Carbon steel corrosion scales protectiveness study in CO2 aqueous solution
Etude de la protectivité des dépôts de corrosion sur acier peu allié en milieu aqueux contenant du CO2
Résumé
This study is concentrated on the protectiveness of the carbon steel corrosion product scales in CO2 aqueous conditions. At first, a bibliographic study is performed on the characteristics of a corrosion product layer both from the electrochemical perspective and a structural perspective dealing with its morphology and composition. A specific section is dedicated to pseudo-passivation of carbon steels, a particularly protective condition that forms spontaneously in certain environments. Finally, the effect of relevant impurities presents in industrial environments such as chlorides, calcium ions and oxygen, is analyzed in relation to the protectiveness of the scales and the corrosion processes. In order to investigate the scales protectiveness and the changes that some inputs have on them pseudo-passivation, a reference experimental condition is selected. Pseudo-passive scales are composed by siderite; magnetite is observed occasionally and never forming a continuous film between the siderite layer and the carbon steel substrate. The electrochemical reaction mechanism explaining pseudo-passivation is investigated by applying different overpotential and flow conditions on the pseudo-passivated scales. Using the observations obtained with those experiments, an electrochemical impedance model is proposed explaining the behavior of the reactions before and after pseudo-passivity. It is considered that before pseudo-passivation, a simple reduction of the active surface slows down the corrosion of the carbon steel. After the pseudo-passivation, a diffusion limitation attributed to the anodic reaction (going through an adsorbed step process) is proposed. Finally, the effect of oxygen contamination in CO2 aqueous conditions is investigated. Oxygen contamination is introduced in the hundreds of ppb range. O2 changes the corrosion morphology from a uniform corrosion type to a localized one. Inside the localized corrosion features, other phases than siderite such as chukanovite, precipitate. The propagation of the localized corrosion features depth is strongly correlated to the oxygen content of the solution. The propagation of the pits stops when O2 is not present anymore and for our experimental conditions, a protective pseudo-passive layer is rebuilt. Our results could be explained with an O2 contamination model already proposed in the literature.
Cette étude se concentre sur la protection de la couche des produits de corrosion de l'acier au carbone dans une solution aqueuse avec du CO2 dissous. D’abord, une étude bibliographique est réalisée sur les caractéristiques d'une couche de produit de corrosion tant du point de vue électrochimique que d'un point de vue structurel traitant de sa morphologie et de sa composition. Une section spécifique est dédiée à la pseudo-passivation des aciers au carbone, celle-ci est une condition particulièrement protectrice qui se forme spontanément dans certains environnements. Enfin, l'effet des impuretés présentes dans les environnements industriels tels que les chlorures, les ions calcium et l'oxygène, est analysé en relation avec la protection de la couche des produits de corrosion et les processus de corrosion. Afin d'étudier la protection de la couche et les changements que certains paramètres ont sur la pseudo-passivation, une condition expérimentale de référence est sélectionnée. La couche pseudo-passive est composée presque uniquement de sidérite ; de la magnétite est observée occasionnellement et elle ne forme jamais un film continu entre la couche de sidérite et le substrat d'acier au carbone. Le mécanisme de réaction électrochimique expliquant la pseudo-passivation est étudié en appliquant différentes conditions de surtension et d'écoulement de la solution à la couche pseudo-passive. En utilisant les observations obtenues avec ces expériences, un modèle d'impédance électrochimique est proposé pour expliquer le comportement des réactions avant et après la pseudo-passivité. On considère qu'avant la pseudo-passivation, une simple réduction de la surface active ralentit la corrosion de l'acier au carbone. Après la pseudo-passivation, une limitation de diffusion attribuée à la réaction anodique (passant par un processus d'étape adsorbée) est proposée. Enfin, l'effet de la contamination par l'oxygène dans une solution aqueuse avec du CO2 dissous est étudié. Une contamination par l'oxygène est introduite dans la gamme des centaines de ppb. L’O2 change la morphologie de la corrosion en passant d’un type de corrosion uniforme à un type localisé. À l'intérieur des éléments de corrosion localisés, d'autres phases que la sidérite telle que la chukanovite, précipitent. La propagation de la profondeur de ces éléments de corrosion localisées est fortement corrélée à la teneur en oxygène de la solution. En effet la propagation des piqûres s'arrête lorsque l'O2 n'est plus présent dans la solution et pour nos conditions expérimentales, une couche protectrice pseudo-passive est reconstruite. Les résultats obtenus pourraient être expliqués avec un modèle de contamination avec O2 déjà proposé dans la littérature.
Domaines
Matériaux
Origine : Version validée par le jury (STAR)