海水环境中微生物协同作用对典型工程用钢腐蚀的影响

发布时间：2020-08-20 06:27

【摘要】：在海水环境中微生物会附着到海洋工程设施的表面并形成生物膜。在生物膜中多种微生物的共同作用下,海洋工程用钢的腐蚀过程会受到影响,表现出腐蚀受促进或抑制。因此,有必要对多种微生物协同作用下典型海洋工程用钢的腐蚀进行研究,揭示其腐蚀机理进而为腐蚀防护提供指导。本论文以典型海洋工程用钢为研究对象,通过实海实验、实验室模拟实验、好氧微生物与产氧微生物协同作用下的腐蚀实验,研究了其腐蚀行为;通过向基体中加入Cu元素,研究了其对微生物腐蚀(microbiologically influenced corrosion,MIC)的影响和抑制MIC的可行性;通过微生物群落分析、表面形貌观察、腐蚀产物分析和环境参数测定等方法对腐蚀机理进行了研究。主要结果如下:(1)揭示了实海环境下Cu元素的加入对系泊链钢的腐蚀速率和表面微生物多样性的影响。发现3种试样的腐蚀速率不同:R5级钢的平均腐蚀速率最小,为0.18?0.005 mm/a;较高Cu含量R6级钢的平均腐蚀速率次之,为0.24?0.01mm/a;低Cu含量R6级钢平均腐蚀速率最大,为0.34?0.005 mm/a。对试样表面的微生物群落结构进行分析后发现,Cu元素的加入使得两种R6级钢样品表面硫酸盐还原菌的相对丰度均明显升高,腐蚀加速被认为与硫酸盐还原菌的富集密切相关。(2)确定了实验室模拟实际海水条件下多种微生物对系泊链钢与碳钢腐蚀的影响规律,并解析了微生物影响的材料依赖性。在灭菌海水中,3种系泊链钢和碳钢的腐蚀行为接近,均为阴极氧去极化作用下的均匀腐蚀。在有菌海水中,微生物形成的生物膜一定程度上抑制了腐蚀的发生。但随着微生物数量的下降,腐蚀抑制作用减弱。Cu元素的加入使得两种R6级钢样品表面的微生物数量确实有所下降,但对腐蚀行为的影响不明显。碳钢由于表面发生了严重的点蚀,虽然前期腐蚀受到抑制,但最终平均腐蚀速率与无菌环境中相差不大。(3)揭示了聚球藻与假交替单胞菌对碳钢腐蚀的协同作用机制。在单独聚球藻体系中,聚球藻生长缓慢,溶解氧浓度和pH维持相对稳定,导致了碳钢腐蚀持续地发生。在混合体系中,实验前期由于保护性生物膜的形成和假交替单胞菌好氧呼吸作用消耗溶解氧,使碳钢的腐蚀受到抑制。到实验后期,由于假交替单胞菌的死亡、聚球藻的快速繁殖、溶解氧浓度增加和疏松多孔腐蚀产物的形成,腐蚀受到促进且腐蚀失重远大于单独聚球藻体系中的。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P755.3
【图文】：

生物膜,海洋工程,低合金钢

图 1.1 生物膜形成过程（Chambers LD，2006）Fig. 1.1 Schematic of biofilm formation (Chambers LD, 2006) 典型海洋工程用钢海洋工程用钢在使用时一方面需要满足海洋这个复杂又苛刻的环境的要一方面，还需要降低成本满足经济效益的要求。因此，海洋工程用钢一般有高性能的低合金钢。低合金钢指的是合金元素含量小于 3.5 %的钢（Ch，2009），其低廉的价格和优良的机械性能使其成为海洋工程用钢的首选环境下海洋工程用钢面临的第一个挑战就是海洋工程自身对强度的要求。构筑海洋平台的平台钢还是使平台系泊定位的系泊链钢，抑或是架设在海线钢，都需要具有较高的强度，目前使用的高强钢屈服强度都在 350 MP。而海洋环境中广泛存在的波浪、潮流和风暴等则要求低合金钢具有高韧

模型图,腐蚀机理,模型

图 1.2 SRB 腐蚀机理模型（Mori et al.，2010）Fig. 1.2 The model of corrosion mechanism induced by SRB (Mori et al., 2010)SRB 具有很强的促进腐蚀的能力，常见的 Q235 碳钢在 SRB 的作用下就会形成深度达到 5 m 的点蚀坑（Li et al.，2018），而 304 和 316 奥氏钢在 SRB 存在的情况下也会随着 FeS 腐蚀产物的形成而腐蚀敏感性Gonzalezetal.，1998；SantanaRodríguezetal.，2006）。双相不锈钢比单纯体不锈钢在海洋中具有更好的耐蚀性，但在 SRB 的作用下依然会发生缝Antonyetal.，2007）。Cu 由于其自身的毒性，在海水中一般认为不发生 M我们课题组前期研究发现 SRB 形成的胞外多聚物可以螯合环境中 Cu2+，可以包覆 SRB 细胞，使其依然可以加速 Cu 的腐蚀（Chenetal.，2014）。由于可以在其基体表面形成十分致密的氧化物保护膜，其腐蚀研究多集中

抑制腐蚀,生物膜

海洋环境中微生物协同作用对典型工程用钢腐蚀的影响 Schutz et al.（2015）的研究均证明了 IRB 在加速腐蚀方面的作用。但与，也报道指出 IRB 可以促进保护性腐蚀产物膜的形成，并进而抑制 X52 的腐蚀，使其腐蚀速率由 20 mm/a 降到 4 mm/a（AlAbbas et al.，2013）。al.（2015）的研究则发现在有磷酸盐存在的情况下，IRB 可以通过下面两保护性磷酸亚铁层的形成并抑制腐蚀的发生。FeO·Fe2O3+ 3HPO42 + 8H++ 2e → 3Fe(HPO4) + 4H2O …（1.3Fe(HPO4) → Fe3(PO4)2+ HPO42 + 2H+…（1.因此，Videla（1996a）认为 IRB 在 MIC 中的作用机理取决于溶液/生物膜表面界面处的具体情况及生物膜中具体种类 IRB 的生命活动。

【参考文献】