Lite atom – stor skade
Hydrogenatomer på frifot har skapt stål-krøll for milliardbeløp på sokkelen. Ny kunnskap skal forhindre nye skader.
Slik innleder SINTEF/NTNU-duoen Vigids Olden og Afrooz Barnoush en populærvitenskapelig artikkel i Dagens Næringsliv i dag, fredag 19. juni.
Olden er seniorforsker ved SINTEF Materialer og kjemi. Barnoush er professor ved NTNUs Institutt for produktutvikling og materialer.
Her er innlegget, gjengitt med tillatelse fra Dagens Næringsliv:
Afrooz Barnoush, professor ved Inst. for produktutvikling og materialer, NTNU.
Vigdis Olden, seniorforsker ved SINTEF Materialer og kjemi
Når rørledninger og subsea-anlegg klargjøres for tjeneste på sokkelen, må offshoreindustrien velge mellom pest og et snev av kolera. Hovedfienden korrosjon – rustdannelse – gjør valget lett. Rustskader MÅ forhindres. Men metoden som holder rust unna, skaper et nytt problem. Den frigjør hydrogenatomer – de minste byggeklossene på grunnstoff-kartet – og disse gjør stålet sprøtt.
På sokkelen sprang flere rørledninger lekk fra slutten av 1990-tallet til 2010, grunnet hydrogensprøhet. Reparasjonene, med tilhørende stans i olje- og gassproduksjonen, ga milliardkostnader. Mottiltak har redusert problemet. Men hydrogenatomer gjør fortsatt dyr ugagn offshore.
Innsyn i ødeleggende mekanisme
I Norge har vi derfor satt inn en forskningsoffensiv viet hydrogenangrepene. Målet er å forstå mekanismene som gir hydrogensprøhet og derigjennom forhindre skader og brudd. På sikt håper vi å kunne lage et dataprogram som “ser inn” i aldrende stål på havbunnen: Et verktøy som kan forbedre driften av undersjøiske anlegg – eksempelvis ved å utnytte den nye kunnskapen til å skille mellom tillatelige og utillatelige belastninger – og som kan beregne når reparasjoner må til.
Lykkes vi, blir konstruksjonene sikrere, og store beløp kan spares.
Elektron-bombardement mot rust
Stål ruster fordi jernatomer elsker å knytte seg til oksygen. Offshore-industrien forhindrer dette ved hjelp av en metode som kalles katodisk beskyttelse. Den går ut på å utstyre konstruksjonen med en kloss av zink eller aluminium. Så ordner elektrokjemiens lover resten.
Fordi metallet i klossen er mindre edelt enn materialet som skal beskyttes, vil klossen bombardere stålet med elektroner – avgi en svak elektrisk strøm. På ståloverflaten oppstår en elektrisk barriere som forhindrer korrosjon. Men en uheldig bieffekt er uunngåelig. Strømmen spalter vann. Dermed slippes hydrogenatomer løs.
Ugagnskråker på vandring
Noen av atomene binder seg til søsken og blir hydrogengass. Men fordi de er så små, klarer andre å lure seg gjennom overflata til ståldeler. Ugagnskråkene vandrer gjennom materialet, helt til de kommer til såkalte “krystalldefekter”. Her kan de fanges. Dessverre. For nettopp her er de i stand til å gjøre skade.
“Krystaller” er soner som stål og andre metall består av. I en krystall ligger jernatomene i stålet “stablet” i et velordnet 3D-gitter, med én og samme romlige orientering. Krystallene er sterke, men krystalldefekter gjør dem svakere. Og hydrogen svekker dem ytterligere.
“Leieboere” gjør stålet mindre robust
Hydrogenet gjør også grensene mellom krystallene sprø. Det vil si at de tåler ørsmå defekter dårligere enn tidligere. Inni grensesonene sørger hydrogenet også for at det blir lettere enn før å dra lag med atomer fra hverandre. Stål med hydrogenatomer som “leieboere” er med andre ord mindre robust enn annet stål. Og sveiste områder tåler hydrogenet dårligst.
Ennå vet vi ikke nok om hvordan hydrogeninntrengning samvirker med ytre påkjenninger. Det vi vet, er at hydrogensprøhet blir verre, jo eldre konstruksjoner er. Som Europas største fagmiljø på feltet, er vi ved SINTEF og NTNU derfor i gang med tre nye prosjekter. For midler fra Forskningsrådet studerer vi hva som skjer når sprekker vokser i stål som angripes av hydrogen, og hvordan faren for utmatting påvirkes når slikt stål utsettes for ytre krefter og vibrasjoner.
Svarene kan brukes også når hydrogen blir drivstoff i et mulig framtidig hydrogensamfunn. For det er ikke bare i sjøen at hydrogensprøhet oppstår. Nylig fikk dette fenomenet to meterlange bolter til å knekke i fasaden på en skyskraper i London – og deler av dem falt ned!
