船舶压载舱的微生物腐蚀特性分析开题报告

全文总字数：7105字

1. 研究目的与意义（文献综述）

船舶压载舱腐蚀是当今船舶建造和维护中最重要的问题之一。压载舱是每艘船舶不可分割的一部分，大型货船和油轮的压载舱表面积达数十万平方米，如果发生严重腐蚀压载舱的维修及重建成本极高，因此船舶的经济寿命在很大程度上取决于其压载液舱的腐蚀状况。

由于压舱水富含微生物、注水/排水导致舱底部沉积淤泥以及相对稳定的环境，压载舱非常适合微生物生长，使得压载舱内材料腐蚀严重受生物影响。船舶长期处于这样的环境中，腐蚀极其严重^[1]。多年来，船体结构腐蚀问题一直备受关注。20世纪80年代压载舱腐蚀造成的大量船舶损失，压载舱已成为国际船级社协会(IACS)和国际海事组织(IMO)等机构的一系列法规的主题。如2004年由IACS等机构起草了《船舶专用海水压载舱和散货船双舷侧处所保护涂层性能标准》；2008年我国发布修订后的GB/T6823-2008《船舶压载舱漆》^[2]。

处于海洋环境当中，金属材料不可避免遭受海洋生物污损和微生物腐蚀的影响，每年海洋金属材料因腐蚀造成的损失中，约有20%是由微生物腐蚀引起的。微生物在金属表面的腐蚀还会与磨损、气蚀、冲蚀等因素协同，导致材料表面快速剥落，使包括船舶与海洋平台在内的海洋设施的可靠性面临严重威胁^[3]。最近的腐蚀调查结果表明，我国 2014 年腐蚀总成本约占当年 GDP 的3.34%，达21278.2亿人民币^[4]，其中，微生物腐蚀在金属和建筑材料的腐蚀成本中占20%^[5]。全世界因微生物腐蚀直接造成的损失估计每年约300～500亿美元，根据美国RI咨询公司最新研究报告显示，2015年全球杀菌剂需求将达到140万吨，市场规模达到55亿美元，并依然保持迅猛的增长速度^[6]。我国海洋腐蚀研究起步较晚，目前多数海洋工程结构物与载体处于欠防护状态，腐蚀损失巨大且安全堪忧，海洋腐蚀已成为我国海洋经济大发展中必须攻克的关键问题。因此，研究海洋微生物对金属材料的腐蚀机理，对提高船舶与海洋平台的寿命，增强服役安全性和可靠性具有重要意义。

微生物腐蚀(Microbiologically Influenced Corrosion，MIC)并不是一种新的腐蚀类型，而是指有一部分微生物会附着于工程结构的表面，形成一层生物膜，生物膜内部环境与自然本体环境有着显著的差别，从而容易引起工程结构的腐蚀^[7]。它的本质是微生物新陈代谢的产物通过影响腐蚀反应的阴极过程或阳极过程，从而影响腐蚀速率和类型，其中硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing Bacteria,简称SRB)最为常见。陈德斌^[7]等对各海区不同类型的舰船舱底积水进行了检测，发现几乎所有被测舰船都存在SRB，甚至连海港内都有SRB存在,只是其数量较舱室内低3~4个数量级而已。SRB对船舶金属材料腐蚀影响较大^[8]，早在 1966 年，Copenhagen^[9]就报道了在船舱底的疑似微生物腐蚀。船尾螺旋桨附近的 8 mm 碳钢板在2年内腐蚀穿孔，腐蚀速率达到 4 mm/a，比同样钢板在海水中的腐蚀速率（0.127 mm/a）快30多倍，SRB腐蚀产物FeS的存在证明了微生物腐蚀的发生。2007 年Mart^[10]报道了澳大利亚皇家海军军舰在不到1年时间，10 mm船体板就发生腐蚀穿孔，折算腐蚀速率可高达10 mm/a，微生物腐蚀被认为导致这一异常过程的重要原因。Hill^[11]曾经报道了 11 mm 船体钢不到 6 个月就腐蚀穿孔，这是有报道以来最快的微生物腐蚀速率之一。Cleland^[12]讨论了在压载舱发生的微生物腐蚀，在 2 年内腐蚀速率达到 6 mm/a。在单体和双体油轮的储油罐中裸露底板的微生物腐蚀速率为 2 mm/a^[13]。

以上现象表明在船舶的多处部位均会发生微生物腐蚀和发现腐蚀微生物，而腐蚀速率显著高于在相同条件下的海水腐蚀速率（0.1 mm/a）。一些腐蚀实例见表1

表1船舶典型部位微生物腐蚀实例

长期以来，多数微生物腐蚀研究都集中于硫酸盐还原菌参与腐蚀研究,现如今，人们逐渐意识到微生物菌群种类和结构的存在对金属腐蚀的重要性,一些学者从生物学角度对金属腐蚀部位的微生物进行了分类和鉴定，意外发现，硫酸盐还原菌起主要作用的环境介质中,竟然没有硫酸盐还原菌的存在,或者发现硫酸盐还原菌并不是主要的菌群,反而芽抱杆菌属微生物是该环境中的优势菌种^[16]。

芽抱杆菌,属革兰氏阳性菌,需氧或兼性厌氧,产生芽抱,大多数无荚膜,以周生鞭毛运动。细胞呈直杆状,常以成对或链状排列,具圆端或方端。由于芽抱杆菌属的微生物能够形成芽抱的特性使得他们能够抵抗各种极端环境如高温、极酸、极盐,而且对各种杀菌剂具有抵抗力,因此,他们在各种自然环境中都能被分离到^[17]。芽抱杆菌属微生物具有共同的特性,都能够形成带有芽抱的生物膜,且代谢产物相似,都能产生环肤、抗生素、酸多聚谷氨酸、聚天冬氨酸和聚多糖等。

目前，关于芽抱杆菌属微生物腐蚀的研究报道较少且较为分散,不同菌株具有较大的差异。根据芽抱杆菌属微生物腐蚀对材料的作用大体可将其分为加速和抑制腐蚀两类。

国外有许多关于芽抱杆菌属微生物加速和抑制腐蚀现象的报告。例如N.Bolton等^[18]研究了水中微生物对镀锌钢的腐蚀影响,发现短小芽抱杆菌大大加速了镀锌钢的腐蚀,但对碳钢没有影响。他们认为控制微生物的生长可以有效预防腐蚀的发生。R.F.Jack等^[19]发现枯草芽抱杆菌能够加速碳钢的初期腐蚀倍以上,但随时间延长,腐蚀速率逐渐降低,最终与无菌硫酸盐体系腐蚀速率一致。A.Rajasekar和Y.P.Ting等人^[20]发现蜡状芽抱杆菌加速铝合金的微生物腐蚀机理是过氧化物的主要作用。他们把发生点蚀的主要原因归结为腐蚀产物的积累导致铝合金表面氧化层的破坏,从而在铝合金表面形成较不致密的生物膜及氧化铝层加速了点蚀。他们发现蜡状芽抱杆菌均可产生均含有过氧化酶,过氧化酶可以产生过氧化氢,降解碳氢燃料。而细菌可以产生过氧化氢酶,将过氧化氢分解为水和氧气。在细菌代谢产物与铝金属原子相结合的过程中会在表面产生氧自由基和超氧化物表面阴离子自由基。最后,表面阴离子与水相互作用,将铝氧化成氧化铝腐蚀产物。

而D. rnek等^[21]通过电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy）研究A12024在含有枯草芽抱杆菌人造海水中的腐蚀行为,发现在前两天观察到A12024发生点蚀，然而在大概第三天的时候点蚀停止,并且产生多聚谷氨酸或聚天冬氨酸作为抑制剂,说明枯草芽抱杆菌可以起到抑制腐蚀的作用。在国内，杜鹃等^[22]发现芽孢杆菌的存在会在 A3 钢表面形成致密的生物膜,该膜层在金属与溶液间起到很好的机械阻隔作用,抑制腐蚀过程。遗憾的是她们并没指出是芽抱杆菌属的哪个种。

在各种微生物菌群中,有关芽抱杆菌属微生物在腐蚀中作用的报道较少,各研究仍然缺乏系统性,研究中选用的芽抱杆菌属微生物和金属材料不同,微生物腐蚀的结果相差较大,作用机制尚不明晰。因此，有必要进一步研究舱底微生物（芽孢杆菌）对金属腐蚀的影响。

本次毕业设计的研究目的便是通过分析舱底微生物（芽孢杆菌）对压载舱金属材料的腐蚀特性和腐蚀机理来总结分析对典型压载舱金属材料产生的腐蚀特性。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

船舶压载舱底部的中包含多种微生物，在舱内缺氧环境下长期存活，导致压载舱发生微生物腐蚀，严重的甚至腐蚀穿孔。以典型压载舱金属材料为研究对象，分析舱底微生物（柠檬酸杆菌或芽孢杆菌）对压载舱金属材料的腐蚀特性和腐蚀机理。

2.2研究目标

3. 研究计划与安排

1-3周：文献查阅与调研时间，撰写文献综述报告和开题报告，每个报告字数不少于4000字；4-6周：完成外文的翻译工作，掌握船舶压载舱金属材料发生微生物腐蚀的种类及其特征；7-9周：学习微生物腐蚀的相关基础理论；10-11周：掌握柠檬酸杆菌或芽孢杆菌的生长特性； 12-14周：分析柠檬酸杆菌或芽孢杆菌对典型压载舱金属材料（如Q235）的腐蚀特性，探讨腐蚀机理；15-16周：论文撰写与答辩准备阶段，完成毕业论文，按照学校论文规范装订。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 金晓鸿.防腐涂料和涂装技术[j].材料开发与应用，2001，10（03）：40-45

[2] 蓝席建．浅谈压载舱涂料特点及防护要求[j]．中国涂料，2018，33(02)：64-67．

[3] heyer a,d'souza,f,morales c f l,et al．ship ballast tanks a review from microbial corrosion and electrochemical point of view[j]．ocean engineering，2013，70(1)：188-200．