熱輸入和微生物對(duì)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(diào)節(jié)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(xué)吳堂清教授團(tuán)隊(duì)與國家管網(wǎng)集團(tuán)、新加坡南洋理工大學(xué)合作，系統(tǒng)地研究了熱輸入對(duì)X80管線鋼焊接接頭SRB腐蝕的影響。結(jié)果證實(shí)了在無菌和接種環(huán)境中，熱輸入對(duì)提高焊接接頭的耐腐蝕性的有益效果，該結(jié)果發(fā)表在國際期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。 【研究背景】 金屬腐蝕是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象，全球每年因腐蝕造成的損失高達(dá)約4萬億美元，其中約20%歸因于微生物誘導(dǎo)腐蝕（MIC）。MIC是指微生物代謝及其代謝產(chǎn)物通過直接或間接的方式對(duì)金屬材料的腐蝕產(chǎn)生影響。在眾多基礎(chǔ)設(shè)施中，油氣管道系統(tǒng)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(rèn)為是引起MIC的主要微生物。X80鋼管道因其優(yōu)異的強(qiáng)度和良好的韌性被廣泛應(yīng)用于油氣運(yùn)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(fā)部位，焊接熱輸入是影響焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)和性能的主要因素，進(jìn)而影響其腐蝕行為。目前對(duì)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(duì)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(shí)際意義。 【核心內(nèi)容】 該論文中系統(tǒng)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(huán)境中的微生物腐蝕行為，重點(diǎn)關(guān)注熱輸入對(duì)焊接接頭微生物腐蝕抗力的影響。研究結(jié)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(yùn)輸管道的焊接參數(shù)優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。 圖形摘要 【研究方法】 該實(shí)驗(yàn)選用X80管道鋼作為基材進(jìn)行全對(duì)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(jié)構(gòu)并選用D. vulgaris（CGMCC 1.5190）作為實(shí)驗(yàn)菌株。樣品分別被浸泡于無菌和接種D. vulgaris的培養(yǎng)基中，并置于30±2°C的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)14天。電化學(xué)工作站被用來定期測(cè)量電化學(xué)阻抗譜（EIS），利用SEM、EDS和XPS分析樣品腐蝕產(chǎn)物的形貌、成分和確定腐蝕產(chǎn)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(jié)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(qū)（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(qū)（WZ）細(xì)小的鐵素體為主，伴有針狀貝氏體結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)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(xì)胞生長曲線 在接種D. vulgaris的培養(yǎng)基中，浮游SRB細(xì)胞數(shù)量在實(shí)驗(yàn)初期迅速增長，第2天達(dá)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(shí)驗(yàn)初期，培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)充足，促進(jìn)了D. vulgaris細(xì)胞的快速繁殖，營養(yǎng)物質(zhì)隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行被大量消耗，細(xì)胞生長受到抑制。 普通脫硫弧菌在接種培養(yǎng)基中的生長曲線 ③ 焊接接頭腐蝕產(chǎn)物 無菌培養(yǎng)基中焊接接頭的各區(qū)域表面均形成了完整的腐蝕產(chǎn)物層，主要由Fe、O和C元素組成。在接種D. vulgaris的培養(yǎng)基中的樣品表面形成了致密的生物膜，腐蝕產(chǎn)物與D. vulgaris細(xì)胞相互重疊，腐蝕產(chǎn)物中額外檢測(cè)到了S元素，這主要和D. vulgaris的代謝活動(dòng)有關(guān)。 在無菌介質(zhì)中實(shí)驗(yàn)14天后試樣表面腐蝕產(chǎn)物的SEM結(jié)果 在接種介質(zhì)中實(shí)驗(yàn)14天后試樣表面腐蝕產(chǎn)物的SEM結(jié)果 實(shí)驗(yàn)14天后試樣表面腐蝕產(chǎn)物的高分辨率XPS光譜 ④ 腐蝕形貌 在無菌培養(yǎng)基中，焊接接頭各區(qū)域主要表現(xiàn)為均勻腐蝕，HAZ表面的腐蝕最為嚴(yán)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(yǎng)基中，各區(qū)域表面均出現(xiàn)了不同直徑的腐蝕坑，表現(xiàn)出局部腐蝕特征。HAZ表面的腐蝕坑數(shù)量和尺寸明顯少于WZ和BM表面，表明D. vulgaris細(xì)胞更傾向于在WZ和BM區(qū)域引發(fā)局部腐蝕。隨著熱輸入的增加，HAZ和WZ表面的腐蝕坑數(shù)量和直徑逐漸減少，尤其是熱輸入為1.29 kJ/mm時(shí)，HAZ表面僅受到輕微的點(diǎn)蝕。 焊接接頭在無菌介質(zhì)中試驗(yàn)14天后不同區(qū)域腐蝕形貌的SEM圖像 在接種介質(zhì)中試驗(yàn)14天后焊接接頭不同區(qū)域腐蝕形貌的SEM圖像 ⑤ 腐蝕深度及電化學(xué)行為 在無菌培養(yǎng)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(yǎng)基中，HAZ表面的腐蝕坑最大深度遠(yuǎn)低于WZ和BM表面，證實(shí)了HAZ區(qū)域?qū)植扛g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(fā)展。 在無菌介質(zhì)中試驗(yàn)14天后焊接接頭不同區(qū)域的3D形態(tài) 在接種培養(yǎng)基中實(shí)驗(yàn)14天后的樣本的3D形態(tài) 無菌介質(zhì)中焊接接頭不同區(qū)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(zhì)中焊接接頭不同區(qū)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(jié)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(huán)境下的一般腐蝕速率和局部腐蝕敏感性，且熱影響區(qū)（HAZ）的局部腐蝕在接種環(huán)境中減緩更顯著，證實(shí)了熱輸入對(duì)提升焊接接頭抗腐蝕性能的積極作用。未來可基于該實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化油氣管道焊接參數(shù)，并進(jìn)一步探究復(fù)雜微生物環(huán)境下的腐蝕機(jī)制及熱輸入對(duì)他防腐手段的影響。
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