Tafel-Piontelli model for the calculation of corrosion rate of metals in strong and weak acids. Application to sweet corrosion of carbon steel

In this work an electrochemical model (Tafel-Piontelli model) is proposed and validated for the calculation of the corrosion rate of metals in acidic conditions. It is specifically applied to CO2 corrosion of carbon steel, one of the most frequent causes of failure in the oil industry. In the first part of the work, a theoretical description of corrosion, as an electrochemical phenomenon regulated by thermodynamics and kinetics, is provided followed by a detailed treatment of CO2 corrosion. In particular, the discussion focuses on the description of the mechanisms that governs CO2 corrosion, highlighting the effects of the main factors of influence. The description of the most used corrosion rate prediction models in the oil industry follows, highlighting the most important parameters used and the limits of applicability. The Tafel-Piontelli model, based on the electrochemical theory and proposed by prof. L. Lazzari in 2017 in order to calculate the corrosion rate of metals in acid conditions is presented in its fundamental characteristics and hypotheses. The experimental work, described in the methodology, led to study the influence of temperature and pH on the kinetic parameters of hydrogen evolution reaction (exchange current and cathodic Tafel slope) and on the activity of iron ions. After the experimental data are collected, it was possible to modify the model equation, to improve the fit with the experimental results, while maintaining a solid theoretical basis. Finally, once the model in its modified form was obtained, a comparison was made with the most important models for the prediction of corrosion rate from CO2, introduced and described in the first part. Both the validation of the experimental data and the comparison with the main models have given good results, confirming the validity of the model in the prediction of CO2 corrosion, which turns out to be acid corrosion. Despite promising results, further aspects to be studied in greater detail have been mentioned.

In questo lavoro di tesi è 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 dell’acciaio al carbonio, molto frequente nell’industria petrolifera. Nella prima parte della tesi è fornita una descrizione teorica della corrosione in quanto fenomeno elettrochimico regolato dalla termodinamica e dalla cinetica, a cui segue una trattazione dettagliata della corrosione da CO2. In particolare, la trattazione è centrata sulla descrizione dei meccanismi della corrosione da CO2, evidenziando gli effetti dei fattori principali che la influenzano. Segue la descrizione dei modelli di predizione della velocità di corrosione principalmente utilizzati nell’industria petrolifera, evidenziandone parametri utilizzati e limiti di applicabilità. Il modello Tafel-Piontelli, basato sulla teoria dell’elettrochimica e concepito dal prof. L. Lazzari nel 2017 per calcolare la velocità di corrosione dei metalli in condizioni acide viene presentato nelle sue caratteristiche ed ipotesi fondanti. Il lavoro sperimentale, descritto nella metodologia, ha portato a studiare l’influenza della temperatura e del pH sui parametri cinetici della reazione di sviluppo di idrogeno (corrente di scambio e pendenza della retta di Tafel) e sull’attività degli ioni di ferro. Dopo aver acquisito i dati sperimentali, è stato possibile effettuare una modifica dell’equazione del modello, al fine di migliorare la sua corrispondenza con i risultati sperimentali, mantenendo le sue solide basi teoriche. Infine, una volta ottenuto il modello nella sua forma modificato, è stato effettuato un confronto con i più importanti modelli per il calcolo della velocità di corrosione da CO2, introdotti e descritti nella prima parte. Sia la validazione dei dati sperimentali, sia il confronto con i principali modelli, hanno dato dei buoni risultati, confermando la validità del modello nel calcolo della corrosione da CO2, che risulta essere una corrosione acida. Nonostante i risultati promettenti, ulteriori aspetti da studiare in maggior dettaglio sono stati menzionati.