【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在“碳達峰、碳中和”目標和氫能基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展的背景下，管線鋼被廣泛應(yīng)用于油氣與氫能等新能源輸送工程。然而，在服役環(huán)境中，材料不僅長期承受復(fù)雜的力學(xué)載荷，還同時受到環(huán)境介質(zhì)和微生物活動的共同作用，其中尤以硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria，SRB)誘發(fā)的微生物腐蝕問題最為突出，已成為威脅管道安全運行和服役壽命的關(guān)鍵影響因素之一。然而，長期以來SRB代謝活動引發(fā)的局部腐蝕、氫滲透以及力學(xué)性能退化之間如何相互耦合，其主導(dǎo)機理及隨服役條件演化的規(guī)律仍缺乏系統(tǒng)而清晰的認識。
 

　　近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心科研團隊聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)，系統(tǒng)揭示了SRB誘發(fā)高強管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂的微觀機理及其動態(tài)演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在腐蝕初期，SRB 通過代謝活動顯著加速鋼表面的局部陽極溶解，并促進氫的產(chǎn)生與滲透，從而協(xié)同提高材料的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。隨著腐蝕過程的推進，SRB代謝誘導(dǎo)在鋼表面形成富含F(xiàn)eS的生物腐蝕膜。研究進一步揭示，該膜層在應(yīng)力腐蝕過程中呈現(xiàn)出“雙重作用”：一方面，膜下腐蝕性和代謝產(chǎn)物的聚集以及其孔隙結(jié)構(gòu)會加劇局部腐蝕發(fā)展，為裂紋萌生提供應(yīng)力集中源；另一方面，在外加陰極保護條件下，該膜又憑借其特有的半導(dǎo)體特性顯著抑制氫在鋼中的吸附與擴散。電化學(xué)氫滲透實驗表明，隨著膜厚度增加，氫有效擴散系數(shù)和表觀氫濃度大幅降低，氫滲透阻抗因子顯著提升。力學(xué)試驗結(jié)果進一步證實，在陰極極化條件下，腐蝕產(chǎn)物膜能夠有效緩解氫脆，使應(yīng)力腐蝕開裂主導(dǎo)機制由氫脆向陽極溶解主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。該研究系統(tǒng)揭示了SRB生理代謝在應(yīng)力腐蝕開裂過程中的動態(tài)演變作用，厘清了微生物腐蝕、氫滲透與力學(xué)失效之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為科學(xué)評估管線鋼的長期服役安全性提供了機理依據(jù)，也為微生物環(huán)境中高強鋼結(jié)構(gòu)的防護策略設(shè)計提供了重要理論支撐。
 

　　該項研究成果以 Micromechanisms of stress corrosion cracking induced by sulfate-reducing bacteria in a high-strength low-alloy steel 為題，發(fā)表于Acta Materialia(305, 2026, 121846)，金屬所2022級博士生閆孟弟為論文第一作者，韋博鑫副研究員以及新加坡南洋理工大學(xué)Upadrasta Ramamurty教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金青年基金C類資助。

 

　　圖1. X80 鋼的微生物腐蝕行為：(a) 腐蝕速率；(b) 蝕坑深度的統(tǒng)計分析；(c) 最大點蝕坑的 SEM 形貌及對應(yīng)的三維表面輪廓。
 

　　圖2. 微生物腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋下 X80 鋼的氫滲透行為：(a) 在 −1.1 V vs. SCE 陰極極化條件下的氫滲透電流密度–時間曲線；(b) 有效氫擴散系數(shù)(Deff)；(c) 表觀氫濃度(Capp)。
 

　　圖3. 微生物腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋下 X80 鋼的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性測試結(jié)果：(a, c) 無陰極保護(CP)條件下 X80 鋼的應(yīng)力–應(yīng)變曲線及 SCC 敏感性；(b, d) 在 −1.1 V vs. SCE 陰極保護(CP)條件下 X80 鋼的應(yīng)力–應(yīng)變曲線及 SCC 敏感性。
 

圖4. 生物FeS膜在 SRB 環(huán)境中調(diào)控X80鋼應(yīng)力腐蝕開裂的機理示意圖。