硫酸盐还原菌引起的局部腐蚀，既涉及界面反应与物质传输，也伴随金属表面几何形状的持续变化。蚀坑形成后产生的应力集中，又会反过来加快局部溶解。如何在同一计算过程中描述这些相互作用，是将微生物腐蚀研究用于结构损伤评估时需要解决的问题。

最近，牛津大学Sasa Kovacevic与Emilio Martínez-Pañeda在Corrosion Science发表的相关研究，建立了面向硫酸盐还原菌（SRB）腐蚀的相场反应–扩散模型。研究人员以已有浸泡试验的点蚀深度数据标定界面迁移率，随后分析晶粒尺度的腐蚀局部化、应力辅助缺陷扩展，以及牺牲阳极逐步消耗时海上风电单桩的损伤演变。其研究的重点是腐蚀形貌和缺陷深度如何演变，而不仅仅局限于平均腐蚀量。

▍论文信息

▍研究背景

SRB在厌氧环境中利用硫酸盐作为末端电子受体，其代谢过程可以与金属阳极溶解耦合。实际腐蚀界面同时受到菌体分布、局部供质和材料组织的影响。蚀坑形成后，几何凹陷引起的应力集中又可能加速坑底溶解，使损伤进一步局部化。只描述菌体活性或总失重的模型，难以给出这种界面形貌与力学响应的相互反馈。

本研究采用相场方法连续追踪金属与环境之间的界面，将微生物反应、传质和力学作用纳入界面演化方程，有效讨论了局部腐蚀从组织尺度向结构尺度延伸时的变化。

▍研究思路

模型采用生物催化阴极硫酸盐还原理论，将铁的阳极氧化与SRB介导的硫酸盐还原联系起来。在所采用的化学计量关系中，每还原1 mol硫酸盐对应4 mol铁的溶解。硫酸盐浓度是显式求解的变量，其在金属表面附近的消耗采用Monod型关系描述，并由体相扩散补给；Fe²⁺及硫化物物种则不单独求解。

相场变量φ在完整金属中取1，在腐蚀介质中取0，界面位置由0至1之间的连续过渡确定。局部塑性应变和静水应力通过提高界面迁移率来加快溶解。因此，腐蚀造成的形状变化会重新分配力学场，更新后的力学场又影响下一阶段的腐蚀速度（图1）。这一处理将生物膜简化为较薄的反应区，菌体密度和相关生物学参数采用有效常数。硫酸盐被视为限制微生物活性的主要底物，其他环境因素保持近似稳定。模型因而适用于硫酸盐还原及其净电化学效应主导的情形，生物膜生长、脱附和内部传质阻力在本次计算中并未考虑。

图1  SRB腐蚀机制与金属–环境弥散界面的模型表示。

▍主要结果

点蚀数据确定界面迁移的时间尺度

模型校准采用文献报道的钢试样厌氧浸泡数据。试验温度为20 ℃，溶液含0.5 mM硫酸盐，初始pH为7.0，试验中约为7.2；坑深测量覆盖15—150 d。采用L₀＝2.10 × 10⁻¹² m³·J⁻¹·s⁻¹后，计算较好地再现了点蚀深度随时间增加的总体趋势（图2）。在该参数组合下，硫酸盐扩散足以维持较充足的界面供应，腐蚀主要受界面反应及微生物动力学限制。

然而早期浸泡阶段仍存在偏差，未能描述浸泡初期的迟滞。实验中菌体附着、适应环境和生物膜形成需要时间，而模型从初始时刻即允许反应发生。这一偏差也界定了校准结果的含义：它支持给定条件下的腐蚀推进速率描述，尚不能验证生物膜形成阶段，也不能替代对后续组织和结构尺度算例的独立验证。

图2  文献实验点蚀深度与相场计算的对照。

硫酸盐消耗与补给决定腐蚀的控制环节

在校准所用参数下，扩散足以维持界面附近的硫酸盐供应，腐蚀主要受界面反应与生物动力学限制。敏感性分析显示，提高最大底物利用速率等参数会加快腐蚀，但反应增强也会加快硫酸盐消耗。两种作用的竞争决定了坑深能否持续增长。

单独提高有效生物膜密度时，这种竞争更为清楚。密度增至参考值的50倍后，计算坑深在早期仍接近参考曲线，较长时间后逐渐减速；进一步增至100倍，硫酸盐耗竭使坑深趋于平台（图3）。这是规定反应与供质条件下的参数分析，反映了从生物动力学控制向传质受限的转变，不能解释为真实生物膜随时间增厚的直接预测。

图3  微生物参数对点蚀深度的影响。

晶粒尺度异质性改变局部侵蚀，而非仅改变总体失重

作者分别构建平均晶粒尺寸为30、40和60 μm的模型，通过晶粒相关的界面迁移率表示取向引起的电化学差异。不施加载荷时，粗晶模型形成更深、更不规则的蚀坑，细晶模型的溶解则相对均匀（图4）。三种组织的总体失重接近，腐蚀前沿的最深位置却明显不同。

在平均晶粒尺寸40 μm的三维算例中，浸泡100天后局部点蚀深度相对均匀腐蚀可多推进约180 μm，并形成相互连通的复杂坑形。这里的组织由统计分配的电化学差异表示，并非由某一实测晶体学织构直接重建；结果反映的是所设异质性对腐蚀局部化的影响。

图4  晶粒相关电化学差异及不同平均晶粒尺寸下的腐蚀演化。

载荷放大缺陷尖端的溶解，改变晶粒尺寸效应

在相同腐蚀环境中，施加远场拉伸变形后，蚀坑会成为局部应力集中区。较低加载水平ε∞＝0.3εᵧ下，模型未出现裂纹形成；提高至0.5εᵧ后，局部塑性应变和静水应力升高，溶解向缺陷尖端集中，三种组织均在约40天后形成并扩展裂纹状缺陷。εᵧ为材料屈服应变。

此时晶粒尺寸的作用与无载荷点蚀不同：30 μm模型的缺陷扩展最快，60 μm模型最慢，而载荷对总体失重的影响相对有限（图5）。作者将这一差别与腐蚀前沿遇到低溶解速率晶粒时的受阻距离联系起来。该结果提示，在这些算例中，减轻无载荷点蚀与延缓受载缺陷扩展并不具有相同的组织依赖关系。

图5  不同组织与加载条件下的归一化失重和缺陷深度。

阴极保护的衰退通过局部电流影响缺陷增长

结构尺度算例中作者采用直径10 m、总长85.5 m的单桩，水下区域设置6圈Al–Zn–In牺牲阳极，每圈14支。计算区分了海水与海床中的电导率、微生物和扩散条件，并在海水区的阴极反应中计入氧还原。阴极保护计算覆盖25年，输出埋泥区及水下区三个代表位置的电流密度。

按所设阳极配置，初期腐蚀电流受到抑制；约15年后，靠近海床的下部阳极圈消耗使埋泥区率先出现保护衰退，水下区阳极约在22年后耗尽（图6）。将这些电流变化传入相场模型后，缺陷深度在有效保护阶段增长缓慢，随后随保护衰退而加快，受载条件下的点蚀向裂纹转变也被推迟（图7）。

图6  阴极保护条件下单桩表面电流密度的时空变化。

图7  有、无阴极保护时的缺陷深度预测。

▍文章亮点

1. 将SRB反应与移动腐蚀界面直接联系。硫酸盐消耗、扩散补给与界面迁移在同一模型中求解，可以追踪复杂坑形及溶解驱动的缺陷扩展，而不必预先规定腐蚀前沿的形状。

2. 区分总体材料损失与局部损伤。组织异质性和载荷对失重、点蚀深度及裂纹状缺陷的影响并不相同。模型使这些指标能够在同一组条件下比较，说明局部失效评价不能仅依赖平均腐蚀程度。

3. 把阴极保护的时间变化引入损伤计算。通过电流密度与界面迁移率的联系，将阳极逐步消耗造成的保护衰退传递给局部腐蚀模型，为比较不同位置的损伤进程提供了计算方法。

▍小结

该研究以硫酸盐还原菌介导的净电化学反应为基础，将硫酸盐的传输与消耗、腐蚀界面演化及力学作用耦合，并用已有点蚀深度数据标定界面迁移率。模拟表明，在所设组织与载荷条件下，细化晶粒可减轻无载荷点蚀，却可能加快受载缺陷扩展；总体失重相近并不意味着局部损伤相近。单桩算例显示，牺牲阳极阴极保护能够延缓损伤，但保护效果随阳极消耗而衰减。这些结果说明，局部腐蚀评价需要同时考察缺陷几何、应力与保护条件。

▍原文链接

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.114065