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

This thesis work aims to propose and validate experimentally an electrochemical model, called Tafel-Piontelli model, for the calculation of the corrosion rate of metals in acid conditions. The model is applied to CO2 corrosion of carbon steel, one of the major problems of the oil industry. In the first part, the state of the art of the studies on the mechanisms underlying this particular type of corrosion is proposed. Then, the main key influencing factors are briefly presented, along with the most important models employed in the oil and gas industry. In the second part, Tafel-Piontelli model is introduced and illustrated in its features and hypotheses. For the validation of the model, experimental corrosion tests were carried out under different temperature and pH conditions in solutions containing two different weak acids (acetic and formic). The data acquired through potentiodynamic and mass loss tests allowed to highlight the different behaviour of weak acids compared to strong ones (obtained in the previous part of the research). In agreement with experimental results, the equation of the model has been corrected in order to consider properly the influence of pH and temperature on the kinetic parameters of the hydrogen evolution reaction. In particular, temperature and pH have a relevant effect on exchange current density of hydrogen evolution, while the effect on Tafel’s slope is not significant. Finally, the revised model has been compared with other models used in the practice for the calculation of CO2 corrosion rate of carbon steel.

In questo lavoro di tesi è proposto e validato sperimentalmente un modello elettrochimico, chiamato Tafel-Piontelli, per il calcolo della velocità di corrosione dei metalli in condizioni acide. Il modello, di valenza e applicabilità trasversale, è stato applicato alla corrosione da CO2 dell’acciaio al carbonio, una delle maggiori problematiche dell’industria petrolifera. Nella prima parte della tesi è proposto lo stato dell’arte riguardante lo studio del meccanismo della corrosione da CO2, che ancora oggi è piuttosto controverso. A seguire sono presentati brevemente i fattori principali che influenzano la corrosione da CO2 insieme ai modelli più importanti di previsione della velocità di corrosione utilizzati nell’industria. Nella seconda parte è introdotto il modello Tafel-Piontelli illustrandone caratteristiche e ipotesi fondanti. Per la validazione del modello sono stati effettuati test di corrosione in differenti condizioni di temperatura e pH in soluzioni contenenti due differenti acidi deboli (acetico e formico). I dati acquisiti attraverso le prove potenziodinamiche e di perdita di massa hanno permesso di evidenziare il diverso comportamento degli acidi deboli rispetto a quelli forti (questi ultimi studiati in una precedente fase della ricerca). Sulla base dei risultati sperimentali è stato possibile introdurre delle modifiche al modello che tenessero in considerazione l’influenza di pH e temperatura sui parametri cinetici della reazione di sviluppo d’idrogeno. In particolare, il pH e la temperatura sembrano avere un forte effetto sulla densità di corrente di scambio dello sviluppo di idrogeno, mentre l’effetto sulla pendenza della retta di Tafel è poco significativo. Infine, il modello, nella sua forma revisionata, è stato confrontato i modelli esistenti più diffusi nell’industria per il calcolo della velocità di corrosione da CO2 dell’acciaio al carbonio.