MODELO MATEMATICO PARA LA PREDICCIÓN DE LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN POR CO2

MODELO MATEMATICO PARA LA PREDICCIÓN DE LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN POR CO2

JAIME VILLARREAL, CARMELO FUENTES

*Corporación para la investigación de la corrosión CIC.

RESUMEN

En la Industria Petrolera Nacional como en la de otros países se presentan problemas relacionados con la integridad de la infraestructura metálica, debido a la presencia del CO2 en los fluidos de producción de los pozos de petróleo y gas. Una forma de prevenir y controlar los daños que se puedan presentar debido a la corrosión causada por el CO2 es mediante el uso de modelos matemáticos que ayudan a predecir el nivel de riesgos asociados a la corrosión. En este artículo se presentará el desarrollo de la fase I de un modelo matemático que podrá ser utilizado para evaluar la velocidad de corrosión en tuberías de acero al carbono expuestos en ambientes con CO2 y en condiciones operacionales de altas presiones y temperaturas. El modelo estará basado en la termodinámica de las reacciones del CO2, en la cinética de las reacciones electroquímicas, el pH de la solución acuosa, la hidrodinámica de las fases y la difusión de las especies corrosivas.

INTRODUCCIÓN

El fenómeno de la corrosión por CO2 es una experiencia frecuente en la producción de hidrocarburos en el mundo. Es una de las formas más agresivas de la corrosión causante de grandes daños en la infraestructura metálica de la industria petrolera. Algunos autores como M. B. Kermani1, la clasifican como la más importante y la de mayor impacto entre los diferentes tipos que se presentan en los pozos de producción de petróleo. Este tipo de fenómenos se presenta fundamentalmente en los yacimientos petrolíferos que tienen el CO2 asociado al petróleo y al gas. A pesar de que existen algunas guías, modelos de predicción y recomendaciones para controlar la corrosión por CO2, no son lo suficientemente universales para resolver todos los problemas que se presentan por esta causa, siendo esta una razón para que las Universidades y Centros de Investigación en el mundo continúen trabajando arduamente en el entendimiento del fenómeno, así como su manejo y su control.

El CO2 es corrosivo cuando reacciona químicamente con una fase acuosa, presente en la mayoría de veces en la producción del petróleo, formando el ácido carbónico. Se ha demostrado que la presencia de este ácido es más peligrosa que la de cualquier otro ácido fuerte a un pH similar. La forma más general de la corrosión por CO2 en materiales de acero al carbono es la corrosión localizada. Esta corrosión puede presentarse en forma de picaduras o una muy típica conocida como ataque mesa. En algunos casos y generalmente en los conductos de petróleo se presenta corrosión por CO2 en forma de canales paralelos que se extienden en la dirección del flujo y se le conoce como corrosión localizada inducida por el flujo.

La corrosión por CO2 está siendo mitigada con la aplicación de algunos métodos como el de los inhibidores de corrosión, los recubrimientos internos plásticos, la adición de elementos aleantes en los materiales y en algunos casos el uso de materiales con tratamientos térmicos para obtener estructuras finas de ferrita-perlita. Entre los inhibidores de corrosión más utilizados en la industria de los hidrocarburos se encuentran las aminas, amidas, imidas e imidazolinas como compuestos nitrogenados. Su mecanismo de protección consiste básicamente en la adsorción del inhibidor en la superficie del metal creando barreras que impiden la acción de los agentes corrosivos. Los recubrimientos internos aplicados en los conductos de transporte de hidrocarburos y productos refinados, fabricados con base en compuestos epóxicos, uretanos, poliuretanos y otra cantidad de compuestos poliméricos, últimamente han crecido en su aplicabilidad. Una alternativa bastante exitosa pero costosa para resistir la agresividad del CO2 en los materiales, es la adición de elementos aleantes en la metalurgia de los aceros, principalmente el cromo. Porcentajes de cromo hasta el 1% han mostrado efectos benéficos, tal como lo menciona A. Ikeda2, pero es frecuente el uso de tuberías aleadas con alrededor de un 13% de cromo. Cuando las condiciones operativas de un sistema de producción o transporte de hidrocarburos permiten la formación de depósitos de corrosión, como son los carbonatos de hierro, de acuerdo con estudios realizados por algunos autores como K. Videm3 y C. A. Palacios4, entre otros, es favorable la presencia de microestructuras del tipo ferrita-perlita en los aceros al carbono, pues permiten un mejor anclaje de los depósitos de FeCO3 y como consecuencia la formación de una fuerte barrera que impide la acción de los agentes corrosivos en la superficie del metal.

MECANISMOS DE LA CORROSIÓN POR CO2

Los mecanismos de la corrosión por CO2 han sido sustentados en las reacciones catódicas de reducción que ocurren en la interface superficie metálica – medio corrosivo, y se presentan por los iones existentes en la solución acuosa, que se forman cuando el CO2 se disuelve en el agua. Se han realizado estudios de los mecanismos de la reacción catódica y se han propuesto algunas etapas controlantes del proceso. Por ejemplo Waard y Milliams5 consideraron como la etapa controlante del proceso, la reducción del ácido carbónico con la subsiguiente regeneración del ácido a partir del bicarbonato y los protones. Otros autores (G. Schmitt y B. Rothman6, S. Turgoose7, E. Eriksrud y T. Sontvedt8) han confirmado experimentalmente la existencia de una corriente catódica limitante que no es totalmente dependiente de la difusión.

Basado en los estudios en un circuito hidrodinámico de 5 cm de diámetro, J. Villarreal9 propuso la siguiente ecuación en la cual se describe que la corriente catódica total limitante, ICL, es el resultado de la suma de una corriente independiente del flujo, II, mas una corriente dependiente del flujo, ID.

[pic 1]            (1)

La corriente catódica limitante independiente del flujo II, está relacionada con la reducción directa del ácido carbónico, H2CO3, que puede estar adsorbido en la superficie del metal. Las reacciones que dan origen a la corriente catódica, II, son las siguientes:

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