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研究人员发现 当并置时 某些铁分子会导致用于输油的钢管出现微孔

发布时间:2019-06-13 15:02:21 来源:

钢管生锈并最终失效。为了预防灾难,石油公司和其他公司已经创建了计算机模型来预测何时需要更换。但是如果模型本身出错了,它们只能通过经验进行修改,如果检测得太晚则会成为代价高昂的问题。

现在,桑迪亚国家实验室,能源部综合纳米技术中心和波士顿阿美研究中心的研究人员发现,一种特殊形式的纳米级腐蚀导致不可预测地缩短钢管的使用寿命,最近的一篇论文发表在Nature's Materials Degradation期刊上。

利用透射电子显微镜拍摄电子通过目标进行拍照,研究人员能够将问题的根源固定在由三粒渗碳体(一种碳和铁的化合物)和两粒铁素体形成的三重连接处。 ,一种铁。在大多数制造钢管的方法中,这种连接形式经常形成。

铁原子滑落

研究人员发现,这些三重结的原子结构无序使腐蚀性溶液更容易去除沿该界面的铁原子。

在实验中,当三重结被腐蚀消耗时,腐蚀过程停止,但留下的裂缝允许腐蚀性溶液侵蚀钢的内部。

“我们考虑了在锻造过程中根据钢表面的微观结构改变形成新管道的可能解决方案,但它仍然需要进行测试,并且如果有效则需要申请专利,”桑迪亚的主要研究人员Katherine Jungjohann说。作者和首席显微镜专家。“但现在我们认为我们知道主要问题在哪里。”

Aramco高级研究员Steven Hayden补充说:“这是世界上第一个实际观察纳米级腐蚀的实际材料 - 碳钢 - 这是全球基础设施中使用最普遍的钢种。通过它,我们确定了在局部钢筋腐蚀的起始和发展中起作用的界面和机制的类型。这项工作已经被转化为用于防止腐蚀相关灾难的模型,如基础设施倒塌和管道破裂。

为了模拟现场管道的化学暴露,昂贵,精密的显微镜无法移动,非常薄的管道样品在桑迪亚暴露于已知通过石油管道的各种化学品。

Sandia研究员和论文作者Khalid Hattar将干燥的样品置于真空中,并使用透射电子显微镜创建钢粒类型及其方向的地图,就像飞机上的飞行员可能使用相机创建农田区域地图和道路,除了Hattar的地图有大约6纳米的分辨率。(纳米是十亿分之一米。)

“通过比较液体腐蚀实验前后的这些图,可以直接识别从样品中掉出的第一相,从根本上确定内部微观结构中最薄弱的环节,”Hattar说。

桑迪亚研究员和论文作者Paul Kotula说:“我们分析的样品被认为是低碳钢,但它含有相对高碳的渗碳体夹杂物,这是局部腐蚀的场所。

“我们的透射电子显微镜是这项工作的关键部分,使我们能够对样品进行成像,观察腐蚀过程,并在腐蚀发生之前和之后进行微量分析,以确定铁素体和渗碳体颗粒以及腐蚀产物所起的作用。 “

当海登第一次开始从事腐蚀研究工作时,他说,“我对腐蚀的复杂程度和难以理解的程度感到震惊。这很大程度上是因为现实的实验将涉及在液体环境中观察复杂的材料,如钢材和纳米级分辨率,以及我们很高兴桑迪亚和纳米技术综合中心的进一步工作将使我们能够重新考虑制造工艺,以最大限度地减少易受影响的纳米结构的表现,从而实现这一壮举。钢易受加速衰变机制的影响。“

局部腐蚀的隐形路径

局部腐蚀不同于均匀腐蚀。后者以散装形式出现并且具有高度可预测性。前者是看不见的,只能在其终点处形成可观察到的路径,并且通过使腐蚀更容易扩散来增加体积腐蚀速率。

“更好地了解腐蚀在钢中这些类型的界面开始和发展的机制将是减轻腐蚀相关损失的关键,”该论文称。

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