Un villano a nanoescala provoca la corrosión en las tuberías

Las tuberías de acero se oxidan y eventualmente fallan. Para anticiparse a los desastres, las compañías petroleras y otros actores han creado modelos informáticos para predecir cuándo se necesita un reemplazo. Pero si los modelos en sí salen mal, sólo pueden modificarse a través de la experiencia, lo que puede ser costoso si la detección llega demasiado tarde.

Recientemente, un grupo de investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia, el Centro de Nanotecnologías Integradas del Departamento de Energía y el Centro de Investigación Aramco en Boston, descubrió que una forma particular de corrosión a nanoescala es la responsable de disminuir de manera impredecible la vida útil de las tuberías de acero, según un documento reciente publicado en la revista Nature's Materials Degradation.

Utilizando microscopios electrónicos de transmisión, que disparan electrones a través de objetivos para tomar fotografías, los investigadores pudieron identificar la raíz del problema en una unión triple formada por un grano de cementita, un compuesto de carbono y hierro, y dos granos de ferrita, un tipo de hierro. Esta unión se forma con frecuencia durante la mayoría de los métodos de diseño de tubos de acero.

Los átomos de hierro se deslizan

Los investigadores encontraron que el desorden interfacial en la estructura atómica de esas uniones triples facilitó que la solución corrosiva eliminara los átomos de hierro a lo largo de esa interfaz.

En el experimento, el proceso corrosivo se detuvo cuando la unión triple había sido consumida por la corrosión, pero la grieta dejada atrás permitió que la solución corrosiva atacara el interior del acero.

“Pensamos en una posible solución para formar una nueva tubería, basada en el cambio de la microestructura de la superficie del acero durante la forja, pero aún necesita ser probada y tener una patente archivada si funciona”, dijo Katherine Jungjohann, investigadora principal de Sandia, autora y microscopista principal. “Pero ahora creemos que sabemos dónde está el problema principal”.

El investigador principal de Aramco, Steven Hayden, agregó: “Esta fue la primera observación en tiempo real del mundo de la corrosión a nanoescala en un material del mundo real, el acero al carbono, que es el tipo de acero más frecuente utilizado en infraestructura en todo el mundo. A través de él, identificamos los tipos de interfaces y mecanismos que juegan un papel en el inicio y la progresión de la corrosión localizada del acero. El trabajo ya se está traduciendo en modelos utilizados para prevenir catástrofes relacionadas con la corrosión, como el colapso de la infraestructura y las rupturas de las tuberías”.

Para imitar la exposición química de las tuberías en el campo, donde no se podían mover los delicados y costosos microscopios, en Sandia se expusieron muestras muy delgadas de tubos a una variedad de productos químicos que se sabe que pasan a través de oleoductos.

El investigador de Sandia y autor de artículos Khalid Hattar colocó una muestra seca en el vacío y usó un microscopio electrónico de transmisión para crear mapas de los tipos de grano de acero y su orientación, de la misma manera que un piloto en un avión podría usar una cámara para crear mapas de área de tierras de cultivo y caminos, excepto que los mapas de Hattar tenían una resolución de aproximadamente 6 nanómetros. (Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro).

“Al comparar estos mapas antes y después de los experimentos de corrosión líquida, se pudo hacer una identificación directa de la primera fase que se cayó de las muestras, identificando esencialmente el enlace más débil en la microestructura interna”, dijo Hattar.

El investigador de Sandia y autor de artículos Paul Kotula dijo: “La muestra que analizamos se consideró un acero con bajo contenido de carbono, pero tiene inclusiones de cemento de carbono relativamente altas, que son los sitios de ataque de corrosión localizados.

“Nuestros microscopios electrónicos de transmisión fueron una pieza clave de este trabajo, ya que nos permitieron obtener imágenes de la muestra, observar el proceso de corrosión y realizar microanálisis antes y después de que ocurriera la corrosión para identificar el papel desempeñado por los granos de ferrita y cemento y el producto de corrosión”.

Cuando Hayden comenzó a trabajar en la investigación de la corrosión, dijo: “Me sorprendió la complejidad y la poca comprensión de la corrosión”. Esto se debe en gran parte a que los experimentos realistas implicarían la observación de materiales complejos como el acero en entornos líquidos y con resolución a nanoescala, y la tecnología para lograr tal hazaña se había desarrollado recientemente y aún no se había aplicado a la corrosión. Ahora somos optimistas de que el trabajo adicional en Sandia y el Centro de Nanotecnologías Integradas nos permitirá repensar los procesos de fabricación para minimizar la expresión de las nanoestructuras susceptibles que hacen que el acero sea vulnerable a los mecanismos de descomposición acelerada”.