Corrosion resistant alloys (CRAs) for use in H2S-containing environments in oil and gas industry

In this thesis work, the use of Corrosion Resistant Alloys (CRAs) for the upstream side of the Oil and Gas industry, i.e. for all those components and machinery directly in contact with the production fluid, was analyzed and discussed. The presence of corrosive agents dissolved in the fluid such as hydrogen sulphide (H2S), mainly, and carbon dioxide (CO2), makes the use of these advanced alloys unavoidable, therefore it is required that they satisfy different degrees of environmental severity. In the first part of the thesis, corrosion in general terms was described; then, details of the corrosive phenomena inherent specifically to the petrochemical industry are described. Particular relevance was given to the most aggressive, controversial and difficult corrosion phenomenon in the O&G industry, i.e. induced corrosion from hydrogen sulphide, known as sour corrosion. In the second part, the application of the CRAs, with relative classification, limits of use and aspects that influence their corrosion resistance, is widely discussed. First, the standard tests for the qualification of the material for sour service application have been described taking into account different degrees of environmental severity (pH2S, pH, concentration of chloride ions and temperature). Particular attention has been spent to the test procedure to which a specific alloy should be subjected to be qualified as CRA. Then, a detailed analysis was proposed to explain the characteristics and properties of the alloys suitable for sour service conditions. Once provided these indications, a general classification and subdivision of the various CRAs (and CRA families), based on the environmental ranges of application, is proposed. In conclusion, in this thesis work, a synthesis of scientific articles and normative documents was carried out in order to rationalize the evolution of the application of stainless steels and nickel alloys in sour environment. The result is shown in terms of corrosion maps and diagrams of materials (CRAs) selection.

In questo lavoro di tesi è analizzato e descritto l’impiego di Corrosion Resistant Alloys (CRAs), in primis acciai inossidabili e leghe di nickel, per il lato upstream dell’industria Oil and Gas, ovvero per tutti quei componenti e macchinari direttamente a contatto con il fluido di produzione. La presenza di agenti corrosivi disciolti nel fluido trasportato, quali idrogeno solforato (H2S), principalmente, e anidride carbonica (CO2), rende l’impiego di queste leghe avanzate inevitabile; ad esse è pertanto richiesto un’elevata resistenza di corrosione anche in ambienti fortemente aggressivi. Nella prima parte della tesi sono discussi gli aspetti generali della corrosione a umido; successivamente sono descritti nel dettaglio i fenomeni corrosivi inerenti specificatamente all’industria petrolchimica. Particolare attenzione è stata rivolta alla corrosione indotta dalla presenza di H2S (tensocorrosione o stress corrosion cracking indotto da H2S). Nella seconda parte si entra nel dettaglio dell’applicazione delle CRA, con relativa classificazione, limiti di utilizzo e aspetti che ne influenzano la resistenza a corrosione. In primo luogo, sono state descritte le tipologie di prove riportate sulle normative internazionali aventi lo scopo di qualificare un materiale in presenza di diversi gradi di severità ambientale (definita da pH2S, pH, concentrazione di ioni cloro e temperatura). Particolare cura è stata riservata alla procedura di prova a cui sottoporre una determinata lega affinché questa possa essere qualificata come CRA in ambiente sour. In seguito, sono descritte in dettaglio le caratteristiche e le proprietà che rendono alcune leghe adatte a questa applicazione. Una volta fornite queste indicazioni generali, è stato possibile razionalizzare l’impiego delle diverse leghe, in funzione delle proprietà della lega e delle caratteristiche dell’ambiente di esposizione. In conclusione, in questo lavoro di tesi è stata effettuata una sintesi di articoli scientifici e documenti normativi al fine di razionalizzare l’evoluzione fino ad oggi di acciai inossidabili e leghe di nickel per utilizzo in ambiente sour. Il risultato è mostrato in termini di mappe e diagrammi di scelta dei materiali.