热输入和微生物对管线钢焊接接头腐蚀的共同影响非常重要，但却常常被忽视。由于在一定线能量下焊接接头的抗微生物腐蚀性能可以得到提高，因此通过调节线能量有望提高管线钢焊接接头的抗微生物腐蚀性能。近日，湘潭大学吴堂清教授团队与国家管网集团、新加坡南洋理工大学合作，系统地研究了热输入对X80管线钢焊接接头SRB腐蚀的影响。结果证实了在无菌和接种环境中，热输入对提高焊接接头的耐腐蚀性的有益效果，该结果发表在国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

文章链接：

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

【研究背景】

金属腐蚀是自然界中广泛存在的现象，全球每年因腐蚀造成的损失高达约4万亿美元，其中约20%归因于微生物诱导腐蚀（MIC）。MIC是指微生物代谢及其代谢产物通过直接或间接的方式对金属材料的腐蚀产生影响。在众多基础设施中，油气管道系统尤其容易受到MIC的影响。

硫酸盐还原菌（SRB）是最具腐蚀能力的微生物之一，被认为是引起MIC的主要微生物。X80钢管道因其优异的强度和良好的韧性被广泛应用于油气运输，而焊接是安装长输管道的主要方法。焊接接头是管道钢腐蚀的高发部位，焊接热输入是影响焊接接头微观结构和性能的主要因素，进而影响其腐蚀行为。目前对于热输入与微生物腐蚀相互作用的研究匮乏，深入探究热输入对X80 钢管道焊接接头微生物腐蚀的影响具有重要的理论和实际意义。

【核心内容】

该论文中系统研究了不同热输入条件下X80钢焊接接头在无菌和接种脱硫弧菌（硫酸盐还原菌的一种，Desulfovibrio vulgaris，D. vulgaris）环境中的微生物腐蚀行为，重点关注热输入对焊接接头微生物腐蚀抗力的影响。研究结果表明，热输入的增加能够显著改善焊接接头的微生物腐蚀抗力，为油气运输管道的焊接参数优化提供了科学依据。

图形摘要

【研究方法】

该实验选用X80管道钢作为基材进行全对接焊接，热输入水平为0.57kJ/mm、0.89kJ/mm和1.29kJ/mm。作者通过金相显微镜观察焊接完成后样品的微观结构并选用D. vulgaris（CGMCC 1.5190）作为实验菌株。样品分别被浸泡于无菌和接种D. vulgaris的培养基中，并置于30±2°C的恒温培养箱中培养14天。电化学工作站被用来定期测量电化学阻抗谱（EIS），利用SEM、EDS和XPS分析样品腐蚀产物的形貌、成分和确定腐蚀产物的种类，并使用3D轮廓仪重建样品表面腐蚀坑的形貌。

【研究结果】

① 焊接接头微观组织与硬度

X80钢焊接接头中基体（BM）主要由均匀分布的多边形铁素体和贝氏体组成，在焊接过程中热影响区（HAZ）的奥氏体晶粒快速生长，冷却后形成具有明显先奥氏体边界的粒状贝氏体，焊缝区（WZ）细小的铁素体为主，伴有针状贝氏体结构。随着热输入的增加，HAZ中贝氏体晶粒尺寸逐渐增大，WZ中贝氏体针状结构的面积分数逐渐减小。X80钢焊接接头中BM的硬度最低而HAZ的硬度最高，随着热输入的增加，HAZ和WZ的硬度值逐渐降低。

焊接接头的微观组织和硬度

② 浮游细胞生长曲线

在接种D. vulgaris的培养基中，浮游SRB细胞数量在实验初期迅速增长，第2天达到最大值1.1×10¹¹ cell/mL，随后急剧下降，第14天降至4.5×10⁷ cell/mL，表明在实验初期，培养基中的营养物质充足，促进了D. vulgaris细胞的快速繁殖，营养物质随着实验的进行被大量消耗，细胞生长受到抑制。

普通脱硫弧菌在接种培养基中的生长曲线

③ 焊接接头腐蚀产物

无菌培养基中焊接接头的各区域表面均形成了完整的腐蚀产物层，主要由Fe、O和C元素组成。在接种D. vulgaris的培养基中的样品表面形成了致密的生物膜，腐蚀产物与D. vulgaris细胞相互重叠，腐蚀产物中额外检测到了S元素，这主要和D. vulgaris的代谢活动有关。

在无菌介质中实验14天后试样表面腐蚀产物的SEM结果

在接种介质中实验14天后试样表面腐蚀产物的SEM结果

实验14天后试样表面腐蚀产物的高分辨率XPS光谱

④ 腐蚀形貌

在无菌培养基中，焊接接头各区域主要表现为均匀腐蚀，HAZ表面的腐蚀最为严重，且随着热输入的增加，HAZ和WZ表面的浅坑密度和直径以及均匀腐蚀程度逐渐降低。在接种D. vulgaris的培养基中，各区域表面均出现了不同直径的腐蚀坑，表现出局部腐蚀特征。HAZ表面的腐蚀坑数量和尺寸明显少于WZ和BM表面，表明D. vulgaris细胞更倾向于在WZ和BM区域引发局部腐蚀。随着热输入的增加，HAZ和WZ表面的腐蚀坑数量和直径逐渐减少，尤其是热输入为1.29 kJ/mm时，HAZ表面仅受到轻微的点蚀。

焊接接头在无菌介质中试验14天后不同区域腐蚀形貌的SEM图像

在接种介质中试验14天后焊接接头不同区域腐蚀形貌的SEM图像

在无菌培养基中，HAZ表面的腐蚀坑最大深度始终高于WZ和BM表面，且随着热输入的增加两者表面的腐蚀坑最大深度逐渐降低。在接种D. vulgaris的培养基中，HAZ表面的腐蚀坑最大深度远低于WZ和BM表面，证实了HAZ区域对局部腐蚀的敏感性较低。随着热输入的增加，HAZ和WZ表面的腐蚀坑最大深度逐渐降低，表明热输入的增加有助于抑制局部腐蚀的发展。

在无菌介质中试验14天后焊接接头不同区域的3D形态

在接种培养基中实验14天后的样本的3D形态

无菌介质中焊接接头不同区域的（a, c, e, g）Nyquist图和（b, d, f, h）Bode图，（a, b）3天，（c, d）5天，（e, f）7天和（g, h）14天

接种介质中焊接接头不同区域（a, c, e, g）Nyquist图和（b, d, f, h）Bode图，（a, b）3天，（c, d）5天，（e, f）7天和（g, h）14天

【结论与展望】

该研究表明，热输入增加可降低X80钢焊接接头在无菌及脱硫弧菌环境下的一般腐蚀速率和局部腐蚀敏感性，且热影响区（HAZ）的局部腐蚀在接种环境中减缓更显著，证实了热输入对提升焊接接头抗腐蚀性能的积极作用。未来可基于该实验结果优化油气管道焊接参数，并进一步探究复杂微生物环境下的腐蚀机制及热输入对他防腐手段的影响。