I tubi d'acciaio arrugginiscono e alla fine si guastano. Per prevenire i disastri, compagnie petrolifere e altri hanno creato modelli informatici per prevedere quando è necessaria la sostituzione. Ma se i modelli stessi vanno male, possono essere modificati solo attraverso l'esperienza, un problema costoso se il rilevamento arriva troppo tardi.

Ora, ricercatori dei Laboratori Nazionali Sandia, il Centro per le nanotecnologie integrate del Dipartimento dell'energia e l'Aramco Research Center di Boston, hanno scoperto che una particolare forma di corrosione su scala nanometrica è responsabile della diminuzione imprevedibile della vita utile dei tubi di acciaio, secondo un articolo recentemente pubblicato in Natura 'S Degrado dei materiali rivista.

Utilizzando microscopi elettronici a trasmissione, che sparano elettroni attraverso bersagli per scattare foto, i ricercatori sono stati in grado di appuntare la radice del problema su una tripla giunzione formata da un granello di cementite, un composto di carbonio e ferro, e due grani di ferrite, un tipo di ferro. Questa giunzione si forma frequentemente durante la maggior parte dei metodi di modellatura del tubo d'acciaio.

Gli atomi di ferro scivolano via

I ricercatori hanno scoperto che il disordine interfacciale nella struttura atomica di quelle triple giunzioni ha reso più facile per la soluzione corrosiva rimuovere gli atomi di ferro lungo quell'interfaccia.

Nell'esperimento, il processo corrosivo si è interrotto quando la tripla giunzione è stata consumata dalla corrosione, ma la fessura lasciata alle spalle ha permesso alla soluzione corrosiva di attaccare l'interno dell'acciaio.

"Abbiamo pensato ad una possibile soluzione per formare nuovo tubo, basato sul cambiamento della microstruttura della superficie dell'acciaio durante la forgiatura, ma deve ancora essere testato e depositare un brevetto se funziona, " ha detto la principale investigatrice di Sandia, Katherine Jungjohann, un autore di carta e microscopista capo. "Ma ora pensiamo di sapere dov'è il problema principale".

Il ricercatore senior di Aramco Steven Hayden ha aggiunto, "Questa è stata la prima osservazione in tempo reale al mondo della corrosione su scala nanometrica in un materiale del mondo reale, l'acciaio al carbonio, che è il tipo di acciaio più utilizzato nelle infrastrutture in tutto il mondo. Attraverso di essa, abbiamo identificato i tipi di interfacce e meccanismi che svolgono un ruolo nell'inizio e nella progressione della corrosione localizzata dell'acciaio. Il lavoro è già stato tradotto in modelli utilizzati per prevenire catastrofi legate alla corrosione come il collasso delle infrastrutture e le rotture delle condutture".

Per simulare l'esposizione chimica del tubo nel campo, dove il costoso, i microscopi delicati non potevano essere spostati, campioni di tubi molto sottili sono stati esposti a Sandia a una varietà di sostanze chimiche note per passare attraverso gli oleodotti.

Il ricercatore di Sandia e autore di articoli Khalid Hattar ha messo un campione secco nel vuoto e ha utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione per creare mappe dei tipi di grani di acciaio e del loro orientamento, proprio come un pilota di un aereo potrebbe usare una macchina fotografica per creare mappe dell'area di terreni agricoli e strade, tranne che le mappe di Hattar avevano una risoluzione di circa 6 nanometri.

"Confrontando queste mappe prima e dopo gli esperimenti di corrosione liquida, potrebbe essere identificata un'identificazione diretta della prima fase che è caduta dai campioni, individuando essenzialmente l'anello più debole nella microstruttura interna, "ha detto Hattar.

Il ricercatore di Sandia e autore di articoli Paul Kotula ha affermato:"Il campione che abbiamo analizzato è stato considerato un acciaio a basso tenore di carbonio, ma presenta inclusioni di cementite relativamente ad alto contenuto di carbonio, sedi di attacchi localizzati di corrosione.

"I nostri microscopi elettronici a trasmissione sono stati un pezzo chiave di questo lavoro, permettendoci di immaginare il campione, osservare il processo di corrosione, e fare microanalisi prima e dopo che si è verificata la corrosione per identificare il ruolo svolto dai grani di ferrite e cementite e dal prodotto della corrosione".

Quando Hayden iniziò a lavorare nella ricerca sulla corrosione, Egli ha detto, "Ero sconcertato da quanto sia complessa e poco conosciuta la corrosione. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che esperimenti realistici implicherebbero l'osservazione di materiali complessi come l'acciaio in ambienti liquidi e con risoluzione su scala nanometrica, e la tecnologia per realizzare una tale impresa era stata sviluppata solo di recente e ancora da applicare alla corrosione. Ora siamo ottimisti sul fatto che ulteriori lavori presso Sandia e il Centro per le nanotecnologie integrate ci consentiranno di ripensare i processi di produzione per ridurre al minimo l'espressione delle nanostrutture suscettibili che rendono l'acciaio vulnerabile ai meccanismi di decadimento accelerato".

Percorso invisibile di corrosione localizzata

La corrosione localizzata è diversa dalla corrosione uniforme. Quest'ultimo si verifica in forma sfusa ed è altamente prevedibile. Il primo è invisibile, creando un percorso osservabile solo al suo punto finale e aumentando i tassi di corrosione di massa rendendo più facile la diffusione della corrosione.

"Una migliore comprensione dei meccanismi con cui la corrosione inizia e progredisce in questi tipi di interfacce nell'acciaio sarà la chiave per mitigare le perdite legate alla corrosione, "secondo il giornale.