Development of Reactive Barrier Polymers against Corrosion for the Oil and Gas Industry: From Formulation to Qualification through the Development of Predictive Multiphysics Modeling

• Published in: Oil & gas science and technology Vol. 70; no. 2; pp. 291 - 303
• Main Authors: Lefebvre, X., Pasquier, D., Gonzalez, S., Epsztein, T., Chirat, M., Demanze, F.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Paris Technip 01.02.2015; EDP Sciences; Institut Français du Pétrole (IFP)
• Subjects: Barriers; Carbon dioxide; Chemical reactions; Chemical Sciences; Computational fluid dynamics; Construction materials; Corrosion; Diffusion; Dispersion; Dye dispersion; Effluents; Engineering Sciences; Flexible pipes; Fluids; Full scale tests; Gas industry; Gas-solid reactions; Gases; Hydrogen sulfide; Materials selection; Mathematical models; Mechanics; Mechanics of materials; Modelling; Natural gas; Neutralization; Offshore; Oil and gas industries; Oil and gas industry; Organic chemistry; Pipe; Polymers; Raw materials; Service life; Steel; Structural steels; Flexible pipe; H2S; Corrosion; CO2; Acid gases
• ISSN: 1294-4475; 1953-8189; 2804-7699
• DOI: 10.2516/ogst/2015001

Corrosion is a key issue for operators in the oil and gas industry since production fluids contain some water and both CO2 and H2S acid gases. In this context, this paper illustrates the development of a reactive barrier polymer against corrosion by H2S of offshore flexible pipes. The role of this reactive material, called anti-H2S material, is to avoid H2S reaching the structural steel layers of the flexible pipe during the whole service life of the structure, usually 20 years, and hence to place the steel layers in a sweet service environment. Placed between the existing pressure sheath and the steel layers, the anti-H2S material has the ability to neutralize H2S during its diffusion within the material. The neutralization is ensured by an irreversible chemical reaction on reactive components that are dispersed in the material. The raw material selection is based on both accurate requirements for their use in a flexible pipe and expected performances in a sour service environment over a long period of time. Some laboratory qualifications and experimental techniques are used to qualify the behavior of the material and build the material database. A dedicated multiphysics model is developed based on the coupling of permeation mechanisms and gas-solid reactions. Qualification of both the material and the model is performed thanks to middle-scale and full-scale tests conducted in representative sour service conditions. La corrosion liée à la présence de gaz acides tels que CO2 et H2S en présence d’eau dans les effluents pétroliers est un enjeu majeur pour les opérateurs pétroliers. C’est dans ce contexte que cet article décrit le développement d’un matériau barrière réactif permettant de limiter la corrosion par H2S des flexibles offshore. Le rôle de ce matériau barrière, appelé matériau anti-H2S, consiste à empêcher l’H2S d’atteindre les éléments métalliques structuraux du flexible pendant toute sa durée de vie, généralement 20 ans. De cette manière, les éléments métalliques bénéficient d’un environnement « sweet service », peu agressif en terme de corrosion. Placé entre l’actuelle gaine de pression et les éléments métalliques, le matériau anti-H2S a la faculté de pouvoir neutraliser l’H2S pendant sa diffusion au sein même du matériau. La neutralisation est assurée par une réaction chimique irréversible sur des charges réactives dispersées au sein du matériau. Les matières premières constitutives de ce matériau sont sélectionnées selon leur performance en milieu fortement corrosif « sour service », tout en garantissant leur compatibilité avec les applications flexibles offshore. La qualification du matériau à l’échelle du laboratoire est décrite ainsi que les techniques qui nous permettent d’alimenter la base de données nécessaire à l’identification d’un modèle. Un modèle multiphysique dédié a été développé pour décrire les couplages entre les mécanismes de diffusion-réaction. La qualification du matériau et du modèle est effectuée sur la base de résultats d’essais conduits en conditions représentatives, et réalisées sur éléments de structure et sur structures réelles.