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Carbon Capture and Storage (CCS) is identified as an excellent technology to reach the target of CO2 reduction. However, the safety issue and cost-effectiveness hinder the future of CCS. For the reliability and safety issues of injection wells, the corrosion resistance of the materials used needs to be determined.
In this study, representative low-cost materials including carbon steel 1.8977 and low alloyed steel 1.7225 were investigated in simulated pore water at 333 K and under CO2 saturation condition to represent the worst-case scenario: CO2 diffusion and aquifer fluid penetration. These simulated pore waters were made from relevant cement powder to mimic the realistic casing-cement interface. Electrochemical studies were carried out using the pore water made of cement powder dissolved in water in comparison with those dissolved in synthetic aquifer fluid, to reveal the effect of cement as well as formation water on the steel performance. Two commercially available types of cement were investigated: Dyckerhoff Variodur® and Wollastonite. Variodur® is a cement containing high performance binder with ultra-fine blast furnace slag which can be used to produce high acid resistance concrete. On the other hand, Wollastonite is an emerging natural material mainly made of CaSiO3 which can be hardened by converting to CaCO3 during CO2 injection.
The results showed the pH-reducing effect of CO2 on the simulated pore water/aquifer (from more than 10 to less than 5) leading to the active corrosion process that happened on both 1.8977 and 1.7225. Electrochemical characterization showed negative free corrosion potential and polarisation curves without passive behaviors. The tested coupons suffered from pitting corrosion, which was confirmed by surface analysis. Interestingly, basing on the pit depth measurements from the tested coupons and the hardness of cement powder, it is suggested that Variodur® performed better than Wollastonite in both aspects. The electrochemical data was compared to that resulted from exposure tests to give a recommendation on material selection for bore-hole construction.
Fraktographischen Daten aus Schadensanalysen, Vergleichsversuchen und Vorhaben könnten der Fachöffentlichkeit im Bereich Fraktographie zur Verfügung gestellt werden, sofern das Urheber-recht es zulässt und außerdem ein geeignetes Medium existiert. Ein solches Medium könnte eine offene fraktographische online-Datenbank sein. Eine solche wird im Rahmen der AG Fraktographie im DVM-DGM Gemeinschaftsausschuss "Rasterelektronenmikroskopie in der Materialprüfung" zurzeit erarbeitet.
Fraktographischen Daten aus Schadensanalysen, Vergleichsversuchen und Vorhaben könnten der Fachöffentlichkeit im Bereich Fraktographie zur Verfügung gestellt werden, sofern das Urheberrecht es zulässt und außerdem ein geeignetes Medium existiert. Ein solches Medium könnte eine offene fraktographische online-Datenbank sein. Eine solche wird im Rahmen der AG Fraktographie im DVM-DGM Gemeinschaftsausschuss "Rasterelektronenmikroskopie in der Materialprüfung" zurzeit erarbeitet.
Early Stage of Corrosion Formation on Pipeline Steel X70 Under Oxyfuel Atmosphere at Low Temperature
(2020)
The early stage of corrosion formation on X70 pipeline steel under oxyfuel atmosphere was investigated by applying a simulated gas mixture (CO2 containing 6700 ppmv O2, 100 ppmv NO2, 70 ppmv SO2 and 50 ppmv H2O) for 15 h at 278 K and ambient pressure. Short-term tests (6 h) revealed that the corrosion starts as local spots related to grinding marks progressing by time and moisture until a closed layer was formed. Acid droplets (pH 1.5), generated in the gas atmosphere, containing a mixture of H2SO4 and HNO3, were identified as corrosion starters. After 15 h of exposure, corrosion products were mainly X-ray amorphous and only partially crystalline. In-situ energy-dispersive X-ray diffraction (EDXRD) results showed that the crystalline fractions consist primarily of water-bearing iron sulfates. Applying Raman spectroscopy, water-bearing iron nitrates were detected as subordinated phases. Supplementary long-term tests exhibited a significant increase in the crystalline fraction and formation of additional water-bearing iron sulfates. All phases of the corrosion layer were intergrown in a nanocrystalline network. In addition, numerous globular structures have been detected above the corrosion layer, which were identified as hydrated iron sulphate and hematite. As a type of corrosion, shallow pit formation was identified, and the corrosion rate was about 0.1 mma−1. In addition to in-situ EDXRD, SEM/EDS, TEM, Raman spectroscopy and interferometry were used to chemically and microstructurally analyze the corrosion products.
This contribution provides current findings regarding materials susceptibility for carbon capture, utilization and storage (CCUS) applications. Basing on results gathered in 2 German long-term projects (COORAL and CLUSTER) suitable materials are introduced as well as dominating impurities of the CO2-stream and corrosion mechanisms. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide material recommendations for certain parts.
Die Abbildung von Bruchflächen im Rasterelektronenmikroskop (REM) liefert hochaufgelöste Bilddaten, die für die mikrofraktografische Bewertung von Bruchmechanismen unerlässlich sind. Die Ermittlung von Bruchmechanismen ist oft ein wichtiger Teil von Schadensanalysen zur Ermittlung der Bruchursache. Durch den Abbildungsprozess im REM gehen räumliche Informationen im Normalfall größtenteils verloren und können daher nicht zur Präzisierung des Bruchmechanismus herangezogen werden.
Um räumliche Informationen von Probenoberflächen im REM zu erfassen, gibt es verschiedene Methoden. Die für die Ermittlung der 3D-Topografie bereits länger eingeführten Verfahren mittels Proben- oder Strahlkippung können die Berechnung des Oberflächenmodells erst nach der seriellen Aufnahme mehrerer Bilder vornehmen. Mit der Verwendung eines segmentierten Rückstreudetektors ist dagegen die Erzeugung eines 3D-Oberflächenmodells während der Bildaufnahme praktisch in Echtzeit möglich. Die Probentopografie wird gleichzeitig mit dem Bildeinzug dargestellt und gespeichert.
Specific amounts of oxidizing and reductive impurities as well as some moisture were added to dense phase CO2 to replicate CO2 streams from sources in a CCS pipeline network. Due to the moisture content being only 50 ppmV no visible acid condensation took place. To simulate stress conditions at the inside pipeline surface due to fluid pressure (10 MPa) specimens were preloaded using a load frame. Experiments conducted at 278 K and at 313 K revealed the highest corrosion rate at lower temperature. Corrosive effect of impurities was strongest applying mixed atmosphere, containing oxidizing and reductive components, closely followed by CO2 streams with pure oxidizing character. By far, the lowest corrosion rate (10x lower) resulted from reductive atmosphere. In general, at constant temperature and pressure the CO2 stream composition strongly influences the morphology, thickness and composition of the corrosion products. Applying oxidizing or mixed impurities, iron hydroxides or oxides (e.g. goethite, hematite) occur as dominating corrosion products, capable to incorporate different amounts of sulfur. In contrast, using reductive atmosphere very thin corrosion layers with low crystallinity were developed, and phase identification by XRD was unfeasible. SEM/EDX analysis revealed the formation of Fe-O compounds, most likely attributed to the oxygen partial pressure in the system induced by CO2 (≥0.985 volume fraction) and volatile H2O. In addition to the surface covering corrosion layer, secondary phases had grown locally distributed on top of the layer. These compounds are characteristic for the applied atmosphere and vary in number, shape and chemical composition.
Nachdem im Verbundprojekt COORAL das Hauptaugenmerk auf überkritisches CO2 gelegt wurde, d. h. Transport über kurze Strecken bei erhöhter Temperatur, wurde in CLUSTER ein größeres lokales Transport-Netzwerk betrachtet, bei dem CO2 bei geringeren Temperaturen, also vorwiegend im flüssigen Zustand transportiert wird. Wurden in COORAL die CO2-Ströme von Kohlekraftwerken untersucht, ging es in CLUSTER zusätzlich um die Emissionen von relevanten Industrien, deren CO2-Emissionen nicht ohne Weiteres vermieden werden können.
Aufgrund der Erfahrungen in COORAL konnte eine Auswahl von kommerziellen Werkstoffen getroffen werden, die für einen konkreten Einsatz für CCS zur Verfügung stünden. Die gemischten und fluktuierenden CO2-Zusammensetzungen sind bei geeigneten Begrenzungen der Begleit¬stoffe im CO2 bezüglich Korrosionsvorgänge beherrschbar. Die Machbarkeit eines lokalen CCS-Clusters erscheint daher gegeben, soweit dies die Anlagen für Kompression, Transport und Injektion betrifft.