鷹潭土壤模擬溶液中SRB+IOB對X100管線鋼SCC行為的影響*

孫福洋，楊 旭，李學(xué)順

(西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測院，陜西 西安 710065)

微生物腐蝕(Microbiologically Induced Corrosion，簡稱MIC)是指微生物生命活動直接或間接地引起金屬破壞所造成的腐蝕[1]。在石油工業(yè)中，大多數(shù)長輸油氣管道外表面的剝離涂層下均存在微生物腐蝕[2-3]。硫酸鹽還原菌(SRB)和鐵氧化菌(IOB)是導(dǎo)致管線鋼發(fā)生微生物腐蝕的主要因素，兩者的新陳代謝產(chǎn)物附著在埋地鋼制管道外表面，會改變其電化學(xué)特性，導(dǎo)致材料發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕(以點(diǎn)蝕為主)[4-5]。點(diǎn)蝕易誘發(fā)埋地長輸油氣管道發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking，簡稱SCC)，從而造成重大的突發(fā)性失效事故。SCC屬于一種失效速度很快的低應(yīng)力破壞形式，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，在土壤介質(zhì)中的管道的SCC裂紋大部分產(chǎn)生于基體表面的點(diǎn)蝕坑底部，SRB和IOB對管道微生物腐蝕的作用與SCC的發(fā)生密切相關(guān)[6-7]。目前，MIC和SCC已經(jīng)成為影響埋地長輸油氣管道長周期安全運(yùn)行的兩大主要因素。

為了了解和證實(shí)MIC和SCC的協(xié)同性和相關(guān)性，選取鷹潭土壤模擬溶液作為試驗(yàn)介質(zhì)，研究在國內(nèi)典型酸性土壤中SRB+IOB對X100管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂行為的影響，為“西氣東輸”工程中“西四線”、“西五線”X100管線鋼的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持與理論參考[8-9]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為X100管線鋼，抗拉強(qiáng)度為848 MPa，延伸率為24%，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：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%，余量為Fe。慢應(yīng)變速率拉伸(SSRT)試樣(母材試樣、焊縫試樣)取樣位置、尺寸及形狀如圖1和圖2所示。

圖1 X100管線鋼SSRT試樣取樣位置

圖2 X100管線鋼SSRT試樣尺寸及形狀

其中，焊縫試樣為手工電弧焊(SMAW)預(yù)制。試驗(yàn)前母材和焊縫試樣分別采用金相砂紙從320號逐級打磨至1200號以消除機(jī)加工劃痕，打磨后依次采用無水乙醇沖洗、丙酮除油，冷風(fēng)吹干待用。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)介質(zhì)根據(jù)鷹潭土壤的主要理化分析數(shù)據(jù)，由分析純化學(xué)試劑和去離子水配制而成。模擬溶液的具體成分見表1。溶液的pH值為4.0。

表1 模擬溶液的具體成分 ρ/(g·L-1)

試驗(yàn)所用SRB和IOB均采用富集培養(yǎng)方式。其中，SRB和IOB菌種培養(yǎng)基成分見表2。采用濃度為1 mol/L的NaOH溶液分別調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH值為7.2±0.2。試驗(yàn)前分別將培養(yǎng)好的SRB和IOB菌種放在30 ℃恒溫箱中進(jìn)行活化，接菌時(shí)將50 mL SRB和IOB菌種培養(yǎng)液接種到900 mL的土壤模擬溶液中，最終配制成試驗(yàn)所用有菌條件下的模擬溶液介質(zhì)。

表2 SRB和IOB菌種培養(yǎng)基的具體成分 ρ/(g·L-1)

1.3 測試表征

采用瑞格爾RGM-6050型微機(jī)控制慢應(yīng)變應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)分別對X100管線鋼母材和焊縫試樣進(jìn)行SSRT拉伸測試，應(yīng)變速率為1×10-6s-1，(參照GB/T 15970.7—2017《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)要求)。試驗(yàn)前通入氮?dú)? h進(jìn)行除氧，防止氧化。試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)立即將斷裂試樣取出，注意保護(hù)斷口的完整性。斷裂試樣先用超聲波振蕩清洗去除其表面附著的腐蝕產(chǎn)物，然后依次用無水乙醇脫水、丙酮除油，冷風(fēng)吹干待用。采用JSM-6390A型掃描電鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌，分析SRB+IOB的存在對X100管線鋼SCC敏感性的影響。

試樣拉斷后采用抗拉強(qiáng)度損失系數(shù)、延伸率損失系數(shù)和斷面收縮率損失系數(shù)評價(jià)X100管線鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的SCC敏感性。

2 結(jié)果與分析

2.1 SSRT應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

X100管線鋼母材和焊縫試樣在鷹潭土壤模擬溶液中的SSRT應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。不同試樣的應(yīng)力腐蝕參數(shù)和結(jié)果見表3。

圖3 X100試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3和表3可以看出，在無菌環(huán)境下，抗拉強(qiáng)度損失系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，延伸率損失系數(shù)最大降低了5.70%，斷面收縮率損失系數(shù)最大降低了28.89%。在有菌(SRB+IOB)環(huán)境下，抗拉強(qiáng)度損失系數(shù)均為正值，焊縫試樣的延伸率損失系數(shù)最大增加了33.69%，母材試樣的斷面收縮率損失系數(shù)最大降低了9.05%。母材和焊縫試樣在無菌環(huán)境下的斷面收縮率和延伸率基本上均小于其在有菌環(huán)境下的，因此，可以確定的是，母材和焊縫試樣在無菌環(huán)境中的SCC敏感性均大于其在有菌環(huán)境中的；另外，焊縫試樣在有菌環(huán)境下的延伸率損失系數(shù)為負(fù)值，且斷面收縮率損失系數(shù)遠(yuǎn)小于母材試樣的，說明SRB+IOB對于焊縫試樣的SCC敏感性影響更大，使其SCC敏感性顯著降低。由此可知，SRB+IOB對X100管線鋼的SCC敏感性的影響主要集中在材料的塑性，對抗拉強(qiáng)度的影響不明顯，其原因可能是SRB和IOB在試樣基體表面附著，新陳代謝產(chǎn)生生物膜，生物膜與腐蝕產(chǎn)物結(jié)合形成一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、致密的復(fù)合膜，一定程度上可以阻隔腐蝕性陰離子接觸基體表面，導(dǎo)致其SCC敏感性降低。根據(jù)以上分析可知，SRB+IOB的存在抑制了X100管線鋼的脆變，導(dǎo)致其SCC敏感性降低。

表3 X100試樣的應(yīng)力腐蝕參數(shù)和結(jié)果

2.2 SSRT斷口形貌分析

圖4是X100管線鋼母材試樣在鷹潭土壤無菌和有菌(SRB+IOB)模擬溶液中的SSRT斷口形貌。

圖4 母材試樣的SSRT斷口形貌

從圖4可以看出，無菌和有菌環(huán)境下的母材試樣斷口均出現(xiàn)了明顯的頸縮現(xiàn)象，有菌環(huán)境下的斷口頸縮程度明顯大于無菌環(huán)境下的。無菌和有菌環(huán)境下的試樣斷裂面均為斜斷口，與試樣拉伸軸方向大致呈45°角。從斷口微觀形貌可以看出，在無菌環(huán)境下，斷口中間區(qū)域韌窩較少且淺，局部表面平整無光澤，存在河流狀花樣，呈現(xiàn)脆性斷裂特征，在斷口兩側(cè)出現(xiàn)了大量的條紋狀SCC裂紋，未發(fā)現(xiàn)明顯的二次裂紋。因此，斷口為韌性+脆性混合型斷口，無菌環(huán)境下的母材試樣具有較高的SCC敏感性。在有菌環(huán)境下，斷口形貌以韌窩為主，并且斷口中間區(qū)域的韌窩明顯比邊緣區(qū)域的更多更大，在斷口兩側(cè)出現(xiàn)了少量的條紋狀SCC裂紋，裂紋間局部分布著少量微孔洞，呈現(xiàn)韌性+脆性混合特征，未發(fā)現(xiàn)明顯的二次裂紋。這說明X100管線鋼母材試樣在有菌環(huán)境下的SCC敏感性明顯低于無菌環(huán)境的，SRB+IOB的存在導(dǎo)致其SCC敏感性降低。

圖5是X100管線鋼焊縫試樣在鷹潭土壤無菌和有菌(SRB+IOB)模擬溶液中的SSRT斷口形貌。

圖5 焊縫試樣的SSRT斷口形貌

從圖5可以看出，無菌和有菌環(huán)境下的焊縫試樣斷裂面均為斜斷口，與拉伸軸方向大致呈45°角，有菌環(huán)境下的斷口頸縮現(xiàn)象明顯，無菌環(huán)境下的斷口頸縮很小。從斷口微觀形貌可以看出，在無菌環(huán)境下，斷口中間區(qū)域以扁平的韌窩為主，較小且淺，屬于準(zhǔn)解理形貌，呈現(xiàn)脆性斷裂特征；斷口邊緣區(qū)域的韌窩比中間區(qū)域的更大更深，但數(shù)量較少，同時(shí)，局部韌窩間出現(xiàn)了明顯的撕裂棱，呈現(xiàn)韌性+脆性混合特征，未發(fā)現(xiàn)明顯的SCC裂紋，這說明X100管線鋼焊縫試樣在無菌環(huán)境下具有較高的SCC敏感性。在有菌環(huán)境下，斷口中間區(qū)域以小韌窩為主，數(shù)量較多且深，局部存在微孔洞；斷口邊緣區(qū)域韌窩較大且深，未發(fā)現(xiàn)明顯的SCC裂紋，這說明X100管線鋼焊縫試樣在有菌環(huán)境下的SCC敏感性明顯低于無菌環(huán)境的，SRB+IOB的存在導(dǎo)致其SCC敏感性降低。

3 結(jié) 論

(1)SRB+IOB的存在抑制了X100管線鋼的脆變，導(dǎo)致其SCC敏感性降低。其中，焊縫試樣的SCC敏感性顯著降低。同時(shí)，SRB+IOB對X100管線鋼的SCC敏感性的影響主要集中在材料的塑性，對材料抗拉強(qiáng)度影響不大。

(2)X100管線鋼母材和焊縫試樣在鷹潭土壤無菌和有菌(SRB+IOB)模擬溶液中拉伸時(shí)，母材和焊縫斷口在無菌環(huán)境下均為韌性+脆性混合型斷口，呈現(xiàn)準(zhǔn)解理形貌特征；在有菌環(huán)境下均為韌性斷口，呈現(xiàn)韌窩形貌特征。同時(shí)，在無菌環(huán)境下，母材斷口兩側(cè)出現(xiàn)了大量明顯的SCC裂紋，但未發(fā)現(xiàn)明顯的二次裂紋，SCC敏感性明顯高于有菌環(huán)境。因此，SRB+IOB的存在導(dǎo)致X100管線鋼母材和焊縫試樣在鷹潭土壤模擬溶液中的SCC敏感性降低。