Написано AZoNano

Стальные трубы имеют тенденцию ржаветь и рано или поздно выходят из строя. Чтобы предвидеть бедствия, нефтяные компании и другие разработали компьютерные модели, чтобы предсказать, когда замена необходима. Однако, если сами модели неверны, они могут быть изменены только на основе опыта, что является дорогостоящей проблемой, если обнаружение происходит слишком поздно.

В настоящее время ученые из Национальной лаборатории Сандиа, Центра интегрированных нанотехнологий Министерства энергетики и Исследовательского центра Aramco в Бостоне обнаружили, что определенная форма наноразмерной коррозии ответственна за внезапное сокращение срока службы стальных труб. статья, недавно опубликованная в журнале Nature Degradation Materials .

Используя просвечивающие электронные микроскопы, которые стреляют электронами через мишени для захвата снимков, ученые смогли определить основную причину проблемы на тройном соединении, образованном зерном цементита – соединением железа и углерода – и двумя зернами. феррита, типа железа. Это соединение образуется часто при большинстве подходов к изготовлению стальной трубы.

Атомы железа выскальзывания-скольжения

Ученые узнали, что межфазное нарушение в атомной структуре этих тройных соединений сделало удобным для коррозийного раствора удаление атомов железа вдоль этой границы.

В эксперименте процесс коррозии не развивался дальше, когда тройной спай был поглощен коррозией, но оставленная щель позволила коррозионному раствору повредить внутреннюю часть стали.

«Мы думали о возможном решении для формирования новой трубы, основанном на изменении микроструктуры стальной поверхности во время ковки, но она все еще должна быть проверена и иметь патентную заявку, если она работает», сказала главный следователь Сандии Кэтрин Jungjohann, автор статьи и ведущий микроскопист. «Но теперь мы думаем, что знаем, в чем основная проблема».

Это было первое в мире наблюдение наноразмерной коррозии в реальном времени в реальном материале – углеродистой стали – который является наиболее распространенным типом стали, используемой в инфраструктуре во всем мире. Благодаря этому мы определили типы интерфейсов и механизмов, которые играют роль в инициировании и развитии локальной коррозии стали. Работа уже переводится на модели, используемые для предотвращения связанных с коррозией катастроф, таких как разрушение инфраструктуры и разрывы трубопроводов.

Стивен Хейден, старший научный сотрудник, Исследовательский центр Aramco

Чтобы имитировать химическое воздействие на трубы в полевых условиях, где дорогостоящие, тонкие микроскопы не могли быть перемещены, образцы очень тонких труб были выставлены в Сандии для ряда химических веществ, определенных для прохождения через нефтепроводы.

Ученый и автор статьи из Сандии Халид Хаттар поместил сухой образец в вакуум и использовал просвечивающий электронный микроскоп для создания карт типов стальных зерен и их ориентации, так же, как пилот в самолете мог использовать камеру для разработки карт местности дорог и сельскохозяйственных угодий, за исключением того, что карты Хаттара имели разрешение около 6 нм. (Одна миллиардная часть метра составляет нанометр.)

«Сравнивая эти карты до и после экспериментов с жидкой коррозией, можно идентифицировать прямую идентификацию первой фазы, выпавшей из образцов, по существу идентифицируя самое слабое звено во внутренней микроструктуре», Хаттар сказал.

Исследователь из Сандии и автор статьи Пол Котула сказал: «Анализируемый нами образец считался низкоуглеродистой сталью, но он имеет относительно высокоуглеродистые включения цементита, которые являются местами локальных коррозионных атак.

«Наши просвечивающие электронные микроскопы были ключевой частью этой работы, позволяющей нам визуализировать образец, наблюдать процесс коррозии и проводить микроанализ до и после коррозии, чтобы определить роль, которую играют феррит и цементит зерна и продукт коррозии. »

Когда Хейден впервые начал работать в области коррозионных исследований, он сказал: «Я был напуган тем, насколько сложна и плохо изучена коррозия. Во многом это связано с тем, что реалистичные эксперименты будут включать наблюдение за сложными материалами, такими как сталь, в жидких средах и с наноразмерным разрешением, а технология для достижения такого результата была разработана совсем недавно и еще не применялась для коррозии. Теперь мы надеемся, что дальнейшая работа в Сандии и Центре интегрированных нанотехнологий позволит нам переосмыслить производственные процессы, чтобы минимизировать проявление чувствительных наноструктур, которые делают сталь уязвимой для механизмов ускоренного распада ».

Невидимый путь локальной коррозии

Локализованная коррозия – это не то же самое, что равномерная коррозия. Последнее происходит в объемном виде и очень предсказуемо. Первый незаметен, создавая путь, наблюдаемый только в его конечной точке, и увеличивая объемную скорость коррозии, облегчая ее развитие.

«Лучшее понимание механизмов, посредством которых коррозия инициирует и прогрессирует на этих типах поверхностей раздела в стали, будет иметь ключевое значение для уменьшения потерь, связанных с коррозией», согласно статье.

В число других авторов входят ученые из Сандии Уильям Мук и Даниэль Буффорд, а также бывший исследователь Сандии и руководитель эксперимента Клэр Чизхольм, которая в настоящее время работает в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.

Исследование финансировалось частично в рамках программы исследований и разработок Sandia. Центр Интегрированных Нанотехнологий является учреждением пользователя Министерства науки и науки, управляемым национальными лабораториями Сандии и Лос-Аламоса для университетов, промышленности и других ученых из национальных лабораторий.