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深海装备微生物腐蚀研究现状及发展趋势

2020-02-13 06:25:42 hualin 21

随着科技和经济的迅速发展,海洋经济已成为21世纪全球经济新的增长点,海洋领域的研究越来越多,尤其是深海领域,逐渐成为各国研究和竞争的热点,人类开始进入开发和利用深海海洋资源的新时代。开发利用深海海洋资源,深海装备的腐蚀问题不容忽视。深海装备由于腐蚀问题而导致结构破坏或材料失效的问题中,深海微生物腐蚀 (MIC)[1]约占问题总量的70%到80%,且与微生物相关的腐蚀失效和破坏已达到涉海材料总量的20%[2],每年因微生物引起的腐蚀损失至少为30亿美元[3],因此,深海装备微生物腐蚀的研究对于海洋资源和深海装备的开发利用具有现实意义,已成为一个广泛关注的问题[4],是今后腐蚀学科的重点研究问题之一。最早Garret[5]报道了海洋微生物参与金属腐蚀的有关研究,后续研究者开展了大量工作[6,7,8,9],为MIC的研究奠定了基础。20世纪60年代后,对MIC的腐蚀机理进行了广泛研究,有关非金属和金属材料在不同环境下的MIC研究也开始不断增多。然而,国内外对深海装备微生物腐蚀行为和腐蚀机制研究的公开报道较少,且研究技术和方法也存在很多不足和不确定因素,开展相关研究,探索其在深海环境中的腐蚀规律和防护方法,并建立其腐蚀数据库,不仅具有重要的应用价值,而且为深海装备的研发设计及其性能改善提供了强有力的支持。本文综述了深海装备微生物腐蚀的研究进展,主要从微生物腐蚀机制、腐蚀因素、研究方法和防护措施这几个方面展开分析和讨论,并对深海装备微生物腐蚀研究的发展趋势进行了展望。


1 深海装备微生物腐蚀机制

深海环境是一种高参数 (高压、低温、高温 (火山口和热液区))、无光合作用的生存环境[10],含有大量耐酸 (pH值<3)、耐碱 (pH值>10)、耐盐 (盐度>25 mo1/L)、耐高温 (120 ℃以上)、耐低温 (<0 ℃)、耐压 (>50 MPa) 等微生物群落。微生物腐蚀不是指其自身能够侵蚀金属或结构,而是其生命活动的结果直接或间接地影响腐蚀过程。深海环境恶劣,不同微生物各自的新陈代谢和发展机制都不同,并且深海装备材料的腐蚀行为与腐蚀机制也有所不同,同时深海微生物不易培养,试验难度大,因此目前有关深海微生物腐蚀机制的研究不多[11]。常见的深海微生物对深海装备腐蚀的影响机制主要有氧浓差电池机制、新陈代谢过程及产物腐蚀机制、去极化机制、阳极区固定机制、金属沉积菌作用腐蚀机制等。


在深海环境中,微生物中某些大分子物质首先附着在深海装备材料表面,然后才有微生物的吸附、代谢和繁殖,生成微生物膜,阻碍氧气向外扩散。在深海环境多种因素影响下,微生物膜的分布不是均匀完整的,而且微生物膜下材料表面会出现不均匀的物理和化学变化,使得微生物膜下材料表面空气难以到达的区域形成阳极,其周围空白区域或是微生物较少区域则形成阴极,致使氧浓差电池机制形成[10]。氧浓差电池腐蚀机制是由多个因素相互作用、相互影响而形成的,处于一种动态变化体系之中,并非某个因素单独作用而成。


深海微生物个体的新陈代谢活动会影响深海装备金属腐蚀过程。一方面,改变微观腐蚀机制。微生物新陈代谢会影响腐蚀的电化学过程,若微生物膜内呼吸活动的好氧速率大于氧的扩散速率,那么微生物膜与装备金属界面处缺氧,阴极腐蚀机制相应发生变化,反应过程可能转而消耗水或是厌氧微生物所产生的H2S[12,13]。附着在深海装备表面的微生物膜通常结构复杂、分布不均,虽然在某种意义上降低了均匀腐蚀速率,但加剧了局部腐蚀。另一方面,微生物代谢产物可能具有腐蚀性,加剧深海装备金属腐蚀过程。微生物的新陈代谢过程会产生一些具有腐蚀性的代谢产物,多以各种有机酸 (多是短链的脂肪酸,如醋酸) 或无机酸的形式存在[14],对腐蚀产生明显促进作用,还会产生非常强的硫化物等产物,加剧局部腐蚀[15]。


局部厌氧菌微生物的新陈代谢活动能够产生破坏性极强的硫化物等产物,使深海装备结构腐蚀加剧。在深海环境下,微生物腐蚀主要是硫酸盐还原菌SRB腐蚀[16],它是一类广泛存在于海水中的厌氧菌,对碳钢、不锈钢、铜镍合金等多种金属都会造成局部腐蚀。Castaneda等[17]研究了人造海水中SRB对碳钢的腐蚀行为,发现表面覆盖有SRB膜后,局部腐蚀速率提升,但是膜的不均匀性造成腐蚀活性位点放大;Duan[18]的研究表明,不锈钢覆盖有SRB膜时,增大了局部腐蚀;Rao等[19]研究了SRB对钛金属的腐蚀,发现它可以破坏金属表面的钝化膜,使金属表面出现局部蚀坑;Shalaby等[20]报道了铜镍合金在SRB存在条件下出现局部腐蚀。但是对SRB腐蚀机制的解释却不统一,主要有氢化酶阴极去极化机制、代谢产物去极化机制、化合物去极化机制、硫铁化合物和氢化酶去极化机制等。常见的主要去极化剂有硫化氢H2S、硫化铁FeS、磷化物等。


Kühr和VanderVlugt[21]首先提出了去极化机制,是关于氢化酶阴极去极化作用,认为SRB含有一种氢化酶,可以利用阴极产生的氢将硫酸盐还原成H2S,从而在腐蚀过程中发挥阴极去极化作用,加速腐蚀。代谢产物去极化机制一般有硫化氢和硫化亚铁去极化机制两种[22]。厌氧条件下,腐蚀速度会由于硫化氢的产生而加快,同时生成的硫化亚铁也会加速阳极反应。King等[23]的研究指出,微生物代谢产物中所含有的较高浓度的二价铁离子会对厌氧微生物引起的低碳钢腐蚀行为和腐蚀过程起促进作用。Iverson等[24]也提出了化合物去极化机制,认为SRB在厌氧环境下会产生磷化合物的代谢产物,然后与基体铁反应生成磷化铁,引起腐蚀。Little等[12,25]通过采用双区生物电池技术也发现了氢化酶的类似作用。另外,Miller等[26]提出了硫铁化合物和氢化酶同时去极化机制,认为SRB造成的腐蚀行为不仅是硫化氢作用所致,还与氢化酶的活性及其代谢产物有关。后来,又有研究者提出阳极区固定机制[27],认为微生物作用形成腐蚀电池,而大多数细菌 (通常以菌落形式生长) 都聚集在由细菌引起的腐蚀坑周围,使阳极区固定,造就了微生物腐蚀多以点蚀为主要存在方式。在深海无氧或低含氧的环境下可大量繁殖生长的SRB,其明显加速深海装备结构和材料的腐蚀,使深海航行装备、管线等发生局部腐蚀穿孔的现象,造成极大的损失。防止SRB带来的微生物腐蚀是一项开发深海资源迫切需要解决的问题,已成为生物科学和腐蚀科学共同关注的热点问题。


近年来,金属沉积菌 (Metal Deposition Bacteria) 致使的微生物腐蚀问题引起了研究者的广泛关注。Dickisen等[28]提出了关于细菌沉积金属氧化物的观点,认为球衣菌属、铁细菌属、纤毛菌属加速了金属的氧化,都是一些常见导致微生物腐蚀的铁氧化类属。天然海水金属沉积菌生物膜可以改变金属/生物膜界面环境,加速易钝化金属 (铝、镍基合金及不锈钢等) 腐蚀。


2 影响深海装备微生物腐蚀的环境因素

深海环境的特殊性和复杂性对微生物腐蚀过程具有重要影响作用。环境因素作用不同,微生物腐蚀过程也有所不同。影响深海微生物腐蚀过程的环境因素主要有盐度、pH值、流速、压力、温度等。


首先,深海环境中海水盐度约为3.5%,变化范围小,在整个深海环境下对装备结构的腐蚀可以视为一个常量。盐度对装备结构材料的腐蚀行为主要来源于氯离子的作用。如果海水盐度小于3%,则腐蚀速率会随盐度的增加而加快;若盐度大于3.5%,腐蚀速率则明显下降[29]。其次,pH值是电化学腐蚀过程的重要影响因素。深海环境的pH值相对稳定,一般位于7.4~8.2之间,对多数金属和合金的腐蚀过程没有显著影响,但镁铝合金会随着pH值的降低,其点蚀及缝隙腐蚀逐渐加强[30]。再次,流速在微生物腐蚀行为和腐蚀过程中也扮演着重要角色,其影响主要表现为对腐蚀过程的促进作用。虽然较大的流速会削弱腐蚀产物对材料表面的保护作用,加剧去极化剂溶解氧的过程,增加材料表面的冲蚀和磨蚀,但针对不同的材料,流速对其腐蚀行为也不相同,存在一定的差异。Wang等[31,32]研究了不同水流速度对海洋常用铝合金以及船体结构材料腐蚀的影响,发现Al-Mg系和AI-Mg-Mn系合金耐水流冲蚀的能力较强,可以与Cu-Ni合金媲美。在无电偶腐蚀作用时,LF5和2103铝合金的耐冲蚀能力最好。对于船体结构钢来说,Ni、Cr的加入可以减弱水流对钢的腐蚀,在高流速 (>4.5 m/s) 时更为明显。


深海环境的显著特点是压力大 (>50 MPa)。为了研究水压对腐蚀行为的作用,学者们普遍利用实验模拟装置,通过改变静水压力来测试不同材料体系的腐蚀行为和腐蚀过程。Liu等[33]和Yang等[34]研究了低合金钢在不同静水压力下的腐蚀行为,指出静水压力降低了低合金钢的耐蚀性能,但是不同钢种在表面形成的腐蚀产物也不尽相同。同时,静水压力加速了腐蚀速率,降低了点蚀形成概率。另外,对于不锈钢等钝性金属,静水压力则表现出完全不同的腐蚀行为。据相关实验研究分析指出,静水压力增强了氯离子的活性,降低了钝化膜的稳定性,加剧了点蚀速度[35,36,37,38]。然而,一些不锈钢在较高静水压力、较低温度和溶解氧浓度的条件下,腐蚀的速率还是相对很低[39,40]。静水压力等环境因素对不同种类不锈钢的腐蚀行为有不同的影响作用,具体的影响作用及腐蚀过程的演变还需进一步的研究和分析。另外,对于钛合金这种钝性金属来说,有关研究表明:钛合金Ti6Al4V在500~5100 m深度范围内进行实海挂片的过程中没有发生任何腐蚀,且对挂片的拉伸性能也没有任何影响[41]。同时,随着海洋深度的增大,钛合金Ti6Al4V在深海下的磨损率会迅速降低[42],其在深海化学/力学等多种作用下可以保持良好的耐磨/耐蚀性能,即使在环境更为恶劣的深海热液区,钛合金的腐蚀失重量也很小[43]。


另外,海水温度对深海装备的腐蚀行为和腐蚀过程的影响较为复杂。随着海水温度的升高,一方面,物理/化学过程的反应速度加快,腐蚀加速[13],例如Mclntire等[44]发现海水温度每升高10 ℃,Fe的腐蚀速度约增加一倍;另一方面,氧溶解浓度降低,腐蚀减弱。对于深海环境,除深海热液区外,海水温度相对稳定。从文献[45]可知,我国南海海域海水温度与海水深度的关系如图1所示,在海平面以下300 m左右的区域,海水温度变化较快,且易受不同季节洋流的影响;在水下500~2000 m区域,海水温度变化平缓,且趋于稳定;在深度大于2000 m的区域,海水温度基本保持在0~4 ℃之间。因此,在深海环境中,海水温度对深海装备的腐蚀影响较小。

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图1   中国南海海域海水温度和海水深度之间的作用规律[45]


与此同时,氧作为海水中重要的去极化剂,对海洋装备的微生物腐蚀过程具有重要影响。一般腐蚀速率会随着海水溶解氧浓度的升高而逐渐加大,但是由于同时受到其它海洋环境因素的影响 (深海环境主要表现为压力因素),不同金属表现出的腐蚀行为也不相同。低碳钢、马氏体时效钢和等温淬火球墨铸铁几种合金均在浅海 (氧充足) 区域腐蚀速率较高,在深海区域腐蚀速率较慢[46],深海中的溶解氧浓度能够满足维持金属表面钝态的要求[47,48]。当溶解氧和温度共同作用时,溶解氧浓度对腐蚀行为和腐蚀过程的影响作用更为明显[46]。


深海中不同环境因素之间相互影响,且易受到季节、气候、洋流、地形等诸多因素的交互作用,对深海装备结构和材料的应用环境进行深入了解和分析,开展微生物实海试验研究,实施实时监测,是掌握深海装备结构和材料在深海环境中的腐蚀行为及性能的一项必不可少的重要工作。


3 深海微生物腐蚀研究方法

由于深海环境的复杂性和特殊性,研究深海装备的微生物腐蚀行为和腐蚀过程不是一件简单的事情。深海装备微生物腐蚀的研究方法主要包括深海微生物的采集和培养技术、微生物腐蚀试验方法和微生物腐蚀检测技术等。


首先,深海微生物的采集和培养技术方面。由于深海微生物种类的多样性和特殊性,它们的采集和培养技术也具有广泛性和特殊性。以前从深海采集的微生物样品,需在常压和高压下分离、培养得到纯种微生物,但这种方法只能提取到深海微生物的一小部分物种。目前对这些微生物物种已采用微生物微量板技术、分子生物学技术、扫描电镜法、透射电镜法、光电子能谱法、电子衍射法、激光共聚焦法等技术来鉴定深海微生物种类[49],了解腐蚀产物、代谢产物等的类型及组成。其中,分子生物学技术可开展细菌的分子生物学研究,探究其附着机理,可得到新萄京娱乐网址2492777的生物多样性;扫描电镜技术可用不经脱水处理的生物样品直接进行观察,保持了样品的原有形貌,为深海微生物腐蚀的研究提供了强有力的技术手段,并且激光共聚焦技术可以在纳米水平上对微观形貌进行扫描和三维观察,可用于微生物腐蚀过程的原位分析,大大提高了对微生物腐蚀机理的认识。在深海微生物的培养方面,高压培养技术已经成熟,但是从前期的微生物采样到样品的保存、转移等过程中不能很好保持原位压强,这一困难尚未有很好的解决方案。目前日本、法国已成功研制深海微生物培养与检测设备[50,51,52]。虽然设备体型庞大、操作复杂,不适合小型机构开展深海极端环境模拟,但是它可以从6500 m水深的海底取样,使其存活,还可保障其顺利繁殖。国内哈尔滨工业大学也设计了一套地面模拟深海环境的微生物培养设备方案,其压力在0~60 MPa连续可控[53]。


其次,深海微生物腐蚀实验方法方面。深海微生物腐蚀实验方法主要有实海测试方法和实验模拟方法。实海测试方法可以最大限度的提供装备在深海海域可靠的腐蚀信息,但其不稳定因素 (例如洋流、地震海啸等) 较多,难以对特定环境因素进行控制和实时监测,不能准确得到特定环境因素对腐蚀行为的影响关系,只能定期观测装备的腐蚀形貌,得到的腐蚀信息有限,多为多强场耦合作用的结果信息。美、英等欧美发达国家在上世纪60年代到90年代已对不同材料的深海耐蚀性进行了一系列的实海试验,取得了宝贵的试验数据。在深海实海试验方面,美国最早进行了较为系统的研究工作[54]。在距加州怀尼美港西南150 km、海平面以下1829 m以及距怀尼美港以西139 km、海平面以下762 m的太平洋海底进行了多种材料的深海腐蚀试验,其中除了生物腐蚀试验研究外,还包括应力腐蚀、电偶腐蚀、焊接接头腐蚀、涂层腐蚀、腐蚀产物分析等,获得了很多实测数据[55,56]。1975年,前苏联在太平洋海域利用水文浮标研究了碳钢、不锈钢、铝合金等金属材料的平均腐蚀速率和局部腐蚀程度,涉及水深范围为10~5500 m,腐蚀时间为20 d和40 d[56]。同时,针对铝镁合金,英国研究了其在表层和深海中的腐蚀行为,为深海腐蚀材料的研究提供了支持[57]。到上世纪八、九十年代,挪威在北部大陆架也开展了深海腐蚀实海试验研究,并在北挪威海进行了材料深海阴极保护参数的试验研究,深度为100~1335 m[56]。到本世纪初,印度也在不同海域开展了大量的实海试验,研究了22种结构材料在深海海域的腐蚀行为,取得了大量试验数据[41,46,58,59,60]。我国于2008年首次开展了南海海域深海实海试验研究工作,涉及暴露试验、应力腐蚀试验、深海电位测量试验、深海微生物腐蚀试验等,取得了一定成果,为后续深海微生物腐蚀研究工作奠定了基础[61]。


实验模拟是一种有效的试验方法,不仅可以避免深海环境实海测试的高压、低温等困难,还可以对不同环境因素进行模拟和控制,同时进行实时监测,以此来模拟装备在真实深海环境中的腐蚀情况和深海微生物腐蚀过程。国内外学者在实验模拟方面开展了许多研究,主要通过搭建实验平台来模拟深海试验环境,以自行设计模拟深海实验设备为主,例如国外Cormet公司利用流动循环系统来搭建实验模拟平台,控制海水的温度、压力、溶解氧浓度等物理化学参数,所有实验参数均由计算机系统集成控制;Seyfried等[62]设计并制造了一套高温高压控制系统;Haljasmaa等[63]设计了一种可用来模拟深海环境中不同压力和温度下海水溶解的CO2数据的试验平台;美国Minnesota大学地质地球物理系研制了一套相对先进的深海极端环境模拟装置[64],可采用商业化控制阀技术实现微流量控制 (精度小于0.1 mL),压力可达45 MPa。


国内哈尔滨工程大学采用高压釜作为反应场所搭建了2套深海模拟实验平台,可控制压力和温度这两个深海腐蚀参数,但目前国内外尚无能够在高压水条件下精确测量深海溶解氧浓度的溶氧探头[65];中船重工725所研发了拥有自主知识产权的深海试验装备,可实现对高压釜内介质温度和压力的精确控制,但无法实时监测温度的变化,也无法控制和测量溶解氧浓度的变化;浙江大学研制了一套用来模拟深海生物生长环境的高温高压实验模拟平台,温度、压力和流速可调,并能添加微生物营养成分,最高压力可达60 MPa[66];哈尔滨工业大学提出了一个完整的地面模拟深海环境微生物培养设备的设计方案,探讨了高压密封、腐蚀防护、取样观察等关键技术[53];北京康科联新技术有限公司设计了一套用于模拟深海环境材料耐腐蚀性能的实验装置,可模拟深海低温高压环境[67];尹衍升等[68]研发了一套用于研究材料在深海热液区腐蚀行为的热腐蚀模拟装置,可准确模拟海底热液区温度和腐蚀环境,为海洋材料的开发提供依据。除此之外,中国科学院金属研究所、中国海洋大学、北京科技大学等也搭建了各自需求的深海实验模拟平台,都可以对温度和压力参数进行测量和控制,但都未涉及溶解氧浓度的精确测试问题[69]。深海环境实验模拟装置的设计和研究都还有很多不足,需要开展进一步的研究以提高实验模拟的稳定性和准确性。


最后,微生物腐蚀检测技术方面。深海微生物腐蚀涉及物理、化学、材料等多个研究领域,研究对象包含基体材料、电化学,需要采用电化学、微生物学、化学分析方法、表面分析方法等多种技术手段进行腐蚀行为及腐蚀过程的测试与分析。同时,也在设计不同的微电极和腐蚀原电池模型用于腐蚀过程研究[70]。


电化学方法研究深海装备微生物腐蚀主要是利用极化法、阻抗法、噪声法等间接或直接检测微生物膜引起的电化学参数的变化,了解微生物腐蚀的行为和过程。电化学极化是指电极反应过程速度由电化学步骤来控制的极化。在电化学极化技术中,依据极化曲线的变化趋势可以了解电极极化的程度,获得相应的电化学参数,从而分析微生物腐蚀程度和腐蚀行为。电化学阻抗谱 (EIS) 方法是电化学腐蚀检测的一种重要研究方法。它利用小幅度正弦波对测试系统进行扰动,获得系统反馈信息和响应结果,从而得到相关的电化学参数,是一种从频域获得被测信号的监测技术,可以在10-4~10-5 Hz频率范围内获得电极界面发生变化的动力学信息[71]。同时,依据电化学阻抗谱图 (Nyquist图和Bode图),可推测出各个状态参量对电极状态的影响,得到腐蚀体系的电化学参数信息。等效电路法是电化学阻抗谱分析的常用方法,通过建立等效电路获得各个界面的主要参数,并通过用相位角元件替代电极的双电层电容来避免“弥散效应”的发生。电化学阻抗谱技术应用的重要领域是金属腐蚀领域,通过测量阻抗谱可获得极化电阻 (与腐蚀电流大小成反比) 和界面电容 (反映腐蚀金属表面粗糙度变化、钝化膜的形成及破坏、腐蚀产物的形成等),还可揭示腐蚀行为和腐蚀过程的变化规律。Arzola-Peralta等[72]采用电化学阻抗谱技术研究了碳钢在不同浓度Na2SO4溶液中的腐蚀电流密度和腐蚀机理。Zhang等[73]利用局部电化学阻抗谱研究了Fe-Cr合金在几种不同pH值溶液中的腐蚀行为,其耐蚀性能随着溶液pH值的不同而不同。闫林娜等[74]用极化曲线和阻抗谱研究了304不锈钢在海水中的腐蚀行为,指出海水中的细菌对其的腐蚀起到促进作用,可诱导不锈钢点蚀的发生。随着科技的不断发展,电化学阻抗谱技术已经广泛应用到金属电沉积、合金电镀、半导体材料、生物传感器等领域,且已开发出模拟软件来辅助电化学阻抗谱解析,例如ZView、Equivcrt、EIS300等。电化学噪声 (EN) 是电极反应导致变量信号发生随机波动的现象,是在恒定电流下测量电极表面电流随时间的变化情况,是一种原位无损的检测方法。电化学噪声法是一种新颖的电化学研究方法,很多研究者都采用此方法对金属的局部腐蚀进行了研究和分析,例如Rios等[75]利用电化学噪声法研究浸泡在海水中钢材的腐蚀过程和腐蚀行为;Cai等[76]利用电化学噪声法获得了纯铝在氯化钠溶液中点蚀过程的噪声特征,与腐蚀形貌有很好的对应关系;Sakairi等[77]利用此技术研究了金属离子对浸在低浓度氯离子溶液中的铝合金的电偶腐蚀行为的作用关系。电化学噪声法在金属腐蚀领域有着广泛的应用,除此之外,还在微生物腐蚀机理、表面膜的动态特性、材料腐蚀速率等方面发挥着举足轻重的作用。


研究深海装备微生物腐蚀的微生物学技术方法包括利用微生物试验方法分离、培养、鉴定微生物的种类,运用生物学染色方法等观察分析微生物附着的形态特征,并开展微生物尤其是细菌的分子生物学研究,探究其附着机理;运用生物工程技术制备生物探针,评测微生物膜特征及性能;检测膜内腐蚀微生物,开展微生物间相互作用及其代谢产物的研究;运用生物化学方法分析菌株的生理特征及对防腐剂的抗性机理等。微生物学技术在微生物膜的探测和构成、表面附着机理及菌株抗性机理等方面发挥着重要作用,是探测技术进一步发展的重要技术手段


化学分析方法一般包括有机化学分析和无机化学分析,分析对象分别为材料基体和微生物腐蚀产物 (如硫酸盐还原菌腐蚀产物硫化氢和铁硫化物等)。无机化学分析虽然可以描述微生物的腐蚀水平,但还无法真正揭示微生物腐蚀的原因。另外,化学分析方法还涉及环境因素分析,例如酸碱度、盐度、溶氧量等。


表面分析方法是指利用电子、光子、离子、原子、电场、热能等与固体表面的相互作用,测量从表面散射的粒子的能谱、光谱、质谱、空间分布,得到表面结构、表面成分、表面物理化学过程等信息的各种技术的统称。它不仅可以观察到深海微生物腐蚀的表面形貌和腐蚀特征,还可以用于分析腐蚀产物的成分和表面膜特征,是研究深海微生物腐蚀的重要手段。


另外,扫描电镜、透射电镜、高效液相色谱仪、红外光谱仪、激光共聚焦显微镜、光电子能谱等,为分析微生物腐蚀表面形貌、腐蚀类型等提供了强大的技术支撑,成为研究微生物腐蚀行为和腐蚀机理强有力的手段,大大提高了对微生物腐蚀机理的认知[78]。


随着信息技术的快速发展和腐蚀监测仪器的广泛普及,微生物腐蚀监测技术逐步向实时在线监测技术方向发展,微生物腐蚀监测设备向更加的自动化、智能化、快速化发展,可针对不同腐蚀类型,快速实现腐蚀的动态实时监测、数据的存储和处理,提高监测效率,降低监测误差率,完善腐蚀监测系统性能及安全指数,为搭建完整的多功能腐蚀监测系统奠定了坚实的基础,为腐蚀监测信息的获得和评估提供强有力的技术支持。


4 深海装备微生物腐蚀的防护措施

在深海环境下,水下装备一般采用涂层保护、阴极保护或是对装备表面进行特殊工艺处理的方式来进行微生物腐蚀的防护。


涂层保护是指在装备的内外表面进行涂层保护,通过涂层的隔离作用来防止周围环境中的水、微生物及腐蚀介质进入,抑制电化学、化学反应,以达到防腐的目的。为了提高涂层保护的防腐效果,水下装备的表面性能和涂层属性在其中扮演着重要的角色。良好的表面和优质的涂层大大提高了深海装备的涂层保护效果,有效抑制了深海装备的微生物腐蚀。在深海环境下,由于压力很高,一般使用环氧沥青、喷塑、聚烯等涂层用于深海装备、管线防腐控制[79]。也可根据深海装备的操作工况,选择合适的涂层进行防腐保护,例如在高温 (大于110 ℃) 时,一般选用FBE/PP涂层进行腐蚀控制,而在70 ℃时一般选用PE或人造橡胶涂层。


阴极保护是一种控制金属电化学腐蚀的防护方法,可以有效地抑制深海装备碳钢及不锈钢的微生物腐蚀。采用阴极保护方法后,保护一旦停止,微生物附着引起的腐蚀将会对深海装备造成非常严重的后果。常用的阴极保护方法主要有牺牲阳极法和采用外部施加电流的阴极保护技术[80]。在海洋环境中,通常采用的阳极材料是铝-锌-铟的合金材料,会大大减弱海洋装备 (如船舶、潜艇等)、海洋设施等构筑物表面的腐蚀问题[79]。


对装备表面进行一定的特殊工艺处理也可以起到防腐的效果,例如加注缓蚀剂、合金表面氧化工艺等。通过采用加入缓蚀剂工艺,在深海装备表面形成稳定的保护膜,从而达到防腐的目的。这种加入缓蚀剂工艺需要确保缓蚀剂准确到达被保护位置并有足够的缓蚀剂量才能达到预期的减腐和防腐目的,常用的缓蚀剂主要是含氮有机物[81]。除了深海装备外,深海油气管道的一种重要防腐措施也是这种加注缓蚀剂法[82]。


对铝制或是铝合金制深海装备及其部件表面进行氧化工艺处理,也可以达到防腐的目的。这种工艺是通过增加装备表面的氧化膜来实现铝合金制的防腐效果,主要有化学氧化法和阳极氧化法两种[79,83]。化学氧化方法主要有磷酸盐-铬酸盐法、碱性铬酸盐法和磷酸锌成膜法等,而阳极氧化法主要是采用硫酸法、铬酸法和草酸法等工艺。另外,对于铝制或是铝合金制深海装备及其部件采用一定的热处理工艺也可以达到防腐的目的。


5 结语与展望

近些年,深海领域的研究逐渐成为各国研究竞争的热点,尤其是深海微生物的研究。在深海恶劣环境下对深海微生物腐蚀的研究,不仅为深海装备结构和材料的微生物腐蚀提供依据,也为极端环境下维持深海装备的稳定性和可靠性提供资料。由于深海环境的苛刻条件,深海环境中的微生物腐蚀面临着多种因素的影响,研究比较复杂,具有很大的挑战性。


目前,虽然国内外学者已在深海实海试验和实验模拟试验研究中获得了大量的试验数据,但是有关深海微生物腐蚀的研究不多,深海环境模拟的方法和技术也尚有很多不确定因素和不足之处,还需大力开展深海微生物腐蚀方面的研究,以提高工程装备在深海极端环境下运行的稳定性。同时,应加强以应用为目的的深海装备微生物腐蚀性能研究,探索其在深海极端环境中的腐蚀规律和防护方法,为深海装备科学合理的应用提供重要保障;应注重实海试验和实验模拟试验的结合,有效地研究深海微生物腐蚀行为和腐蚀过程,建立深海微生物腐蚀数据库,为深海装备结构和材料的选用提供可靠依据,这也是今后深海环境腐蚀研究的重要方向;应有效共享相关学科的深海环境研究平台和资源,发挥学科专业优势,建立互惠互利、共赢的深海环境研究方法,加快深海环境微生物腐蚀研究步伐,为深海装备的设计应用、深海资源的开发利用、深海生态环境的探索提供强有力的技术支持和保障。