Tafel-Piontelli model for the prediction of the corrosion rate of metals in acidic conditions

Corrosion of metals in acidic environments is a critical issue across industries, from oil and gas pipelines to chemical processing and marine infrastructure. Uniform corrosion of carbon steel under acidic conditions leads to material loss, costly failures, and safety hazards, yet existing prediction methods are fragmented and often limited to specific acids or conditions. This work addresses this gap by developing and validating a unified mechanistic model (the Tafel–Piontelli model) for predicting corrosion rates of active metals in a wide range of acidic environments. The research combines electrochemical theory with extensive experimentation: carbon steel specimens were exposed to strong acids (HCl, H₂SO₄, H₃PO₄), weak organic acids (formic, acetic, valeric, azelaic, citric), CO₂-saturated “sweet” solutions, and microbiologically influenced conditions with acid-producing bacteria. In each scenario, corrosion rates and relevant kinetic parameters were measured via weight-loss tests and electrochemical methods (potentiodynamic polarization, linear polarization resistance, electrochemical impedance spectroscopy), and the model’s predictions were compared to the empirical data. The Tafel–Piontelli model, rooted in fundamental kinetics (Tafel law) and solution chemistry, demonstrated high accuracy, predicting corrosion rates well within application tolerance of measured values in almost all cases. It successfully captured key phenomena such as the buffering effect of weak acids and the protective film formation in CO₂ corrosion, and it provided conservative rate estimates in microbial corrosion. The model robustness was confirmed by the convergence of multiple measurement techniques and through validation across diverse pH (0.5–5), temperature (20–80°C), and chemical conditions. The outcomes include a generalizable corrosion modeling framework, new insights into acid corrosion mechanisms (e.g. adsorption effects, organic acid direct reduction, biofilm-induced acidification), and an extensive dataset spanning previously under-studied systems. This work’s findings enable more reliable life prediction and mitigation strategies for infrastructure affected by acidic corrosion. Significantly, the unified model bridges long-standing silos in corrosion science, offering a flexible tool that can be applied beyond the original calibration conditions.

La corrosione dei metalli in ambienti acidi rappresenta un problema critico in numerosi settori industriali, dalle condotte per petrolio e gas alla chimica di processo fino alle infrastrutture marine. La corrosione uniforme dell’acciaio al carbonio in condizioni acide provoca perdite di materiale, guasti e rischi per la sicurezza, mentre i metodi predittivi esistenti risultano frammentati e spesso limitati a specifici acidi o condizioni operative. Questo lavoro affronta tale lacuna sviluppando e validando un modello meccanicistico unificato (il modello Tafel–Piontelli) per prevedere la velocità di corrosione dei metalli attivi in un' ampia gamma di ambienti acidi. La ricerca associa teoria elettrochimica ad estesa sperimentazione: campioni di acciaio al carbonio sono stati esposti ad acidi forti (HCl, H₂SO₄, H₃PO₄), acidi organici deboli (formico, acetico, valerico, azelaico, citrico), soluzioni “sweet” sature di CO₂ e condizioni influenzate microbiologicamente da batteri acidoproduttori. In ciascuno scenario, le velocità di corrosione e i parametri cinetici fondamentali sono stati misurati mediante prove di perdita di massa e tecniche elettrochimiche (polarizzazione potentiodinamica, resistenza di polarizzazione lineare, spettroscopia di impedenza elettrochimica), confrontando le previsioni del modello con i dati sperimentali. Il modello Tafel–Piontelli, basato sulle leggi fondamentali della cinetica (legge di Tafel) e dell' equilibrio chimico e di carica, ha mostrato elevata precisione, prevedendo velocità di corrosione accurate nella quasi totalità dei casi. Il modello riproduce con successo fenomeni chiave quali l’effetto buffering degli acidi deboli e la formazione di film protettivi nella corrosione da CO₂, fornendo al contempo stime conservative nella corrosione microbiologica. La robustezza del modello è stata confermata dalla convergenza di più tecniche di misura e dalla validazione attraverso un’ampia varietà di condizioni di pH (0,5–5), temperatura (20–80 °C) e composizione chimica. I risultati includono un quadro generale per la modellazione della corrosione, nuove intuizioni sui meccanismi di corrosione acida (ad es. effetti di adsorbimento, riduzione diretta degli acidi organici, acidificazione indotta da biofilm) e un ampio dataset che copre sistemi finora poco studiati. Le conclusioni di questo lavoro consentono previsioni di vita utile più affidabili e strategie di mitigazione più efficaci per infrastrutture soggette a corrosione in ambienti acidi. Il modello Tafel-Piontelli riduce in maniera sensibile il divario esistente tra i diversi modelli proposti nella scienza della corrosione, offrendo uno strumento flessibile, applicabile oltre le condizioni di calibrazione originarie.