Fax to: +496221/48768560 Petra Treiber Springer, Heidelberg From: Re: Authors:

Journal of Solid State Electrochemistry   DOI 10.1007/s10008-004-0579-9 The effect of H2S concentration on the corrosion behavior of API 5L X-70 steel Arzola · Genescá

I. Permission to publish Dear Petra Treiber, I have checked the proofs of my article and ❑ I have no corrections. The article is ready to be published without changes. ❑ I have a few corrections. I am enclosing the following pages: ❑ I have made many corrections. Enclosed is the complete article.

II. Offprint order ❑ Offprint order enclosed

❑ I do not wish to order offprints

Remarks: Date / signature   

III. Copyright Transfer Statement  (sign only if not submitted previously) The copyright to this article is transferred to Springer-Verlag (for U.S. government employees: to the extent transferable) effective if and when the article is accepted for publication. The copyright transfer covers the exclusive right to reproduce and distribute the article, including reprints, translations, photographic reproductions, microform, electronic form (offline, online) or any other reproductions of similar nature. An author may make his/her article published in this journal available on his/her home page provided the source of the published article is cited and Springer-Verlag is mentioned as copyright owner. Authors are requested to create a link to the published article in Springer’s internet service. The link must be accompanied by the following text: “The original publication is available at springerlink.com.” Please use the appropriate DOI for the article (go to the Linking Options in the article, then to OpenURL and use the link with the DOI). Articles disseminated via SpringerLink are indexed, abstracted and referenced by many abstracting and information services, bibliographic networks, subscription agencies, library networks, and consortia. The author warrants that this contribution is original and that he/she has full power to make this grant. The author signs for and accepts responsibility for releasing this material on behalf of any and all co-authors. After submission of this agreement signed by the corresponding author, changes of authorship or in the order of the authors listed will not be accepted by Springer. Date / Author’s signature   

Journal: Journal of Solid State Electrochemistry DOI: 10.1007/s10008-004-0579-9

Offprint Order Form •

To determine if your journal provides free offprints, please check the journal’s instructions to authors. You are entitled to a PDF file if you order offprints. Please specify where to send the PDF file:

• •

• •

[email protected]



If you do not return this order form, we assume that you do not wish to order offprints. If you order offprints after the issue has gone to press, costs are much higher. Therefore, we can supply offprints only in quantities of 300 or more after this time. For orders involving more than 500 copies, please ask the production editor for a quotation.

Please note that orders will be processed only if a credit card number has been provided. For German authors, payment by direct debit is also possible. Please enter my order for:

❑ ❑ ❑ ❑ ❑ ❑

Copies 50 100 200 300 400 500

Price EUR 250.00 300.00 400.00 500.00 610.00 720.00

I wish to be charged in    ❑  Euro      ❑  USD Price USD 275.00 330.00 440.00 550.00 670.00 790.00

Please charge my credit card ❑ Eurocard/Access/Mastercard ❑ American Express ❑ Visa/Barclaycard/Americard Number (incl. check digits):

Prices include surface mail postage and handling. Customers in EU countries who are not registered for VAT should add VAT at the rate applicable in their country. VAT registration number (EU countries only):

For authors resident in Germany: payment by direct debit: I authorize Springer to debit the amount owed from my bank account at the due time. Account no.:   

_ _ _ _   _ _ _ _   _ _ _ _   _ _ _ _   _ _ _

Bank code:   

Valid until:   _ _  / _ _

Bank:   

Date / Signature:   

Date / Signature:   

Send receipt to:

Ship offprints to:

❑ S. Arzola Univ. Nacional Autonoma Mexico Dpto. Ingenieria Metalurgica Facultad Quimica UNAM. Ciudad Universitaria Mexico D.F. 04510, Mexico

❑ S. Arzola Univ. Nacional Autonoma Mexico Dpto. Ingenieria Metalurgica Facultad Quimica UNAM. Ciudad Universitaria Mexico D.F. 04510, Mexico





Journal of Solid State Electrochemistry © Springer-Verlag 2004 DOI 10.1007/s10008-004-0579-9

Original Paper

The effect of H2S concentration on the corrosion behavior of API 5L X-70 steel S. Arzola (✉) · J. Genescá (✉) S. Arzola · J. Genescá Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, 04510 Mexico City, D.F., Mexico ✉ S. Arzola Phone: +52-56-225225 E-mail: [email protected] ✉ J. Genescá E-mail: [email protected]

Received:   28 November  2003 / Accepted:   20 July  2004

Abstract  This work presents electrochemical data measured during the corrosion of API 5L X-70 pipeline steel immersed in aqueous environments containing dissolved H2S. Three different electrolyte were used: a 3 wt% NaCl solution containing 100, 650 and 2,550 ppm of H2S respectively. The corrosion of steel is described by means of electrochemical impedance spectroscopy. The electrochemical data obtained from the steel monitoring are presented in terms of Nyquist plots. The influence of the total H2S concentration as well as the effect of temperature on the corrosion of API 5L X-70 steel were also studied. In the presence of H2S the Rct values decrease as the H2S concentration increases. Keywords  Hydrogen sulfide in chloride solutions · API 5L X-70 steel · Corrosion · Electrochemical impedance

1

Introduction The electrochemical behavior of both iron and many grades of steel in H2S solutions has been investigated through the years by many researchers [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12] by simulation of field conditions in the laboratory. Most of them propose as the first corrosion product formed on steel surface the ferrous sulfide phase known as mackinawite [13]; however, formation of other phases is also thermodynamically possible with changes in the pressure and/or the temperature of the test conditions. Shoesmith et al. [14] reported the formation of three iron monosulfide phases: mackinawite, troilite and ferrous sulfide, at 21 °C, in unstirred and saturated aqueous H2S solutions. Param et al. [15] proposed that steel immersed in H2S-containing solutions will corrode leading to the formation of a series of iron sulfide phases, with mackinawite as the first corrosion product. Other authors paid attention to the kinetics of mackinawite formation. Pound et al. [16] have investigated the anodic behavior of iron in H2S solution. Vedage et al. [17] described the corrosion of 4130 steel in a 3 wt% sodium chloride solution in H2S in terms of two different processes: charge transfer at high frequencies and a diffusion processes at low frequencies. Ma et al. [10] have investigated the protective/nonprotective behavior of the FeS film formed on a steel surface by means of alternating current impedance and pointed out that H2S may have an inhibiting effect on the corrosion.

Experimental Apparatus Electrochemical impedance spectroscopy was carried out with a Solartron 1280B potentiostat. Impedance spectra were measured in a frequency range from 0.001 to 20,000 Hz at an alternating current amplitude of 10 mV. Monitoring for 24 h was carried out for all the conditions studied. The three-electrode system was used in all experiments, the working electrode being a cylindrical X-70 steel bar with an exposure area of 0.8184 in.2, a saturated calomel electrode as a reference and a rod of sintered graphite as a counter electrode. The chemical composition of the steel was 0.26% C, 1.65% Mn, 0.03% P and 0.03% S.

2

Electrolytes Three different electrolytes were prepared to conduct the experimentation. Table 1 summarizes the different electrolyte solutions studied in this work. All solutions were purged with N2 for about 45 min to eliminate the dissolved oxygen; subsequently H2S gas was bubbled through the solution until the saturation condition was reached. The H2S concentration was determined by the iodometric titration method. [Table 1 will appear here. See end of document.] All conditions were evaluated at 20 and 60 °C and at atmospheric pressure of Mexico City.

Results and discussion Figures 1 and 2 show the corrosion behavior of steel in terms of Nyquist diagrams. When H2S is present, the Nyquist plot is formed at high frequencies by a semicircle characteristic of a chargtransfer process and at low frequencies by a Warburg resistance characteristic of a diffusion process with a slope of approximately 45°. After 24-h exposure this response is practically the same; however, the diffusion process it is not well defined because of the frequency range used.

3

Fig. 1  Impedance spectra of X70 steel measured in a 3 wt% NaCl solution with 100 (a) 650 (b) and 2,550 ppm H2S at 20 °C at 0 (closed circles) and 24 h of exposure (open circles).

4

Fig. 2  Impedance spectra of X70 steel measured in a 3 wt% NaCl solution with 100 (a) 650 (b) and 2,550 ppm H2S at 60 °C at 0 (closed circles) and 24 h of exposure (open circles).

According to Vedage et al. [17] this process may be attributed to iron dissolution at high frequencies, and at low frequencies diffusion may occur through the iron sulfide film formed because of the unstirred system conditions. There is a trend for the Rct values to increase with time because of film formation on the steel surface. This film, as mentioned previously, is an iron sulfide known as mackinawite as reported by several authors [6, 8, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 20, 21, 22]. The

5

charge transfer resistance values in the 100 ppm H2S solution become smaller, about 20 times lower than those for the sodium chloride solution [23]. At 60 °C the impedance spectrum shows two time constants at the beginning of the monitoring process, then these two time constants become one (representing only one process), characteristic of the charge transfer process. The temperature effect is the same for the three conditions as can be seen in Fig. 2, which shows at 24 h of monitoring the diameter of the semicircle with practically the same value. From Fig. 2, it is also possible to note that apparently the temperature effect (that promotes the transfer of species from the bulk to the electrode surface) becomes more important than the concentration of H2S. This is confirmed by the corrosion values corresponding to each condition (Fig. 3).

Fig. 3  Corrosion rate values for three H2S conditions studied at 20 and 60 °C.

It is clear from Fig. 2 that both temperature and H2S concentration have a strong influence on the general corrosion process of X70 steel. For the solution with a concentration of 100 ppm H2S, the lowest corrosion rate values were calculated at 20 °C but at a higher temperature (60 °C) the corrosion values are very close to those measured for 650 ppm H2S at 20 °C. Very similar behavior occurs when the H2S concentration increases from 100 to 650 ppm. These corrosion values are closer to those for the saturation condition, which means that an increment in temperature when H2S is present will accelerate the corrosion process to very high levels as shown in Fig. 3. The equivalent circuits used in the fitting of the electrochemical behavior of X-70 steel in a sodium chloride solution with H2S, at 20 and 60 °C, are shown in Fig. 4. The circuit to fitting the mixed control process at 20 °C (Fig. 1) is formed by the solution resistance, RS, the double-layer

6

capacitance, Cdl, the charge transfer resistance, Rct and a Warburg element, W (Fig. 4 a). At 60 °C, two different equivalent circuits were used to simulate experimental data. At the beginning of the monitoring the behavior of the system is described by two time constants: at high frequencies Rct and at low frequencies the FeS film resistance Rfilm with their associated capacitances and RS. After the first 2 h of exposure, the system at 60 °C seems to be described only by one time constant; therefore, it can be fitted to a Randless circuit. A constant phase element (CPE) was used to obtain better fitting of the experimental results. Even though the physical meaning for the CPE is not well defined, it has been used to simulate impedance data as proposed by Brug et al. [24].

Fig. 4  Equivalent circuits proposed for the fitting of experimental data. Rfilm resistance of the film, Cfilm capacitance of the film

There is an important shift in Rct values due to H2S addition to the NaCl solution. For the solution with 100 ppm H2S the Rct value changes from 1,315 to 2,059 Ω cm2 (from the beginning to the end of monitoring), in the 650 ppm H2S solution the Rct value goes from 465.4 to 864.8 Ω cm2 and, finally, the lowest charge transfer resistance values are those corresponding to the saturated solution and go from 298.7 to 462.1 Ω cm2. Table 2 summarizes the charge transfer resistance variation as a function of H2S concentration at two different exposure times. [Table 2 will appear here. See end of document.]

Conclusions There are two processes involved in the corrosion of API 5L X-70 steel in H2S media: at high frequencies a charge transfer process (the iron dissolution) and at very low frequencies a diffusion processes (the H+ or H2S species), according to the following reactions:

7

Anodic:

Cathodic:

There is a clear dependence on the corrosion behavior of steel with H2S concentration with changes in the polarization resistance of the system, as was demonstrated by the corrosion data. For all conditions analyzed in this study there is no evidence of any protection against corrosion from the FeS film formed on the steel surface. Although the values of the corrosion data decrease with the exposure time because of the film formation, they are too high to be considered as protective. The temperature effect becomes important in promoting the transfer of electrochemical species from the bulk to the steel surface and the FeS formation.

References 1.

Bond DC, Marsh GA (1950) Corrosion 6:22

2.

Ewing SP (1955) Corrosion 11:51

3.

Donald WS, James EB (1959) Corrosion 15:299 t

4.

Macdonald DD, Bruce R, James BH (1978) Corros Sci 18:411

5.

Bruce DC (1979) Corrosion 35:136

6.

Param HT, Allan BC (1979) Can J Chem 57:188

7.

Morris DR, Sampaleanu LP, Veysey DN (1980) J Electrochem Soc 127:1228

8.

Wikjord AG, Rummery TE. Doern FE, Owen DG (1980) Corros Sci 20:651

9.

Satyanarayana DV (1981) Corrosion 37:611

10. Ma H, Cheng X, Li G, Chen S, Quan Z, Zhao S, Niu L (2000) Corros Sci 42:1669 11. Saenz de Santa Maria M, Turnbull A (1989) Corros Sci 29:69 12. Turnbull A, May A (1990) Corros Sci 30:657 13. Meyer FH, Riggs OL, McGlasson RL, Sudbury JD (1958) Corrosion 14:109t 14. Shoesmith DW, Taylor M. Bailey G, Owen DG (1980) J Electrochem Soc 127:1007 15. Param HT, Allan BC (1976) J Phys Chem 80:1844 16. Pound BG, Wright GA, Sharp RM (1989) Corrosion 45:386 17. Vedage H, Ramanarayanan TA, Mumford JD, Smith SN (1993) Corrosion 49:114 18. Milton C (1966) Corrosion 22:191 19. Pound BG (1985) Aust J Chem 38:1133 20. Berner RA (1962) Science 137:669 21. Berner RA (1970) Am J Sci 265:773

8

22. Hausler RH, Goeller LA, Zimmerman RP, Rosenwald RH (1972) Corrosion 28:7 23. Arzola PS, Genesca LJ, Mendoza FJ, Duran RR(2003) Electrochemical study on the corrosion of X-70 pipeline steel in H2S containing solutions. Corrosion/NACE, Houston, p 03401 24. Brug GJ, Van Den Eeden AL, Sluyters-Rehbach M, Sluyters JH (1984) J Electroanal Chem 176:275

9

10

Electrolyte 3 wt% NaCl solution 3 wt% NaCl solution 3 wt% NaCl solution

Table 1  Electrolyte solutions. H2S concentration (ppm) 100 650 2,550

pH 5.34 4.38 4.11

11

H2S concentration (ppm)

0 100 650 2,550

Rct (Ω cm2) 0 h

Table 2  . Charge transfer resistance variation as a function of H2S concentration.

24,667 1,315 465.4 298.7

24 h 11,471 2,059 864.8 462.1

Fax to: +496221/48768560

The effect of H2S concentration on the corrosion behavior of API 5L X-70 steel ... is transferred to Springer-Verlag (for U.S. government employees: to the extent .... The electrochemical data obtained from the steel monitoring are presented in ...

359KB Sizes 3 Downloads 185 Views

Recommend Documents

pdf to fax
Page 1. Whoops! There was a problem loading more pages. Retrying... pdf to fax. pdf to fax. Open. Extract. Open with. Sign In. Main menu. Displaying pdf to fax.

pdf fax to email
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. pdf fax to email.

Fax to: +49030/82787-65746
I have checked the proofs of my article and. ❑ I have no ... Authors are requested to create a link to the published article in Springer's internet service. The link.

receive fax to pdf
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. receive fax to ...

convert fax to pdf free
convert fax to pdf free. convert fax to pdf free. Open. Extract. Open with. Sign In. Main menu. Displaying convert fax to pdf free.

pdf to fax machine
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. pdf to fax ...

2012-12-14 fax letter to Wilkins co Banowsky w fax cover.pdf ...
2012-12-14 fax letter to Wilkins co Banowsky w fax cover.pdf. 2012-12-14 fax letter to Wilkins co Banowsky w fax cover.pdf. Open. Extract. Open with. Sign In.

fax-email.pdf
Sign in. Loading… Page 1. Whoops! There was a problem loading more pages. Retrying... fax-email.pdf. fax-email.pdf. Open. Extract. Open with. Sign In.

Full page fax print
THE EFFECTS OF. THE ATOMIC BOMBS. AT HIROSHIMA. AND NAGASAKI. REPORT OF THE BRITISH. MISSION TO JAPAN. HIS MAJESTY'S STATIONERY ...

fax-email.pdf
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. fax-email.pdf.

Full page fax print - Manabadi.com
Aug 21, 2012 - (ii) B.Sc (Maths/ Statistics) with Computer Science as one of the subject. OR. (iii) B.Com (Statistics with Computer Science as one of the ...

6440 6633 | Fax -
Website: http://www.tgdevelopment.com.sg. Company Background. TG Corporation ... 20 years a reputation as a developer of premium projects and reliable developer with strong credibility amongst suppliers, ... and committed management team. We are led

fax pdf from computer
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. fax pdf from ...

828-465-8201 Fax - Catawba County
Jun 13, 2013 - COUNTY EMPLOYEES LEARN LEADERSHIP BY HELPING FAMILIES IN NEED. A group of Catawba County employees working to develop ...

828-465-8201 Fax - Catawba County
"I am pleased to notify you that the County of. Catawba has ... and receive this award twenty-three years ago,” said Jennifer Mace, the County's Budget Manager.

Full page fax print
Page 1. et 8V - V - ? (2* Ø 3 * Ant? - 2. ─────AZT AZ Z ──4──4 A-A- ... Page 2. | | | / \ | ||. D───────────────────. —————A ...

generic fax cover sheet pdf
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. generic fax ...

send pdf by fax
There was a problem loading more pages. send pdf by fax. send pdf by fax. Open. Extract. Open with. Sign In. Main menu. Displaying send pdf by fax.

Full page fax print
Employees upto 25.02.1999, the pay scales as per 6" Pay Commission's ... 6500-10,500 PB2 - Rs. 9300-34800 + Grade pay Rs. 4600/- ... Technician.

Full page fax print -
CII. Yi make democracy work for you. .cm. வாக்க. HOH. VOTE BLOO on. 13 April 2011. தேர்தல் நாள். 18 6TG 2011. Supported by: autoprint.

Full page fax print
E USAID INDIA. E POWER. HOH THE CHAICINHO. TAMILNADU GENERATION AND DISTRIBUTION CORPORATION LTD. Er. VATHSALA GURUMURTHY, B.E., şh Floor ... developing robust distribution utilities on one hand and enhance customer service quality and ... covering

send a pdf fax
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. send a pdf fax.

windows scan and fax pdf
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. windows scan ...