熱輸入和微生物對管線鋼焊接接頭腐蝕的共同影響非常重要，但卻常常被忽視。由于在一定線能量下焊接接頭的抗微生物腐蝕性能可以得到提高，因此通過調節線能量有望提高管線鋼焊接接頭的抗微生物腐蝕性能。近日，湘潭大學吳堂清教授團隊與國家管網集團、新加坡南洋理工大學合作，系統地研究了熱輸入對X80管線鋼焊接接頭SRB腐蝕的影響。結果證實了在無菌和接種環境中，熱輸入對提高焊接接頭的耐腐蝕性的有益效果，該結果發表在國際期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.10.034

【研究背景】

金屬腐蝕是自然界中廣泛存在的現象，全球每年因腐蝕造成的損失高達約4萬億美元，其中約20%歸因于微生物誘導腐蝕（MIC）。MIC是指微生物代謝及其代謝產物通過直接或間接的方式對金屬材料的腐蝕產生影響。在眾多基礎設施中，油氣管道系統尤其容易受到MIC的影響。

硫酸鹽還原菌（SRB）是最具腐蝕能力的微生物之一，被認為是引起MIC的主要微生物。X80鋼管道因其優異的強度和良好的韌性被廣泛應用于油氣運輸，而焊接是安裝長輸管道的主要方法。焊接接頭是管道鋼腐蝕的高發部位，焊接熱輸入是影響焊接接頭微觀結構和性能的主要因素，進而影響其腐蝕行為。目前對于熱輸入與微生物腐蝕相互作用的研究匱乏，深入探究熱輸入對X80 鋼管道焊接接頭微生物腐蝕的影響具有重要的理論和實際意義。

【核心內容】

該論文中系統研究了不同熱輸入條件下X80鋼焊接接頭在無菌和接種脫硫弧菌（硫酸鹽還原菌的一種，Desulfovibrio vulgaris，D. vulgaris）環境中的微生物腐蝕行為，重點關注熱輸入對焊接接頭微生物腐蝕抗力的影響。研究結果表明，熱輸入的增加能夠顯著改善焊接接頭的微生物腐蝕抗力，為油氣運輸管道的焊接參數優化提供了科學依據。

圖形摘要

【研究方法】

該實驗選用X80管道鋼作為基材進行全對接焊接，熱輸入水平為0.57kJ/mm、0.89kJ/mm和1.29kJ/mm。作者通過金相顯微鏡觀察焊接完成后樣品的微觀結構并選用D. vulgaris（CGMCC 1.5190）作為實驗菌株。樣品分別被浸泡于無菌和接種D. vulgaris的培養基中，并置于30±2°C的恒溫培養箱中培養14天。電化學工作站被用來定期測量電化學阻抗譜（EIS），利用SEM、EDS和XPS分析樣品腐蝕產物的形貌、成分和確定腐蝕產物的種類，并使用3D輪廓儀重建樣品表面腐蝕坑的形貌。

【研究結果】

① 焊接接頭微觀組織與硬度

X80鋼焊接接頭中基體（BM）主要由均勻分布的多邊形鐵素體和貝氏體組成，在焊接過程中熱影響區（HAZ）的奧氏體晶粒快速生長，冷卻后形成具有明顯先奧氏體邊界的粒狀貝氏體，焊縫區（WZ）細小的鐵素體為主，伴有針狀貝氏體結構。隨著熱輸入的增加，HAZ中貝氏體晶粒尺寸逐漸增大，WZ中貝氏體針狀結構的面積分數逐漸減小。X80鋼焊接接頭中BM的硬度最低而HAZ的硬度最高，隨著熱輸入的增加，HAZ和WZ的硬度值逐漸降低。

焊接接頭的微觀組織和硬度

② 浮游細胞生長曲線

在接種D. vulgaris的培養基中，浮游SRB細胞數量在實驗初期迅速增長，第2天達到最大值1.1×10¹¹ cell/mL，隨后急劇下降，第14天降至4.5×10? cell/mL，表明在實驗初期，培養基中的營養物質充足，促進了D. vulgaris細胞的快速繁殖，營養物質隨著實驗的進行被大量消耗，細胞生長受到抑制。

普通脫硫弧菌在接種培養基中的生長曲線

③ 焊接接頭腐蝕產物

無菌培養基中焊接接頭的各區域表面均形成了完整的腐蝕產物層，主要由Fe、O和C元素組成。在接種D. vulgaris的培養基中的樣品表面形成了致密的生物膜，腐蝕產物與D. vulgaris細胞相互重疊，腐蝕產物中額外檢測到了S元素，這主要和D. vulgaris的代謝活動有關。

在無菌介質中實驗14天后試樣表面腐蝕產物的SEM結果

在接種介質中實驗14天后試樣表面腐蝕產物的SEM結果

實驗14天后試樣表面腐蝕產物的高分辨率XPS光譜

④ 腐蝕形貌

在無菌培養基中，焊接接頭各區域主要表現為均勻腐蝕，HAZ表面的腐蝕最為嚴重，且隨著熱輸入的增加，HAZ和WZ表面的淺坑密度和直徑以及均勻腐蝕程度逐漸降低。在接種D. vulgaris的培養基中，各區域表面均出現了不同直徑的腐蝕坑，表現出局部腐蝕特征。HAZ表面的腐蝕坑數量和尺寸明顯少于WZ和BM表面，表明D. vulgaris細胞更傾向于在WZ和BM區域引發局部腐蝕。隨著熱輸入的增加，HAZ和WZ表面的腐蝕坑數量和直徑逐漸減少，尤其是熱輸入為1.29 kJ/mm時，HAZ表面僅受到輕微的點蝕。

焊接接頭在無菌介質中試驗14天后不同區域腐蝕形貌的SEM圖像

在接種介質中試驗14天后焊接接頭不同區域腐蝕形貌的SEM圖像

在無菌培養基中，HAZ表面的腐蝕坑最大深度始終高于WZ和BM表面，且隨著熱輸入的增加兩者表面的腐蝕坑最大深度逐漸降低。在接種D. vulgaris的培養基中，HAZ表面的腐蝕坑最大深度遠低于WZ和BM表面，證實了HAZ區域對局部腐蝕的敏感性較低。隨著熱輸入的增加，HAZ和WZ表面的腐蝕坑最大深度逐漸降低，表明熱輸入的增加有助于抑制局部腐蝕的發展。

在無菌介質中試驗14天后焊接接頭不同區域的3D形態

在接種培養基中實驗14天后的樣本的3D形態

無菌介質中焊接接頭不同區域的（a, c, e, g）Nyquist圖和（b, d, f, h）Bode圖，（a, b）3天，（c, d）5天，（e, f）7天和（g, h）14天

接種介質中焊接接頭不同區域（a, c, e, g）Nyquist圖和（b, d, f, h）Bode圖，（a, b）3天，（c, d）5天，（e, f）7天和（g, h）14天

【結論與展望】

該研究表明，熱輸入增加可降低X80鋼焊接接頭在無菌及脫硫弧菌環境下的一般腐蝕速率和局部腐蝕敏感性，且熱影響區（HAZ）的局部腐蝕在接種環境中減緩更顯著，證實了熱輸入對提升焊接接頭抗腐蝕性能的積極作用。未來可基于該實驗結果優化油氣管道焊接參數，并進一步探究復雜微生物環境下的腐蝕機制及熱輸入對他防腐手段的影響。