РОЛЬ ЦИАНОБАКТЕРИЙ В КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССАХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СТАЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 58

1 2 Ирина Евгеньевна Дубовик , Марина Юрьевна Шарипова , Виктория Александровна

Гафарова 3

1 2

, ФГБОУ ВО Башкирский государственный университет, Уфа, Россия, 3ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия

1 dubovikie@mail.ru http://orcid.ors/ 0000-0002-0832-6983 sharipovamy@mail.ru http://orcid.org 0000-0003-0907-5984 3 Gafarova.vika@bk.ru http://orcid.org/0000-0002-9793-2394

РОЛЬ ЦИАНОБАКТЕРИЙ В КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССАХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СТАЛЕЙ

Аннотация. Изучена биокоррозия и ее влияние на физико-механические свойства стали в разных средах под влиянием магнитного поля. Зафиксированы изменения свойств металла под влиянием корродирующих факторов и выявлен состав цианобактериальных пленок на образцах трубопроводных сталей при разных условиях. При намагничивании металла происходит угнетение цианобактерий и сопутствующих водорослей на поверхности его поверхности. Установлено отсутствие различия в проявлении биокоррозии по всему изученному почвенному разрезу при одинаковой временной экспозиции, в том числе и на образцах в условиях намагничивания.

Ключевые слова: биокоррозия, цианобактерии, водоросли, магнитное поле, сталь, твердость

1 12 Irina E. Dubovik , Marina Ju. Sharipova , Victoria A. Gafarova

12 Bashkir State University, Ufa, Russia

3 Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia

1 dubovikie@mail.ru http://orcid.ors/ 0000-0002-0832-6983

у

sharipovamy@mail.ru http://orcid.org/0000-0003-0907-5984 3 Gafarova.vika@bk.ru http://orcid.ors/0000-0002-9793-2394

ROLE OF CYANOBACTERIA IN CORROSION PROCESSES OF PIPELINE STEELS

Abstract. Biocorrosion and its influence on the physical and mechanical properties of steel in different media under the influence of a magnetic field have been studied. Changes in the properties of the metal under the influence of corrosive factors were recorded and the composition of cyanobacterial films on samples of pipeline steels under different conditions was revealed. The inhibition of cyanobacteria and related algae on the surface of its surface occurs when the metal is magnetized. It has been established that there is no difference in the manifestation of biocorrosion throughout the studied soil section with the same time exposure, including on samples under magnetization conditions.

Keywords: biocorrosion, cyanobacteria, algae, magnetic field, steel, hardness

Почвенная коррозия металла на сегодняшний день является одной из самых распространенных причин аварий подземных трубопроводов. В комплексной агрессивности по отношению к подземным сооружениям существенен вклад биокоррозионной активности микроорганизмов грунта. В Российской Федерации потери нефтяной промышленности по причине биокоррозии составляют до 2 % стоимости металлофонда. [1]. Металлические изделия являются объектами биодеструкции в 12,6 % случаев [7].

47

© Дубовик Е.И., Шарипова М.Ю., Гафарова А.В., 2022

Биокоррозия вызывается жизнедеятельностью различных микроорганизмов (водорослей, бактерий, дрожжей, грибов), которые используют металл как питательную среду или выделяют продукты, разрушающе действующие на металл. Микроорганизмы, находящиеся в водной среде и грунте, в состоянии спровоцировать серьезные коррозионные разрушения [4,5,7].

Действие микроорганизмов на металлы может происходить различно. Прежде всего, коррозию металлов могут вызывать агрессивные метаболиты микроорганизмов — минеральные и органические кислоты и основания, ферменты и другие. Они создают коррозионно-активную среду, в которой в присутствии воды протекает коррозия по обычным законам электрохимии. Колонии микроорганизмов могут создавать на поверхности металлов наросты и пленки мицелия или слизи, под которыми может развиваться язвенная (питтинговая) коррозия в результате разности электрических потенциалов на различных участках поверхности металла и ассимиляции ионов металлов самими микроорганизмами Локальная коррозия при ничтожных потерях металла может вызывать катастрофическое падение прочности и тяжелее поддается контролю [8].

Наиболее подвержены биологической коррозии трубопроводы, резервуары, сваи и иные подземные трубопроводы и конструкции. Актуальными являются исследования механизмов, описывающих формирование биокоррозии металлов, используемых в нефтегазовой отрасли. Почвенные цианобактерии и водоросли, являясь составной и активной частью почвы, также не могут не оказывать влияния на коррозию металлов.

Эти организмы, в большинстве характеризующиеся микроскопическими размерами, дают макроскопические разрастания, хорошо заметные невооруженным глазом. Часто именно цианобактерии выступают в роли детерминантов консорций [9], состоящих их сопутствующих водорослей, микромицетов и простейших.

В связи с этим, нами изучено влияние цианобактериально-водорослевых ценозов на коррозионные процессы стали 09Г2С, которая используется для изготовления магистральных трубопроводов в нефтегазовой промышленности.

Первым этапом явилось изучение изменения массы образцов стали 09Г2С с различным периодом выдержки в водной среде с цианобактериями. На втором этапе изучали биокоррозию в почве на различной глубине залегания методом твердометрии по наружной поверхности испытуемых образцов.

Для проведения эксперимента использовали плоские образцы из стали 09Г2С с рабочей длиной равной 150 мм, которые помещались в среду с дистиллированной водой и цианобактериями, и инкубировались в течение 7 и 14 суток. Цианобактерии представляли собой пленки, видимые невооруженным глазом. Состав пленок цианобактерий: Nostoc linckia (доминант), Phormidium variabile, Leptolyngbya foveolarum. Контроль - дистиллированная вода.

После контакта с микроорганизмами по истечении срока выдержки в жидкой среде образцы снова замерялись (степень коррозии оценивалась по изменению массы образцов), и сравнивали полученные значения (табл.1).

Также проводили эксперименты по изучению влияния биокоррозии на

механические характеристики трубопровода, на сталь методом твердометрии по наружной поверхности испытуемых образцов после выдержки в почве. В качестве объекта исследований использовался фрагмент бесшовной горячедеформированной трубы (ГОСТ 32528-2013) из стали 09Г2С в состоянии поставки диаметром 108 мм и толщиной стенки 4 мм. При изготовлении образцов трубу нарезали на кольца длиной 10 мм и маркировали, а чтобы исключить попадание почвы на внутреннюю поверхность образцы с двух сторон герметично закрывались заглушками.

Поскольку при дефектоскопии труб происходит намагничивание, часть образцов труб подвергали воздействию магнитного поля, для чего проводилась установка прямоугольных магнитных стержней по периметру кольца изнутри. Для исследований были взяты неодимовые магниты. Класс магнита 70*5*5 - N 35, остаточная магнитная индукция - 117048

1220 мТ, коэрцитивная сила - 955 А/м, магнитная энергия -26-287 кДж/м3, сила на отрыв -7,04 кг.

Учитывая возможную неравномерность распределения микроорганизмов по глубине почвенного покрова, образцы были установлены на различной глубине 150, 300 и 600 мм в почве, и выдерживались в течение 30, 60 и 90 суток. Почва - серая лесная. После истечения заданного промежутка времени образцы извлекались из почвы для дальнейших исследований. Твердость металла определяли по окружности трубы с помощью твердомера Роквелла R574 по шкале НЯВ с шагом 14 мм.

Для изучения цианобактерий и водорослей, контактирующих с металлом, делали соскоб прокорродировавшего металла со стенок трубы, просматривали под микроскопом и проводили посев на агаризованную среду Громова № 6 [6] . Определяли их систематическую принадлежность обнаруженных цианобактенрий и водорослей и проводили анализ экобиоморф [6].

Полученные данные по изменению массы образцов стали показывают уменьшение данного параметра образцов во всех вариантах эксперимента. Максимальные потери стали наблюдались при выдерживании образцов в среде с цианобактериями в течение 14 суток, что свидетельствует об активном коррозионном процессе и влиянии на него прежде всего длительности выдержки в средах с микроорганизмами, вызывающими коррозию (табл1).

Таблица 1.

Изменения массы образцов стали_

Длительность выдержки образцов в среде, сут. Варианты Среднее значение начальной массы образцов, г Среднее значение массы образцов после выдержки в среде с цианобактериями Уменьшение массы

7 Жидкая среда 150,34 149,41 0,93±0,002

7 суспензия цианобактерий 159,67 158,84 0,97±0,002

14 суспензия цианобактерий 153,39 152,40 0,99±0,002

Проведенный эксперимент по изучению влияния биокоррозии на механические характеристики трубопровода на сталь методом твердометрии по наружной поверхности испытуемых образцов после выдержки в почве показал, что все образцы стали, помещенные в почвенную среду на разный срок, в большей или меньшей степени, подверглись коррозии. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что твердость фрагментов труб в состоянии поставки и образцов, выдержанных на различной глубине почвы в течение 30 суток, сходны по своим характеристикам (табл. 2). Тогда как, у образцов, выдержанных в течение 60 суток, намечается тенденция к снижению характеристик твердости (табл.2). Образцы, выдержанные в почве в течение 90 суток по полученным значениям твердости уступают исходному образцу, не подверженному коррозии. Таким образом, показано, что изученные глубины залегания образцов не влияет на твердость металла (табл.2). Характеристика твердости металла зависит от времени выдержки в почве, что связано с более длительным контактом поверхности металла с почвенной средой. Достоверных различий твердости образцов по Роквеллу в зависимости от глубины залегания не выявлено.

Таблица 2.

Твердость образцов, не подверженных воздействию магнитного поля

Номер образца Глубина залегания образцов в почве, см Длительность выдержки в почве, сут Среднее значение твердости по Роквеллу, HRB

Исходный - - 74,16

1 Поверхность 30 68,77

2 15 30 67,08

3 30 30 68,83

4 60 30 68.22

5 Поверхность 60 66,94

6 15 60 66,21

7 30 60 66,57

8 60 60 65,39

9 Поверхность 90 65,26

10 15 90 61,67

11 30 90 62,29

12 60 90 62,35

Параллельно были проведены измерения твердости металла под влиянием магнитного поля после выдержки образцов стали в почве в течение 30, 60, 90 суток на различной глубине залегания Средние значения твердости образцов стали под воздействие магнитного поля приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Твердость образцов, подверженных воздействию магнитного поля

Номер образца Глубина залегания образцов в почве, см Длительность выдержки в почве, сут Среднее значение твердости по Роквеллу, HRB

Исходный - - 74,37

1 Поверхность 30 70,98

2 15 30 71,47

3 30 30 72,74

4 60 30 72,13

5 Поверхность 60 68,79

6 15 60 68,98

7 30 60 68,17

8 60 60 67,40

9 Поверхность 90 65,49

10 15 90 65,95

11 30 90 63,42

12 60 90 62,63

Сравнивая средние значения твердости после намагничивания образцов (табл. 3) следует отметить, что глубина залегания и в этом случае не влияет на твердость металла. Характеристика твердости зависит от длительности выдержки в почве, что связано с более длительным контактом поверхности металла со средой с микроорганизмами.

Также отслеживается незначительное снижение твердости образцов без влияния магнитного поля по сравнению с образцами, на которых был установлен постоянный магнит. Особенно это проявлялось на небольших глубинах залегания образцов в почве, где обилие цианобактерий выше.

Цианобактерии и водоросли выявлялись по всему изученному почвенному разрезу. Всего обнаружено 27 видовых и внутривидовых таксонов фототрофных микроорганизмов, из них к отделу СуапоЬас1епа (Суапоргосагуо1а = СуапорЬу1а) относились 7 видов, СЫогорЬу1а - 11, ХапШорку1а и БасШагюрЬу1а 5 и 4 вида соответственно (табл. 4). Спектр экобиоморф СЬ8Б5Н4С4СР3Р2Х1ашрЬ1. Преобладают представители СИ - одноклеточные формы, виды различных систематических групп, хорошо переносящие различные неблагоприятные условия, широко распространенные в различных почвенных экосистемах.

Таблица 4

Состав цианобактерий и водорослей на поверхности металла

Виды цианобактерий и водорослей Эко-био-морфы 1* 1м** 2 2м 3 3м 4 4м

Chroococcus minor (Kützing) Nägeli C- 3*** 1 2 2 1 2

Phormidium variabile (Wille) Anagnostidis & Komarek amph 2 2 1 1

Leptolyngbya foveolarum (Gomont) Anagnostidis & Komarek P 3 3 2 3 1 1 2 1

Microcoleus autumnalis (Gomont) Strunecky, Komarek & J.R.Johansen . P 3 3 2

Nostoc microscopicum Carmichael ex Bornet & Flahault CF 2 2

Nostoc linckia Bornet ex Bornet & CF 3

Flahault

Stigonema ocellatum Thuret ex Bornet & Flahault CF 2

Ulothrix tenerrima (Kützing) Kützing H 2 2 1 1

Stichococcus bacillaris Nägeli Ch 2 2

Chlorococcum infusionum (Schrank) Meneghini Ch 3 3 2 3 2 2 2

Chlamydomonas gloeogama Korshikov C 3 3 1 2 1

Chlamydomonas intermedia Chodat C 2 3

Chlamydomonas globosa J.W.Snow C 3 3 1

Chlorella vulgaris Beijerinck Ch 2 2 1 1 3

Lobosphaera incisa (Reisigl) Karsten & al. Ch 1 2

Eubrownia aggregata (R.M.Brown & Bold) Shin Watanabe & L.A.Lewis X 2 2 2 3

Dictyochloris fragrans Vischer Ch 1 3 2 1

Dictyococcus varians Gerneck Ch 2

Botrydiopsis eriensis J.W.Snow Ch 2 2 2

Gloeobotrys chlorinus Pascher Ch 1

Chloropedia plana Pascher H 1

Tribonema monochloron Pascher & Geitler H 2 1 1

Xanthonema debile (Vischer) P.C.Silva H 2 2 2

Luticola mutica (Kützing) D.G.Mann B 3 2 3

Navicula oblonga (Kützing) Kützing B 2 2 2 3

Nitzschiapalea (Kützing) W.Smith B 2 1 3 1

Hantzschia amphioxys (Ehrenberg) Grunow B 3 3 1 1 1

Всего 22 13 14 10 12 5 9 5

*Примечание 1- поверхность, 2- глубина 15 см, 3- глубина 30 см, 4- глубина 60 см,

**Тоже с магнитом

***Обилие

Показано, что с увеличением глубины почвы видовой состав цианобактерий и водорослей несколько обедняется. На большую глубину проникают виды рода Chlamydomonas, Gloeоbotrys сМоппт, СМогососеит т/тюпит, ЬврШу^Ъуа /оуво1агит. В то же время необходимо отметить высокое обилие многих видов в достаточно глубоких слоях почвы (табл.4). Этим, по-видимому, можно объяснить отсутствие различия в проявлении биокоррозии по всему изученному почвенному разрезу при одинаковой временной экспозиции.

При прямом микроскопировании коррозионного материала обнаруживались цианобактерии Nostoc ¡тсИа, ЬврШу^Ъуа/оуво1агит и т.д., которые, разрастаясь, и образуя пленки в почве, создают условия для поселения в них других микроорганизмов. Таким образом, доказано участие цианобактерий и водорослей в коррозионных процессах стали.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Герасименко, А.А. Защита машин от биоповреждений / А. А. Герасименко. -М. : Машиностроение, 1984. - 113 с.

2. Дедов С.С., Емельянов В.В., Шатило С.П. О внутренней коррозии трубопроводов - причинах, механизме и способах защиты // Опыт, актуальные проблемы и перспективы развития нефтегазового комплекса: матер. международ. науч.- практ. конф.

52

обучающихся, аспирантов и ученых. Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2016. Т. 2. С. 130-140. 2.

3. Колесников, Н.Н. Биологическая корроия металлических конструкций и защита от нее / Н. Н. Колесникова, Ю. К. Луканина, А. В. Хватов, А. Н. Лихачев, А. А. Попов, Г. Е. Заиков, Х. С. Абзальдинов // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - № 1. - 170-174 с.

4. Нанзатоол, Ю.В. Биокоррозия объектов промышленных предприятий и методы защиты от нее / Ю.В. Нанзатоол, Н.В. Романькова, М.В. Трошина, Е.Г. Цублова Е.Г. Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2015. № 4 (12). С. 79-87.

5. Шадунц, К.Ш. Микробиологическое воздействие на подземные трубопроводы в подтопляемых лёссовых массивах/ К.Ш. Шадунц, Н.В. Воляник, Л.В. Передельский // Научный журнал КубГАУ - 2010. - №55(01)

6. Шарипова, М.Ю. Современные методы альгологии. [Текст]: монография / М.Ю. Шарипова, И.Е. Дубовик, Уфа: РИЦ БашГУ.2012.- 116 с.

7. Шаханова, С.С., Аманжолов, Ж.К. Анализ причин наружной коррозии нефтепроводов // Труды университета. 2015. № 2 (59). С. 152-154

8. Ягафарова, Г.Г.Предотвращение процессов биогенной коррозии магистральных трубопроводов /Г.Г. Ягафарова, Л.З. Рольник, Л.Р. Акчурина, А.Х. Сафаров, Л.А. Насырова Л.А. //Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов, 2020. № 5 (127) . С. 110-120

9. Dubovik, I.E. Macroscopical algal growths and concominanat micromycetes / I.E. Dubovik, N.A. Kireeva, Z.R.Zakirova, I.P. Klimina // International Journal on Algae. 2008. Т. 10. № 1. С. 42-49.

REFERENCES

1. Gerasimenko, A.A. Zashchita mashin ot biopovrezhdenij / A. A. Gerasimenko. - M. : Mashinostroenie, 1984. - 113 s.

2. Dedov S.S., Emel'yanov V.V., SHatilo S.P. O vnutrennej korrozii truboprovodov -prichinah, mekhanizme i sposobah zashchity // Opyt, aktual'nye problemy i perspektivy razvitiya neftegazovogo kompleksa: mater. mezhdunarod. nauch.- prakt. konf. obuchayushchihsya, aspirantov i uchenyh. Tyumen': Tyumenskij industrial'nyj universitet, 2016. T. 2. S. 130-140. 2.

3. Kolesnikov, N.N. Biologicheskaya korroiya metallicheskih konstrukcij i zashchita ot nee / N. N. Kolesnikova, YU. K. Lukanina, A. V. Hvatov, A. N. Lihachev, A. A. Popov, G. E. Zaikov, H. S. Abzal'dinov // Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. - 2013. - № 1. - 170-174 s.

4. Nanzatool, YU.V. Biokorroziya ob"ektov promyshlennyh predpriyatij i metody zashchity ot nee / YU.V. Nanzatool, N.V. Roman'kova, M.V. Troshina, E.G. Cublova E.G. Biosfernaya sovmestimost': chelovek, region, tekhnologii. 2015. № 4 (12). S. 79-87.

5. SHadunc, K.SH. Mikrobiologicheskoe vozdejstvie na podzemnye truboprovody v podtoplyaemyh lyossovyh massivah/ K.SH. SHadunc, N.V. Volyanik, L.V. Peredel'skij // Nauchnyj zhurnal KubGAU - 2010. - №55(01)

6. SHaripova, M.YU. Sovremennye metody al'gologii. [Tekst]: monografiya / M.YU. SHaripova, I.E. Dubovik, Ufa: RIC BashGU.2012.- 116 s.

7. SHahanova, S.S., Amanzholov, ZH.K. Analiz prichin naruzhnoj korrozii nefteprovodov // Trudy universiteta. 2015. № 2 (59). S. 152-154

8. YAgafarova, G.G.Predotvrashchenie processov biogennoj korrozii magistral'nyh truboprovodov /G.G. YAgafarova, L.Z. Rol'nik, L.R. Akchurina, A.H. Safarov, L.A. Nasyrova L.A. //Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov, 2020. № 5 (127) . S. 110-120

9. Dubovik, I.E. Macroscopical algal growths and concominanat micromycetes / I.E. Dubovik, N.A. Kireeva, Z.R.Zakirova, I.P. Klimina // International Journal on Algae. 2008. T. 10. № 1. S. 42-49.

Информация об авторах

И.Е. Дубовик — доктор биологических наук, профессор; М.Ю. Шарипова — доктор биологических наук, профессор; В.А. Гафарова - кандидат технических наук, доцент.

Information about the authors

I.E. Dubovik - doctor of Science (Biology), Professor; M. Y. Sharipova - doctor of Science (Biology), Professor. V.A.Gafarova - cand. Sc. (Technology), docent.