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Impact of acid condensation on wetting and corrosion behavior of CO2 transport-pipeline steel
(2018)
Es ist allgemein akzeptiert, das Korrosion in CO2-Transport-Pipelines vernach¬lässigbar ist, solange der Wassergehalt des CO2-Stroms deutlich unter der maximal löslichen Menge liegt. Bisher gibt es keinen allgemeinen Konsens darüber, welcher maximale Wassergehalt in zu transportierendem CO2 zugelassen werden sollte. Bei einem Druck von 100 bar und im Temperaturbereich von 277 K bis 298 K beträgt die Löslichkeit von Wasser in CO2 ca. 1.900 bis 3.200 ppmv, aber die Korrosionsrate von Stählen steigt schon ab einem Wassergehalt von 500 ppmv deutlich an. Bei Anwesenheit von Begleitstoffen wie SO2, NO2 und O2, können sich HNO3, H2SO3 und H2SO4 bilden. Menge und Zusammensetzung von kondensierter Säure sind von der Gaszusammensetzung abhängig, und der Korrosionsmechanismus und die Korrosionsform sind vom Kondensationsverhalten abhängig.
CCUS-Technologie (CO2-Abtrennung; Nutzung und Speicherung, engl. Carbon Dioxide Capture, Utilization and Storage) gilt als eine vielversprechende Methode zur Abschwächung des Beitrags von fossilen Emissionen zur globalen Erwärmung. Dabei wird das in den Verbrennungsprozessen entstandene Treibhausgas aufgefangen, zu verschiedenen Lagerstätten transportiert und langzeitig gespeichert bzw. einer chemischen Nutzung zugeführt.
In bisher veröffentlichten Untersuchungen wurde gezeigt, dass die CO2-Transport-Pipelines in hohem Maße gefährdet sind, wenn sie korrosiven Begleitstoffen des CO2-Stroms, wie SOx, NOx bei einem hohen Wasserdampfanteil ausgesetzt sind. Screening-Tests zeigten, dass bei einer Konzentration von 1000 ppmv H2O die Reaktionen und Kondensation von SO2 und NO2 mit O2 und H2O zu Säuretropfen (pH ~ 0,5) auf der Oberfläche von Metall-Prüfkörper und Gefäß führen. Die Werkstoffe 1.0582, 1.8977, 1.4313 und 1.4562 wurden in CO2-gesättigtem Kondensat mit unterschiedlichem Verhältnis der säurebildenden Komponenten untersucht. Diese Studien zeigten grundsätzlich den Mechanismus sowie die Rolle jedes CO2-Strom-Begleitstoffes auf den Korrosionsprozess. Allerdings spiegeln die bei Auslagerung und elektrochemischen Messungen in der künstlichen CO2-gesättigten Kondensat-Lösung auftretenden Bedingungen nicht im Detail die Realität in der Praxis, wo sich nur Tröpfchen bilden, wider.
Diese Arbeit konzentriert sich auf den Korrosionsprozess von Kondensat in Form von Tröpfchen, auf der Oberfläche von Rohrleitungswerkstoffen unter CO2-Atmosphäre bei 5 °C (Simulation des Transportzustandes). Die Experimente wurden nicht nur für Auslagerungsversuche, sondern auch für elektrochemische Tests mit nur einem Tröpfchen (weniger als 20 µL) konzipiert. Die Auslagerungs-versuche wurden sowohl unter Normaldruck als auch bei hohem Druck (> 70 bar) durchgeführt, wobei das CO2 als dichte – den Tropfen umgebende - Phase vorliegt. Die korrodierten Prüfkörper wurden rasterelektronenmikroskopisch (REM) und mittels Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) analysiert, um nicht nur Korrosionsform, sondern auch die Elementverteilung der Korrosionsprodukte zu zeigen.
This work examined the droplet corrosion of CO2 pipeline steels caused by impurities in CO2 supercritical/dense phase at 278 K, simulating the underground transport condition. The wetting properties of carbon steels (X52 and X70) as well as martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS N08031 were studied by contact angle measurement, revealing reactive wetting behavior of carbon steels. Exposure tests with CO2 saturated water droplet on steel surface showed that the impurities (220 ppmv SO2 and 6700 ppmv O2) diffused into the droplet and then reacted with metal coupons in supercritical/dense phase condition, forming the corrosion product instantly during pumping process. Due to the active wetting behavior, the carbon steels suffered from heavily attack, while negligible corrosion product was observed in cases of martensitic steel UNS S41500 and superaustenite UNS 08031 coupons. Condensation experiments that were carried out on fresh polished coupons in CO2 with 1200 ppmv H2O showed that the formation and aggregation of droplet is dependent on the presence of impurities. Without SO2 and O2, the same concentration of H2O did not cause observable corrosion process after a week of exposure. With 220 ppmv SO2 and 6700 ppmv O2 even low water concentration (5-30 ppmv) still resulted in heterogeneous nucleation and subsequent growth of droplets, leading to corrosive process on carbon steel surface albeit to a lesser extent.
Recent studies have shown that even at a very low concentration of impurities (less than 100 ppmv of SO2, NO2, O2 and H2O) the droplet formation and condensation of sulfuric and nitric acids in dense phase CO2 are possible and observable. To reveal the mechanism of droplet corrosion in dense phase CO2 at high pressure and low temperature, further studies on factors that affect wettability and resulting corrosion behaviors of transport pipeline steels are needed. In this study, effects of surface morphology were investigated by varying surface roughness of carbon steel coupons exposed to CO2 stream containing impurities to measure the wettability by contact angle and to observe the condensation as well as possible droplet corrosion that followed. Other considered factors were: pH of the droplet, temperature, droplet volume, and exposure time.