Stålrör rostar och misslyckas så småningom. För att förebygga katastrofer, oljebolag och andra har skapat datormodeller för att förutsäga när utbyte behövs. Men om modellerna själva går fel, de kan modifieras endast genom erfarenhet, ett kostsamt problem om upptäckten kommer för sent.

Nu, forskare vid Sandia National Laboratories, Department of Energy's Center for Integrated Nanotechnologies och Aramco Research Center i Boston, har funnit att en viss form av korrosion i nanoskala är ansvarig för att oförutsägbart minska livslängden för stålrör, enligt en tidning som nyligen publicerats i Natur s Materialnedbrytning tidning.

Med hjälp av transmissionselektronmikroskop, som skjuter elektroner genom mål för att ta bilder, forskarna kunde hitta roten till problemet på en trippelövergång som bildades av ett korn av cementit - en förening av kol och järn - och två korn av ferrit, en typ av järn. Denna korsning bildas ofta under de flesta metoder för att tillverka stålrör.

Järnatomer glider iväg

Forskarna fann att gränssnittsstörning i atomstrukturen hos dessa trippelövergångar gjorde det lättare för den frätande lösningen att ta bort järnatomer längs det gränssnittet.

I experimentet, den korrosiva processen avbröts när trippelövergången hade förbrukats av korrosion, men den kvarlämnade spalten tillät den frätande lösningen att angripa stålets inre.

"Vi tänkte på en möjlig lösning för att forma ett nytt rör, baserat på att ändra mikrostrukturen på stålytan under smide, men det måste fortfarande testas och ha ett patent inlämnat om det fungerar, " sa Sandias huvudutredare Katherine Jungjohann, en pappersförfattare och huvudmikroskopist. "Men nu tror vi att vi vet var det stora problemet är."

Aramco seniorforskare Steven Hayden tillade, "Detta var världens första realtidsobservation av korrosion i nanoskala i ett verkligt material - kolstål - som är den vanligaste typen av stål som används i infrastruktur över hela världen. Genom det, vi identifierade de typer av gränssnitt och mekanismer som spelar en roll i initieringen och progressionen av lokaliserad stålkorrosion. Arbetet håller redan på att översättas till modeller som används för att förhindra korrosionsrelaterade katastrofer som infrastrukturkollaps och rörledningsbrott."

För att efterlikna den kemiska exponeringen av rör i fält, där de dyra, ömtåliga mikroskop kunde inte flyttas, mycket tunna rörprover exponerades vid Sandia för en mängd olika kemikalier som man vet passerar genom oljeledningar.

Sandia-forskaren och pappersförfattaren Khalid Hattar satte ett torrt prov i vakuum och använde ett transmissionselektronmikroskop för att skapa kartor över stålkornstyperna och deras orientering, ungefär som en pilot i ett flygplan kan använda en kamera för att skapa områdeskartor över jordbruksmark och vägar, förutom att Hattars kartor hade ungefär 6 nanometers upplösning.

"Genom att jämföra dessa kartor före och efter vätskekorrosionsexperimenten, en direkt identifiering av den första fasen som föll ur proverna kunde identifieras, i huvudsak identifiera den svagaste länken i den interna mikrostrukturen, sa Hattar.

Sandia-forskaren och pappersförfattaren Paul Kotula sa, "Provet vi analyserade ansågs vara ett lågkolhaltigt stål, men den har relativt höga kolinneslutningar av cementit som är platsen för lokala korrosionsattacker.

"Våra transmissionselektronmikroskop var en viktig del av detta arbete, så att vi kan avbilda provet, observera korrosionsprocessen, och göra mikroanalyser före och efter korrosionen inträffade för att identifiera den roll som ferrit- och cementitkornen och korrosionsprodukten spelar."

När Hayden först började arbeta med korrosionsforskning, han sa, "Jag var förskräckt över hur komplex och dåligt förstådd korrosion är. Detta beror till stor del på att realistiska experiment skulle innebära att observera komplexa material som stål i flytande miljöer och med upplösning i nanoskala, och tekniken för att åstadkomma en sådan bedrift hade bara nyligen utvecklats och ännu inte tillämpats på korrosion. Nu är vi optimistiska att ytterligare arbete vid Sandia och Center for Integrated Nanotechnologies kommer att tillåta oss att tänka om tillverkningsprocesser för att minimera uttrycket av de mottagliga nanostrukturerna som gör stålet sårbart för accelererade förfallsmekanismer."

Osynlig väg för lokal korrosion

Lokal korrosion skiljer sig från enhetlig korrosion. Det senare förekommer i bulkform och är mycket förutsägbart. Den förra är osynlig, skapa en väg som endast kan observeras vid dess slutpunkt och öka bulkkorrosionshastigheten genom att göra det lättare för korrosion att sprida sig.

"En bättre förståelse för de mekanismer genom vilka korrosion initierar och fortskrider vid dessa typer av gränssnitt i stål kommer att vara nyckeln till att mildra korrosionsrelaterade förluster, " enligt tidningen.