Annulus CO2-corrosion of high strength steel wires from unbounded flexible pipes

Abstract

Recent premature failures of unbounded flexible pipes brought life to the discussion of the detrimental effects of the CO2 on the structural layers of unbounded flexible pipes. Flexibles are structures composed of several concentric layers of polymers and steel wires. The steel wires support the mechanical loads and reside inside a highly confined annulus space bounded by two polymer layers. The environment in this occluded annulus region evolves as water and other chemicals permeate from the produced fluid in the bore through the inner sheath, or from breaches in the outer sheath. As a result, the armour wires can be subjected to corrosion that needs to be considered against the service environment. The complexity of the annulus environment makes the study of corrosion in it challenging. Thus, understanding the interactions between the steel and the electrolyte is essential for reproducing the corrosion of the structural layers. Despite that, many occluded CO2-corrosion tests are conducted in environments, which neither reproduce the state of the electrolyte, nor the mechanisms found in the field. Although some studies on corrosion in annulus environments have been published, there remains further work to be done to fully understand the extent of variables that may potentially affect the annulus corrosion rate and mechanisms within it, particularly concerning the effect of CO2 permeation. The present study describes the corrosion rates of high strength carbon steel wires in brines with carefully controlled supply rates. A simulation of the gas flow rate was carried to study the permeation behaviour on severe CO2 service conditions. Weight loss and electrochemical measurements were conducted to evaluate the corrosion rates. Pressure, temperature and composition of the brine, covering liquid, gaseous and supercritical states of CO2 have been explored by simulation in search for critical patterns. The data in low pressure are compared to simulation and those of previous studies in the literature. The experiments show low corrosion rates and a clear dependence between the concentration of iron, pH, open circuit potential and corrosion rate. Changes in these properties were found to describe three stages of corrosion. No substantial influence on the maximum corrosion rate was seen after a two-fold increase in the CO2 supply rate.

Recentes falhas prematuras de dutos flexíveis de camadas não aderentes trouxeram à luz a necessidade de debater os efeitos prejudiciais do CO2 na deterioração das camadas estruturais da tubulação. Estes tubos flexíveis são estruturas compostas por camadas concêntricas de polímero e aço, nas quais as partes metálicas têm como objetivo suportar as cargas mecânicas. As condições ambientais do interior do componente evoluem à medida que água e outras espécies químicas adentram na região anular, que são provenientes do fluido transportado, ou de rupturas na capa externa. Em consequência disto, as armaduras metálicas podem estar sujeitas à corrosão. Assim, compreender as correlações entre as variáveis ambientais com as propriedades do metal é vital para o entendimento do processo e da reprodução do dano na estrutura. Porém, a complexidade do ambiente anular torna o estudo desafiador. Por esta razão, muitos estudos encontrados na literatura foram conduzidos em ambientes que não reproduzem o ambiente anular, nem os mecanismos observados em campo. De fato, ainda há muito a ser feito para compreender o processo, particularmente no que diz respeito ao efeito da permeação de CO2 na corrosão das armaduras de tensão. Neste aspecto, o presente trabalho tem como objetivo descrever a corrosão dos arames de aço carbono de alta resistência mecânica em solução contendo 3,5% de NaCl sob condições controladas de fluxo de CO2. As simulações do fluxo de gás foram realizadas visando representar a permeação em condições de serviço severo. As taxas de corrosão foram avaliadas por técnicas eletroquímicas e de perda de massa. As variáveis do ambiente, pressão, temperatura e composição da solução, foram explorados por simulações cobrindo os estados líquido, gasoso e supercrítico do CO2 em busca de padrões críticos de corrosão. Os resultados obtidos nos experimentos foram comparados com simulações e com dados encontrados na literatura. Os experimentos mostram baixas taxas de corrosão e uma clara dependência entre a concentração de ferro, o pH, o potencial de circuito aberto e as taxas de corrosão. Alterações nestas propriedades descrevem três estágios. A taxa máxima de corrosão não foi significativamente afetada pelo aumento de duas casas decimais no fluxo de gás.