阴极保护可以减缓在酸性土壤中焊接的X80钢的腐蚀（具体为锈蚀类型为D. vulgaris）

《Bioelectrochemistry》：Cathodic protection mitigates D. vulgaris corrosion of welded X80 steel in acidic soil

　　

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  焊接的X80钢在接种了腐蚀茵的土壤中非常容易发生局部腐蚀。
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  随着阴极保护（CP）电位的降低，焊接X80钢的腐蚀程度也会减轻。
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  CP电位通过影响D. vulgaris的代谢抑制了腐蚀坑的生长。

引言

管道作为关键的基础设施，促进了石油、天然气和其他重要能源资源的长距离有效运输。当前能源需求的增长推动了高强度管道钢（如X80钢）在地下网络中的大规模使用。然而，长期在复杂土壤环境中运行的管道极易发生腐蚀。在埋设管道面临的主要腐蚀风险中，微生物引起的腐蚀（MIC）是一个关键的腐蚀问题[1]。包括铁氧化菌（IOB）、硝酸盐还原菌（NRB）和硫酸盐还原菌（SRB）在内的微生物通过代谢活动产生腐蚀性代谢物，加速了金属管道的腐蚀失效[2]。SRB通常被认为是MIC的主要原因，并且在土壤环境中广泛存在[3],[4]。它们造成了巨大的经济损失，并对工业基础设施（包括石油和天然气管道、海洋结构和航空航天材料）构成了重大安全隐患[5],[6],[7]。先前的研究表明，SRB可以通过代谢MIC（M-MIC）和细胞外电子转移MIC（EET-MIC）加速腐蚀[8]。然而，现有研究表明，M-MIC并不是SRB导致管道钢失效的主要原因[9]。尽管确实存在一些由SRB代谢产生的生物H₂S引起的碳钢腐蚀（即M-MIC），但与EET-MIC相比可以忽略不计[10]。电活性生物膜从金属中提取电子，驱动了EET-MIC，这是描述金属生物腐蚀的关键机制[11],[12]。SRB的代谢活动可能与土壤的化学环境相互作用，从而影响管道钢的腐蚀行为。此外，据报道，在酸性土壤溶液中，SRB引起的腐蚀更为严重，会产生更深、更大的腐蚀坑[13]。尽管如此，关于SRB在土壤环境中，特别是在酸性土壤中引起的管道钢腐蚀机制的系统性和深入研究仍然不足。

MIC失效对焊接管道钢来说是一个特别严重的挑战。焊接接头基体（BM）、焊缝区（WZ）和热影响区（HAZ）内的微观结构不均匀性和残余应力使这些区域成为腐蚀敏感的部位。Deng等人[14]发现，由于微观结构的不同，WZ、粗晶HAZ（CGHAZ）和细晶HAZ（FGHAZ）的腐蚀都比BM更为严重。Li等人[15]观察到，WZ单独时具有优异的耐腐蚀性，但与BM结合时则会加速腐蚀速率，因为它充当了阳极。此外，在SRB的共同作用下，腐蚀可能会更加严重。Li等人[16]发现，SRB优先附着在CGHAZ的高能量区域，如晶界和位错密集区，从而促进了局部腐蚀。Wang等人[17]观察到SRB在X80钢焊接接头上的选择性腐蚀，增加核黄素的剂量会加剧这种效应。Bai等人[18]证明D. vulgaris通过与电化学的协同作用加速了焊接接头的腐蚀。现有研究证实焊接接头的不同区域在腐蚀敏感性上存在显著差异。SRB的存在通过选择性的附着和代谢活动进一步加剧了这种不均匀性。然而，对于X80钢焊接接头的腐蚀行为的全面理解仍然缺乏。

中国南部广泛分布着酸性红土，几条主要的天然气管道穿过这些地区。酸性红土被认为具有高度腐蚀性[19]，而在工程实践中，阴极保护（CP）是减轻埋设管道腐蚀的最关键措施[20]。有效的保护需要将施加的CP电位保持在一个适当的范围内，因此阐明CP对这些土壤条件下X80钢焊接接头SRB腐蚀行为的影响非常重要。本研究对此问题进行了彻底的调查。结果证实，在接种了腐蚀茵的酸性土壤溶液中，焊接X80钢的腐蚀比在无菌土壤溶液中更为严重。此外，更负的CP电位提高了焊接接头在无菌和接种了SRB的酸性土壤环境中的耐腐蚀性。这些结果为优化酸性红土中钢管道的CP方案提供了基础数据。

章节摘要

材料

本研究使用的焊接接头来自中国的一根退役X80钢管道。表1总结了其主要元素组成。在用4体积%的硝酸酒精进行蚀刻之前，样品通过研磨和抛光进行了机械处理。所得到的微观结构使用ZEISS Primotech光学显微镜（OM）进行了观察。显微硬度测试使用了HM-5L维氏压头，在4.9 N的负载下施加15秒。平均值

微观结构和硬度

图1显示了焊接接头的微观结构。BM、HAZ和WZ之间观察到了明显的微观结构差异。BM主要由均匀的多边形铁素体和颗粒状贝氏体组成（图1a）。HAZ由粗晶铁素体组成，这是由于焊接过程中的热循环造成的（图1b）。相比之下，WZ以细长的铁素体为特征（图1c）。维氏显微硬度测试显示，WZ的硬度为228.03 ± 5.59 HV

CP电位对焊接X80钢腐蚀行为的影响

从根本上说，阴极保护通过从外部电源提供电子来降低金属电位[34],[35]。从热力学的角度来看，施加阴极电位（-850、-950和-1050 mV）显著降低了阳极溶解的驱动力，因为样品的电位远低于其腐蚀电位。从动力学的角度来看，施加这些阴极电位抑制了阳极溶解反应（方程式4）

结论

本研究探讨了D. vulgaris在酸性土壤溶液中对焊接X80钢的腐蚀作用，并比较了无菌和接种了腐蚀茵的条件在不同阴极电位水平下的差异。我们总结主要结论如下：

(1) 无论酸性土壤溶液是无菌的还是接种了腐蚀茵的，BM和WZ的腐蚀程度都随着CP电位的降低而减轻。

(2) 在无菌的酸性土壤溶液中，WZ的耐腐蚀性高于BM。然而，SRB显著加速了

CRediT作者贡献声明

Tianle Qin：撰写——原始草稿，研究。Lin Liu：撰写——原始草稿，研究。Jianhua Wang：验证。Bicao Peng：方法论。Xing Cao：方法论。Yongli Huang：方法论。Boxin Wei：撰写——审阅与编辑。Tangqing Wu：撰写——审阅与编辑，验证，监督，方法论，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（编号52471096）的财政支持。

Tianle Qin|Lin Liu|Jianhua Wang|Bicao Peng|Xing Cao|Yongli Huang|Boxin Wei|Tangqing Wu