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

Développement de matériaux barrières réactifs contre la corrosion pour l’industrie pétrolière : de la formulation à la qualification industrielle en passant par le développement de modèles multiphysiques prédictifs

¹ IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison – France
² IFP Energies nouvelles, Rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize – France
³ TECHNIP, rue Jean Huré, BP 7, 76580 Le Trait – France
e-mail: xavier.lefebvre@ifpenergiesnouvelles.fr

^* Corresponding author

Abstract

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.

Résumé

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.