鹰潭土壤模拟溶液中SRB+IOB对X100管线钢SCC行为的影响*

孙福洋，杨 旭，李学顺

(西安特种设备检验检测院，陕西 西安 710065)

微生物腐蚀(Microbiologically Induced Corrosion，简称MIC)是指微生物生命活动直接或间接地引起金属破坏所造成的腐蚀[1]。在石油工业中，大多数长输油气管道外表面的剥离涂层下均存在微生物腐蚀[2-3]。硫酸盐还原菌(SRB)和铁氧化菌(IOB)是导致管线钢发生微生物腐蚀的主要因素，两者的新陈代谢产物附着在埋地钢制管道外表面，会改变其电化学特性，导致材料发生严重的局部腐蚀(以点蚀为主)[4-5]。点蚀易诱发埋地长输油气管道发生应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking，简称SCC)，从而造成重大的突发性失效事故。SCC属于一种失效速度很快的低应力破坏形式，根据相关文献报道，在土壤介质中的管道的SCC裂纹大部分产生于基体表面的点蚀坑底部，SRB和IOB对管道微生物腐蚀的作用与SCC的发生密切相关[6-7]。目前，MIC和SCC已经成为影响埋地长输油气管道长周期安全运行的两大主要因素。

为了了解和证实MIC和SCC的协同性和相关性，选取鹰潭土壤模拟溶液作为试验介质，研究在国内典型酸性土壤中SRB+IOB对X100管线钢应力腐蚀开裂行为的影响，为“西气东输”工程中“西四线”、“西五线”X100管线钢的实际应用提供数据支持与理论参考[8-9]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为X100管线钢，抗拉强度为848 MPa，延伸率为24%，其化学成分(质量分数)为：C 0.06%，Si 0.26%，Mn 1.97%，P 0.009%，S 0.000 8%，Ni 0.44%，Cr 0.35%，Mo 0.32%，V 0.03%，余量为Fe。慢应变速率拉伸(SSRT)试样(母材试样、焊缝试样)取样位置、尺寸及形状如图1和图2所示。

图1 X100管线钢SSRT试样取样位置

图2 X100管线钢SSRT试样尺寸及形状

其中，焊缝试样为手工电弧焊(SMAW)预制。试验前母材和焊缝试样分别采用金相砂纸从320号逐级打磨至1200号以消除机加工划痕，打磨后依次采用无水乙醇冲洗、丙酮除油，冷风吹干待用。

1.2 试验条件

试验介质根据鹰潭土壤的主要理化分析数据，由分析纯化学试剂和去离子水配制而成。模拟溶液的具体成分见表1。溶液的pH值为4.0。

表1 模拟溶液的具体成分 ρ/(g·L-1)

试验所用SRB和IOB均采用富集培养方式。其中，SRB和IOB菌种培养基成分见表2。采用浓度为1 mol/L的NaOH溶液分别调节培养基的pH值为7.2±0.2。试验前分别将培养好的SRB和IOB菌种放在30 ℃恒温箱中进行活化，接菌时将50 mL SRB和IOB菌种培养液接种到900 mL的土壤模拟溶液中，最终配制成试验所用有菌条件下的模拟溶液介质。

表2 SRB和IOB菌种培养基的具体成分 ρ/(g·L-1)

1.3 测试表征

采用瑞格尔RGM-6050型微机控制慢应变应力腐蚀试验机分别对X100管线钢母材和焊缝试样进行SSRT拉伸测试，应变速率为1×10-6s-1，(参照GB/T 15970.7—2017《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分：慢应变速率试验》标准要求)。试验前通入氮气2 h进行除氧，防止氧化。试验结束后，应立即将断裂试样取出，注意保护断口的完整性。断裂试样先用超声波振荡清洗去除其表面附着的腐蚀产物，然后依次用无水乙醇脱水、丙酮除油，冷风吹干待用。采用JSM-6390A型扫描电镜(SEM)观察断口微观形貌，分析SRB+IOB的存在对X100管线钢SCC敏感性的影响。

试样拉断后采用抗拉强度损失系数、延伸率损失系数和断面收缩率损失系数评价X100管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中的SCC敏感性。

2 结果与分析

2.1 SSRT应力-应变曲线分析

X100管线钢母材和焊缝试样在鹰潭土壤模拟溶液中的SSRT应力-应变曲线如图3所示。不同试样的应力腐蚀参数和结果见表3。

图3 X100试样的应力-应变曲线

由图3和表3可以看出，在无菌环境下，抗拉强度损失系数出现负值，延伸率损失系数最大降低了5.70%，断面收缩率损失系数最大降低了28.89%。在有菌(SRB+IOB)环境下，抗拉强度损失系数均为正值，焊缝试样的延伸率损失系数最大增加了33.69%，母材试样的断面收缩率损失系数最大降低了9.05%。母材和焊缝试样在无菌环境下的断面收缩率和延伸率基本上均小于其在有菌环境下的，因此，可以确定的是，母材和焊缝试样在无菌环境中的SCC敏感性均大于其在有菌环境中的；另外，焊缝试样在有菌环境下的延伸率损失系数为负值，且断面收缩率损失系数远小于母材试样的，说明SRB+IOB对于焊缝试样的SCC敏感性影响更大，使其SCC敏感性显著降低。由此可知，SRB+IOB对X100管线钢的SCC敏感性的影响主要集中在材料的塑性，对抗拉强度的影响不明显，其原因可能是SRB和IOB在试样基体表面附着，新陈代谢产生生物膜，生物膜与腐蚀产物结合形成一种结构复杂的、致密的复合膜，一定程度上可以阻隔腐蚀性阴离子接触基体表面，导致其SCC敏感性降低。根据以上分析可知，SRB+IOB的存在抑制了X100管线钢的脆变，导致其SCC敏感性降低。

表3 X100试样的应力腐蚀参数和结果

2.2 SSRT断口形貌分析

图4是X100管线钢母材试样在鹰潭土壤无菌和有菌(SRB+IOB)模拟溶液中的SSRT断口形貌。

图4 母材试样的SSRT断口形貌

从图4可以看出，无菌和有菌环境下的母材试样断口均出现了明显的颈缩现象，有菌环境下的断口颈缩程度明显大于无菌环境下的。无菌和有菌环境下的试样断裂面均为斜断口，与试样拉伸轴方向大致呈45°角。从断口微观形貌可以看出，在无菌环境下，断口中间区域韧窝较少且浅，局部表面平整无光泽，存在河流状花样，呈现脆性断裂特征，在断口两侧出现了大量的条纹状SCC裂纹，未发现明显的二次裂纹。因此，断口为韧性+脆性混合型断口，无菌环境下的母材试样具有较高的SCC敏感性。在有菌环境下，断口形貌以韧窝为主，并且断口中间区域的韧窝明显比边缘区域的更多更大，在断口两侧出现了少量的条纹状SCC裂纹，裂纹间局部分布着少量微孔洞，呈现韧性+脆性混合特征，未发现明显的二次裂纹。这说明X100管线钢母材试样在有菌环境下的SCC敏感性明显低于无菌环境的，SRB+IOB的存在导致其SCC敏感性降低。

图5是X100管线钢焊缝试样在鹰潭土壤无菌和有菌(SRB+IOB)模拟溶液中的SSRT断口形貌。

图5 焊缝试样的SSRT断口形貌

从图5可以看出，无菌和有菌环境下的焊缝试样断裂面均为斜断口，与拉伸轴方向大致呈45°角，有菌环境下的断口颈缩现象明显，无菌环境下的断口颈缩很小。从断口微观形貌可以看出，在无菌环境下，断口中间区域以扁平的韧窝为主，较小且浅，属于准解理形貌，呈现脆性断裂特征；断口边缘区域的韧窝比中间区域的更大更深，但数量较少，同时，局部韧窝间出现了明显的撕裂棱，呈现韧性+脆性混合特征，未发现明显的SCC裂纹，这说明X100管线钢焊缝试样在无菌环境下具有较高的SCC敏感性。在有菌环境下，断口中间区域以小韧窝为主，数量较多且深，局部存在微孔洞；断口边缘区域韧窝较大且深，未发现明显的SCC裂纹，这说明X100管线钢焊缝试样在有菌环境下的SCC敏感性明显低于无菌环境的，SRB+IOB的存在导致其SCC敏感性降低。

3 结 论

(1)SRB+IOB的存在抑制了X100管线钢的脆变，导致其SCC敏感性降低。其中，焊缝试样的SCC敏感性显著降低。同时，SRB+IOB对X100管线钢的SCC敏感性的影响主要集中在材料的塑性，对材料抗拉强度影响不大。

(2)X100管线钢母材和焊缝试样在鹰潭土壤无菌和有菌(SRB+IOB)模拟溶液中拉伸时，母材和焊缝断口在无菌环境下均为韧性+脆性混合型断口，呈现准解理形貌特征；在有菌环境下均为韧性断口，呈现韧窝形貌特征。同时，在无菌环境下，母材断口两侧出现了大量明显的SCC裂纹，但未发现明显的二次裂纹，SCC敏感性明显高于有菌环境。因此，SRB+IOB的存在导致X100管线钢母材和焊缝试样在鹰潭土壤模拟溶液中的SCC敏感性降低。