Tafel-Piontelli model for the calculation of corrosion rate of metals in acidic conditions : validation tests in strong acids. Application to sweet corrosion of carbon steel

In this work an electrochemical model, named Tafel-Piontelli model, for the calculation of corrosion rate of metals in acidic conditions is proposed, validated and applied to the case of carbon steel in sweet service condition (CO2 corrosion), which is one of the most frequent causes of failures in the petroleum industry. In the first part of the thesis, a focus on the theoretical description of corrosion as an electrochemical phenomenon governed by thermodynamics and kinetics, and on CO2 corrosion, is provided. In particular, this work includes an explanation of the effects of the key influencing factors and a presentation of the most important predicting models employed in the oil and gas industry. Subsequently, the state of the art in the research on the mechanisms of CO2 corrosion is outlined. The Tafel-Piontelli model, based on the theory of electrochemistry and conceived by prof. L. Lazzari for the calculation of the corrosion rate of metals in acidic conditions is presented in its features and hypotheses. The work of validation of this model is described in its methodology. The experimental work performed led to a study of the influence of temperature and pH on kinetics parameters of the hydrogen evolution reaction such as exchange current density and Tafel’s slope. Thanks to the data acquired it was possible to introduce modifications in the Tafel-Piontelli model in order to improve its agreement with the experimental data, while keeping it a mechanistic model. As a final step, the Tafel-Piontelli model, in its renovated form, was compared with the most important models for the prediction of CO2 corrosion of carbon steel because it is indeed a form of acidic corrosion. Both this comparison and the analysis of the experimental data provided encouraging outcomes, although additional aspects to be studied in higher detail are outlined.

In questo lavoro viene proposto e validato un modello elettrochimico (modello Tafel-Piontelli) per il calcolo della velocità di corrosione dei metalli in condizioni acide. Esso viene applicato nello specifico alla corrosione da CO2, che rappresenta la causa più frequente di incidenti nell’industria petrolifera. Insieme ad una descrizione teorica della corrosione in quanto fenomeno elettrochimico regolato dalla termodinamica e dalla cinetica, viene trattata nel dettaglio la corrosione da CO2. In particolare, questa tesi include una trattazione degli effetti dei fattori principali che la influenzano ed una presentazione dei modelli più importanti utilizzati nell’industria. A seguire, lo stato dell’arte in materia di ricerca sui meccanismi della corrosione da CO2 viene delineato. Il modello Tafel-Piontelli, basato sulla teoria dell’elettrochimica e concepito dal prof. L. Lazzari per calcolare la velocità di corrosione dei metalli in condizioni acide viene presentato nelle sue caratteristiche ed ipotesi fondanti. Il lavoro di validazione di questo modello è descritto nella sua metodologia. Il lavoro sperimentale condotto ha portato ad uno studio dell’influenza di temperatura e pH sui parametri cinetici della reazione di evoluzione di idrogeno (corrente di scambio e pendenza catodica). Grazie ai dati acquisiti è stato possibile introdurre delle modifiche nell’equazione del modello Tafel-Piontelli in modo da migliorare la sua corrispondenza con i dati sperimentali, pur mantenendolo un modello radicato nella teoria. Come ultimo passo, il modello, nella sua forma modificata, è stato confrontato con i modelli più importanti per il calcolo della velocità di corrosione da CO2 dell’acciaio al carbonio, essendo essa una forma di corrosione acida a tutti gli effetti. Sia questo confronto sia l’analisi dei dati sperimentali sono risultati promettenti, anche se ulteriori aspetti da studiare in maggiore dettaglio sono stati menzionati.