Luận án: Đặc tính ăn mòn-xói lở vật liệu đường ống bằng AE và Giám sát Điện hóa bởi Jonathan Item Ukpai

Luận văn Thesis 200564637: Phân tích chuyên sâu về [chủ đề chính của luận văn]. Khám phá phương pháp nghiên cứu, kết quả và đóng góp cho lĩnh vực [lĩnh vực

• Tác giả: Jonathan Item Ukpai
• Người hướng dẫn: Professor Anne Neville
• Trường học: The University of Leeds
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Erosion-Corrosion Characterisation for Pipeline Materials Using Combined Acoustic Emission and Electrochemical Monitoring
• Loại tài liệu: Doctor of Philosophy
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Leeds

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ăn mòn xói lở vật liệu đường ống

Ăn mòn-xói lở (erosion-corrosion) là hiện tượng phá hủy vật liệu kết hợp giữa quá trình ăn mòn điện hóa và xói mòn cơ học do dòng chảy chứa hạt rắn tác động lên bề mặt kim loại. Đây là vấn đề nghiêm trọng trong các hệ thống đường ống dẫn dầu khí, đặc biệt ở vùng biển sâu và môi trường khắc nghiệt. Nghiên cứu của Ukpai (2014) tại Đại học Leeds tập trung vào vật liệu thép carbon X65, loại thép phổ biến trong chế tạo đường ống API. Phương pháp truyền thống chỉ sử dụng kỹ thuật điện hóa hoặc đo trọng lượng để đánh giá tốc độ ăn mòn, nhưng không phát hiện được cơ chế phá hủy tức thời. Sự kết hợp giữa kỹ thuật phát xạ âm thanh (Acoustic Emission - AE) và phương pháp điện hóa mở ra hướng tiếp cận mới, cho phép theo dõi đồng thời cả quá trình ăn mòn hóa học và xói mòn cơ học trong thời gian thực. Phương pháp này giúp xác định chính xác nguyên nhân gây hư hỏng, tối ưu hóa thiết kế vận hành và kéo dài tuổi thọ đường ống công nghiệp.

1.1. Vật liệu thép carbon X65 trong hệ thống đường ống

Thép carbon X65 là vật liệu tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong chế tạo đường ống dẫn dầu khí theo tiêu chuẩn API (American Petroleum Institute). Loại thép này có độ bền kéo tối thiểu 65 ksi, khả năng hàn tốt và chi phí sản xuất hợp lý. Tuy nhiên, thép X65 dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng ăn mòn-xói lở khi vận hành trong môi trường chứa CO2, H2S hoặc các hạt sạn cát. Nghiên cứu tập trung vào đánh giá cơ chế phá hủy của vật liệu này dưới tác động đồng thời của dòng chảy chứa hạt mài mòn và môi trường điện hóa ăn mòn. Đặc tính vi cấu trúc và độ cứng của thép X65 ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống chịu xói mòn ở các góc va chạm khác nhau.

1.2. Vai trò của kỹ thuật phát xạ âm thanh trong nghiên cứu vật liệu

Kỹ thuật phát xạ âm thanh (Acoustic Emission - AE) là phương pháp không phá hủy, dựa trên việc thu nhận sóng đàn hồi phát ra từ vật liệu khi chịu ứng suất hoặc biến dạng. Trong nghiên cứu ăn mòn-xói lở, AE phát hiện các sự kiện vi mô như va chạm hạt, nứt bề mặt và bong tróc sản phẩm ăn mòn theo thời gian thực. Ưu điểm nổi bật của AE là khả năng giám sát liên tục mà không cần dừng hệ thống vận hành. Phương pháp này sử dụng cảm biến piezoelectric gắn trên bề mặt mẫu thử, thu tín hiệu âm thanh và phân tích biên độ, tần số, thời lượng để phân loại cơ chế phá hủy. AE đặc biệt hiệu quả trong việc xác định năng lượng va chạm và góc tác động của hạt mài mòn lên bề mặt thép X65.

II. Phân tích cơ chế ăn mòn xói lở và thách thức kỹ thuật

Ăn mòn-xói lở là quá trình phức tạp bao gồm ba thành phần: ăn mòn nguyên chất (pure corrosion), xói mòn nguyên chất (pure erosion) và tác động hiệp đồng giữa hai quá trình. Khi dòng chảy chứa hạt rắn tác động lên bề mặt kim loại, lớp sản phẩm ăn mòn bảo vệ bị phá vỡ, để lộ kim loại cơ sở tiếp xúc trực tiếp với môi trường ăn mòn. Tốc độ phá hủy tổng thể luôn lớn hơn tổng tốc độ của hai quá trình riêng lẻ. Thách thức lớn trong nghiên cứu là phân tách và định lượng từng thành phần đóng góp vào quá trình hư hỏng. Phương pháp truyền thống dựa vào đo trọng lượng mất khối lượng không cung cấp thông tin về cơ chế hay thời điểm xảy ra các sự kiện phá hủy. Góc va chạm của hạt, vận tốc dòng chảy, kích thước hạt và nhiệt độ là các yếu tố ảnh hưởng phức tạp đến tốc độ ăn mòn-xói lở. Sự hình thành và ổn định của màng FeCO3 trên bề mặt thép X65 trong môi trường CO2 cũng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hoặc tăng tốc phá hủy vật liệu.

2.1. Tác động hiệp đồng giữa ăn mòn và xói mòn trong đường ống

Hiệp đồng ăn mòn-xói lở (synergy) là yếu tố quyết định mức độ hư hỏng thực tế của đường ống. Khi hạt mài mòn va chạm bề mặt, lớp màng bảo vệ FeCO3 bị phá vỡ, tạo ra vùng kim loại hoạt động tiếp xúc với môi trường điện phân. Tốc độ ăn mòn tăng đột biến tại các vị trí va chạm. Ngược lại, quá trình ăn mòn làm giảm độ bám dính và độ cứng bề mặt, khiến vật liệu dễ bị xói mòn hơn bởi dòng chảy. Nghiên cứu cho thấy hiệp đồng có thể chiếm tới 60-80% tổng tốc độ phá hủy trong điều kiện khắc nghiệt. Việc định lượng hiệp đồng đòi hỏi phải tiến hành thí nghiệm riêng biệt với ăn mòn nguyên chất và xói mòn nguyên chất, sau đó so sánh với kết quả ăn mòn-xói lở kết hợp.

2.2. Ảnh hưởng của góc va chạm và vận tốc hạt đến phá hủy bề mặt

Góc va chạm và vận tốc hạt là hai tham số quan trọng nhất ảnh hưởng đến cơ chế xói mòn bề mặt thép X65. Ở góc va chạm thấp (15-30 độ), cơ chế chủ đạo là cắt gọt (micro-cutting), vật liệu bị loại bỏ theo cơ chế dẻo. Ở góc va chạm cao (60-90 độ), cơ chế biến dạng dẻo và nứt vỡ (ductile deformation và brittle fracture) chiếm ưu thế. Vận tốc hạt tỷ lệ thuận với năng lượng va chạm, ảnh hưởng trực tiếp đến thể tích vật liệu bị loại bỏ. Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật AE để xác định phổ tần số tương ứng với từng loại va chạm: va chạm dẻo tạo tín hiệu tần số thấp, va chạm giòn tạo tín hiệu tần số cao với biên độ lớn hơn. Kết quả phân tích giúp xây dựng bản đồ cơ chế phá hủy theo góc và vận tốc.

III. Phương pháp kết hợp AE và điện hóa trong đánh giá ăn mòn xói lở

Phương pháp kết hợp kỹ thuật phát xạ âm thanh (AE) và kỹ thuật điện hóa là đóng góp quan trọng nhất của nghiên cứu này. Kỹ thuật điện hóa sử dụng phương pháp phân cực tuyến tính (LPR - Linear Polarisation Resistance) để đo tốc độ ăn mòn theo thời gian thực thông qua điện trở phân cực Rp. Máy đo điện hóa (potentiostat) điều khiển điện áp giữa điện cực làm việc (mẫu thép X65) và điện cực tham chiếu, đo dòng điện ăn mòn. Song song đó, cảm biến AE thu nhận tín hiệu âm thanh phát ra từ các sự kiện va chạm hạt và phá hủy bề mặt. Hệ thống đồng bộ thời gian cho phép liên kết chính xác giữa tín hiệu AE và dữ liệu điện hóa tại từng thời điểm. Phân tích phổ tần số Fast Fourier Transform (FFT) giúp phân loại loại va chạm: va chạm dẻo có tần số thấp, va chạm giòn có tần số cao. Phương pháp này cung cấp thông tin toàn diện về cơ chế, tốc độ và thời điểm xảy ra phá hủy mà không phương pháp đơn lẻ nào có thể đạt được.

3.1. Thiết lập thí nghiệm và hệ thống đo lường đồng bộ

Thí nghiệm được thiết lập với buồng ăn mòn chứa dung dịch điện phân (thường là dung dịch NaCl bão hòa CO2 ở nhiệt độ 25-80°C). Mẫu thép X65 được gia công thành điện cực làm việc, kết nối với máy đo điện hóa (potentiostat) để thực hiện phép đo LPR liên tục. Cảm biến AE loại piezoelectric được gắn trực tiếp lên bề mặt mẫu thử bằng keo chuyên dụng, kết nối với bộ khuếch đại tín hiệu và hệ thống thu thập dữ liệu. Dòng chảy chứa hạt Al2O3 hoặc cát được bơm tuần hoàn với vận tốc điều khiển được. Hệ thống đồng bộ thời gian đảm bảo dữ liệu AE và điện hóa được ghi nhận cùng thời điểm, cho phép phân tích tương quan giữa tín hiệu âm thanh và tốc độ ăn mòn. Tần số lấy mẫu AE đạt MHz, đủ để bắt các sự kiện vi mô xảy ra trong thời gian micro giây.

3.2. Phân tích dữ liệu AE và điện hóa để định lượng cơ chế phá hủy

Dữ liệu AE được phân tích theo nhiều tham số: biên độ (amplitude), thời lượng (duration), năng lượng (energy), số đếm (counts) và phổ tần số (frequency spectrum). Phân loại sử dụng Duration Discrimination Time (DDT) giúp tách riêng tín hiệu từ va chạm hạt và tín hiệu từ quá trình nứt vỡ bề mặt. Dữ liệu điện hóa từ phép đo LPR cung cấp điện trở phân cực Rp, từ đó tính toán tốc độ ăn mòn theo phương trình Stern-Geary. Bằng cách so sánh tốc độ ăn mòn-xói lở tổng hợp với tổng tốc độ ăn mòn nguyên chất và xói mòn nguyên chất, giá trị hiệp đồng (synergy) được định lượng chính xác. Phân tích hồi quy tương quan giữa năng lượng AE trung bình và tốc độ ăn mòn cho phép xây dựng mô hình dự đoán dựa trên tín hiệu âm thanh thời gian thực.

IV. Kết luận và ứng dụng của phương pháp AE Điện hóa trong công nghiệp

Nghiên cứu chứng minh rằng phương pháp kết hợp AE và điện hóa là công cụ mạnh mẽ để đặc trưng hóa hiện tượng ăn mòn-xói lở trên vật liệu đường ống thép carbon X65. Phương pháp cho phép phân biệt rõ ràng ba loại sự kiện phá hủy: va chạm dẻo (low-frequency AE), va chạm giòn (high-frequency AE) và ăn mòn điện hóa (thay đổi Rp liên tục). Giá trị hiệp đồng chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng tốc độ phá hủy, xác nhận tầm quan trọng của việc đánh giá đồng thời cả hai cơ chế. Kết quả nghiên cứu có ứng dụng trực tiếp trong giám sát tình trạng đường ống dẫn dầu khí, tối ưu hóa quy trình khai thác và dự báo thời gian thay thế thiết bị. Phương pháp AE-điện hóa có tiềm năng triển khai thành hệ thống giám sát trực tuyến (online monitoring), giảm chi phí bảo trì và ngăn ngừa sự cố rò rỉ đường ống. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho ngành cơ điện tử trong lĩnh vực kiểm tra không phá hủy và quản lý tài sản công nghiệp.

4.1. Ứng dụng giám sát trực tuyến đường ống dẫn dầu khí

Hệ thống giám sát trực tuyến dựa trên kỹ thuật AE-điện hóa có tiềm năng triển khai thực tế trên các đường ống dẫn dầu khí ngoài khơi và trên bờ. Cảm biến AE có thể lắp đặt tại các vị trí nguy hiểm như cút nối, van giảm áp và vùng chảy xoáy, nơi tốc độ ăn mòn-xói lở cao nhất. Dữ liệu AE thời gian thực được truyền về trung tâm điều khiển qua mạng không dây hoặc cáp quang. Phần mềm phân tích tự động phát hiện thay đổi trong phổ tần số và năng lượng AE, cảnh báo sớm khi tốc độ phá hủy vượt ngưỡng cho phép. Kết hợp với dữ liệu điện hóa từ cảm biến ăn mòn lắp đặt sẵn, hệ thống cung cấp bức tranh toàn diện về tình trạng đường ống. Điều này giúp giảm thời gian ngừng sản xuất, tối ưu hóa lịch trình bảo trì và ngăn ngừa sự cố môi trường do rò rỉ hydrocarbon.

4.2. Hướng phát triển và tiềm năng mở rộng nghiên cứu

Nghiên cứu mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng. Thứ nhất, mở rộng đối tượng vật liệu sang hợp kim chống ăn mòn như duplex stainless steel và hợp kim niken sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt hơn. Thứ hai, phát triển thuật toán học máy (machine learning) để phân loại tự động loại sự kiện AE, giảm phụ thuộc vào kinh nghiệm người vận hành. Thứ ba, tích hợp kỹ thuật CFD (Computational Fluid Dynamics) để mô phỏng trường dòng chảy và dự đoán vị trí tập trung phá hủy. Thứ tư, phát triển cảm biến AE miniatur hóa tích hợp trực tiếp trên đường ống thông minh (smart pipe). Nghiên cứu cũng cần mở rộng sang điều kiện vận hành thực tế với nhiệt độ, áp suất và thành phần môi trường phức tạp hơn phòng thí nghiệm. Tiêu chuẩn hóa quy trình đo AE-điện hóa sẽ tạo cơ sở áp dụng rộng rãi trong ngành dầu khí và hóa chất.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Hiện tượng ăn mòn do carbon dioxide ($\text{CO}_2$), xói lở do hạt cát và sự tương tác đồng thời giữa ăn mòn và xói lở (erosion-corrosion) là những nguyên nhân gây suy giảm phẩm cấp vật liệu trong các hệ thống khai thác, thu gom và xử lý dầu khí. Theo khảo sát công nghiệp của Kermani và Harrop vào thập niên 1980, các sự cố liên quan đến ăn mòn chiếm 33% tổng số sự cố trong ngành dầu khí, trong đó 28% xuất phát từ ăn mòn $\text{CO}_2$. Các sự cố nghiêm trọng như thảm họa Piper-Alpha năm 1988 và sự cố tràn dầu tại Vịnh Mexico của tập đoàn BP đã chứng minh tổn thất lớn về chi phí đầu tư (CAPEX), chi phí vận hành (OPEX), môi trường và an toàn.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ giới hạn của các phương pháp quan trắc truyền thống (như phân tích phiếu cân tổn thất khối lượng - weight-loss coupon, kiểm tra trực quan, theo dõi lịch sử sự cố), vốn tiêu tốn thời gian và chỉ đánh giá được mức độ hư hại sau khi sự cố đã xảy ra. Đồng thời, các mô hình dự báo hiện hành như mô hình de-Waard và Milliams (1975) hoặc tiêu chuẩn API RP 14E thường mang tính bảo thủ hoặc chỉ xét riêng rẽ từng quá trình ăn mòn hoặc xói mòn cơ học mà không tích hợp đầy đủ tương tác hiệp đồng giữa chúng. Để giải quyết vấn đề này, luận án ứng dụng kỹ thuật phát xạ âm (Acoustic Emission - AE) kết hợp với các kỹ thuật điện hóa để giám sát in-situ và mô tả đặc tính suy thoái của vật liệu đường ống thép cacbon X65 trong môi trường $\text{CO}_2$ bão hòa trên hệ thiết bị tia phun chìm (Submerged Impinging Jet - SIJ).

Mục tiêu tổng quát của nghiên cứu là áp dụng kỹ thuật phát xạ âm kết hợp với các phương pháp điện hóa (điện trở phân cực tuyến tính - LPR và phổ trở kháng điện hóa - EIS) trên hệ SIJ để điều tra và mô tả định lượng hư hỏng ăn mòn-xói lở của thép X65 trong môi trường bão hòa $\text{CO}_2$.

Các mục tiêu cụ thể được xác định bao gồm:

1. Kiểm chứng mối quan hệ giữa năng lượng phát xạ âm (AE energy) và động năng của các hạt rắn va đập vào bề mặt kim loại.
2. Thiết lập tương quan giữa năng lượng AE và tốc độ hao hụt khối lượng do xói lở thuần túy ở các vận tốc dòng chảy ($7\text{ m/s}$, $10\text{ m/s}$, $15\text{ m/s}$) và nồng độ cát ($50\text{ mg/L}$, $200\text{ mg/L}$, $500\text{ mg/L}$) tại nhiệt độ $50^\circ\text{C}$.
3. Định lượng số lượng va chạm hạt cát theo thời gian và năng lượng va chạm tương ứng ở các vận tốc dòng chảy ($7$, $10$, $15\text{ m/s}$) và nồng độ cát ($50$, $200$, $500\text{ mg/L}$) tại nhiệt độ $50^\circ\text{C}$.
4. Phát triển phương pháp phân biệt các cơ chế hư hại bề mặt vật liệu khi có và không có hạt cát thông qua phân tích phổ tần số của dạng sóng tín hiệu AE.
5. Thiết lập tương quan giữa năng lượng AE và điện trở phân cực ($R_p$) từ các phép đo điện hóa đồng thời đối với ăn mòn do dòng chảy và ăn mòn-xói lở $\text{CO}_2$ ở các vận tốc $7$, $10$, $15\text{ m/s}$ tại nhiệt độ $50^\circ\text{C}$.
6. Xây dựng tương quan giữa năng lượng AE và tốc độ hao hụt khối lượng do ăn mòn-xói lở ở các vận tốc $7$, $10$, $15\text{ m/s}$ tại nhiệt độ $50^\circ\text{C}$.
7. Đánh giá kỹ thuật quá độ bằng phổ trở kháng điện hóa (EIS) đồng thời với đo AE, thiết lập tương quan giữa điện trở truyền điện tích ($R_{ct}$) với năng lượng AE, và định lượng tổng hư hại ăn mòn-xói lở cùng các thành phần tương tác riêng biệt.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thép cacbon cấp đường ống API X65 (cung cấp bởi hãng Tata Steel) và dung dịch nước muối mô phỏng vỉa bão hòa khí $\text{CO}_2$ cùng hạt cát thạch anh.
• Phạm vi không gian và điều kiện thực nghiệm: Hệ thống tia phun chìm (SIJ) trong phòng thí nghiệm; góc va đập $90^\circ$; các dải vận tốc dòng chảy $7\text{ m/s}$, $10\text{ m/s}$, $15\text{ m/s}$; nồng độ hạt cát $0\text{ mg/L}$, $50\text{ mg/L}$, $200\text{ mg/L}$, $500\text{ mg/L}$; nhiệt độ cố định $50^\circ\text{C}$; môi trường bão hòa $\text{CO}_2$ ở áp suất 1 bar ($\text{pH} = 5.5$) và môi trường đối chứng sử dụng nước máy bão hòa $\text{N}_2$ ($\text{pH} \approx 7.0$).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trước đây về ăn mòn $\text{CO}_2$, xói lở do hạt rắn và cơ chế ăn mòn-xói lở:

• Về cơ sở điện hóa và ăn mòn: Luận án dẫn xuất các công trình nền tảng của Michael Faraday về mối quan hệ giữa dòng điện và phản ứng hóa học; Marcel Pourbaix với giản đồ thế - pH; mô hình lớp điện kép (EDL) của Stern-Grahame; cùng các nghiên cứu về động học phản ứng điện hóa của MacDonald, Conway, Tait, Ahmad, Shreir.
• Về mô hình ăn mòn $\text{CO}_2$: Tác giả tổng hợp mô hình bán thực nghiệm ban đầu của de-Waard và Milliams (1975) cùng các bản hiệu chỉnh sau đó (1991, 1993, 1995), các mô hình thực nghiệm và mô hình cơ chế của nhóm Ohio (Nesic và cộng sự), nhóm Leeds (Neville và cộng sự).
• Về mô hình xói mòn hạt rắn: Phân tích tiêu chuẩn API RP 14E, các mô hình xói mòn cơ học của Hutchings, Levy và Yau, các nghiên cứu quỹ đạo hạt của nhóm Tulsa (Chen, McLaury, Shirazi).
• Về ăn mòn-xói lở: Các công trình của các nhóm nghiên cứu hàng đầu bao gồm nhóm Tulsa, nhóm Ohio, nhóm Leeds, nhóm Glasgow và nhóm Alberta về các thành phần hiệp đồng điện hóa - cơ học ($TML = C + E + dC_E + dE_C$).
• Về kỹ thuật phát xạ âm: Các công trình ứng dụng AE trong giám sát ăn mòn tĩnh, xói mòn hạt và ma sát mài mòn của Lee và cộng sự, Ferrer và cộng sự.

Khoảng trống mà luận án tập trung giải quyết: Các phép đo điện hóa in-situ (như LPR, EIS) chỉ phát hiện được các phản ứng hòa tan điện hóa trên bề mặt kim loại mà hoàn toàn không thể hiện được mức độ phá hủy cơ học do va chạm hạt cát. Ngược lại, kỹ thuật AE có khả năng thu nhận các sóng ứng suất đàn hồi sinh ra từ sự va đập cơ học của hạt rắn và biến dạng dẻo bề mặt nhưng lại nhạy cảm với nhiễu nền của dòng thủy động. Luận án kết hợp đồng thời cảm biến AE và hệ đo điện hóa ba điện cực trên cùng một đồ gá thí nghiệm SIJ nhằm đo đạc, phân tách và định lượng đầy đủ cả hai thành phần phá hủy cơ học và hóa học trong quá trình ăn mòn-xói lở.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

1. Nhiệt động học và Động học Ăn mòn Điện hóa:

   • Năng lượng tự do Gibbs ($\Delta G$) và phương trình Nernst xác định chiều hướng phản ứng: $$\Delta G = -nFE$$
   • Định luật Faraday xác định tốc độ xâm thực ăn mòn từ mật độ dòng ăn mòn ($i_{corr}$): $$CR = \frac{i_{corr} \cdot M}{n \cdot F \cdot \rho}$$
   • Phương trình Butler-Volmer cho quá trình truyền điện tích: $$i = i_{corr} \left[ \exp\left(\frac{2.303(E - E_{corr})}{\beta_a}\right) - \exp\left(-\frac{2.303(E - E_{corr})}{\beta_c}\right) \right]$$
   • Công thức Stern-Geary để tính điện trở phân cực ($R_p$) từ phép đo LPR với hệ số $B = 26\text{ mV}$: $$i_{corr} = \frac{B}{R_p}$$
   • Mô hình lớp điện kép Stern-Grahame gồm lớp Helmholtz trong (IHP), lớp Helmholtz ngoài (OHP) và lớp khuếch tán, tạo nên điện dung lớp kép ($C_{edl}$).

2. Lý thuyết Phát xạ Âm (Acoustic Emission):

   • Sóng ứng suất đàn hồi thoáng qua giải phóng từ sự va chạm hạt rắn và phá hủy bề mặt truyền trong vật thể dưới dạng sóng khối (Rayleigh) hoặc sóng phẳng (Lamb).
   • Tín hiệu AE được thu nhận và chuyển đổi qua bộ biến đổi áp điện với biên độ tính theo decibel ($dB$), năng lượng AE tính bằng đơn vị năng lượng ($1\text{ eu} = 10^{-18}\text{ J}$), số đếm sự kiện (AE event count rate) và phân tích phổ miền tần số qua thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tính toán

• Thiết kế thực nghiệm: Hệ thống tia phun chìm (SIJ) vòi kép cho phép phun dòng chất lỏng chứa cát trực tiếp lên bề mặt mẫu kim loại X65 ở góc $90^\circ$. Đồ gá thí nghiệm được chế tạo đặc biệt bằng vật liệu cách điện để tích hợp đồng thời cảm biến AE (gắn ở mặt sau mẫu) và hệ đo điện hóa ba điện cực.
• Kỹ thuật đo điện hóa: Sử dụng máy đo biến dòng/biến thế (potentiostat) điều khiển bằng máy tính với bình đo 3 điện cực (mẫu X65 làm điện cực làm việc Working Electrode, điện cực Calomel bão hòa SCE làm điện cực so sánh Reference Electrode, và điện cực phụ Counter Electrode). Áp dụng phương pháp LPR quét quanh điện thế mạch hở ($OCP \pm 15\text{ mV}$) và phương pháp phổ trở kháng điện hóa (EIS) với tín hiệu xoay chiều AC biên độ nhỏ trên dải tần số xác định.
• Kỹ thuật phát xạ âm: Cảm biến áp điện băng rộng Vallen Sensor VS900-M, kết hợp bộ tiền khuếch đại và bộ thu nhận dữ liệu Vallen AMSY-5. Hiệu chuẩn cảm biến bằng phương pháp gãy ngòi chì (Hsu-Nielsen test / lead pencil break). Thiết lập ngưỡng phân biệt thời lượng (Duration Discrimination Time - DDT) và lọc ngưỡng biên độ tối ưu ($40\text{ dB}$ và $50\text{ dB}$) nhằm loại bỏ nhiễu từ máy bơm và dòng chảy thủy động.
• Mô phỏng Động lực học chất lưu tính toán (CFD): Xây dựng mô hình hình học 2D đối xứng trục của SIJ trên phần mềm Gambit với lưới tính toán gồm khoảng 130.000 phần tử (kích thước miền $120\text{ mm} \times 220\text{ mm}$). Ứng dụng phần mềm Fluent để mô phỏng trường dòng chảy, theo dõi quỹ đạo hạt cát (bán kính hạt $r = 125\ \mu\text{m}$) và xác định góc va chạm, vận tốc va đập và động năng va đập cục bộ theo khoảng cách bán kính từ tâm tia phun.
• Phân tích bề mặt và hao hụt khối lượng: Đo hao hụt khối lượng bằng cân phân tích vi lượng; phân tích độ sâu vết xói mòn bằng máy đo biên dạng không gian 3 chiều (3D profilometry); quan sát hình thái học bề mặt và cấu trúc pha cacbua sắt ($\text{Fe}_3\text{C}$) bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương này nêu bối cảnh, động lực nghiên cứu về các nguy cơ suy giảm cơ tính và hư hỏng đường ống do ăn mòn $\text{CO}_2$ và xói lở trong ngành khai thác dầu khí. Tác giả chỉ ra tổn thất kinh tế lớn do sự cố ăn mòn gây ra cho các tập đoàn dầu khí (như BP), đồng thời xác định các giới hạn của phương pháp kiểm tra định kỳ ngoại tuyến. Chương 1 thiết lập mục tiêu tổng thể, 7 mục tiêu chi tiết, phạm vi nghiên cứu và công bố khoa học của tác giả.

Chapter 2: Background Theory

Trình bày cơ sở lý thuyết nhiệt động học và động học của ăn mòn trong môi trường nước. Nội dung bao gồm định luật Faraday, phương trình Nernst, giản đồ thế - pH Pourbaix cho hệ Fe-$\text{H}_2\text{O}$ ở $25^\circ\text{C}$, cấu trúc lớp điện kép Stern-Grahame, phương trình Butler-Volmer và giản đồ Evans. Tác giả cũng phân tích chi tiết nguyên lý làm việc của hệ đo điện hóa ba điện cực, các phương pháp đo dòng điện một chiều (LPR, đường cong phân cực Tafel, quét thế động PDS, phân cực chu kỳ CP) và phương pháp xoay chiều (EIS), cùng các dạng ăn mòn đặc thù (ăn mòn đều, ăn mòn lỗ pit, ăn mòn galvanic).

Chapter 3: Literature Review I

Tổng quan các công trình nghiên cứu về ăn mòn do dòng chảy, xói lở do hạt rắn và ăn mòn-xói lở $\text{CO}_2$. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như vận tốc dòng, ứng suất cắt thành ống (wall shear stress), nhiệt độ, độ cắt nước (water cut), phân áp $\text{CO}_2$, pH và nồng độ hạt cát. Chương này phân tích chi tiết các mô hình tính toán xói mòn và ăn mòn hiện hành, cơ chế bảo vệ của lớp màng $\text{FeCO}_3$, các kỹ thuật mô phỏng CFD dòng tia phun và các phương pháp kiểm soát bằng chất ức chế ăn mòn.

Chapter 4: Literature Review II: Acoustic Emission (AE)

Tổng quan về công nghệ phát xạ âm và khả năng ứng dụng trong chẩn đoán kỹ thuật. Trình bày đặc tính lan truyền sóng đàn hồi (sóng Rayleigh và sóng Lamb), phần cứng thiết bị và các kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền thời gian, miền tần số và giá trị căn quân phương (RMS). Chương 4 tổng kết các nghiên cứu sử dụng AE để giám sát phản ứng thoát khí hydro trong ăn mòn tĩnh, cơ chế truyền năng lượng khi hạt va chạm vào bề mặt kim loại, cùng bảng so sánh ưu điểm và hạn chế của AE trong điều kiện dòng chảy công nghiệp.

Chapter 5: Experimental Design, Materials and Procedures

Mô tả chi tiết cấu hình hệ thống thực nghiệm tia phun chìm (SIJ) vòi kép, bộ gá mẫu tích hợp cảm biến AE, hệ thống gia nhiệt và kiểm soát nhiệt độ ($50^\circ\text{C}$). Thép ống X65 được xác định thành phần hóa học danh định (cung cấp bởi Tata Steel). Cát thí nghiệm được phân tích kích thước bằng phương pháp rây và quan sát hình dạng qua SEM. Chương này trình bày quy trình hiệu chuẩn vận tốc dòng chảy qua tần số biến tần của bơm, hiệu chuẩn nồng độ hạt cát thoát ra tại miệng vòi phun ở các vận tốc $7$, $10$, $15\text{ m/s}$, quy trình kiểm chuẩn cảm biến VS900-M bằng bẻ ngòi chì và phương pháp tối ưu hóa ngưỡng lọc nhiễu ($40\text{ dB}$, $50\text{ dB}$).

Chapter 6: Results and Discussion: Erosive Wear Investigation

Trình bày kết quả nghiên cứu xói lở thuần túy trong môi trường nước máy khử khí bão hòa $\text{N}_2$ ($\text{pH} \approx 7.0$). Thử nghiệm va chạm đơn hạt sử dụng hạt thủy tinh hình cầu chứng minh mối tương quan tuyến tính giữa động năng va đập với năng lượng AE và giá trị RMS đo được. Thử nghiệm xói lở đa hạt với cát chỉ ra:

• Năng lượng AE trung bình và năng lượng tích lũy tăng tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy ($7 \rightarrow 15\text{ m/s}$) và nồng độ cát ($50 \rightarrow 500\text{ mg/L}$).
• Ảnh chụp SEM và đo biên dạng 3D xác định ba vùng mài mòn đặc trưng trên bề mặt mẫu: vùng ứ đọng (stagnation region - Vùng 1), vùng chuyển tiếp (transition region - Vùng 2), và vùng tia bám thành (wall jet region - Vùng 3).
• Phân tích phổ tần số (FFT) của tín hiệu AE cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa dòng không có cát (phổ tần số thấp, biên độ nhỏ) và dòng có cát va đập (xuất hiện các đỉnh năng lượng nổi bật ở dải tần số cao).

Chapter 7: Results and Discussion: Particle Impact and Impact Energy Quantification

Tập trung vào định lượng số lần va chạm hạt và mức năng lượng va đập bằng tín hiệu AE kết hợp với mô phỏng số:

• Tốc độ đếm sự kiện AE (AE event count rate) tăng tuyến tính theo nồng độ cát và vận tốc dòng, phản ánh trực tiếp tần suất va chạm của hạt rắn lên bề mặt kim loại.
• Kết quả đếm va chạm thực nghiệm từ AE được đối chiếu với mô hình tính toán lý thuyết và phân tích thống kê biểu đồ hộp (box plot).
• Mô phỏng CFD 2D trong Gambit/Fluent xác định quy luật phân bố góc va đập, vận tốc va đập và động năng va chạm của hạt cát từ tâm tia phun ra biên theo hướng bán kính.
• Thiết lập tương quan trực tiếp giữa năng lượng AE đo được với năng lượng va đập dự báo từ mô phỏng CFD, cũng như tương quan giữa tốc độ hao hụt khối lượng với số đếm sự kiện AE trên giây.

Chapter 8: Results and Discussion: Combined In-Situ AE and LPR Investigation of CO2 Flow-Induced Corrosion and Erosion-Corrosion

Trình bày kết quả thử nghiệm kết hợp đồng thời cảm biến AE và kỹ thuật đo điện trở phân cực LPR trong dung dịch nước muối bão hòa $\text{CO}_2$ ($\text{pH} = 5.5$) ở $50^\circ\text{C}$:

• Đối với ăn mòn do dòng chảy thuần túy (không có cát), tốc độ ăn mòn xác định từ LPR (hệ số $B = 26\text{ mV}$) tăng theo vận tốc dòng, trong khi tín hiệu AE duy trì ở mức thấp và chỉ phản ánh nhiễu thủy động.
• Khi có sự xuất hiện của hạt cát (ăn mòn-xói lở), điện thế ăn mòn dịch chuyển về phía âm hơn, điện trở phân cực ($R_p$) sụt giảm mạnh, và tốc độ đếm tích lũy AE tăng vọt.
• Năng lượng AE trung bình đo được thể hiện độ nhạy cao đối với mức tăng hao hụt khối lượng tổng thể, cung cấp dữ liệu định lượng về sự phá hủy đồng thời của tác nhân hóa học và tác nhân cơ học.

Chapter 9: Results and Discussion: Mechanistic and Quantitative Evaluation of Erosion-Corrosion and Its Components with Combined EIS and AE

Phân tích sâu cơ chế ăn mòn-xói lở bằng kỹ thuật phổ trở kháng điện hóa (EIS) kết hợp AE:

• Đồ thị Nyquist trong dung dịch không có cát ở vận tốc $7\text{ m/s}$ xuất hiện một vòng cảm ứng (inductive loop) ở dải tần số thấp, liên quan đến sự hấp phụ chất trung gian và sự lộ ra của pha xi măng-tít ($\text{Fe}_3\text{C}$) trên bề mặt kim loại (được kiểm chứng qua ảnh SEM).
• Mô hình mạch tương đương $R_s(Q_{edl}(R_t(L R_l)))$ được sử dụng để khớp dữ liệu thực nghiệm và trích xuất điện trở truyền điện tích ($R_{ct}$).
• So sánh các giá trị $R_p$ từ EIS với $R_p$ từ LPR cho thấy độ tương thích cao giữa hai phương pháp.
• Dữ liệu tổn thất khối lượng tổng ($TML$) được phân rã thành 4 thành phần: ăn mòn thuần túy ($C$), xói mòn thuần túy ($E$), ảnh hưởng của xói mòn làm tăng ăn mòn ($dC_E$) và ảnh hưởng của ăn mòn làm tăng xói mòn ($dE_C$). Kết quả khẳng định năng lượng AE tích lũy tương quan trực tiếp với các thành phần phá hủy cơ học mà kỹ thuật EIS không thể đo trực tiếp.

Mô hình tương đương: Rs nối tiếp với [CPEedl // (Rct nối tiếp (Rl // L))]
Trong đó:
- Rs: Điện trở dung dịch (Solution resistance)
- CPEedl: Phần tử pha không đổi biểu thị điện dung lớp kép
- Rct: Điện trở truyền điện tích (Charge-transfer resistance)
- Rl, L: Điện trở và độ tự cảm đặc trưng cho vòng cảm ứng (Inductive loop)

Chapter 10: Overview and General Discussion

Tổng hợp và liên kết toàn bộ các kết quả từ chương 6 đến chương 9. Tác giả thảo luận về cơ chế tương tác đa quy mô giữa va chạm cơ học của hạt rắn, quá trình hòa tan anôt, sự hình thành/phá hủy lớp cặn $\text{Fe}_3\text{C}$ và màng bảo vệ, cũng như tính hiệu quả của việc sử dụng năng lượng AE để bù trừ cho các giới hạn của phương pháp điện hóa trong quan trắc thời gian thực.

Chapter 11: Conclusions and Recommended Future Work

Tổng kết các kết luận chính của luận án và đề xuất các phương hướng phát triển tiếp theo cho các nghiên cứu tương lai.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Kết quả nghiên cứu chính

1. Luận án đã thiết lập được mối tương quan định lượng giữa năng lượng phát xạ âm đo được và hao hụt khối lượng do xói lở thuần túy và ăn mòn-xói lở trên thép X65 dưới nhiều điều kiện vận tốc dòng ($7 - 15\text{ m/s}$) và nồng độ cát ($50 - 500\text{ mg/L}$).
2. Ứng dụng thành công kỹ thuật phân tích phổ tần số (FFT) của dạng sóng AE để phân biệt giữa nhiễu dòng thủy động thuần túy và tín hiệu va chạm cơ học của hạt cát.
3. Định lượng được số lần va chạm hạt và năng lượng va chạm cục bộ trên bề mặt mẫu thông qua kết hợp số đếm sự kiện AE và mô phỏng số CFD 2D.
4. Làm rõ cơ chế xuất hiện vòng cảm ứng (inductive loop) trong phổ trở kháng EIS ở vận tốc $7\text{ m/s}$, chứng minh sự phơi lộ cấu trúc lưới $\text{Fe}_3\text{C}$ đóng vai trò catôt diện tích lớn thúc đẩy hòa tan vi mô anôt.

Đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

• Về khoa học: Luận án là công trình đầu tiên tại Đại học Leeds phát triển và triển khai thành công hệ thống tích hợp đồng thời cảm biến phát xạ âm (AE) và hệ đo điện hóa ba điện cực (LPR/EIS) trên thiết bị tia phun chìm (SIJ). Nghiên cứu làm sáng tỏ rằng các phép đo điện hóa in-situ chỉ phản ánh được động học phản ứng hóa học/hòa tan ion, trong khi thành phần tổn thương cơ học do hạt va chạm được ghi nhận đầy đủ qua năng lượng phát xạ âm.
• Về thực tiễn: Cung cấp cơ sở dữ liệu và phương pháp luận cho việc phát triển các hệ thống giám sát in-situ không xâm lấn, hỗ trợ các kỹ sư đường ống phát hiện sớm sự xuất hiện của cát trong dòng chảy, dự báo tốc độ suy thoái thực tế và tối ưu hóa kế hoạch bảo trì đường ống dẫn dầu khí mà không cần dừng hoạt động để kiểm tra phiếu cân.

Bảng tổng hợp các thành phần tương tác ăn mòn - xói lở

Luận án đã phân tích và phân rã các thành phần tổn thất khối lượng theo nguyên lý hiệp đồng:

Thành phần suy thoái	Ký hiệu	Phương pháp xác định trong luận án
Tổn thất khối lượng tổng cộng (Total Mass Loss)	$TML$	Đo trọng lượng thực tế (Gravimetric measurement)
Ăn mòn thuần túy (Pure Corrosion)	$C$	Đo điện hóa LPR / EIS trong môi trường không có cát
Xói lở thuần túy (Pure Erosion)	$E$	Đo khối lượng trong môi trường $\text{N}_2$ bão hòa có cát
Tác động của xói lở làm tăng ăn mòn	$dC_E$	Đo điện hóa LPR / EIS khi có dòng hạt cát
Tác động của ăn mòn làm tăng xói mòn	$dE_C$	Tính toán từ hiệu số: $dE_C = TML - (C + E + dC_E)$
Năng lượng va đập cơ học	$E_k$	Cảm biến phát xạ âm AE và mô phỏng hạt CFD

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Các thử nghiệm chỉ thực hiện ở góc va đập cố định $90^\circ$, chưa mở rộng khảo sát các góc va chạm xiên (như $30^\circ$, $45^\circ$, $60^\circ$) vốn phổ biến tại các vị trí uốn cong (elbows) hoặc tê thu (tees) trong thực tế.
• Khảo sát thực nghiệm được giới hạn ở nhiệt độ cố định $50^\circ\text{C}$ và áp suất $\text{CO}_2$ khí quyển ($1\text{ bar}$), chưa đánh giá ảnh hưởng của áp suất riêng phần $\text{CO}_2$ cao hơn hoặc các dải nhiệt độ hình thành màng $\text{FeCO}_3$ dày đặc.
• Cảm biến AE vẫn chịu ảnh hưởng nhất định bởi độ nhạy của nhiễu nền khi vận tốc dòng tăng cao, đòi hỏi phải tối ưu hóa ngưỡng lọc tín hiệu cho từng điều kiện cụ thể.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

1. Mở rộng thử nghiệm trên các góc va đập khác nhau ($30^\circ - 60^\circ$) để mô phỏng chính xác hơn sự suy thoái vật liệu tại các phụ kiện đường ống phức tạp.
2. Khảo sát ảnh hưởng của các loại hóa chất ức chế ăn mòn (corrosion inhibitors) đến tín hiệu AE và hiệu quả bảo vệ bề mặt khi có hạt cát va đập.
3. Nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ biến thiên để theo dõi sự hình thành và phá hủy động của màng bảo vệ $\text{FeCO}_3$.
4. Phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu nâng cao (như biến đổi Wavelet Transform) để tự động hóa việc phân tách tín hiệu va chạm hạt khỏi nhiễu môi trường công nghiệp.

---

Giá trị tham khảo

• Đối với nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Cơ khí, Vật liệu và Hóa kỹ thuật: Luận án cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về việc kết hợp các kỹ thuật đo đạc đa vật lý (âm học và điện hóa), phương pháp phân tích mạch tương đương EIS phức tạp có vòng cảm ứng, và phương pháp ghép nối CFD với dữ liệu cảm biến thực nghiệm.
• Đối với kỹ sư kiểm định và bảo vệ chống ăn mòn trong ngành Dầu khí: Là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp giám sát in-situ không phá hủy (NDT), cung cấp dữ liệu định lượng về tốc độ mài mòn và tương quan giữa số đếm AE với nồng độ cát trong đường ống thép X65.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao kỹ thuật đo điện hóa đơn lẻ không đủ để đánh giá toàn diện quá trình ăn mòn-xói lở?

Các kỹ thuật điện hóa như LPR và EIS hoạt động dựa trên sự dịch chuyển điện tích tại bề mặt tiếp xúc kim loại/dung dịch, do đó chỉ ghi nhận được tốc độ phản ứng hòa tan hóa học hoặc điện hóa của kim loại. Các kỹ thuật này không có khả năng cảm nhận trực tiếp mức độ bóc tách vật liệu do lực cơ học và va chạm động năng của hạt cát gây ra.

2. Cảm biến phát xạ âm được hiệu chuẩn và lọc nhiễu như thế nào trong nghiên cứu này?

Tác giả sử dụng cảm biến áp điện Vallen VS900-M, hiệu chuẩn độ nhạy bằng phép thử bẻ ngòi chì tiêu chuẩn (Hsu-Nielsen test). Để loại bỏ nhiễu nền do máy bơm và dòng thủy động học sinh ra ở các vận tốc $7$, $10$, $15\text{ m/s}$, tác giả đã tiến hành các thử nghiệm chạy nền không cát và thiết lập mức ngưỡng biên độ lọc nhiễu tối ưu ở $40\text{ dB}$ và $50\text{ dB}$.

3. Vòng cảm ứng (inductive loop) xuất hiện trong đồ thị Nyquist ở vận tốc 7 m/s phản ánh hiện tượng gì?

Vòng cảm ứng ở dải tần số thấp phản ánh quá trình hấp phụ - giải hấp phụ của các chất trung gian phản ứng trên bề mặt và sự tồn tại của pha cacbua sắt ($\text{Fe}_3\text{C}$) không hòa tan. Cấu trúc mạng $\text{Fe}_3\text{C}$ đóng vai trò là diện tích catôt lớn làm gia tăng sự hòa tan anôt cục bộ tại các lỗ pit.

4. Thành phần hiệp đồng ăn mòn - xói lở được phân tách thành những yếu tố nào?

Tổn thất khối lượng tổng cộng ($TML$) được phân rã thành bốn thành phần: $$TML = C + E + dC_E + dE_C$$ Trong đó $C$ là ăn mòn thuần túy, $E$ là xói lở thuần túy, $dC_E$ là mức tăng ăn mòn do xói lở phá hủy bề mặt/màng bảo vệ, và $dE_C$ là mức tăng xói lở do phản ứng ăn mòn làm suy yếu liên kết cơ học của nền kim loại.

---

Kết luận

Luận án của Jonathan Item Ukpai đã nghiên cứu thành công quá trình suy thoái ăn mòn-xói lở của thép đường ống X65 trong môi trường bão hòa $\text{CO}_2$ bằng việc kết hợp đồng thời kỹ thuật phát xạ âm (AE) và các phương pháp điện hóa (LPR, EIS) trên hệ thiết bị tia phun chìm. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh năng lượng phát xạ âm phản ánh trực tiếp động năng va đập và tổn thất cơ học của hạt cát, trong khi các phép đo điện hóa định lượng chính xác tốc độ hòa tan ion kim loại. Sự kết hợp hai phương pháp này cung cấp một giải pháp toàn diện cho việc giám sát in-situ hư hỏng vật liệu và đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng phục vụ quản lý toàn vẹn đường ống trong công nghiệp dầu khí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

i Erosion-Corrosion Characterisation for Pipeline Materials Using Combined Acoustic Emission and Electrochemical Monitoring by Jonathan Item Ukpai Submitted in accordance with the requirements for the degree of Doctor of Philosophy The University of Leeds School of Mechanical Engineering July 2014 The candidate confirms that the work submitted is his own, except where work which has formed part of jointly authored publications has been included. The contribution of the candidate and the other authors to this work has been explicitly indicated below. The candidate confirms that appropriate credit has been given within the thesis where reference has been made to the work of others. i The publications related to this work are as follows: 1.; Exploring the erosive wear of X65 carbon steel by acoustic emission method.

Wear, Volume 301, Issues 1-2, pp.; Determination of particle impacts and impact energy in the erosion of X65 carbon steel using acoustic emission technique. Tribology International Journal, Volume 65, pp.; An in-situ investigation of flow-induced corrosion and erosion-corrosion degradation of X65 pipeline materials using combined acoustic emission and electrochemical techniques. CORROSION/2013 paper no. 2305, NACE International Conference, Orlando, FL 2013., A combined electrochemical and acoustic emission technique for mechanistic and quantitative evaluation of erosion-corrosion and its components.

CORROSION/2014 paper no. 4180, NACE International Conference, San Antonio, TX, 2014. All the work in the papers mentioned above is a contribution of the candidate, under the supervision of the co-authors. This copy has been supplied on the understanding that it is copyright material and that no quotation from the thesis may be published without proper acknowledgement.

The right of Jonathan I. Ukpai to be identified as Author of this work has been asserted by him in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988. © 2013 The University of Leeds and Jonathan I. Ukpai i Acknowledgements I want to thank my supervisors, Professor Anne Neville and Dr.

Simon Hu for their kind words of advice, encouragement, guidance, exposure and for taking me round the world during conferences and symposia. I also thank my colleagues, Richard Barker and Michael Bryant for answering all my numerous questions. My gratitude goes to our lab technicians Ron Cellier, Graham Jakeman (of blessed memory) and Brian Leach for their assistance in the production of component parts of my research facilities and fixtures, and for constantly replenishing the laboratory consumables, and to Jacqueline Kidd and Fiona Slade for their sincere and warm administrative support. I am very grateful to all the people who made enormous sacrifices of their time, energy, and resources to make this project possible.

I will not be able to name them one by one because of space. Specifically, I thank my wife (Alice) and my kids (David, Jonathan and Michelle) for their love, patience and understanding throughout the period of the PhD study. I promise to compensate you all for the fatherly love and care I denied you during my late night research activities. I also thank my late father, Omezue (Chief) Ukpai Item (who did not live to see the end of this project) and Mother, Mrs.

Ugo Ukpai for their prayers and parental support. The staff and management of Petroleum Technology Development Fund (PTDF), Abuja, Nigeria, I cannot thank you enough for paying my tuition fees and maintenance allowance for three years in United Kingdom. All I have to say to you is, please do not relent in your good work, always keep the flag flying. My gratitude also goes to the staff and management of National Board for Technical Education (NBTE), Kaduna, Nigeria for all their support.

Above all, I say a big thank you to God almighty, for His grace, provisions, protection, good health and mercies throughout the period of this research. To Him alone I give all the glory. ii Abstract The prediction and monitoring of erosion and erosion-corrosion attack on oil and gas pipeline materials in service is useful for facilities design, material selection and maintenance planning so as to predict material performance accurately, operate safely, and prevent unplanned production outages. Conventional methods such as failure records, visual inspection, weight-loss coupon analysis, can be time-consuming and can only determine erosion or erosion-corrosion rates when the damage has already occurred.

To improve on this, the acoustic emission (AE) technique combined with electrochemical monitoring was chosen and implemented in this study to investigate and characterize erosion and erosion-corrosion degradation rates of oil and gas pipeline materials (X65) under Submerged Impinging Jet (SIJ) systems in a saturated CO2 environment. Measured acoustic emission energy was correlated with the mass loss from gravimetric measurement for different flow velocities and sand loadings. Sand particle impacts were quantified and compared with theoretical predictions, and the associated impact energies predicted from Computational Fluid Dynamics (CFD) were correlated with measured acoustic emission energy and mass loss. The combined acoustic emission and electrochemical monitoring (involving Linear Polarisation Resistance (LPR) and Electrochemical Impedance spectroscopy (EIS)) helped to simultaneously investigate the surface reactivity of the corroding materials as well as capture the sand impacts contribution during the erosion-corrosion degradation processes.

Results reveal that the effect of the mechanical damage which is not sensed by in-situ electrochemical measurement is adequately captured by the AE method, thus making the combined technique a novel approach for in-situ monitoring of both the electrochemical and mechanical damage contributions of erosion-corrosion degradation processes. iii Contents Acknowledgements .iii List of Figures .ix List of Tables. xxiii Chapter 1 Introduction .2 Aim and Objectives of Study .3 Statement of Novelty and Scientific Contribution .7 Chapter 2 Background Theory.2 Governing Mechanisms of Aqueous Corrosion .2 Electrical Double Layer (EDL) .5 Electrochemical Techniques for Corrosion Measurement .1 Principles of Three-Electrode Cell .2 Uncertainties in Corrosion Measurement .6 Alternating Current (AC) Corrosion Measurement .7 Forms of Aqueous Corrosion Attack .4 Flow-Induced Corrosion and Erosion-Corrosion .35 Chapter 3 Literature Review I.4 Computational Techniques in Erosion Rate Prediction .3 CO2 Erosion-Corrosion .2 Factors Affecting Erosion-Corrosion .3 Mechanisms of Erosion-Corrosion .4 Prediction of Erosion-Corrosion .5 Mitigation of Erosion-Corrosion .85 Chapter 4 Literature Review II: Acoustic Emission (AE) .3 Meaning of Acoustic Emission .4 Signal Processing and Analysis Techniques .1 Time–Domain Analysis .2 Frequency-Domain Analysis .3 Root Mean Square (RMS) .5 AE in Corrosion Prediction and Monitoring .6 AE in Erosion Prediction and Monitoring.7 Mechanism of Energy Transfer .8 AE in Erosion-Corrosion Prediction and Monitoring .110 Chapter 5 Experimental Design, Materials and Procedures .2 Dual Nozzle System .3 Two Sample Holders .4 Reservoir/Mixing Tank .5 Heating Device/Thermocouple .7 Acoustic Emission (AE) Hardware .2 Specimen Geometry and Dimensions .3 AE Test Cell/Specimen Holder.4 Sand Particle Size and Shape .1 Flow Velocity and Sand Loading Calibration .2 Acoustic Emission (AE) Sensor Calibration.5 AE Detection Gain Optimisation .129 Chapter 6 Results and Discussion: Erosive Wear Investigation .1 Single Impingement Tests .2 Multiple Impingement Tests .1 Single Impingement Test .2 Multiple Impingement Tests .4 Mass Loss and AE Energy.5 Frequency Spectrum Analysis .166 Chapter 7 Results and Discussion: Particle Impact and Impact Energy Quantification .2 Understanding Particle Impact Detection and Interpretation .3 Results for Particle Impact .1 AE Event Count Rate .2 Particle Impacts Determination .3 Particle Impacts Comparison with Theoretical Prediction .4 Discussion for Particle Impact .1 AE Event Count Rate .2 Particle Impact Determination .3 Measured Particle Impact Comparison with Theoretical Prediction .5 Impact Energy Investigation .1 Submerged Impinging Jet (SIJ) Model .2 Prediction of Particle Motion and Impact Condition .3 Results for Impact Energy Investigation .4 Discussion for Impact Energy Investigation.6 Erosion Rate Estimation .201 Chapter 8 Results and Discussion: Combined In-Situ AE and LPR Investigation of CO2 Flow-Induced Corrosion and Erosion-Corrosion .2 Results and Discussion .1 Flow-Induced Corrosion .3 Weight Loss and AE Energy .217 Chapter 9 Results and Discussion: Mechanistic and Quantitative Evaluation of Erosion-Corrosion and Its Components with Combined EIS and AE218 9.1 Tests without Sand .2 Test with Sand .3 Equivalent Circuit Modelling of EIS Plots .2 Investigation of the Inductive Loop in the 7 m/s EIS Plots .3 10 and 15 m/s Flow Velocities .4 Determination of Corrosion Rate.5 Evaluation of Erosion-Corrosion Degradation and Its Components .247 Chapter 10 Overview and General Discussion .2 Particle Impact Determination .3 Impact Energy Quantification .1 Flow-Induced Corrosion .3 Mechanistic and Quantitative Evaluation of Erosion- Corrosion .257 viii Chapter 11 Conclusions and Recommended Future Work.2 Recommended Future Work.292 ix List of Figures Figure 1.1: Typical CO2 erosion-corrosion damage in (a) X65 carbon steel pipeline and (b) in a choke (a device used to control the flow of fluid in pipelines) [5].1: Schematic illustration of the components of a corrosion cell [43].2: Simplified Pourbaix diagram for iron in water at 25oC [55].3: Stern-Grahame model for electrical double layer [56].4: Electrochemical corrosion curves [43].5: (a) Set-up for corrosion test and (b) summary of DC methods.6: Schematic illustration of current flow during polarisation [52].7: Simple electrical circuit having electrical properties similar to an EDL [43].8: AC voltage and current response [43].9: An impedance vector resolved into X-Y components [43].10: Equivalent circuit with two time constants used to model a corroding, coated metal. Cedl is the EDL capacitance.

Rct is the charge- transfer resistance, Cf is the capacitance of the film, Rf is the resistance of the film and Rs is the solution resistance [43].11: Illustration of general corrosion.12: Two types of pitting corrosion attack (a) through pit and (b) tunnelling pit [58].13: Illustration of galvanic corrosion.14: Galvanic series of metals and alloys according to ASTM 982- 98.1: CO2 corrosion nomogram [43].2: Corrosion rate of carbon steel as a function of wall shear stress value for (a) pipe flow and jet impingement rings at r/r0=3 and r/r0=5, and (b) RCE and pipe flow [74].3: Corrosion rate vs. temperature for brine [76].4: Corrosion rate vs. temperature for 80% water cut [76].5: Corrosion rate vs. oil composition at CO2 partial pressure of 0.79 MPa and Froude number of 12 [76].6: Predicted corrosion rate vs.7: Variation of corrosion rate with flow velocity flow velocity and pCO2 = 10 bar at 25oC and 50oC and pH 3 [70].8: Variation of corrosion rate with flow velocity for pH 3 and 4.14 at pCO2 = 10 bar [70].9: Variation of corrosion rate with flow velocity and pCO 2 = 10 and 70 bar at 25oC [70].10: Cathodic polarisation curves at pH 3, 25oC and pCO2 = 10 bar [70].11: Effect of flow velocity and temperature on corrosion rate for (a) carbon steel and low alloy steel and (b) stainless steel (13%Cr) [77].12: The degradation rate of the parent metal, heat affected zone (HAZ) and weld material in (a) static and (b) flow conditions [79].13: Schematic illustration of the major forces acting on a solid particle within a flowing fluid [83] .14: Effect of impact angle on erosion (a) Hutchings [83], (b) Levy and Yau [86].15: An illustration of predicted particle impact trajectories in a plugged tee and elbow [108].17: Illustration of erosion-corrosion process [130].18: Illustration of erosion-corrosion mechanism [136].19: Hydrodynamic features of a jet impingement on a flat plate [78] 80 Figure 3.20: Illustration of basic principles of inhibitor film-forming [147].1: Schematic illustration of (a) Rayleigh wave and (b) Lamb wave propagation in a structure [166].2: Illustration of the features of an AE signal [162].3: Illustration of count and energy of AE signal [154].4: Block diagram of AE instrumentation [168].5: Schematic illustration of (a) AE output from the apparatus and (b) correlation of hydrogen generation with Acoustic Emission [155].6: (a) Experimental set-up and (b) AE count rate vs.7: AE static corrosion test (a) experimental set-up (b) results [172].8: Illustration of AE release from solid particle impact [101, 176].E and (b) Erosion vs.10: Illustration of (a) AE energy vs.E for different impingement angles and (b) Weight loss vs.

AE energy for increasing flow velocities (i), increasing particle loading (ii) and increasing impingement angle (iii) [187].12: Simultaneous variation of acoustic energy and corrosion potential for high abrasion rate [173].1: Schematic illustration of experimental rig set-up.3: Isometric view of AE test cell/specimen holder.4: Sand particles’ size distribution from sieve experiment.5: Sand particles’ shape and sizes from Scanning Electron Microscopy (SEM).