ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
21-dic-2017
2016/2017
La corrosione interna da CO2 delle tubazioni per il trasporto di idrocarburi, anche detta “sweet corrosion”, è una delle maggiori problematiche nell’industria petrolifera. Il suo meccanismo di corrosione è stato studiato per molto tempo e tutt’oggi è argomento di dibattito. Per la previsione della velocità di corrosione da CO2, molti modelli sono stati proposti negli ultimi 50 anni.
Questo lavoro di tesi ha lo scopo di proporre e validare sperimentalmente un nuovo modello elettrochimico (meccanicistico) basato sulle leggi cinetiche della corrosione di Tafel-Piontelli. In particolare, lo scopo del modello è calcolare le velocità di corrosione in ambienti acidi ammesso che siano soddisfatte alcune ipotesi. Il modello, di valenza e applicabilità trasversale, è stato applicato al caso di corrosione “sweet” confrontandolo con i più ampiamente utilizzati modelli per la previsione delle velocità di corrosione da CO2.
Sono state effettuate delle prove in differenti condizioni acide (cioè a diversi pH) utilizzando le curve di polarizzazione potenziodinamica per l’estrapolazione dei parametri della curva catodica e prove di perdita di massa per avere una valutazione della velocità di corrosione sperimentale. In particolare, le variabili necessarie per il calcolo della velocità di corrosione attraverso il modello di Tafel-Piontelli sono: il pH della soluzione considerata, la densità di corrente di scambio del processo catodico, la pendenza di Tafel del processo catodico e l’attività degli ioni ferro sulla superficie del metallo.
Nella prima parte, questo lavoro di tesi propone uno studio bibliografico dei principali modelli proposti per la previsione della corrosione da CO2. Nella seconda parte, il modello Tafel-Piontelli è proposto e validato attraverso test di laboratorio. Sperimentalmente, il lavoro è stato diviso in due parti: definizione di un protocollo di prova e applicazione del protocollo alle prove in ambiente acido. In ultimo, il modello è applicato al caso di corrosione da CO2.
Le velocità di corrosione ottenute dai test di perdita di massa sono in accordo con i risultati forniti dal modello. I risultati ottenuti per il caso di corrosione da CO2 sono comparabili ai dati presenti in letteratura e ai dati ricavabili dai modelli precedentemente proposti, anche se in alcuni casi il modello di Tafel-Piontelli necessita di essere corretto e studiato ulteriormente.
CO2 corrosion of carbon steel (sweet corrosion) is one of the most important causes of failure in the oil and gas industry which mechanism has been studied for a long time and it is still debated. For its corrosion rate prediction, several models have been developed in the last 50 years.
This work aims to propose and experimentally validate a new electrochemical mechanistic model which is based on the Tafel and Piontelli theory of corrosion kinetics. The model can predict corrosion rates of metals in acidic environments provided that some hypotheses are satisfied. The model is applied to the case of sweet corrosion and it is compared to literature data and to the most widely used models for the prediction of CO2 corrosion rates.
Experimental tests were carried out in different acidic conditions (i.e. different pH) using potentiodynamic polarization curves for the extrapolation of the Tafel cathodic curve parameters and mass loss tests for the evaluation of the experimental corrosion rate. In particular, the variables for the calculation of corrosion rate through Tafel-Piontelli model are: the pH of the solution considered, the exchange current density for the cathodic process, Tafel slope of the cathodic process and the iron ions activity at the steel surface.
In the first part, this work proposes a literature review of the main models for the prediction of sweet corrosion rates. In the second part, the Tafel-Piontelli model is proposed and validated through laboratory tests. Experimentally, the work was divided into two parts: definition of a test protocol and application of the test protocol to the experiments in acidic conditions. Finally, the model is applied to the case of CO2 corrosion.
Corrosion rates from mass loss tests are in good agreement with the results provided by the model. The obtained results for the case of sweet corrosion were comparable to literature data, even if under some conditions the model needs to be corrected and further study is necessary.