СПОСОБ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ К БИОЛОГИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ
PROCEDURE FOR COMPARATIVE EVALUATION OF STEEL RESISTANCE TO BIOLOGICAL CORROSION

Изобретение относится к исследованию сопротивляемости материалов коррозии и может быть использовано для сравнительной экспресс-оценки стойкости различных сталей и контроля качества изделий, например труб нефтяного сортамента, эксплуатирующихся в агрессивных средах и подверженных биологической коррозии.
Известен гравиметрический (весовой) способ оценки коррозионной стойкости сталей, согласно которому испытуемые образцы взвешивают, затем в течение определенного времени выдерживают в жидких биологически-активных средах, удаляют с образцов продукты коррозии, вновь взвешивают и по изменению массы образцов судят об их коррозионной стойкости [1, 2]. Однако для обеспечения достоверности результатов длительность испытаний по этому способу должна быть достаточно большой - не менее 7 суток, иногда месяца [3, 4, 5].
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа достоверной экспрессной экспериментальной оценки стойкости различных сталей к биологической коррозии.
Поставленная задача решается путем того, что в способе сравнительной оценки стойкости сталей к биологической коррозии образцы испытуемых сталей выдерживают не менее 24 часов в жидкой биологически-активной среде, затем образцы с образовавшейся на их поверхности биопленкой помещают в фиксирующий раствор, после чего промывают, обезвоживают, просушивают, напыляют углеродом и просматривают поверхности образцов под электронным микроскопом, подсчитывая количество адгезированных на них клеток, определяют плотность биопленки как количество адгезированных клеток на единицу площади и по этому параметру с учетом морфологии клеток, особенностей их роста и развития судят о стойкости испытуемых сталей к биологической коррозии.
Технический результат, получаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в следующем. Как известно, биологическая коррозия металлов наносит заметный ущерб различным видам оборудования в нефтегазовой промышленности, подземным коммуникациям, системам водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий, морскому и речному флоту, гидросооружениям. Данные различных исследований подтверждают, что более 80% коррозионных повреждений вызвано деятельностью микроорганизмов. При этом ключевую роль в развитии коррозионных процессов играет биологическая коррозия, вызываемая микробными ассоциациями, состоящими из различных таксономических групп бактерий. В настоящее время общепризнано, что коррозия металлов в присутствии бактерий определяется в первую очередь адгезированными на поверхности металла клетками. В процессе жизнедеятельности бактерии создают на поверхности металла биопленку, плотность которой с учетом морфологии и особенностей роста и развития этих клеток, как показали проведенные нами исследования, свидетельствует об инициации биологической коррозии и может быть использована в качестве показателя стойкости сталей к биологической коррозии. Заявленный способ позволяет осуществлять в короткие сроки ранжирование широкой номенклатуры сталей по стойкости к биологической коррозии - чем меньше плотность биопленки, тем выше стойкость стали к исследуемому виду коррозии.
Заявителю не известны источники информации, в которых были бы описаны способы оценки стойкости сталей к биологической коррозии с использованием данного показателя, что указывает на возможность считать предлагаемое техническое решение соответствующим критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Сущность заявляемого изобретения поясняется конкретным примером оценки стойкости сталей марок 15Х5М и 17Г1С к биологической коррозии, вызываемой, в частности, сульфатвосстанавливающими бактериями (СВБ).
Поверхности образцов из сталей выше указанных марок подготавливали в соответствии с ГОСТ 2789-73. Исследуемые образцы выдерживали в жидкой биологически-активной среде (жидкая питательная среда Постгейта «C», инокулированная музейным штаммом СВБ) в течение 24 часов при температуре 30°C. Анаэробные условия для развития СВБ создавали путем пропускания через среду газообразного азота. После выдержки в бактериальной среде образцы помещали на 4 часа в фиксирующий раствор с температурой +4-8°C. В качестве фиксирующего раствора был использован глутаральдегид (специально стабилизированный для электронной микроскопии) на какодилатном буфере, который поддерживает pH на определенном уровне при изменении температуры. Затем образцы промывали дистиллированной водой, обезвоживали в серии растворов вода-ацетон и ацетон-ксилол, просушивали и напыляли углеродом в вакуумном посту AKASHI. Поверхности образцов просматривали под растровым электронным микроскопом QUANTA INSPECT S. Применение растрового (сканирующего) электронного микроскопа дает возможность получить высокий контраст изображения поверхности объекта. Сканировали 10 полей зрения, выбранных с условием отсутствия явных артефактов (например, загрязнение поверхности сульфидом железа). Подсчет количества адгезированных клеток на каждом полученном изображении проводили с помощью специальной компьютерной программы. Плотность биопленки выражается в виде количества клеток на площади поля зрения микроскопа при кратности увеличения 3000 раз и за результат определения принимается среднее арифметическое значение 10 результатов по 10 полям зрения:
где
L - номер образца;
Li
N - количество адгезированных на поверхности образца L клеток в i-м поле зрения;
k - количество полей зрения.
Также проводили анализ полученных фотографий с учетом морфологии бактериальных клеток, особенностей их роста и развития. На фиг.1 представлена фотография поверхности образца стали марки 15Х5М. На фиг.2 представлена фотография поверхности образца стали марки 17Г1С.
Результаты испытаний приведены в таблице:
№ п/п
Марка стали
Среднее количество адгезированных клеток СВБ, шт/0,0009 мм<sup>2 </sup>(по 10 полям зрения при кратности увеличения 3000 раз)
Морфология бактериальных клеток, особенности их роста и развития
1
15Х5М
12
Присутствуют единичные клетки удлиненной формы, образовавшиеся в результате нерасхождения клеток при делении (стрессовые формы бактерий)
2
17Г1С
40
Присутствуют единичные клетки и микроколонии, покрытые полисахаридами и отложениями сульфида железа. Клетки виброидной формы, соответствующей культуральным признакам данного штамма СВБ
Как видно из приведенных данных, плотность биопленки, образовавшейся на поверхности образца из стали 15Х5М, в несколько раз меньше аналогичного показателя для образца из стали 17Г1С. При этом морфология бактериальных клеток, адгезированных на поверхности образца из стали 15Х5М, свидетельствует о неблагоприятных условиях для их роста и развития. Все указанное позволяет сделать однозначный вывод о том, что стойкость к биологической коррозии у образцов из стали 15Х5М выше, чем у образцов из стали 17Г1С.
Эти выводы хорошо согласуются с опубликованными данными других исследований [6, 7], указывающих на зависимость устойчивости сталей к биологической коррозии от потенциала питтингообразования этих сталей. Некоторые химические элементы, в частности хром, повышают потенциал питтингообразования сталей, увеличивая их стойкость. Марганец, напротив, достаточно сильно способствует понижению потенциала питтингообразования сталей, уменьшая их стойкость к биологической коррозии.
Таким образом, заявленный способ позволяет быстро и достаточно точно дать сравнительную оценку стойкости различных сталей к биологической коррозии.
Источники информации
1. Корякова М.Д., Чеботкевич Е.Г., Каплин Ю.М. О влиянии биологического фактора на коррозию металлов в морской воде. - Защита металлов, № 4, Т.26, 1990, с.652-656.
2. Фокин М.Н. и Жигалова К.А. Методы коррозионных испытаний металлов. М.: «Металлургия», 1986, с.1-17.
3. Жиглецова С.К., Родин В.Б., Кобелев B.C., Александрова Н.В., Расулова Г.Е., Холоденко В.П. Исследование начальных этапов биокоррозии стали. - Прикладная биохимия и микробиология, 2000, Т.36, № 6, с.637-641.
4. Коровин Ю.М., Леденев А.В., Лукашев Ю.Ф., Чжу В.П. Коррозионная стойкость и микрообрастание металлов в Центральной Атлантике. - Защита металлов, № 1, Т.27, 1991, с.92-101.
5. Борщевский A.M., Великанов Т.Д., Павловец Н.М. Влияние железоокисляющих бактерий на коррозию углеродистой стали в водопроводной воде г.Санкт-Петербурга. - Защита металлов, № 4, Т.30, 1994, с.364-368.
6. Андреюк Е.И., Козлова И.А. Литотрофные бактерии и микробиологическая коррозия. - Киев, «Наукова думка», 1977, с.107.
7. Ringas G., Robinson Е. Corrosion of stainless by sulfat-reducing bacterio-electro-chemical texhnigues. - Corrosion. USA. 1988, V.44, № 6, P.72.