土壤环境硫酸盐还原菌与载荷协同效应下X80管线钢表面膜层纳米尺度行为及应力腐蚀开裂机理

X80 pipeline steel is widely used in oil and natural gas transportation field of the pipeline due to its excellent corrosion-resistance and high hardness. However, the complexity soil environment frequently leads to pipeline steel with corrosion cracking accidents. Microbiological corrosion problem in soil is more intense every day, especially sulfate-reducing bacteria (SRB). X80 steel will be selected as the research objective for this project. Three kinds of soil will be invoked as a research system, including Dagang, Shenyang and Yingtan. Among them, Dagang soil is alkaline, Shenyang soil is neutral, Guangzhou soil is acidic. The measurement equipment of stress corrosion electrochemical process with SRB will be established to research on the electrochemical behavior with the stress corrosion process together. Multilayer nanoscale behavior and Crack initiation mechanism of X80 steel will be investigated under the synergistic effect of SRB and load. The composition, microstructure and properties of different forms of multilayers on X80 steel surface will be studied. Electrochemical kinetics and thermodynamics laws of X80 steel multilayer In the process of stress corrosion crack initiation will be explored. A theoretical model of stress corrosion cracking after the surface film rupture of X80 steel in soil environment with SRB will be eventually established. The project is significant for the safe use of buried high strength pipeline steel in oil and gas storage and transportation engineering.

X80管线钢耐蚀性能好，硬度高，在石油天然气管道输送领域有着广泛的应用。然而土壤环境中微生物尤其是硫酸盐还原菌（SRB）所引起的管线腐蚀问题日益突出。本项目选取天然气输送用X80钢为研究对象，以碱性大港土壤、中性沈阳土壤、酸性广州土壤为研究体系，建立一套硫酸盐还原菌存在下的应力-电化学腐蚀测试装置及该体系下的研究方法，研究硫酸盐还原菌与载荷共同作用下X80管线钢表面膜层的纳米尺度行为和裂纹萌生机制。探明硫酸盐还原菌生长代谢各阶段X80钢表面膜层的组成结构与性能，揭示X80钢在应力腐蚀裂纹萌生过程中电极表面膜的电化学动力学和热力学规律，最终建立X80管线钢在含硫酸盐还原菌的典型土壤环境中表面膜破裂后的应力腐蚀开裂理论模型，为高强度埋地管线钢在我国油气储运行业中的安全服役提供科学的理论依据。

管道输送是国家能源行业的命脉，其安全运行更是国家重点关注的重大问题。在管道铺设过程中，考虑到管道的安全性和稳定性以及降低建设成本，大口径、高压力、大流量的油气输送高强度管线钢已经成为石油天然气行业发展的趋势。X80管线钢已经在西气东输二线、三线建设中大量使用。然而长输管道80%埋于地下，管线钢与土壤环境接触而引发的腐蚀问题日益严重。并且高强钢与低级别管线钢相比，虽然具有更高的低温韧性、强度、晶粒度和屈强比，可以适应更苛刻的气候条件，也可提高管线的输送能力，但是强度越高的钢材其晶粒度越大，基体的储存能越大，发生应力腐蚀开裂的机率就相对越高。大量研究发现，大多数管道外表面的剥离防腐层下都有硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，简称SRB）的存在，这种微生物导致管道腐蚀开裂的问题得到学者的关注。本项目研究了硫酸盐还原菌的动态生长代谢过程；研究了SRB不同生长周期下X80钢表面成膜时间及对金属腐蚀纳米尺度行为的影响，明确了SRB存在下不同形态表面膜的作用机制。研究了不同SRB生长阶段表面膜层下力学因素变化对X80钢应力腐蚀敏感性的影响规律，掌握了SRB存在下金属表面膜层与力学作用之间的关联性。研究了SRB与载荷协同效应对金属电极电位、裂纹形核电极反应、裂尖表面动力学规律的影响；分析了SRB在腐蚀产物膜中的形态与含量；探究了X80钢在应力腐蚀裂纹萌生过程中电极表面膜层的电化学反应过程，明确了此过程中的动力学参数变化规律以及硫酸盐还原菌与载荷协同效应下X80钢的应力腐蚀开裂行为，建立了X80钢在含硫酸盐还原菌土壤环境中的应力腐蚀开裂理论模型。本项目的完成，系统地认识了土壤环境中硫酸盐还原菌与载荷共存下的金属应力腐蚀开裂机理，丰富了材料微生物腐蚀理论，而且为有效地防止高强度管线微生物腐蚀开裂行为提供科学指导，为高强度埋地管线钢在硫酸盐还原菌环境中的安全使用以及建立工程适用的选材、设计与防护体系奠定理论基础。