微生物腐蚀机理及对埋地管道腐蚀防护的影响_夏双辉

全面腐蚀控制２００５年第１９卷第３期１　引言微生物腐蚀（ＭＩＣ）是由细菌和真菌的存在及其活动所引起的腐蚀。

据相关调查研究表明，管道外部的腐蚀沉积有２７％与ＭＩＣ有关。

下面是有关微生物的一般描述：（１　）　个体微生物很小（从０．２微米长到几百微米，宽２～３微米），该特性使它们很容易进入缝隙及其它地方。

细菌和真菌可以生长成为宏观规模。

（２　）　菌是可移动的，他可以移居到适合其生存的环境或者离开不利于其生存的环境，也就是说移向食物表面而离开有毒的材料。

（３　）　菌具有对某种化学物质特定的接收功能，该功能使他们能够找到大量的食物源。

营养物质、尤其是有机营养物通常在大多数水环境中很短缺，但是表面包括金属，吸收这些物质后，会使这些营养物相对增加。

（４　）　微生物能够承受较大范围的温度变化（至少－１０～９９℃）、ｐＨ值变化（０～１０．５）及氧浓度的变化（０～１００％标准大气压）。

（５　）　它们以群体方式生长，这有助于个体间食物交叉供给，并使它们更可能在不利的环境中生存。

（６　）　它们繁殖得很快（据报告繁殖期约１８分钟）。

（７　）　个体细胞能够由水、风、动物、飞行物或其他手段广泛而迅速地扩散，因而在该群体中的某些细胞到达有利于其生存环境的可能性很大。

（８　）　许多微生物能够很快适应大量的不同营养源。

例如：荧光假单胞菌能够利用１００多种不同的化合物作为单一的碳源和能量，这些化合物包括糖脂类、乙醇、甲醇、有机酸及其它化合物。

（９　）　许多微生物形成胞外多糖物质（胶囊或黏物质层）。

产生的黏泥具有黏性，能捕捉有机物及垃圾（食物），阻止某些有毒物质（如：杀菌剂）或其他物质（缓蚀剂）的渗透，以及把细胞保持在营养液（大量流体）和这些物质扩散的界面之间。

（１０　） 许多细菌和真菌产生孢子，这些孢子对温度（有些甚至可以在沸点温度生存一小时以上）、酸、乙醇、杀虫剂、干燥、冷冻及许多其他不利的因素具有很强的抵抗能力。

这些孢子可以存活上百年并在遇到合适环境时迅速成长。

在自然环境中，存活与生长之间存在着不同。

微生物能够抵抗长期的饥饿和干燥，如果环境在潮湿与干燥之间交替变化，微生物可以在干旱期存活，在潮湿期生长。

（１１　）　微生物依靠对化学物质的降解能力或通过利用黏泥、细胞壁和细胞膜的防渗透能力的特性而具微生物腐蚀机理及对埋地管道腐蚀防护的影响夏双辉１ 戚明友１ 李建秀２（１、　合肥钢铁公司动力厂，合肥２３００１１；　２、西施兰联合企业有限公司，河南南阳４７３１００）摘 要：本文简要叙述了产生微生物腐蚀的几类菌落及相应腐蚀的机理，并叙述了微生物腐蚀与埋地管道所处的环境、表面涂层及辅加的阴极保护的相互影响关系，这对于从事埋地管道的防腐蚀研究和实施保护有一定的参考作用。

关键词：微生物腐蚀 埋地管道 沉积 阴极保护C o r r o s i o n M e c h a n i s m o f M I C a n d I n f l u e n c e s o n C o r r o s i o n a n d P r o t e c t i o no f U n d e r g r o u n d P i p e l i n eＸｉａ　Ｓｈｕａｎｇｈｕｉ１ Ｑｉ　Ｍｉｎｇｙｏｕ１ Ｌｉ　Ｊｉａｎｘｉｕ２（１．　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ　ｏｆ　Ｈｅｆｅｉ　Ｓｔｅｅｌ　ａｎｄ　Ｉｒｏｎ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｈｅｆｅｉ　２３００１１；２．　Ｓｉｓｌａｎ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ，　Ｎａｎｙａｎｇ４７３１００，Ｈｅｎａｎ　）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，　ｔｈｅｎ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，　ｃｏａｔｉｎｇｓａｎｄ　ｃａｔｈｏｄｉｃ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ａｎｄ　ＭＩＣ．　Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｔｏ　ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ＭＩＣ；　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ；　ｄｅｐｏｓｉｔｓ；　ｃａｔｈｏｄｉｃ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ全　面　腐　蚀　控　制T O T A L C O R R O S I O N C O N T R O L 第１９卷第３期２００５年６月Ｖｏｌ．１９ Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ． ２００５有对许多化学物质（抗生素、杀菌剂等等）的抵抗能力，这种抵抗力很容易通过变异或捕获质体（实质上是通过自然发生的细胞间的基因变换，即：自然界的基因工程）而获得。

２ 微生物腐蚀机理最严重的微生物腐蚀发生在有多种微生物共同存在的场合。

这些微生物包括金属氧化型细菌、硫酸盐还原菌（ＳＲＢ）、产酸菌（ＡＰＢ）及金属还原菌（ＭＲＢ），它们在生物膜内以复杂的方式相互作用。

微生物腐蚀不产生单一形式的局部腐蚀，相反，除产生电偶腐蚀和磨蚀腐蚀外，微生物腐蚀还会产生点蚀、缝隙腐蚀、沉积物腐蚀及选择性腐蚀。

在含氧条件下，细菌的主要作用是增加引发局部腐蚀的可能性，细菌能够形成产生点蚀和缝隙腐蚀的适宜条件。

一旦诱发局部腐蚀，细菌能维持连成一片的点／缝隙的合适条件（如：低氧），点蚀产生的速度可以是在含氧环境中通过真菌、在缺氧环境中通过某些细菌产生的有机酸来控制。

在缺氧还原条件下，当清除腐蚀产物时，可以观察到很强的微生物腐蚀（即：存在由滞流到流动和由缺氧到富氧的转变）。

下面简述碳钢微生物腐蚀机理。

２．１　硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌是一群不同的厌氧细菌，而这种细菌可以从各种不同的物质环境中分离出来。

如果生物膜内吸氧速度大于膜形成期间的氧扩散速度，则金属／生物膜界面就会产生缺氧情况，并为通过硫酸盐还原菌产生硫化物提供合适的条件。

产生缺氧条件所需的临界生物膜厚度取决于氧气的可获得性和呼吸速度，硫酸盐还原菌的聚集总是与水下硫酸盐的聚集有关。

尽管它们能够应变以适应ｐＨ值条件，但是合适的ｐＨ值范围应该是６～１２，硫酸盐还原菌生长在缺氧条件下的土壤、淡水或盐水中。

许多种硫酸盐还原菌已经被确认它们在结构和它们所代谢的物质方面是不同的，但它们都具有将某些有机物氧化为有机酸或通过无机硫酸盐的还原将二氧化碳还原为硫化物的能力。

在缺氧条件下，硫酸盐还原菌的代谢引起硫化物在金属表面附近的积累，当金属表面被生物膜覆盖时，硫化物在金属表面附近的浓度最高。

如果铁离子和硫化物离子都存在，硫化铁很快在碳钢上形成并覆盖其表面。

硫化铁的生成促进了阴极反应，电通道一旦形成，一个以低碳钢表面作为阳极的电偶就生成了，电子通过硫化铁传递。

在铁离子浓度低时，暂时附着的保护性硫化铁膜在钢表面形成，继而降低腐蚀速度。

２．２　酸的产生细菌和真菌都可产生有机酸，大多数硫酸盐还原菌群体代谢的最终产物是像乙酸这样的短链脂肪酸。

这种酸对碳钢具有很强的腐蚀性，而且当在一个菌落下或其他沉积物下集聚时会变得尤其具有侵蚀性。

氯的添加会加速这种的侵蚀，腐蚀产生的氯化物有很大体积且不稳定，常常从表面脱落。

其他细菌种类会产生侵蚀性无机酸，如Ｈ２ＳＯ４，土壤中的微生物可以产生高浓度的二氧化碳，二氧化碳溶解在地下水中，生成碳酸。

碳酸的溶液对碳钢具有很强的腐蚀性，并会导致全面腐蚀、点蚀及应力腐蚀破裂。

２．３　金属沉积微生物也能通过在金属表面形成充气浓差电池和固定微生物菌落下的阳极区来影响腐蚀。

常引起各种浓差充气电池的微生物是那些能够沉积铁和氧化锰的生物。

锰的氧化物、沉积与细胞的生长、有机碳的代谢有关。

还原态锰（Ｍｎ２＋）是可溶的，而氧化态的锰（Ｍｎ２Ｏ３，ＭｎＯＯＨ，　Ｍｎ３Ｏ４，ＭｎＯ２）是不可溶的。

由于微生物的作用，锰的氧化物沉积在埋地或浸水的材料上，这些材料包括金属、石头、玻璃、塑料，并会发生在具有１０×１０－９～２０×１０－９较低锰浓度的自然水域中。

对于阳极控制的低碳钢腐蚀，锰的氧化物会提高腐蚀电流。

对于具有大矿物表面积的生物矿化氧化物来说，这种电流是相当可观的。

假定有足够的电导率，锰的氧化物可以用作阴极，引起沉积物下产生缺氧阳极的腐蚀。

氧化铁细菌从松散的介质或基层上通过亚铁离子转化成橙红色的氧化铁或氢氧化铁包瘤。

铁沉积细菌是微氧性细菌，需要与其他细菌协同作用以维持其近似环境中的低氧条件。

电池的沉积物和金属离子产生氧浓差电池，这些电池有效地将氧气从沉积层下的区域排除，产生一系列作为单独或整体具有很强腐蚀性的环境。

在含氧环境中，沉积物下缺氧。

与大的、周围充氧的阴极相比，该区域便成为相对较小的阳极。

氧的阴极还原导致金属附近溶液ｐＨ增加，金属将在阳极点生成金属离子。

如果金属氢氧化物从热力学上溶液中是稳定相，金属离子将被水解生成Ｈ＋离子。

如果阴极点和阳极点相互分离，则阳极的ｐＨ值将会降低，而阴极的ｐＨ值将会升高。

阳极的ｐＨ值取决于特定的水解反应，除此以外，来自于电解质的Ｃｌ－离子将会转移到阳极以中和电荷，形成具有较强腐蚀性的金属氯化物。

在这些条件下，点蚀具有浓差充气腐蚀的一般特征，具有大阴极小阳极，并有酸和金属氯化物生成。

点蚀的引发取决于细菌附近矿物质的沉积，点蚀的扩散则不取决于生物活动，而取决于金属学。

２．４　金属还原异价铁及／或锰还原发生在几种微生物中，它们包括厌氧细菌和兼性需氧细菌。

缓蚀剂和筛选实验表明：Ｆｅ３＋和Ｍｎ４＋是有效的电子受体，这种受体在氧化还原能力方面类似于硝酸盐，并胜过如硫酸盐或二氧化碳这样的低电位电子受体。

与固体铁（Ｆｅ３＋）和锰（Ｍｎ４＋）氧化物直接接触的金属还原菌产生可溶性离子（Ｆｅ２＋　和Ｍｎ２＋）。

结果是表面产生氧化物的溶解和局部腐蚀。

３ 管道微生物腐蚀３．１　环境埋地管道的微生物腐蚀电位受养分、水及受电子能力控制。

回填材料中土壤的水分含量和细菌的数量比管道附近无翻动的土壤中要大。

沟道回填土没有原来的坚实，因此可有较多的水分渗入和增加氧气扩散。

厌氧细菌在浸水而密实的土壤中繁殖，温度和氧气浓度的交替变化将影响细菌群的生长。

尽管有许多关于埋地管道微生物腐蚀的机理，但大多数归结于硫酸盐还原菌和产酸菌的存在和活动。

一般来说，沙土地适合于产酸菌，黏土对两者都有利。

为了防止各种形式的腐蚀和破裂，使用了几种涂料，包括沥青、聚烯烃类、熔结环氧树脂（ＦＢＥ）。

管道通过外加电流阴极保护得到进一步保护，但微生物腐蚀仍然能在有这些防护措施的情况下发生。

３．２ 涂层由于现场测量和实验室试验的环境条件（如土壤湿度、微生物群、养分）不同，很难对涂料层的性能好坏做出比较。

由于管道表面不规则引起的土壤应力或缝隙，尤其是在纵焊缝或环焊缝处会在胶带涂层和管道表面间产生充满地下水的间隙，并可引发在脱落的涂层下产生腐蚀微电池的微生物。