Estudio de la corrosión del acero API 5L X70 con respecto al efecto del acabado superficial en la formación de productos de corrosión

Abstract

RESUMEN: El presente estudio se llevó a cabo con la finalidad de estudiar el efecto del acabado superficial sobre la velocidad de corrosión de un acero API 5L X70 en salmuera amarga y la formación de los productos de la corrosión. Se realizaron pruebas electroquímicas en una cámara de impacto con tres ángulos de incidencia sobre las probetas para observar el efecto en los cambios de dirección en la velocidad de corrosión. Las pruebas se realizaron a una velocidad de flujo de 2.4 m/s posterior a la colocación de las probetas y electrodos en la placa de choque, las cuales se repitieron con variaciones en el ángulo de impacto (30°, 60° y 90°) y el acabado superficial (600# y 1500#). Mediante Resistencia a la Polarización Lineal (LPR), curvas de polarización potenciodinámica (PD) y Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS) se determinó la velocidad de corrosión para cada caso. Se concluyó que el ángulo con la mayor velocidad de corrosión es el de 30°, esto se atribuye a los altos esfuerzos de corte generados por el fluido, los cuales permiten la remoción o destrucción de los productos de corrosión formados en la superficie del acero. Estos productos se caracterizaron por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) observándose que mostraban principalmente la morfología del tipo de cactus en lugar de botón de rosa debido posiblemente a la presencia de compuestos base oxígeno y azufre, los cuales producen depósitos altamente porosos y dicha condición superficial facilito la transferencia de masa y el aumento en la velocidad de corrosión. Las especies químicas cristalinas de los productos de corrosión se determinaron mediante Difracción de Rayos X por Haz Rasante (GIXRD). Para los tres ángulos y los dos acabados superficiales se observó que la presencia de óxidos predominaba sobre las especies de sulfuros a pesar de ser un medio acuoso amargo. Considerando las observaciones realizadas por medio de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) y Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X (XPS) se estableció un posible mecanismo de formación de cómo las especies químicas podrían conformar las diferentes capas de los productos de corrosión. XPS mostro la presencia de un mayor contenido de óxidos (Fe2O3) con un acabado superficial de 1500# (36.5%) que con uno de 600# (16.5%). Por el contrario, los sulfuros (FeS2) presentaron un mayor contenido para un acabado grueso (42.4%) que para un acabado fino (18.2%). Así mismo, las velocidades de corrosión se presentaron en el rango de 12.2-6.3 mm/y (480-250 mpy) a 11.2-6.1 mm/y (440-240 mpy) para un acabado fino y grueso, respectivamente. Los resultados experimentales se complementaron mediante simulación numérica con el modelo dinámico de fluidos computacionales para conocer el efecto de la energía de turbulencia y vectores de velocidad en el desprendimiento de los productos de corrosión. Las mediciones de CFD indicaron que el impacto del flujo generó esfuerzos de corte en el rango de 30-60 Pa y que el ángulo de 30° resultó ser el que presento los esfuerzos de corte más altos, así como las velocidades de corrosión más elevadas. ABSTRACT: The present study was carried out in order to study the effect of surface finishing on the corrosion rate of an API 5L X70 steel in a sour by means the chemical nature of corrosion products. Electrochemical tests were performed in a jet impingement chamber for three angles of flow incidence on the metallic samples to observe also the effect of direction changes on corrosion rate. The sour brine consisted in deionized water in presence of NaCl, MgCl2, CaCl2 to mimic formation water in oil well saturated in H2S to reach a pH of 4 (NACE ID 192). Tests were performed on the jet impingement chamber after fitting to place the samples and electrodes at a flow rate of 2.4 m/s with variations in the impact angle (30 °, 60 ° and 90 °) and surface finishing (600 # and 1500 #). Linear Polarization Resistance (LPR), potentiodynamic polarization curves (PC) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were done to determine corrosion rates. It was concluded that the angle with the highest corrosion rate was 30°, which was attributed to the high shear stresses generated that caused the removal/destruction of the corrosion products formed on steel surface. The corrosion products formed were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) taking into account angles and surface finishing. It was observed that corrosion products displayed mainly the morphology of cactus type rather than framboidal shape, effect which was ascribed to oxygen and sulfur base compounds that led to highly porous deposits that supported mass transfer and induced high corrosion rates. X-ray diffraction by grazing beam technique (GIXRD) permitted the determination of crystalline chemical species. For the three angles and two surface finishing was observed that the presence of oxides predominated over sulfides species despite being an aqueous sour medium. Atomic Force Microscopy (AFM) and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) provided a likely formation mechanism of how chemical species might conform the different layers of corrosion products having mackinawite (FeS) as a precursor. XPS indicated the presence of a higher content of oxides (type Fe2O3) with a surface finishing of 1500# (36.5 %) than that having a raw finishing of 600# (16.5 %). In contrast, sulfides (FeS2) account for a higher content for a rough finishing (42.4 %) than a fine finishing (18.2 %). Likewise, corrosion rates were in the range of 12.2-6.3 mm/y (480-250 mpy) to 11.2-6.1 mm/y (440-240 mpy) for fine and rough finishing, respectively. As sulfides are less soluble in acidic water than oxides, these facts might suggest that oxides along with the higher proportion of their species permitted a higher corrosion rate to occur on steel despite having a finer surface finishing with lower roughness. Experimental results were completed through a numerical simulation developed by computational fluid dynamics (CFD) to know the effect of turbulence energy and velocity vectors on the detachment of the corrosion products. CFD measurements indicated that jet impingement generated shear stresses in the range of 30-60 Pa and that at 30° was found to be highest stress at which the maximum corrosion rate on steel was recorded.