混合微生物与屈服应力协同作用下CP电位对X80管线钢腐蚀及氢渗透行为的影响机制

本研究针对阴极保护(CP)电位、混合微生物(SRB/NRB)及屈服应力多因素耦合下X80管线钢的腐蚀与氢渗透难题，通过恒载荷实验与氢渗透测试结合EBSD技术，揭示SRB通过代谢硫化物加剧点蚀(最大深度5.7μm)而NRB通过生物竞争抑制SRB腐蚀的机制，阐明低角度晶界(LAGB)促进位错富集氢原子(H0 )加速局部脆化的规律，为油气管道安全防护提供理论支撑。

　　

在能源输送领域，埋地管道如同城市的"血管"，其安全性关乎国计民生。然而这些钢铁"血管"长期面临土壤中微生物与应力腐蚀的双重威胁。近年来多起管道泄漏事故调查显示，阴极保护(CP)这一传统防腐手段在特定条件下竟会"反噬"——过负的CP电位(-1100 mV)反而促进氢原子(H⁰
)渗透，与硫酸盐还原菌(SRB)代谢产生的硫化物协同诱发应力腐蚀开裂(SCC)。更棘手的是，管道服役时承受的屈服应力会与微生物腐蚀产生复杂耦合效应，但关于硝酸盐还原菌(NRB)能否缓解这一过程的机制尚属空白。

针对这一难题，中国科学院金属研究所团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地构建了CP电位-混合微生物-屈服应力多因素耦合实验体系。研究采用恒载荷拉伸装置模拟管道应力状态，通过氢渗透电流检测量化氢扩散行为，结合电子背散射衍射(EBSD)解析微观组织演变。特别设计了SRB与NRB共培养体系，首次揭示生物竞争效应对氢渗透的影响规律。

Preparation of tensile specimen and hydrogen permeation specimen
研究选用API X80管线钢(屈服强度580MPa)加工标准试样，通过精细打磨消除表面加工痕迹。恒载荷实验施加80%屈服应力模拟管道实际受力状态，氢渗透测试采用双电解池法连续监测氢渗透电流密度。

Characterization of corrosion products
腐蚀产物分析显示：无菌对照组形成致密保护膜；SRB组产生松散絮状产物，点蚀深度达5.7μm；引入NRB后腐蚀产物分布更均匀，最大点蚀深度降至4.5μm。屈服应力通过破坏腐蚀产物膜完整性，使SRB组点蚀密度增加47%。

Effect of microorganisms, CP, and yield stress on hydrogen permeation in X80 steel
氢渗透实验发现SRB使氢渗透电流密度提升3倍，NRB可抑制31%的SRB促渗效应。EBSD分析表明屈服应力促使低角度晶界(LAGB)比例增加12%，位错密度升高导致H⁰
富集，形成氢脆敏感通道。

Conclusions
研究得出三大创新结论：其一，SRB代谢硫化物破坏钝化膜并促进阴极析氢，与屈服应力协同使点蚀深度增加68%；其二，NRB通过竞争电子供体抑制SRB活性，生物拮抗作用使氢渗透速率降低近1/3；其三，EBSD首次证实LAGB是H⁰
扩散的高速通道，位错缠结区氢浓度可达基体的5.2倍。该研究为优化管道CP参数提供了微生物-力学协同作用的理论框架，提出的NRB生物调控策略在四川某输气管道试点应用中使腐蚀速率降低40%。

讨论部分强调，传统CP标准仅考虑电化学参数而忽略微生物与应力的耦合效应是管道突发失效的主因。特别指出在-1100mV CP电位下，SRB存在时氢渗透通量超过HE临界值(0.12μg/cm²
/h)的警戒线。研究建立的"微生物-氢渗透-晶界特性"多尺度关联模型，为发展智能CP系统提供了生物标记物监测新思路。