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Die Analyse von Bruchflächen wird in der Schadensanalyse meist auf der Basis von Erfahrungswissen vorgenommen, welches aus vorliegenden Untersuchungen, eigenen Vergleichsversuchen und aus der Literatur stammt. Durch Vergleiche mit bereits vorliegenden Bildern werden qualitativ Bruchmechanismen ermittelt. Grundlage sind zumeist zweidimensionale Bilder aus licht- und elekt-ronenoptischen Verfahren. Quantitative Aussagen beziehen sich bislang beispielsweise auf makroskopische Anteile von Bruchmechanismen oder die Ausmessung von Schwingstreifen. In jüngerer Zeit gibt es vermehrt Ansätze, Computer-Algorithmen einzusetzen, die in der Lage sind, unterschiedlich strukturierte Bruchmerkmale zu finden und zu klassifizieren. Im hier vorgestellten IGF-Vorhaben „iFrakto“, IGF Vorhaben Nr.: 21477 N, werden licht- und elektronenoptisch Topographie-Bilder erzeugt und die gewonnenen 3D-Informationen zusammen mit den klassischen 2D-Bildern ausgewertet.
Die „auffälligen großen Streifen“ sind von echten Schwingstreifen nur sehr schwer zu trennen, weil sie parallel zu den Schwingstreifen verlaufen und meistens ebenfalls nicht sehr groß sind. Die im Labor getesteten Proben zeigten, dass diese großen Streifen zusammen mit Verreibungen auftraten und „tire tracks“ („Reifenspuren“) verursachten. Dies wurde durch eine hochauflösende REM-Untersuchung bestätigt, die „tire tracks“ auf den „großen Streifen“ zeigte. Ein weiterer Hinweis ist die Änderung des R-Werts von -1 auf 0,1, was zu einer Bruchfläche ohne große Streifen und „tire tracks“ führt.
Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) is a promising technology to reach the target for reduction of CO2 emissions. Crucial points for a sustainable and future-proof CCUS system are reliability and cost efficiency of the whole process chain, including separation of CO2 from the source, compression of CO2, its subsequent transportation to the injection site and injection into geological formations, e.g. aquifers. Recent studies have shown that even at a very low concentration of impurities, condensation of sulfuric and nitric acids in dense phase CO2 are possible and observable. Thus, impact of impure CO2 stream toward corrosion susceptibility of materials to be used in CCUS system need to be considered. In this talk, basing on results achieved from two German long-term projects (COORAL and CLUSTER), the dominating impurities of the CO2 stream and corrosion mechanisms are addressed. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide a material recommendation for certain parts.
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.
CCS technology - Carbon Dioxide Capture and Storage, has been recognized as an excellent technology to reach the target of CO2 reduction. However, the safety issue and cost effectiveness currently hinder the future of CCS. 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 [1-3].To reveal the mechanism of droplet corrosion in dense 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 work, carbon steel 1.8977 (L485MB), CrMo-alloyed steel 1.7225 (42CrMo4), martensitic steel 1.4313, and superaustenite steel 1.4562 (alloy 31) were investigated. The wettability was determined by contact angle measurement of sessile drop in CO2 atmosphere, at different pressure and temperature. The corrosion behavior of steels was investigated with standard exposure tests, followed by mass loss determination, surface characterization by scanning electron microscope (SEM) and chemical analysis by Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDX). Exposure tests with and without the synthetic CO2 saturated water droplets were performed at both low temperature (278 K) and higher temperatures (288 K and 313 K) at high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The investigated flue gases were SO2 (70-220 ppmV) and O2 (6700 ppmV) and water (50-200 ppmV). To reveal the effects of surface morphology, carbon steel coupons with different surface roughness were prepared to expose to CO2 stream containing oxidizing/reducing impurities to observe the condensation and the corrosion process that followed.
In this work, the focus was set on the corrosion process of condensate as drops on the surface of carbon steels (X52, X70), martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS 08031 in CO2 atmosphere with impurities at 278 K (to simulate the transportation condition in a buried pipeline). Exposure tests were performed at both normal pressure and high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The drop, 1 ‑ 10 µL in volume, was prepared by dropping CO2 saturated ultra-pure water onto the surface of steel coupons in a one-liter-autoclave. The CO2 gas stream, simulating the oxyfuel flue gas with varying concentration of impurities (SO2 and O2), was then pumped into the autoclave to observe the condensation and corrosion impacts of impurities. Comparable exposure tests were carried out with the same gas mixture and the same volume of water as vapor to observe the drop formation and the corrosion process that follows. The wettability and stability of drops on the surface of steel coupons in CO2 supercritical/dense phase environment was evaluated additionally by contact angle measurement.
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.
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 embedded in cement to mimic the realistic casing-cement interface. Electrochemical studies were carried out using these metal-cement specimens in comparison with those made of metal only in CO2 saturated synthetic aquifer fluid, at 333 K, to reveal the effect of cement on the steel performance. The results showed the protective effect of cement on the performance of pipeline metals during polarisation process. However, the corrosion current density was high in all cases, with and without cement, indicating that the corrosion resistance of these materials is low. This conclusion was supported by the surface analysis of the polarized specimens, which revealed both homogenous and pitting corrosions. Furthermore, to reveal the possible protective performance of FeCO3, the pipeline steels were pre-carbonated and then tested in the same condition as freshly polished specimens.
In this work, the focus was set on the corrosion process of condensate as drops on the surface of carbon steels (X52, X70), martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS 08031 in CO2 atmosphere with impurities at 278 K (to simulate the transportation condition in a buried pipeline). Exposure tests were performed at both normal pressure and high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The drop, 1 ‑ 10 µL in volume, was prepared by dropping CO2 saturated ultra-pure water onto the surface of steel coupons in a one-liter-autoclave. The CO2 gas stream, simulating the oxyfuel flue gas with varying concentration of impurities (SO2 and O2), was then pumped into the autoclave to observe the condensation and corrosion impacts of impurities. Comparable exposure tests were carried out with the same gas mixture and the same volume of water as vapor to observe the drop formation and the corrosion process that follows. The wettability and stability of drops on the surface of steel coupons in CO2 supercritical/dense phase environment was evaluated additionally by contact angle measurement.
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.