Stalen buizen roesten en gaan uiteindelijk stuk. Om rampen te voorkomen, oliemaatschappijen en anderen hebben computermodellen gemaakt om te voorspellen wanneer vervanging nodig is. Maar als de modellen zelf fout gaan, ze kunnen alleen door ervaring worden gewijzigd, een kostbaar probleem als detectie te laat komt.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Sandia National Laboratories, het Department of Energy's Center for Integrated Nanotechnologies en het Aramco Research Center in Boston, hebben ontdekt dat een bepaalde vorm van corrosie op nanoschaal verantwoordelijk is voor het onvoorspelbaar verkorten van de levensduur van stalen buizen, volgens een recent gepubliceerd artikel in Natuur 's Afbraak van materialen logboek.

Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopen, die elektronen door doelen schieten om foto's te maken, de onderzoekers waren in staat de wortel van het probleem te lokaliseren op een drievoudige kruising gevormd door een korrel cementiet - een verbinding van koolstof en ijzer - en twee korrels ferriet, een soort ijzer. Deze kruising vormt zich vaak tijdens de meeste methoden voor het maken van stalen buizen.

IJzeratomen glijden weg

De onderzoekers ontdekten dat een grensvlakstoornis in de atomaire structuur van die drievoudige knooppunten het voor de corrosieve oplossing gemakkelijker maakte om ijzeratomen langs dat grensvlak te verwijderen.

In het experiment, het corrosieve proces stopte toen de drievoudige junctie was verbruikt door corrosie, maar door de achtergebleven spleet kon de corrosieve oplossing de binnenkant van het staal aantasten.

"We hebben een mogelijke oplossing bedacht voor het vormen van nieuwe pijp, gebaseerd op het veranderen van de microstructuur van het staaloppervlak tijdens het smeden, maar het moet nog worden getest en er moet een patent op worden aangevraagd als het werkt, " zei Sandia's hoofdonderzoeker Katherine Jungjohann, een paper auteur en lead microscopist. "Maar nu denken we te weten waar het grote probleem zit."

Aramco senior onderzoekswetenschapper Steven Hayden voegde toe:"Dit was 's werelds eerste realtime observatie van corrosie op nanoschaal in een echt materiaal - koolstofstaal - dat het meest voorkomende type staal is dat wereldwijd in infrastructuur wordt gebruikt. Hierdoor, we identificeerden de soorten interfaces en mechanismen die een rol spelen bij de initiatie en progressie van gelokaliseerde staalcorrosie. Het werk wordt nu al vertaald in modellen die worden gebruikt om corrosiegerelateerde catastrofes zoals instorting van de infrastructuur en pijpleidingbreuken te voorkomen."

Om de chemische blootstelling van pijpen in het veld na te bootsen, waar de dure, delicate microscopen konden niet worden verplaatst, zeer dunne pijpmonsters werden in Sandia blootgesteld aan een verscheidenheid aan chemicaliën waarvan bekend is dat ze door oliepijpleidingen gaan.

Sandia-onderzoeker en papierauteur Khalid Hattar plaatste een droog monster in een vacuüm en gebruikte een transmissie-elektronenmicroscoop om kaarten te maken van de staalkorreltypes en hun oriëntatie, zoals een piloot in een vliegtuig een camera zou kunnen gebruiken om landkaarten van landbouwgrond en wegen te maken, behalve dat Hattars kaarten een resolutie van ongeveer 6 nanometer hadden.

"Door deze kaarten voor en na de vloeistofcorrosie-experimenten te vergelijken, een directe identificatie van de eerste fase die uit de monsters viel, kon worden geïdentificeerd, in wezen de zwakste schakel in de interne microstructuur identificeren, ' zei Hattar.

Sandia-onderzoeker en papierauteur Paul Kotula zei:"Het monster dat we analyseerden, werd beschouwd als koolstofarm staal, maar het heeft relatief hoge koolstofinsluitsels van cementiet, die de plaatsen zijn van gelokaliseerde corrosieaanvallen.

"Onze transmissie-elektronenmicroscopen waren een belangrijk onderdeel van dit werk, waardoor we het monster kunnen afbeelden, observeer het corrosieproces, en voer microanalyses uit voor en na de corrosie om de rol van de ferriet- en cementietkorrels en het corrosieproduct te identificeren."

Toen Hayden voor het eerst begon te werken in corrosieonderzoek, hij zei, "Ik was verbijsterd over hoe complex en slecht begrepen corrosie is. Dit komt grotendeels omdat realistische experimenten het observeren van complexe materialen zoals staal in vloeibare omgevingen en met een resolutie op nanoschaal zouden inhouden, en de technologie om zo'n prestatie te bereiken was pas onlangs ontwikkeld en moest nog worden toegepast op corrosie. Nu zijn we optimistisch dat verder werk bij Sandia en het Center for Integrated Nanotechnologies ons in staat zal stellen om productieprocessen te heroverwegen om de expressie van de gevoelige nanostructuren die het staal kwetsbaar maken voor versnelde vervalmechanismen te minimaliseren."

Onzichtbaar pad van plaatselijke corrosie

Lokale corrosie is anders dan uniforme corrosie. Dit laatste komt in bulkvorm voor en is zeer voorspelbaar. De eerste is onzichtbaar, het creëren van een pad dat alleen waarneembaar is aan het eindpunt en het verhogen van de bulkcorrosiesnelheden door het gemakkelijker te maken voor corrosie om zich te verspreiden.

"Een beter begrip van de mechanismen waarmee corrosie op dit soort grensvlakken in staal begint en voortschrijdt, zal de sleutel zijn tot het verminderen van corrosiegerelateerde verliezen, "volgens de krant.