The investigation of oil microbocenosis influence on the corrosion process of pipe steel

Full Text

Введение

Многочисленные исследования аварийных участков трубопроводов нефтяных месторождений Российской Федерации свидетельствуют о том, что одним из основных агентов коррозии труб является микробиом или консорциум микроорганизмов, представляющий собой живой компонент нефтяного микробоценоза, формирующегося на внутренней поверхности трубопроводов в процессе их эксплуатации [1, с. 133–148; 2, с. 42]. К бактериям нефтяного микробоценоза относят, как правило, четыре основные группы бактерий: углеводородокисляющие (УОБ), сульфатвосстанавливающие (СВБ), сероокисляющие, или тионовые (ТБ), и железоокисляющие бактерии (ЖБ) [3, с. 59–61; 4, с. 3–4; 5, с. 22; 6, с. 48; 7, с. 310]. Прикрепляясь к внутренней поверхности трубы в местах шероховатостей или поверхностных дефектов металла, бактерии в процессе жизнедеятельности выделяют коррозионные вещества (сероводород, углекислоту и др.), что приводит к возникновению или ускоренному росту уже образовавшегося локального повреждения [3, с. 61–105; 4, с. 4–7; 6, с. 49–50]. По понятным причинам натурные исследования микробозависимых процессов коррозии труб нефтепроводов затруднены, поэтому нами был использован метод моделирования нефтяного микробоценоза реальных месторождений в лабораторных условиях, который позволяет изучать все основные этапы процесса микробиологической коррозии на поверхности стали [8, с. 100–103; 9, с. 5–7].

Целью данной работы было изучение влияния бактерий нефтяного микробоценоза, выделенного из нефтепровода одного из месторождений северной части Самарской области, на процесс коррозии трубной стали марки 17Г1С, широко применяемой при производстве труб в Российской Федерации.

Объекты и методы исследований

Нефтяной консорциум бактерий (микробионт изучаемого микробоценоза) был выделен из продуктов коррозии, отобранных с внутренней поверхности трубы в области ее сквозного повреждения после эксплуатации на нефтяном месторождении в северной части Самарской области.

Накопительные культуры основных групп бактерий, составляющих микробионт нефтяного микробоценоза, получали внесением навески продуктов коррозии в жидкие элективные среды. СВБ культивировали на среде Постгейта «С» [10, с. 32] в анаэробных условиях, создаваемых пропусканием через среду газообразного азота [11, с. 4]. ТБ выращивали на среде Бейеринка [12, с. 35]. Для УОБ, окисляющих жидкие углеводороды, использовали среду Раймонда [13, с. 9] с внесением небольшого количества (не более 1%) стерильной нефти. Для выделения ЖБ применяли простую минеральную среду Вольфа [14, с. 207].

Идентификацию микроорганизмов проводили стандартными морфофизиологическими и биохимическими методами с использованием оптического микроскопа Olympus BX43. Таксономическую принадлежность микроорганизмов устанавливали по определителю бактерий Берджи [15].

Во флакон емкостью 100 см³ с модельной средой [9, с. 5] вносили смесь накопительных культур бактерий в количестве 10% от объема питательной среды. Первоначальное количество внесенных бактерий определяли методом серийных разведений [13, с. 13; 16, с. 15]. Эксперимент проводили в трехкратной повторности.

Образцы стали марки 17Г1С обезжиривали, стерилизовали, выдерживали в эксикаторе в течение суток, взвешивали на аналитических весах с точностью до четвертого знака и помещали во флакон с модельной средой. Перед испытанием изучаемые образцы стали прошли одинаковую пробоподготовку. Контрольные образцы для предварительной оценки приповерхностных дефектов, связанных с пробоподготовкой (наклепы, задиры, шероховатости), были исследованы методами электронной микроскопии на предмет отсутствия подобных дефектов.

Бактерии культивировали в термостатах при температуре +45°С в течение 100 суток. Затем образцы стали извлекали из флакона. Один образец фиксировали в глутаральдегиде на какодилатном буфере с последующим обезвоживанием в серии растворов вода-ацетон, ацетон-ксилол [17, с. 279] и исследовали поверхность на растровом электронном микроскопе (РЭМ). Кроме того, был проанализирован характер и размер локальных повреждений, а также элементный состав продуктов коррозии методом локального энергодисперсионного химического анализа и характеристического рентгеновского излучения. Два других варианта образцов использовали для биохимического анализа суспензии продуктов коррозии и определения скорости коррозии по ГОСТ 9.908-85 «Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости».

Потерю массы образца стали на единицу площади (скорость сплошной коррозии) выражали в толщине разрушенного металла в год и рассчитывали по формуле:

 

$C=\frac{V_c}{\gamma \times t}\times {10}^{-3}$

 

где С – толщина разрушенного металла в год, мм/год; V_C – среднее значение потерь массы двух образцов на единицу площади, г/м²; γ – плотность металла стали, г/см³, t – коэффициент пересчета времени испытания на год.

Скорость локальной питтинговой коррозии определяли микроскопически по максимальной глубине питтингов на поперечном шлифе при соответствующем увеличении.

Биохимический анализ коррозионных отложений включал определение белка по методу Лоури [18, с. 265–275], концентрации сероводорода методом Пахмайера [19, с. 454–458], дегидрогеназной активности – по реакции образования формазана [20, с. 61].

После извлечения образцов были сделаны посевы культуральной жидкости на элективные среды для определения количества бактерий каждой группы методом серийных разведений [13, с. 13; 16, с. 15].

Результаты и их обсуждение

Идентификация микроорганизмов, выделенных из продуктов коррозии, позволила установить родовую принадлежность культуры СВБ к спорообразующему роду Desulfotomaculum, ТБ – к роду Paracoccus, УОБ – к роду Pseudomonas и ЖБ – к роду Sphaerotilus [10, с. 18; 15].

Количество бактерий, первоначально внесенных в модельную среду, было достаточно большим (табл. 1). Титр наиболее коррозионно-опасных сульфатвосстанавливающих бактерий составил 10⁵ кл./см³.

 

Таблица 1 – Количество бактерий в модельной среде

Первоначальное количество бактерий, кл./см³				Количество бактерий после эксперимента, кл./см³
УОБ	СВБ	ТБ	ЖБ	УОБ	СВБ	ТБ	ЖБ
10–10²	10⁴–10⁵	10³–10⁴	10–10²	0	1–10	0	0

 

Несмотря на первоначально высокий титр бактерий, к концу эксперимента из культуральной жидкости были высеяны только СВБ в первом разведении, что соответствует количеству 1–10 клеток в 1 см³. Это может быть связано с высокой способностью к адгезии накопительных культур бактерий, которые обитали в условиях нефтяного микробоценоза на внутренней поверхности труб еще до начала эксперимента [21, с. 59].

Определение доли адгезированных бактерий в продуктах коррозии было затруднено ввиду их малого количества. Кроме того, обнаружение жизнеспособных бактерий в среде или твердом образце продуктов коррозии не всегда служит доказательством наличия микробиологически вызванной коррозии (MIC) на внутренней поверхности трубопроводов [22, с. 23]. Для подтверждения бактериального происхождения локальных повреждений был проведен биохимический анализ суспензии продуктов коррозии.

Биохимический анализ продуктов коррозии, отобранных с поверхности металлического образца, показал высокую массовую концентрацию белка и дегидрогеназы (табл. 2). Наличие ферментативной активности дегидрогеназы указывает на присутствие в коррозионных отложениях живых бактерий и служит одним из показателей коррозии (MIC), вызванной микроорганизмами внутренних поверхностей трубопроводов [22, с. 16].

 

Таблица 2 – Показатели бактериальной коррозии стали 17Г1С после выдержки образцов в среде нефтяного микробоценоза

Биохимические показатели*			Скорость коррозии, мм/год
Мас. конц. белка, мкг/см³	Мас. конц. сульфидов, мг/дм³	Мас. конц. ДГ-азы, мкг/см³	Сплошная коррозия*	Питтинговая коррозия
124,7 ± 59,9	296 ± 59,2	242,4 ± 109,1	0,33 ± 0,06	7,3

Примечание. * показатели точности методик (границы относительной погрешности при доверительной вероятности 0,95) соответствуют относительной расширенной неопределенности измерений при коэффициенте охвата k = 2.

 

Следует отметить, что небольшое количество СВБ в среде к концу эксперимента не коррелирует с высокой активностью адгезированных форм бактерий и наличием глубоких локальных повреждений. При мониторинге скорости коррозии нефтетрубопроводов для оценки степени участия бактериального фактора применяется показатель, отражающий зараженность попутно-добываемой воды СВБ [13, с. 11]. Учитывая вышесказанное, определение количества бактерий в среде не может быть достаточным показателем для оценки локальных процессов коррозии, происходящие на внутренней поверхности трубы.

На рис. 1 представлены снимки поверхности образца после выдержки в модельной среде нефтяного микробоценоза при различных увеличениях. Снимки свидетельствуют, что в процессе испытания на поверхности металла образовались рыхлые, неравномерно распределенные отложения. Клетки самих бактерий в этих отложениях не выявили.

 

Рисунок 1 – Рыхлые отложения на поверхности стали, образованные бактериями нефтяного микробоценоза. Кратность увеличения: а – ×100, б – ×500, в – ×5000

 

На рис. 2 представлен снимок продольного сечения образца изучаемой стали в упруго-отраженном излучении электронов. Отложения толщиной ~250 мкм имеют рыхлую и неоднородную морфологию (рис. 2: а, б), характерную для микробиологической коррозии [2, с. 44; 9, с. 6]. Локальный энергодисперсионный химический анализ, проведенный в характерных областях сечения (рис. 2: в), выявил присутствие в сечении соединений серы, оксидов железа и марганца. Наглядное распределение слоев с различным химическим составом дает исследование в характеристическом рентгеновском излучении, результаты которого представлены на рис. 3. Из рисунка следует, что слой с высоким содержанием серы расположен сверху, а под ним располагаются прослойки с оксидом железа и марганца. Кроме того, в слое продуктов коррозии присутствует кремний, как было выявлено ранее методом локального энергодисперсионного химического анализа (рис. 2: в). Подобное распределение элементов и состав слоев был ранее описан Е.А. Борисенковой [8, с. 100–103].

 

Рисунок 2 – Вид продуктов коррозии и локальных повреждений поверхности образца стали после испытания в среде бактерий нефтяного микробоценоза: а – продольное сечение увеличение ×250; б – продольное сечение увеличение ×1000; в – результаты локального энергодисперсионного химического анализа

 

Судя по морфологии и стехеометрическому составу продуктов коррозии в верхней области отложений можно предположить, что это смесь гидрооксидов железа (FeO(OH)) и сульфидов железа (FeS). Это объясняется механизмом формирования бугорка на поверхности образца металла [8, с. 101]. На начальном этапе ЖБ в процессе диссимиляции окисляют ионы железа (II), что приводит к отложению на поверхности образца нерастворимого гидроксида железа (III). Адгезированные на поверхности СВБ восстанавливают сульфаты до сероводорода, который может вступать в реакцию c гидроксидом железа с образованием сульфида железа. Кроме этого, внутри микробоценоза происходит синтрофное взаимодействие бактерий, когда продукты жизнедеятельности одних микроорганизмов служат необходимым энергетическим субстратом для активного роста других [23, с. 214]. Отсутствующие в модельной среде органические вещества, необходимые для СВБ, поставляют УОБ. Сульфиды, образованные СВБ, могут служить источником энергии для ТБ. ТБ образуют сульфаты, которые используются СВБ. В результате такой синтрофии процесс коррозии может протекать непрерывно, вызывая при этом значительное разрушение внутренней поверхности металла нефтяного трубопровода [4, с. 5–6].

Аэробные бактерии (УОБ, ЖБ и ТБ), потребляя кислород, создают под отложениями благоприятные анаэробные условия для развития СВБ. Об активной деятельности СВБ свидетельствует наличие серы (яркая область) в подповерхностном слое металла (рис. 3).

 

Рисунок 3 – Сечение бугорка, состоящего из продуктов коррозии, в характеристическом рентгеновском излучении железа, кислорода, серы, марганца, кремния и хлора

 

Биохимический анализ суспензии продуктов коррозии, снятых с поверхности образца металла, установил совместное наличие высокой концентрации сульфидов и дегидрогеназы бактерий (табл. 2), что подтверждает бактериальный характер повреждения. Полученные результаты хорошо согласуются с данными, описанными ранее в специальной литературе [3, с. 59; 4, с. 7].

Основная роль в коррозионном разрушении металла принадлежит СВБ [3, с. 62; 4, с. 36; 8, с. 103]. Существует два основных механизма воздействия СВБ на коррозию стали: водородное растрескивание и анодное растворение железа. В процессе сульфатредукции бактерии выделяют большое количество коррозионно-опасного агента сероводорода. Известно, что сероводород является мощным промотором наводороживания (водородной хрупкости) стали, что приводит к коррозионному растрескиванию. Согласно данным В.И. Вигдоровича [24, с. 101], поток диффузии водорода через стальную мембрану значительно возрастает в присутствии именно биогенного сероводорода. Образующиеся при взаимодействии сероводорода и ионов железа сульфиды снижают коррозионную стойкость стали за счет стимулирования анодного растворения железа. Согласно теории катодной деполяризации [3, с. 52], анодное растворение железа также может происходить при непосредственном поглощении бактериями атомного водорода с катода. Для осуществления такого механизма коррозии необходим фермент дегидрогеназа. В результате таких воздействий на поверхности стали образуются питтинги (глубокие точечные повреждения) и сквозные язвы (широкие углубления с кратерообразными краями), что ведет к порывам трубопроводов уже через 3–6 месяцев после ввода в эксплуатацию [4, с. 7].

Прикрепленные к поверхности стали бактерии, проявляющие дегидрогеназную активность, вызвали глубокие локальные повреждения в виде питтингов, обнаруженных под отложениями продуктов коррозии (рис. 3). Скорость локальной коррозии, определенная по максимальной глубине локальных повреждений, составила 7,3 мм/год. Учитывая, что в реальных промысловых условиях в транспортируемой среде содержатся химические коррозионно-активные компоненты (сероводород, углекислый газ, хлор и др.), локальная коррозия, вызванная наличием бактерий нефтяного микробоценоза, может приводить к возникновению сквозных дефектов труб и аварий.

Заключение

Бактерии нефтяного микробоценоза, выделенные с внутренней поверхности трубопровода на месторождении в северной части Самарской области, в ходе модельного эксперимента образуют на поверхности образца стали специфические отложения, под которыми происходит ее локальная коррозия. Количество бактерий в среде не коррелирует с активностью их адгезированных форм и наличием локальных повреждений на поверхности стали. Одновременное присутствие в продуктах коррозии, снятых с поверхности образца, сульфидов и фермента дегидрогеназы указывает на бактериальный характер повреждения. Скорость локальной коррозии под коррозионными отложениями может достигать 7,3 мм/год, что подтверждает активную роль бактерий нефтяных микробоценозов в разрушении нефтепроводов в Самарской области.

About the authors

Ekaterina Vyacheslavovna Nesterova

Samara National Research University

Author for correspondence.
Email: nevanest@yandex.ru

postgraduate student of Ecology, Botany and Nature Protection Department

Russian Federation, Samara

Ekaterina Aleksandrovna Borisenkova

Samara State Technical University

Email: rudri@yandex.ru

candidate of technical sciences, assistant of Metal Science, Powder Metallurgy and Nanomaterials Department

Russian Federation, Samara

Nataliya Vladimirovna Prokhorova

Samara National Research University

Email: prokhorova.55@mail.ru

doctor of biological sciences, professor of Ecology, Botany and Nature Protection Department

Russian Federation, Samara

References

Supplementary files