吳虹宇 譚 鵬，2 劉漢軍 邱海燕 蘭貴紅 王順慧

（1. 西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500；2. 中國石油塔里木油田分公司監(jiān)督中心，新疆 庫爾勒 841000；3. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質量監(jiān)督檢測研究院，四川 德陽 618300）

0 引言

微生物腐蝕（MicrobiologicallyInfluenced Corrosion，MIC）是頁巖氣地面集輸管道點蝕穿孔失效的主要原因[1]，造成了嚴重的經濟損失與環(huán)境污染。因此，研究MIC機理，有效地進行腐蝕防護，保障頁巖氣集輸管道的安全運行十分重要。目前，對四川盆地的頁巖氣集輸管道的MIC研究主要集中于SRB腐蝕，如Wu和劉華敏等[2,3]研究表明，SRB的富集是導致頁巖氣集輸管道出現(xiàn)點蝕的主要原因；Liao等[4]研究認為，在低流速的集輸管道中，SRB與CO2、O2和Cl-等腐蝕介質的協(xié)同腐蝕是導致集輸管道出現(xiàn)腐蝕穿孔的主要原因。生物膜的形成是MIC發(fā)生的關鍵步驟之一，但對頁巖氣集輸管道內壁形成腐蝕產物/生物膜的過程研究較少，大部分對腐蝕產物/生物膜的研究集中于海水和油田。如舒韻等[5]研究模擬海水中X80鋼表面的SRB生物膜形成過程，結果表明SRB在金屬表面形成的腐蝕產物/生物膜且逐漸致密的過程中，SRB的濃度上升，SRB腐蝕加劇。尚未有學者對腐蝕產物/生物膜形成過程中的主要腐蝕微生物演替變化進行研究。

因此，本研究模擬長寧區(qū)塊頁巖氣地面集輸管道環(huán)境，通過動態(tài)腐蝕掛片失重法、電化學阻抗譜圖、高通量測序以及腐蝕產物形貌表征等手段，研究在L360N鋼表面逐漸形成腐蝕產物/生物膜的過程中，試片表面的主要腐蝕微生物演替以及腐蝕機制變化，有利于更好地防控MIC。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用水樣為四川盆地某頁巖氣單井壓裂投產四個月后的采出水，其水質情況（mg/L）為：pH 6.6，Na+15240.00，K+571.00，F(xiàn)e2+/Fe3+47.25，Ca2+769.00，Mg2+85.00，Ba2+188.90，Cl-24722.39，SO42-35.89。實驗材料為頁巖氣開采現(xiàn)場外輸管道所用管材L360N鋼加工制成。動態(tài)腐蝕掛片實驗的試片尺寸為40×13×3mm（含Φ2mm的孔）；電化學測試所用工作電極尺寸為10×10×2mm。試片經打磨拋光后，依次使用丙酮、去離子水、無水乙醇清洗，稱重后，紫外消毒20min。

高通量測序和腐蝕形貌觀察需要使用0.2mol/L磷酸緩沖液（Phosphate Buffer Saline，PBS），PBS的配方為（g/L）：5.2gNaH2PO4·H2O，58.0gNa2HPO4·12H2O，調pH值至7.4。戊二醛固定液的配方為：10mL 25%（質量分數(shù)）戊二醛，40mL無菌水，50mL 0.2 mol/LPBS溶液，調節(jié)pH為7.3。腐蝕酸洗液配方為（g/L）：3.5g六次甲基四胺，500mL濃鹽酸。

1.2 動態(tài)腐蝕掛片與電化學測試

根據(jù)頁巖氣地面集輸管線的現(xiàn)場實際情況，設置實驗條件為35℃、水相流速為0.5m/s的厭氧環(huán)境（使用高純氮氣2h對采出水進行除氧處理），分別進行周期為1、3、5、7、10、14d的動態(tài)腐蝕掛片實驗。實驗結束后，取出試片，使用1.1節(jié)中所配的腐蝕酸洗液除去試片表面腐蝕產物，再使用去離子水和無水乙醇清洗，稱重，計算試片腐蝕速率，腐蝕速率計算公式如式（1）所示[6]：

式中，vcor為腐蝕速率，mm·a-1；m0為試片初始質量，g；m1為試片除去腐蝕產物后的試片質量，g；S為試片表面積，cm2；t為腐蝕掛片實驗周期，h；ρ為試片密度，g·m-3。

使用CorrTest（CS310H）電化學工作站進行電化學阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）測試。工作電極為L360N鋼（工作面積為1cm2），輔助電極為石墨電極，參比電極為飽和甘汞電極（Saturated Calomel Electrode，SCE），設置交流激勵信號振幅為5mV（vs Eocp），掃描頻率范圍為10-2～104Hz。EIS數(shù)據(jù)使用ZsimpWin軟件進行擬合分析。

1.3 腐蝕產物/生物膜形貌及元素分析

將實驗周期為3、7、14d的動態(tài)腐蝕掛片取出后，立即放入1.1節(jié)中配的戊二醛固定液浸泡4h，隨后依次在25%、50%、75%、100%（體積分數(shù)）的乙醇溶液中浸泡15min，冷風吹干后進行形貌表征。采用SU3500型掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對試片表面的腐蝕產物/生物膜進行觀察，Aztec X-Max20型能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）進行元素能譜分析[7]。使用1.1節(jié)中配的腐蝕酸洗液和無水乙醇清洗試片后，采用SEM和ContourGT InMotion型三維光學顯微鏡觀察試片表面腐蝕形貌，并測量試片點蝕深度。

1.4 腐蝕產物分析及高通量測序

動態(tài)腐蝕掛片試驗結束后，使用X射線衍射儀（X-Ray Diffractometer，XRD）對試片表面的腐蝕產物進行定性分析。用PBS對試片表面的生物膜進行清洗，對清洗后的PBS溶液進行16S rRNA基因V3-V4區(qū)高通量測序。

2 結果與討論

2.1 動態(tài)腐蝕失重實驗與電化學測試結果

圖1是動態(tài)腐蝕掛片實驗的試片平均腐蝕速率圖。隨著時間的推移，試片的平均腐蝕速率呈下降趨勢，7～14d時平均腐蝕速率維持在0.0143mm/a左右。圖2是電化學阻抗譜圖。通常容抗弧大小與電極表面形成的腐蝕產物膜和生物膜有關[6]。容抗弧的半徑越大，電極表面的保護膜越致密，工作電極的均勻腐蝕減緩[8]。由圖2（a）可知，隨著時間的推移，容抗弧半徑呈逐漸增大的趨勢。這表明工作電極表面腐蝕產物/生物膜形成，并逐漸致密。

圖1 試片平均腐蝕速率隨時間的變化

圖2 L360N鋼在采出水中浸泡不同實驗時間的電化學阻抗譜圖

為更好地理解L360N鋼電極表面腐蝕產物/生物膜的阻抗特性，使用ZsimpWin軟件對EIS測試結果進行擬合，等效電路圖如圖3所示。3～14d的測試結果采用圖3（b）進行擬合，1d的測試結果采用圖3（a）進行擬合，擬合結果誤差均＜10%。在等效電路中，Rs為溶液電阻，Qf為腐蝕產物/生物膜電容，Rf為腐蝕產物/生物膜電阻，Qdl為雙電層電容，Rct為電荷轉移電阻。其中，Q是常相位元件，Y0為阻納，n為彌散指數(shù)，擬合結果如表1所示。可以看出，3d后Rf值呈逐漸增大的趨勢，從8.085Ω·cm-2增加到12860Ω·cm-2，這表明電極表面有腐蝕產物/生物膜形成并逐漸致密。同時Rct值的大小可以用來評價金屬腐蝕程度[9]，Rct值呈逐漸增大的趨勢，這表明電極腐蝕程度逐漸減低，與Rf的變化規(guī)律以及動態(tài)腐蝕掛片的實驗結果一致。

表1 EIS擬合數(shù)據(jù)

圖3 EIS擬合等效電路圖

2.2 腐蝕產物/生物膜形貌及元素分析結果

試片表面腐蝕產物/生物膜的SEM形貌表征和EDS分析結果如圖4所示，試片表面的微生物和腐蝕產物逐漸增多且分布均勻，14d時試片表面形成了較致密的腐蝕產物/生物膜，其中Fe元素和S元素含量達到最高。試片表面的腐蝕產物XRD分析結果如圖6所示，隨著實驗周期的增加，主要腐蝕產物由Fe2O3，變?yōu)镕e2O3、FeS2和FeS，14d時主要腐蝕產物為FeS，這些均為典型的SRB腐蝕產物[10]。這都表明腐蝕后期試片表面的主要MIC是SRB腐蝕。由于采出水介質中存在CaCO3懸浮物，3d和7d試片表面的腐蝕產物中檢測出CaCO3。

圖4 不同實驗時間的試片表面腐蝕產物/生物膜SEM圖和EDS分析結果圖

試片的腐蝕形貌表征分別由圖6和圖7所示。3d時L360N試片表面主要呈均勻腐蝕形貌，局部區(qū)域有深度為3.0138μm的點蝕坑；7d時試片開始出現(xiàn)明顯的典型點蝕形貌，局部點蝕坑深度為7.4624μm；14d時試片表面點蝕數(shù)量變多，點蝕直徑變大，試片局部點蝕深度為7.8564μm。這表明，在腐蝕產物/生物膜逐漸致密的過程中，試片表面由均勻腐蝕變?yōu)辄c蝕，且點蝕深度和數(shù)量逐漸增加。

圖6 不同實驗時間的試片表面腐蝕形貌SEM圖

圖7 不同實驗時間試片表面點蝕的三維顯微鏡圖

2.3 腐蝕產物/生物膜細菌菌群結構變化

屬水平上的群落結構組成如圖8所示，采出水與試片表面腐蝕產物/生物膜的細菌菌群結構有較大差異。采出水中的主要菌屬是脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）和嗜蛋白菌屬（Proteiniphilum），而試片表面的主要菌屬是假單胞菌屬（Pseudomonas）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）和脫硫化曲菌屬（Desulfocurvus）。采出水中的嗜蛋白菌屬（Proteiniphilum）屬于產酸菌（Acid-producing Bacteria，APB），是一種嚴格厭氧的APB，能代謝產生有機酸腐蝕金屬[11]。而試片表面相對豐度逐漸上升的假單胞菌（Pseudomonas）是一種產粘液菌（Slime-producingBacteria，SPB）菌屬[12]，可產生大量胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substance,EPS），促進金屬表面生物膜的形成[13]。假單胞菌（Pseudomonas）在試片表面的相對豐度逐漸上升，這意味著試片表面的生物膜逐漸增多。脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）和脫硫化曲菌屬（Desulfocurvus）等典型的SRB菌屬[14]，海細菌屬（Marinobacterium）、弓形桿菌屬（Arcobacter）和Dethiosulfatibacter等可以代謝產生H2S的非典型SRB菌屬[15-17]，在試片表面的相對豐度也在逐漸上升。硫膨大桿菌屬（Thioclava）和Thiomicrospira等硫氧化菌（Sulfur-oxidizing Bacteria，SOB）菌屬的相對豐度在逐步降低[18,19]。

圖8 微生物16S rRNA基因序列屬水平分類圖

2.4 成膜過程中的腐蝕機制變化

L360N試片在實驗室模擬的頁巖氣地面集輸管線的環(huán)境中（35℃、水相流速為0.5m/s的厭氧環(huán)境），由于微生物的存在，表面會逐漸形成一層較致密的腐蝕產物/生物膜。在腐蝕產物/生物膜逐漸形成的過程中，試片表面的腐蝕反應也在發(fā)生變化，如圖9所示。

圖9 試片表面各階段主要腐蝕反應過程

3d時試片表面有局部腐蝕產物/生物膜形成，有SOB菌屬硫膨大桿菌屬（Thioclava）附著在試片表面，相對豐度為7.18%。而采出水中相對豐度為29.37%的嗜蛋白菌屬（Proteiniphilum）是一種嚴格厭氧的APB。試片的腐蝕產物主要為Fe2O3為主，且表面呈均勻腐蝕狀。這表明0～3d時，試片表面的腐蝕反應以SOB腐蝕和APB生長代謝導致的酸腐蝕為主。

有研究表明[20]，Cl-濃度為30g/L時，金屬對Cl-的腐蝕敏感度最高且體系中的SRB代謝活性最強，有助于SRB在金屬表面形成生物膜并與Cl發(fā)生腐蝕協(xié)同作用，而采出水中Cl-含量為24722.39mg/L，這表明該體系的SRB代謝活性最強，且形成生物膜。因此，7d時試片表面的腐蝕產物/生物膜覆蓋率增加，如圖4（c）所示。試片表面的主要菌屬為假單胞菌屬（Pseudomonas）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、Thiomicrospira和硫膨大桿菌屬（Thioclava）等，SOB、SPB和SRB菌屬的相對豐度上升。試片表面的主要腐蝕產物有FeS2和FeS，并開始出現(xiàn)點蝕形貌。這表明試片表面的硫循環(huán)腐蝕過程加強，但腐蝕產物/生物膜的存在阻擋了Cl-的擴散[21]，降低了Cl-對試片的腐蝕。因此，試片的均勻腐蝕下降，開始出現(xiàn)點蝕。試片表面發(fā)生的主要腐蝕反應開始由SOB腐蝕和APB導致的酸腐蝕，轉變?yōu)橐許RB和SOB為主的硫循環(huán)腐蝕。SRB引起的主要腐蝕[22]反應如下：

14d時試片表面形成較致密的腐蝕產物/生物膜，主要腐蝕產物為FeS，如圖4（e）和圖5所示。試片的主要細菌是假單胞菌屬（Pseudomonas）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）、弓形桿菌屬（Arcobacter）和脫硫化曲菌屬（Desulfocurvus），SPB和SRB菌屬的相對豐度持續(xù)增加，但SOB菌屬降低。由于SRB的腐蝕產物FeS與EPS交織在一起形成腐蝕產物/生物膜，因此大多數(shù)微生物會嵌入腐蝕產物/生物膜中[23]，膜下的微生物濃度較高。而腐蝕產物/生物膜下的SRB會用金屬代替碳源獲取電子進行生長代謝，使點蝕加劇。SRB產生的HS和H2S會與Fe2O3反應，使試片腐蝕產物以FeS為主。

圖5 不同實驗時間試片表面腐蝕產物XRD圖

3 結語

（1）在實驗室模擬的頁巖氣地面集輸管道環(huán)境（常壓、35 ℃、流體流速為0.5m/s的厭氧環(huán)境）中，L360N試片表面形成腐蝕產物/生物膜并逐漸致密。在試片表面成膜的過程中，試片均勻腐蝕速率下降，7d后穩(wěn)定在0.0143 mm/a左右，試片的點蝕數(shù)量和深度逐漸上升，點蝕深度升至7.8564μm；

（2）在L360N試片表面腐蝕產物/生物膜形成并逐漸致密的過程中，試片表面的主要腐蝕細菌發(fā)生變化，SPB和SRB菌屬富集，SOB菌屬逐漸減少。0～3d時，試片表面主要發(fā)生APB和SOB的均勻腐蝕，尚未形成明顯腐蝕產物/生物膜，主要腐蝕細菌是嗜蛋白菌屬（Proteiniphilum）和硫膨大桿菌屬（Thioclava）；3～7d時，試片表面形成局部腐蝕產物/生物膜，SRB菌屬開始富集，7d時試片表面出現(xiàn)點蝕，腐蝕產物/生物膜中的主要腐蝕細菌是假單胞菌（Pseudomonas）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、Thiomicrospira和硫膨大桿菌屬（Thioclava），主要腐蝕機制是SRB和SOB的硫循環(huán)腐蝕；7～14d時，試片表面逐漸形成完整且較為致密的腐蝕產物/生物膜，點蝕加劇，14d時腐蝕產物/生物膜中的假單胞菌（Pseudomonas）、脫硫微桿菌屬（Desulfomicrobium）和弓形桿菌屬（Arcobacter）富集，SOB菌屬相對豐度減少，主要腐蝕機制是SRB腐蝕。