L'elettrodo a cilindro rotante (RCE) è una tecnica utilizzata nella ricerca sulla corrosione per simulare in un ambiente di laboratorio il flusso turbolento, che di solito si verifica quando i liquidi vengono trasportati attraverso tubazioni.
La corrosione delle pareti interne delle tubazioni si verifica a causa dell'interazione elettrochimica tra il materiale del tubo e i fluidi che scorrono attraverso i tubi. La corrosione dei tubi è notevolmente migliorata dalla natura turbolenta del flusso, che si verifica all'interno delle tubazioni.
L'elettrodo a cilindro rotante (RCE) viene utilizzato per generare un flusso turbolento sulla superficie di un campione, in un ambiente di laboratorio, simulando le condizioni di flusso del tubo. In altre parole, il flusso turbolento di un liquido di portata nota attraverso una tubazione di diametro interno dato e il suo effetto sulla superficie del materiale può essere riprodotto in un ambiente di laboratorio utilizzando un RCE con una data dimensione del cilindro (realizzato nello stesso materiale come il tubo) che gira a una velocità di rotazione ben definita.
Pertanto, una delle principali applicazioni di RCE è testare l'efficienza degli inibitori di corrosione e la suscettibilità alla corrosione dei materiali dei tubi in esperimenti elettrochimici semplici e veloci, simulando le condizioni di flusso del tubo.
Gli esperimenti che coinvolgono un RCE sono regolati dalla norma ASTM G185 [1].
In questa Application Note, è stato utilizzato l'elettrodo RCE con un campione cilindro in acciaio al carbonio 1018 con la tecnica di misura della polarizzazione lineare (LP). Sono stati condotti due esperimenti LP, uno senza un inibitore di corrosione e l'altro con un inibitore di corrosione aggiunto all'elettrolita.
È stato impiegato un Metrohm Autolab PGSTAT302N, dotato del controller del motore Metrohm Autolab, del rotatore e di un elettrodo a cilindro rotante (RCE).
Il Metrohm Autolab RCE utilizza un cilindro campione con il diametro esterno (OD) di 12 mm che è fissato in un supporto in PEEK con O-ring in Viton. Viene mostrato un Metrohm Autolab RCE (Figura 1).
In generale, per un RCE, il flusso turbolento si ottiene con il numero di Reynolds Re > 200.
Considerando il diametro esterno del cilindro di 12 mm, il flusso turbolento si raggiunge già a 100 giri/min [2].
Il materiale dell'inserto cilindrico RCE era acciaio al carbonio (densità = 7,87 gcm-3 ; peso equivalente EW = 27,93).
La cella elettrochimica è stata completata con un elettrodo di riferimento Ag/AgCl 3 mol/L KCl e due barre di acciaio inossidabile posizionate simmetricamente come controelettrodi.
L'elettrolita era composto da una soluzione acquosa di 0,5 mol/L di HCl e 0,5 mol/L di NaCl.
È stata preparata un'altra soluzione elettrolitica di 0,5 mol/L di HCl e 0,5 mol/L di NaCl, aggiungendo anche 4 mL della soluzione inibitrice, composta da etanolo e 1000 ppm (0,78 mol/L) di triptamina.
L'elettrodo RCE è stato ruotato a 500 RMP, corrispondente a una velocità del fluido RCE = 82,3 cm s-1 (2.7 piedi S-1) all'interno di un tubo schedula 40, con un diametro interno di 30.32 cm (12′′).
Prima degli esperimenti, ai fini della stabilizzazione, i campioni sono stati tenuti per una notte nell'elettrolita senza l'inibitore.
Dopo aver registrato il potenziale di circuito aperto (OCP) per cinque minuti, sono state condotte misurazioni LP da –20 mV e +20 mV vs OCP, con 1 mV s-1 velocità di scansione. In caso di corrosione, l'OCP è anche chiamato potenziale di corrosione, ecorr.
Tutti i dati sono stati registrati e analizzati con il software NOVA.
Tutti i potenziali vengono registrati rispetto al potenziale dell'elettrodo di riferimento, ovvero rispetto a Ag/AgCl 3 mol/L KCl.
Tutti gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente.
Il potenziale di corrosione ecorr (V) è stato misurato, come essere ecorr = -0,479 V nel caso dell'elettrolita senza inibitore, e ecorr = -0,392 V nel caso dell'elettrolita con l'inibitore.
Nella figura 2, vengono mostrati i voltammogrammi risultanti dagli esperimenti di polarizzazione lineare (LP). In blu sono presentati i dati misurati senza inibitore e in rosso i dati misurati con l'inibitore aggiunto all'elettrolita.
La figura 2 mostra che i dati con l'inibitore appaiono sul lato destro del grafico, rispetto ai dati senza inibitore. Ciò significa che nel caso dell'elettrolita con l'inibitore, gli stessi valori di corrente si verificano a potenziale superiore (più nobile) rispetto all'elettrolita senza l'inibitore.
Nelle misurazioni LP, l'inverso della pendenza del grafico i vs. E vicino ecorr può essere utilizzato per stimare i valori di resistenza di polarizzazione (RP , Ω).
Quando l'inibitore viene aggiunto al sistema, si osserva una diminuzione della pendenza, indicando che RP è aumentato.
Una regressione lineare intorno ecorr (non mostrato qui) ha aiutato a calcolare RP. Nel caso delle misurazioni LP senza inibitore, un valore di RP = 42,62 è stato trovato. In presenza dell'inibitore, il valore di RP = 135,96 è stato trovato.
Nella Figura 3, vengono mostrati i grafici di Tafel.
Lì, ecorr può essere facilmente determinato, essendo il valore potenziale in cui la corrente scende a zero, la posizione del picco negativo nel diagramma log(i) vs E.
L'analisi dei dati viene ulteriormente eseguita ed è possibile calcolare parametri di corrosione aggiuntivi utilizzando il comando di analisi della velocità di corrosione nel software NOVA.
La resistenza di polarizzazione calcolata per il campione nell'elettrolita senza inibitore era RP = 43.32 e per il campione nell'elettrolita con l'inibitore RP = 136,39. I risultati sono stati simili a quelli discussi in precedenza che sono stati ottenuti con la regressione lineare delle misurazioni LP.La Tabella 1 confronta i risultati ottenuti dalla regressione lineare e dall'analisi del tasso di corrosione, con e senza l'inibitore. Sono elencati anche i valori dei tassi di corrosione.
| Parametro |
Senza inibitore | Con Inibitore |
| ecorr (V) dalla regressione lineare | -0,479 | -0,392 |
| eccor (V) dall'analisi della velocità di corrosione | -0,482 | -0,396 |
| RP () dalla regressione lineare | 42,62 | 135,96 |
| RP () dall'analisi della velocità di corrosione | 43,32 | 136,39 |
| Tasso di corrosione (mm anno-1) dall'analisi della velocità di corrosione | 0,25 | 0,065 |
Il fatto che il valore del RP calcolato con l'analisi del tasso di corrosione è prossimo al valore calcolato con la regressione lineare del LP è un'ulteriore indicazione che i parametri di corrosione calcolati sono validi. Si può notare che il tasso di corrosione del materiale nella soluzione con l'inibitore (0,065 mm anno -1) è molto inferiore alla velocità di corrosione misurata nelle stesse condizioni nell'elettrolita senza l'inibitore (0,25 mm anno -1).
Secondo lo standard ASTM G185, l'efficienza dell'inibitore può essere calcolata con la seguente equazione:
Dove CRno inibire (mm anno-1) è la velocità di corrosione calcolata senza inibitore, e CRinibire (mm anno-1) è la velocità di corrosione calcolata in presenza dell'inibitore.
Utilizzando il tasso di corrosione dall'analisi del tasso di corrosione (Tabella 1), l'efficienza dell'inibitore è calcolata al 74%.
Questa Application Note esemplifica un uso comune dell'elettrodo a cilindro rotante nel campo della ricerca sulla corrosione industriale e accademica. Sono stati impiegati due elettroliti, uno dei quali contenente un inibitore di corrosione a base di triptamina. Gli esperimenti di polarizzazione lineare sono stati eseguiti a una velocità di rotazione di 500 RPM, corrispondente a una velocità del fluido RCE = 82,3 cm S-1 (2.7 piedi s-1) all'interno di un tubo con scheda 40, con un diametro interno di 30.32 cm (12′′).L'effetto dell'inibitore è stato valutato dall'osservazione visiva, dalla regressione lineare e dall'analisi del tasso di corrosione dei dati di polarizzazione lineare.
Infine, è stata calcolata l'efficienza dell'inibitore, mostrando che la velocità di corrosione in presenza dell'inibitore è inferiore del 74% rispetto a quella senza l'inibitore.
- ASTM G185-06 (2016), Pratica standard per la valutazione e inibitori di corrosione qualificati per giacimenti petroliferi e raffinerie Utilizzando l'elettrodo a cilindro rotante, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2016, www.astm.org
- Libro bianco di Metrohm Autolab: "Best Practice per la corrosione. Creazione di condizioni di flusso del tubo utilizzando un cilindro di rotazione Elettrodo”.
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