劣化的重要原因。MIC 使核電站付出大量的運(yùn)營(yíng)和維修成本，包括增加的檢測(cè)、維修、更換備件和治理等費(fèi)用。工程人員對(duì) MIC 危害的認(rèn)知還不夠明確，而且金屬 MIC 很難和其他水電化學(xué)腐蝕區(qū)分開(kāi)來(lái)，導(dǎo)致 MIC容易被忽視，許多本來(lái)由微生物引起的腐蝕失效問(wèn)題被誤解。MIC 的檢測(cè)、治理和預(yù)防成為核電站所面臨的最棘手的問(wèn)題之一，NACE 和 EPRI 等研究機(jī)構(gòu)做過(guò)大量核電站 MIC 相關(guān)的研究。MIC 造成的危害至今只是冰山一角，需要核電管理機(jī)構(gòu)和電站業(yè)主的關(guān)注。

    核電站微生物腐蝕特點(diǎn)

    核電站冷卻水系統(tǒng)有開(kāi)式和閉式兩種 , 調(diào)查顯示，所有這些系統(tǒng)都受到MIC 威脅。即使是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，在除鹽除氧水加緩蝕劑和高溫（大于250℃）的環(huán)境中也可能存在 MIC。

    由于核電站冗余、多樣性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，要求核電站有很多獨(dú)立的安全相關(guān)系統(tǒng)（如輔助給水系統(tǒng)等），在極端情況下保證安全停堆。這樣的設(shè)計(jì)就要求有大量且復(fù)雜的管道系統(tǒng)。在核反應(yīng)堆運(yùn)行期間，系統(tǒng)處于備用狀態(tài)，并通過(guò)周期測(cè)試來(lái)保證系統(tǒng)的可用性。這類系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)平時(shí)處于停滯狀態(tài)，不定期又會(huì)有新的介質(zhì)流入，這有利于微生物膜的形成和 MIC 的發(fā)生。

    核電站消防水系統(tǒng)與其他辦公樓等消防水系統(tǒng)不同，它和核電廠用水系統(tǒng)或其他電站輔助水系統(tǒng)相互聯(lián)通，并需要經(jīng)常調(diào)試和檢修。與保持封閉且很少流動(dòng)的管道系統(tǒng)相比，這種間歇流動(dòng)系統(tǒng)的 MIC 情況更加嚴(yán)重。

    核電站有大量由于水壓試驗(yàn)引入微生物導(dǎo)致部件失效的案例。大多數(shù)水壓試驗(yàn)用水沒(méi)有進(jìn)行殺菌處理，試驗(yàn)后留在系統(tǒng)中直到系統(tǒng)運(yùn)行，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)年或數(shù)月。在這段時(shí)間里，MIC 可以對(duì)系統(tǒng)材料造成巨大的劣化，使系統(tǒng)材料在機(jī)組運(yùn)行初期便發(fā)生失效。相同的情況也會(huì)在機(jī)組停機(jī)大修時(shí)發(fā)生。

    微生物腐蝕機(jī)制

    復(fù)雜微生物群落組成的微生物膜附著是金屬基體發(fā)生 MIC 的前提。微生物膜是細(xì)菌、藻類等水生生物及其代謝產(chǎn)物組成的微生物黏膜。這種微生物膜在1 ～ 2 ｈ就能完成，侵入的懸浮微生物在48h 內(nèi)就繁殖增長(zhǎng)變成牢固的微生物群落。微生物膜在核電站水循環(huán)中主要有三大危害：①表面積垢使換熱性能降低；②使通道流量減少甚至堵塞；③ MIC。

    1、由于微生物的新陳代謝作用，在金屬表面垂直方向上形成一個(gè)大的濃度梯度，導(dǎo)致界面上的化學(xué)成分與水環(huán)境中的明顯不同，使得微生物膜的環(huán)境與本體溶液不同。微生物膜隔熱能力極強(qiáng)，有很好的生物屏蔽作用，這也是很難簡(jiǎn)單用藥物治理MIC問(wèn)題的原因之一。

    MIC 按微生物作用方式可大致分為三類：

    （1）微生物本身影響腐蝕

    微生物能產(chǎn)生高腐蝕性的代謝產(chǎn)物，如硫化物，氨，有機(jī)酸或無(wú)機(jī)酸；能消耗影響腐蝕過(guò)程重要的物質(zhì)，如氧或亞硝酸緩蝕劑；甚至某些硫酸鹽還原菌（SRB）或氨菌可以直接以鐵為電子供體加速鐵基材料的腐蝕。

    （2）微生物膜影響腐蝕

    微生物通過(guò)影響金屬基體表面的電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極或陰極反應(yīng)、改變金屬表面膜電阻和形成金屬表面的濃差電池等方式，改變基體表面的物理和電化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)基體腐蝕。

    例如在系統(tǒng)運(yùn)行初期，微生物膜快速形成，阻止了金屬氧化膜的形成，基體腐蝕加劇， 其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致水化學(xué)鐵離子超標(biāo)。

    （3）微生物促進(jìn)有害物質(zhì)富集

    微生物的富集作用很快，一代微生物的生成時(shí)間只要 20min，可以產(chǎn)生天文數(shù)字的濃縮倍數(shù)，而且微生物活動(dòng)可以使非腐蝕性物質(zhì)成為腐蝕性化學(xué)物質(zhì)。 另外，由于微生物膜的存在，構(gòu)造了點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕等局部腐蝕發(fā)生的條件。微生物活動(dòng)導(dǎo)致了腐蝕的發(fā)生，并影響腐蝕進(jìn)一步發(fā)展，這種條件建立后，即使微生物活動(dòng)停止了，腐蝕仍會(huì)持續(xù)。

    微生物腐蝕的檢測(cè)

    幾種常見(jiàn)的 MIC 檢測(cè)手段如下：

    1、培養(yǎng)法

    培養(yǎng)法是廣泛采用的傳統(tǒng)微生物檢測(cè)方法，主要用來(lái)檢測(cè)樣品中存在什么菌種及其數(shù)量級(jí)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使用可靠性高，相對(duì)成本低，操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是培養(yǎng)細(xì)菌周期耗時(shí)長(zhǎng)，操作繁瑣工作量大，不易在電站現(xiàn)場(chǎng)推廣使用。以 SRB 為例，由于不是所有種類的 SRB都能適應(yīng)培養(yǎng)基，檢測(cè)結(jié)果往往低于實(shí)際的 SRB 數(shù)量。

    2、細(xì)菌構(gòu)成物定量法

    原理是利用微生物都含有不同于其他生物的特定化學(xué)結(jié)構(gòu)，特定的微生物有其特殊的化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。如通過(guò)測(cè)定微生物 DNA/RNA 可以用來(lái)判斷微生物種類，但 DNA/RNA 分子測(cè)序方法涉及大量精密且昂貴的的儀器，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，主要作為科研手段，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較少。另一種方法是通過(guò)分析特定化學(xué)物質(zhì)，來(lái)評(píng)估試樣中微生物的大概數(shù)量，如用三磷酸腺苷（ATP）檢測(cè)儀對(duì) SRB 進(jìn)行檢測(cè)，即將細(xì)胞破碎， 細(xì)胞中含有的ATP進(jìn)入溶液，與熒光素反應(yīng)發(fā)出熒光，用光度計(jì)定量，進(jìn)而測(cè)出相應(yīng)的細(xì)菌含量。但這個(gè)方法存在不能定向檢測(cè)出 SRB 的缺陷，給出的是各種微生物的總數(shù)。

    3、代謝產(chǎn)物檢測(cè)法

    通過(guò)檢測(cè)微生物代謝活動(dòng)產(chǎn)生的獨(dú)特代謝產(chǎn)物，來(lái)檢測(cè)試樣可能存在的微生物。如：用放射性呼吸檢測(cè)儀檢測(cè)SRB 產(chǎn)生的硫化物量來(lái)檢測(cè)其危害性。具體方法是以含有同位素 35S 的硫酸鹽作為示蹤劑，在細(xì)菌代謝作用下硫酸鹽還原成 35S 2- ，進(jìn)而與 Fe 2+ 形成硫化鐵，加酸后使得 H 2 S 逸出并被紙捻吸收，與紙捻上的 Zn 2+ 反應(yīng)，生成硫酸鋅，然后用閃爍計(jì)數(shù)法測(cè)定紙捻中的 35S，從而計(jì)算出硫酸鹽的還原率。該操作需要在無(wú)氧環(huán)境中進(jìn)行，時(shí)間較長(zhǎng)，檢測(cè)設(shè)備昂貴，不太適合在核電站現(xiàn)場(chǎng)使用。

    4、顯微鏡直接計(jì)數(shù)法

    機(jī)理是把染色劑粘附到細(xì)胞中的構(gòu)成物上，在配有熒光的顯微鏡下直接觀察。 例如 ： FITC （異硫氰酸鹽熒光素）染料可上粘附到任何蛋白質(zhì)上，微生物經(jīng)過(guò) FITC（處理后，將染色細(xì)胞放大 1000 倍或 1600 倍就可觀察、測(cè)得細(xì)胞總數(shù)，而 IFA（間接熒光抗體技術(shù)）只能在 SRB 上著色，通過(guò)熒光顯微鏡可觀察到 SRB 的數(shù)量。顯微鏡直接計(jì)算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速得到結(jié)果，缺點(diǎn)是不能分辨細(xì)菌的死活，計(jì)數(shù)往往偏高。

    5、酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法

    酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法原理是用抗原與抗體的特異反應(yīng)將待測(cè)物與酶連接，然后通過(guò)酶與底物產(chǎn)生顏色反應(yīng)，對(duì)受檢物質(zhì)進(jìn)行定性或定量分析。例如，研究發(fā)現(xiàn)所有的硫酸鹽還原菌都具有 APS還原酶，這種酶是 SRB 特有的酶，能夠催化APS發(fā)生還原反應(yīng)， 生成還原產(chǎn)物。利用該還原產(chǎn)物與顯色劑的顯色反應(yīng)強(qiáng)弱，經(jīng)過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)菌量讀數(shù)卡比較，得出待測(cè)水樣中 SRB 菌含量。這種方法的優(yōu)勢(shì)是成本低、耗時(shí)短。

    6、掛片試驗(yàn)

    實(shí)際影響 MIC 的是附著在金屬表面的微生物膜，但以上方法只檢測(cè)了系統(tǒng)中的浮游微生物，不能很好地體現(xiàn)實(shí)際 MIC 的情況。通過(guò)在相關(guān)區(qū)域投放和基體材料相同的掛片，定期取出檢測(cè)，研究材料表面微生物膜狀態(tài)及其腐蝕情況，能夠得到最可靠的結(jié)果。也可以對(duì)試驗(yàn)掛片外接電化學(xué)設(shè)備，記錄不同階段的電位變化，利用MIC 特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，可以較直觀地驗(yàn)證 MIC 的治理效果。

    微生物腐蝕控制方法

    1、生物腐蝕治理

    當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的 MIC 問(wèn)題已經(jīng)發(fā)生，最有效的控制方法是采用物理或化學(xué)方法清理整個(gè)系統(tǒng)。 物理方法就是通過(guò)物理手段清理金屬基體的表面，比如刷洗、鏟刮或高壓水沖刷等方法，可以借助清洗球、刷子等工具。正確使用清理方法可以去除基體表面的微生物膜、積垢和腐蝕產(chǎn)物，還可以清除點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕源頭，后續(xù)再進(jìn)行合理的水處理，就能控制 MIC。如果清理不徹底，局部腐蝕則會(huì)繼續(xù)發(fā)展。不容易清理干凈的焊接和死管段處，會(huì)成為微生物的生存港灣，成為后續(xù) MIC 問(wèn)題的源頭。

    化學(xué)方法有三大類：第一類是通過(guò)化學(xué)清理藥品去除金屬基體表面的微生物膜、積垢以及腐蝕產(chǎn)物；第二類是用殺菌劑來(lái)殺死金屬表面存在的微生物；第三類添加緩蝕劑，一般并不是專門(mén)針對(duì) MIC。實(shí)踐證明化學(xué)清理藥品去理金屬基體表面是有效的臨時(shí)控制方法，但一段時(shí)間后金屬基體表面微生物會(huì)重新出現(xiàn)，MIC 問(wèn)題重復(fù)發(fā)生。緩蝕劑方面，微生物可以使硝酸鹽類和磷酸鹽類等緩蝕劑發(fā)生轉(zhuǎn)變，使它們失去緩蝕效果。另外，由于生物膜的阻隔作用，很多時(shí)候緩蝕劑很難通過(guò)微生物膜到達(dá)金屬基體表面來(lái)實(shí)現(xiàn)其緩蝕作用。最常用的殺菌劑有臭氧、氯、溴、二溴丙酰胺、異噻唑啉和季銨鹽等，其作用都受微生物膜影響。

    2、微生物腐蝕預(yù)防

    （1）材料選擇

    調(diào)查發(fā)現(xiàn)核電站所有系統(tǒng)常用金屬材料（除鈦合金），均存在 MIC 問(wèn)題。當(dāng)前通過(guò)更換材料來(lái)完全解決 MIC 問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的，雖然鈦合金具有較好的抗MIC 能力，但價(jià)格過(guò)于昂貴，而且比銅合金和不銹鋼等材料更易形成微生物淤泥，影響換熱性能。雖然所有材料均有MIC問(wèn)題， 但各種材料抗MIC能力有強(qiáng)弱，且在不同環(huán)境中 MIC 表現(xiàn)也不相同。由此，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮到系統(tǒng)材料發(fā)生MIC 的可能性，通過(guò)整體綜合評(píng)估來(lái)合理選材。

    另外，非合金材料如 PVC、混凝土、襯里和涂層等有很好的抗 MIC 能力，只要系統(tǒng)工況允許，可以選用非金屬管道或增加涂層。

    （2）水處理

    水處理通常采用添加殺菌劑的方法，可有效預(yù)防 MIC。但對(duì)于成熟的微生物膜，許多殺菌劑無(wú)法滲透，殺菌效果很差。添加微生物分散劑可提高殺菌劑的效果，它能夠?qū)⑽⑸锬冸x分散，使殺菌劑達(dá)到金屬基體表面。

    （3）運(yùn)行控制

    由于微生物不能在連續(xù)高流速狀態(tài)下附著于管壁，在系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)，適當(dāng)提高管道介質(zhì)流速，可以明顯減輕 MIC 并減少其他積垢物。增加管道流速，并添加殺菌劑，管壁上老的微生物膜也會(huì)減少。

    （4）腐蝕監(jiān)測(cè)

    現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)于 MIC 控制非常重要，許多用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)腐蝕性的手段可以用于監(jiān)測(cè) MIC，如腐蝕掛片，電阻探頭等。也可使用專門(mén)的電化學(xué)微生物膜活性探頭，它既可以顯示微生物膜的活性，又可以用來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)殺菌劑是否起效。

    結(jié)語(yǔ)

    微生物腐蝕是核電站管道和換熱管材料劣化的重要原因之一，合理選材，時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)治理可有效預(yù)防和減緩微生物腐蝕的危害。