Impact de l’oxygène et de l’H2S sur la corrosion du fer pur et sur le chargement en hydrogène

by Martien Duvall Deffo Ayagou

Doctoral thesis in Chimie

Under the supervision of Jean Kittel.

defended on 12-10-2018

in Lyon , under the authority of École Doctorale de Chimie (Lyon) , in a partnership with Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) and Institut Français du Pétrole. Energies Nouvelles (Lyon site) (laboratoire) .

  • Alternative Title

    Impact of oxygen on corrosion of pure iron and on hydrogen charging in H2S Medium


  • Abstract

    The work in this thesis presents the effect of trace concentrations of oxygen (O2 ) on corrosion and hydrogen uptake of pure iron/steel in H2S-media. Three main avenues of research were conducted.The first part is concerned with the reaction chemistry between dissolved H2S and O2. A literature review is presented, identifying a number of reaction pathways associated with the dissolved H2S and O2 reaction as well as analytical methods used to measure the resulting S-O reaction products. Subsequently, thermodynamic calculations allow for the prediction of the most stable species indissolved H2S -O2 solutions, later confirmed using spectroscopic and chromatographic methods. Such techniques reveal that the principal soluble reaction products are sulfate, thiosulfate and sulfite anions,as well as hydronium ions. From pH monitoring, a continuous rise in acidity of an H2S solution can be an indication of O2 ingress.Secondly, electrochemical methods are used to explore corrosion phenomena and deposit formation in the presence and absence of O2 pollution. Corrosion rates in the presence of O2 are reproducibly much higher if compared against those in the system lacking O2 . An electrochemical impedance spectroscopy model has been developed to study the evolution of the metal / electrolyte interface over time, which is validated using weight loss corrosion rate measurements, and represents impedance data reported in the literature on similar systems.Finally, the third part is devoted to hydrogen uptake in pure iron and petroleum industry sour-grade steel (X65). In the absence of O2 pollution, permeation efficiency yields close to 100% are observed between the permeation current and the corrosion current estimated from the impedance measurements over a period of several weeks. In the presence of O2 , however, this yield is reproducibly far lower. Moreover, some tests conducted on X65 also show a significant effect of O2 on the quite protective nature of the deposit, not observed on the model system using pure iron


  • Abstract

    Ce travail de thèse a porté sur l’impact de traces d’oxygène sur la corrosion de fer pur ou d’acier en milieu H 2 S, ainsi que sur le chargement en hydrogène. Trois axes de recherche ont été suivis.Une première partie est consacrée à la chimie de la réaction H 2 S+O 2 . Nous avons d’abord identifié dans la littérature les chemins réactionnels possibles de la réaction H2S+O2 , et les méthodes d’analyse des espèces S-O en solution. Nous avons ensuite utilisé des méthodes thermodynamiques pour prédire les espèces les plus stables, qui ont été validées par des essais expérimentaux. Il ressort de cette analyse que les principaux produits solubles de la réaction H2S+O2 sont les ions sulfate, thiosulfate etsulfite, ainsi que les ions H + . La décroissance continue du pH de la solution d’essai dans un système corrosif en milieu H2S peut être un indicateur d’une pollution par l’oxygène.La seconde partie utilise des méthodes électrochimiques pour étudier les phénomènes de corrosion et de formation de dépôts en présence ou en absence d’oxygène. La vitesse de corrosion est systématiquement plus grande en présence de O2 . Un modèle d’impédance a été developpé pour l’étude de l’évolution de l’interface métal/électrolyte, et ce modèle est en accord avec la littérature et est validé par l’évaluation de la vitesse de corrosion par perte de masse.Enfin, la troisième partie est consacrée au chargement en hydrogène dans le fer pur ou dans un acier pétrolier de type X65. En absence de pollution par l’oxygène, on observe des rendements très proches de 100 % entre le courant de perméation et le courant de corrosion estimé à partir des mesures d’impédance, et ce sur plusieurs semaines. En présence d’O2 , ce rendement est systématiquement beaucoup plus faible. Par ailleurs, quelques tests menés sur l’acier pétrolier montrent également un effet important de l’oxygène sur le caractère plus ou moins protecteur du dépôt, qui n’avait pas été observé sur système modèle utilisant du fer pur


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