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

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La reacción (2) corresponde a la hidratación del CO2 adsorbido para formar el ácido carbónico, H2CO3ads, mientras que la reacción (3) corresponde a la reducción directa electroquímica del H2CO3ads.

Por otra parte, las reacciones electroquímicas que pueden dar origen a la corriente dependiente del flujo, ID, del segundo término de la ecuación (1), corresponden a las siguientes,

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Estas reacciones se resumen básicamente como la reducción del protón de hidrógeno transportado por el movimiento de la solución a la interfase metal solución.

PARÁMETROS QUE AFECTAN LA CORROSIÓN POR CO2

La corrosión por CO2 es afectada por un número de factores que incluyen entre otros los ambientales, los metalúrgicos y los hidrodinámicos. A continuación se presenta una breve descripción de algunos aspectos relacionados con estos parámetros.

Presión parcial del CO2. La presión del CO2 en la fase gaseosa se considera directamente relacionada con la velocidad de corrosión en medios con CO2, y se ha encontrado que a medida que aumenta la presión parcial del CO2 en la fase gaseosa, también aumenta la concentración del CO2 en la fase acuosa en equilibrio y consecuentemente aumenta la velocidad de corrosión.

Temperatura. La temperatura es un parámetro importante en la evaluación de la corrosión en la producción y transporte de hidrocarburos. Cuando la temperatura cambia, se afectan otros parámetros que a la vez inciden en la corrosión del acero al carbono. Por ejemplo a altas temperaturas, alrededor de los 353°K, empieza a decrecer la solubilidad del carbonato de hierro hasta cierta cantidad, permitiendo la precipitación y formación de películas que pueden detener la corrosión4.

pH. Generalmente la corrosión de un acero al carbono se incrementa cuando el pH de la fase acuosa decrece. Entonces, consecuentemente, cuando la presión parcial del CO2 o H2S aumenta, también lo puede hacer la concentración en la solución acuosa, y finalmente la velocidad de la corrosión.

Velocidad del fluido. La velocidad del fluido es un parámetro crítico que influye en el aumento o el control de la corrosión. De la velocidad del fluido puede depender que una película protectora persista o se genere una erosión corrosión del metal. Generalmente, cuando la velocidad del fluido está por debajo de 1 m/s la velocidad de corrosión aumenta con la velocidad del fluido10. A una velocidad del fluido por encima de 1 m/s, el incremento de la corrosión no es tan acelerado y el mecanismo puede cambiar a un control por transferencia de carga. Si la velocidad del fluido es bastante alta, por encima de 5 m/s, se puede presentar un fenómeno de erosión corrosión que consiste en la remoción de las películas protectoras de carbonato de hierro y de los inhibidores de corrosión cuando ellos están presentes4.

Hidrocarburos. Otra variable de gran importancia en la corrosión por CO2 es la presencia de la fase oleica en el fluido multifásico en la producción y transporte de hidrocarburos. Las fases líquidas, agua / aceite, cuando se mueven dentro de la tubería pueden formar dispersiones, emulsiones o pueden viajar segregadas. Desde el punto de vista de la corrosión el mayor problema ocurre cuando la fase acuosa humedece la superficie del metal.

Sólidos. En la producción y transporte de hidrocarburos además de la fase acuosa y gaseosa rica en CO2, existen los sólidos y sedimentos que provienen de los yacimientos de los pozos productores de gas y petróleo. Estos sólidos influyen en algunos casos en el deterioro de los materiales por diferentes mecanismos, como: Un mecanismo de sólo erosión, cuando los fluidos a altas velocidades transportan arena que impacta las paredes de accesorios como codos y tes; un mecanismo de erosión – corrosión, cuando las partículas impactan o en su movimiento de rozamiento remueven las películas protectoras de óxidos, carbonatos e inhibidores, permitiendo que los agentes corrosivos actúen sin barreras en la superficie del metal; y otro mecanismo, el de depositación de los sólidos, que permite la corrosión localizada bajo los depósitos.

DESARROLLO DEL MODELO

El CO2 gaseoso es soluble en el agua pero solamente una pequeña parte de él se hidrata formando ácido carbónico. A pH 4, temperatura de 298°K y presión atmosférica, por ejemplo la concentración del CO2 en una solución acuosa reportada por L. Gray11, S. Turgoose7, es de 3.0 E-05 mol/cm3, mientras la concentración del ácido carbónico es tan solo de 1.0 E-07 mol/cm3. El CO2 en contacto con la solución acuosa se hidrata y se ioniza formando una distribución de especies como se muestra en la siguiente ecuación:

[pic 9] (9)

Cuando el CO2 gaseoso entra en contacto con una solución acuosa tiende a establecer un equilibrio termodinámico y suceden determinadas reacciones químicas dependiendo del pH de la solución. En primer lugar la reacción de equilibrio entre el CO2 gaseoso y el disuelto en la fase líquida, es la siguiente,

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Este equilibrio físico se representa por medio de la ecuación de Henry, donde se relaciona la cantidad de gas disuelto en la fase acuosa con la presión parcial del CO2 en la fase gaseosa, como se describe a continuación,

[pic 11] (11)

Donde H es la constante de Henry, fCO2(gas) es la fugacidad del CO2 en la fase gaseosa y [CO2(liquido)] es la concentración del CO2 en la fase líquida. De esta manera si se conoce la fugacidad del CO2 y la constante de Henry (que depende de la temperatura) se puede calcular la cantidad de CO2 disuelto en la fase acuosa. La constante de Henry en función de la temperatura está dada por la ecuación de T. Edwards12:

[pic 12] (12)

La ecuación (12) es válida para el intervalo de 0-250 °C.

El ácido carbónico formado, de acuerdo con la ecuación (2) puede disociarse en las siguientes reacciones:

[pic 13] (13)

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El