Les tuyaux en acier rouillent et finissent par tomber en panne. Pour anticiper les catastrophes, les compagnies pétrolières et autres ont créé des modèles informatiques pour prédire quand un remplacement est nécessaire. Mais si les modèles eux-mêmes tournent mal, ils ne peuvent être modifiés que par l'expérience, un problème coûteux si la détection arrive trop tard.

Maintenant, chercheurs des laboratoires nationaux Sandia, le Department of Energy's Center for Integrated Nanotechnologies et le Aramco Research Center de Boston, ont découvert qu'une forme particulière de corrosion à l'échelle nanométrique est responsable d'une diminution imprévisible de la durée de vie des tuyaux en acier, selon un article récemment publié dans La nature 's Dégradation des matériaux journal.

A l'aide de microscopes électroniques à transmission, qui tirent des électrons à travers des cibles pour prendre des photos, les chercheurs ont pu épingler la racine du problème sur une triple jonction formée par un grain de cémentite - un composé de carbone et de fer - et deux grains de ferrite, un type de fer. Cette jonction se forme fréquemment au cours de la plupart des méthodes de façonnage de tuyaux en acier.

Les atomes de fer glissent au loin

Les chercheurs ont découvert que le désordre interfacial dans la structure atomique de ces triples jonctions permettait à la solution corrosive d'éliminer plus facilement les atomes de fer le long de cette interface.

Dans l'expérience, le processus corrosif s'est arrêté lorsque la triple jonction a été consumée par la corrosion, mais la crevasse laissée a permis à la solution corrosive d'attaquer l'intérieur de l'acier.

"Nous avons pensé à une solution possible pour former un nouveau tuyau, basé sur le changement de la microstructure de la surface de l'acier pendant le forgeage, mais il faut encore tester et faire déposer un brevet si ça marche, " a déclaré Katherine Jungjohann, chercheuse principale de Sandia, un auteur de papier et un microscopiste principal. "Mais maintenant, nous pensons savoir où est le problème majeur."

Le chercheur principal d'Aramco, Steven Hayden, a ajouté :« Il s'agissait de la première observation en temps réel au monde de corrosion à l'échelle nanométrique dans un matériau du monde réel, l'acier au carbone, qui est le type d'acier le plus répandu dans les infrastructures dans le monde. nous avons identifié les types d'interfaces et de mécanismes qui jouent un rôle dans l'initiation et la progression de la corrosion localisée de l'acier. Le travail est déjà traduit en modèles utilisés pour prévenir les catastrophes liées à la corrosion comme l'effondrement d'infrastructures et les ruptures de pipelines. »

Pour imiter l'exposition chimique des tuyaux sur le terrain, où le cher, les microscopes délicats ne pouvaient pas être déplacés, des échantillons de tuyaux très minces ont été exposés à Sandia à une variété de produits chimiques connus pour traverser les oléoducs.

Le chercheur et auteur de l'article de Sandia, Khalid Hattar, a placé un échantillon sec sous vide et a utilisé un microscope électronique à transmission pour créer des cartes des types de grains d'acier et de leur orientation. tout comme un pilote d'avion peut utiliser une caméra pour créer des cartes de zones de terres agricoles et de routes, sauf que les cartes de Hattar avaient une résolution d'environ 6 nanomètres.

"En comparant ces cartes avant et après les expériences de corrosion liquide, une identification directe de la première phase qui est tombée des échantillons a pu être identifiée, identifier essentiellement le maillon le plus faible de la microstructure interne, " dit Hattar.

Le chercheur de Sandia et auteur de l'article, Paul Kotula, a déclaré :"L'échantillon que nous avons analysé était considéré comme un acier à faible teneur en carbone, mais il présente des inclusions de cémentite relativement carbonées qui sont le siège d'attaques de corrosion localisées.

"Nos microscopes électroniques à transmission ont été un élément clé de ce travail, nous permettant d'imager l'échantillon, observer le processus de corrosion, et faire des micro-analyses avant et après la corrosion pour identifier le rôle joué par les grains de ferrite et de cémentite et le produit de corrosion."

Lorsque Hayden a commencé à travailler dans la recherche sur la corrosion, il a dit, « J'ai été intimidé par la complexité et la méconnaissance de la corrosion. C'est en grande partie parce que des expériences réalistes impliqueraient l'observation de matériaux complexes comme l'acier dans des environnements liquides et avec une résolution à l'échelle nanométrique, et la technologie pour accomplir un tel exploit n'avait été développée que récemment et devait encore être appliquée à la corrosion. Nous sommes maintenant optimistes sur le fait que d'autres travaux à Sandia et au Center for Integrated Nanotechnologies nous permettront de repenser les processus de fabrication afin de minimiser l'expression des nanostructures sensibles qui rendent l'acier vulnérable aux mécanismes de dégradation accélérée. »

Chemin invisible de corrosion localisée

La corrosion localisée est différente de la corrosion uniforme. Ce dernier se présente sous forme de masse et est hautement prévisible. Le premier est invisible, créer une voie observable uniquement à son extrémité et augmenter les taux de corrosion en vrac en facilitant la propagation de la corrosion.

"Une meilleure compréhension des mécanismes par lesquels la corrosion s'initie et progresse à ces types d'interfaces dans l'acier sera essentielle pour atténuer les pertes liées à la corrosion, " selon le journal.