Fuel-induced corrosion: Analysis of temperature effect on carbon steel immersed in various fuels
Sieranen, Iida Roosa Anneli (2025-02-25)
25.02.2025
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025022514348
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025022514348
Tiivistelmä
The European Union (EU) aims to phase out fossil fuels by 2050. Shipping involves transportation of passengers or merchandise. Shipping, one of the largest sources of greenhouse gas emissions, must transition to alternative fuels. Alternative fuels such as hydrogen, ammonia, methanol (MeOH), hydrotreated vegetable oil (HVO) and their blends are possible fuels for future maritime applications to replace fossil fuels.
The compatibility of alternative fuels and engine materials creates a challenge for maritime applications. Internal combustion engine (ICE) materials, like various metals, have different corrosion resistances. Corrosion resistance and the compatibility of materials can be studied using several methods. The fuel passes through the ICE from the tank through the entire fuel system. Anywhere fuel flows the material compatibility of alternative fuels must be ensured.
The first objective of this study was to improve the University of Vaasa's Fuel laboratory’s immersion test initial setting. The improvement of the immersion test was developed in sectors: the metal sample size, the method of attaching the metal sample to the sample container, the preparation of the fuel blend, the effect of temperature and scanning electron microscope (SEM) images. The second objective of this thesis was to implement the improved immersion test and examine the compatibility of various fuels with carbon steel (CS). The test was performed at two different temperatures of 23 ᵒC and 40 ᵒC, for over 300 hours, to examine the effect of temperature on the formation of corrosion. The studied fuels were Renewable Diesel (RD) and light fuel oil (LFO), both without additives, MeOH, and the blend of RD, and MeOH, stabilized with 1-octanol (later blend), containing 8 % of MeOH based on the energy ratio. The possible corrosion was studied by analyzing the fuels’ trace metals concentrations before and after the test and analyzing the CS samples visually and by SEM. In addition, the properties of the studied fuels were analyzed before and after the immersion test.
As a result of this thesis the improvement of the immersion test enables more detailed research results. According to the trace metal concentration analyses results, no contamination caused by the CS plates was found in any of the studied fuels. SEM images and visual observation of the samples support this result as no signs of corrosion were detected on the CS samples. The temperature did not affect fuel contamination and corrosion. The measured results of kinematic viscosity and density for RD, blend and LFO met the requirements of the standards. According to the distillation results, RD and LFO met the requirements of the standards. Neither the temperature change nor the immersion of the CS samples on the fuels changed the fuel properties. Euroopan Unioni (EU) pyrkii luopumaan asteittain fossiilisten polttoaineiden käytöstä vuoteen 2050 mennessä. Laivaliikenne on yksi suurimmista kasvihuonepäästöjen aiheuttajista. Laivaliikenteen on siirryttävä käyttämään vaihtoehtoisia polttoaineita. Vaihtoehtoiset polttoaineet kuten vety, ammoniakki, metanoli (MeOH), vetykäsitelty kasviöljy (HVO) ja niiden seokset ovat mahdollisia korvaajia tulevaisuuden laivaliikenteen polttoaineina fossiilisten polttoaineiden sijaan.
Vaihtoehtoisten polttoaineiden ja moottoreiden materiaalien yhteensopivuus luo haasteen laivateollisuudelle. Polttomoottorin materiaalit kuten erilaiset metallit omaavat erilaiset korroosion kestävyydet. Korroosion kestävyyttä ja materiaalien yhteensopivuutta voidaan tutkia monella menetelmällä. Polttoaine kulkee läpi polttomoottorin, alkaen tankista koko polttoainejärjestelmän läpi. Vaihtoehtoisten polttoaineiden ja järjestelmän materiaalien yhteensopivuus tulee varmistaa kaikkialla, missä polttoaine virtaa.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää Vaasan yliopiston polttoainelaboratorion upotuskoemenetelmää. Upotuskoemenetelmää kehitettiin seuraavilla osa-alueilla: metallinäytteen koko, metallinäytteen kiinnitysmenetelmä näyteastiaan, polttoaineseoksen valmistus, lämpötilan ja pyyhkäisyelektronimikroskooppi- eli SEM-kuvien vaikutus. Työn toisena tarkoituksena oli tutkia eri polttoaineiden yhteensopivuutta hiiliteräksen kanssa parannettua upotuskoemenetelmää käyttäen. Testi suoritettiin kahdessa eri lämpötilassa, 23 ja 40 °C:ssa. Molempien kokeiden kesto oli yli 300 tuntia. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, vaikuttaako lämpötilan muutos korroosion ilmenemiseen. Tutkitut polttoaineet olivat uusiutuva diesel (RD) ja kevyt polttoöljy (LFO), molemmat ilman lisäaineita, MeOH:n ja RD:n seos, joka oli lisäaineistettu 1-oktanolilla seoksen vakauttamiseksi (myöhemmin seos). MeOH:n ja RD:n seos sisälsi energiasisällön perusteella 8 % MeOH:a. Mahdollista korroosiota tutkittiin analysoimalla polttoaineiden alkuainepitoisuudet ennen upotuskoetta ja sen jälkeen sekä arvioimalla hiiliteräslevyt visuaalisesti sekä SEM-kuvilla. Lisäksi tutkittujen polttoaineiden ominaisuudet analysoitiin ennen upotuskoetta ja sen jälkeen.
Upotuskoemenetelmän kehittäminen mahdollistaa tarkemmat tutkimustulokset. Alkuaineanalyysien tulosten perusteella tutkituista polttoaineista ei löytynyt hiiliteräslevyjen aiheuttamaa kontaminaatiota. SEM-kuvat ja näytteiden visuaalinen havainnointi tukevat tätä tulosta, koska hiiliteräslevyissä ei havaittu merkkejä korroosiosta. Lämpötilan muutos ei vaikuttanut polttoaineen kontaminaatioon ja korroosioon. RD, seos ja LFO täyttivät standardien vaatimukset tiheyden ja kinemaattisen viskositeetin mittaustulosten osalta. Tislaustulosten mukaan RD ja LFO täyttivät standardien vaatimukset. Lämpötilan muutos tai hiiliteräslevyn upottaminen polttoaineisiin eivät muuttaneet polttoaineiden ominaisuuksia.
The compatibility of alternative fuels and engine materials creates a challenge for maritime applications. Internal combustion engine (ICE) materials, like various metals, have different corrosion resistances. Corrosion resistance and the compatibility of materials can be studied using several methods. The fuel passes through the ICE from the tank through the entire fuel system. Anywhere fuel flows the material compatibility of alternative fuels must be ensured.
The first objective of this study was to improve the University of Vaasa's Fuel laboratory’s immersion test initial setting. The improvement of the immersion test was developed in sectors: the metal sample size, the method of attaching the metal sample to the sample container, the preparation of the fuel blend, the effect of temperature and scanning electron microscope (SEM) images. The second objective of this thesis was to implement the improved immersion test and examine the compatibility of various fuels with carbon steel (CS). The test was performed at two different temperatures of 23 ᵒC and 40 ᵒC, for over 300 hours, to examine the effect of temperature on the formation of corrosion. The studied fuels were Renewable Diesel (RD) and light fuel oil (LFO), both without additives, MeOH, and the blend of RD, and MeOH, stabilized with 1-octanol (later blend), containing 8 % of MeOH based on the energy ratio. The possible corrosion was studied by analyzing the fuels’ trace metals concentrations before and after the test and analyzing the CS samples visually and by SEM. In addition, the properties of the studied fuels were analyzed before and after the immersion test.
As a result of this thesis the improvement of the immersion test enables more detailed research results. According to the trace metal concentration analyses results, no contamination caused by the CS plates was found in any of the studied fuels. SEM images and visual observation of the samples support this result as no signs of corrosion were detected on the CS samples. The temperature did not affect fuel contamination and corrosion. The measured results of kinematic viscosity and density for RD, blend and LFO met the requirements of the standards. According to the distillation results, RD and LFO met the requirements of the standards. Neither the temperature change nor the immersion of the CS samples on the fuels changed the fuel properties.
Vaihtoehtoisten polttoaineiden ja moottoreiden materiaalien yhteensopivuus luo haasteen laivateollisuudelle. Polttomoottorin materiaalit kuten erilaiset metallit omaavat erilaiset korroosion kestävyydet. Korroosion kestävyyttä ja materiaalien yhteensopivuutta voidaan tutkia monella menetelmällä. Polttoaine kulkee läpi polttomoottorin, alkaen tankista koko polttoainejärjestelmän läpi. Vaihtoehtoisten polttoaineiden ja järjestelmän materiaalien yhteensopivuus tulee varmistaa kaikkialla, missä polttoaine virtaa.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää Vaasan yliopiston polttoainelaboratorion upotuskoemenetelmää. Upotuskoemenetelmää kehitettiin seuraavilla osa-alueilla: metallinäytteen koko, metallinäytteen kiinnitysmenetelmä näyteastiaan, polttoaineseoksen valmistus, lämpötilan ja pyyhkäisyelektronimikroskooppi- eli SEM-kuvien vaikutus. Työn toisena tarkoituksena oli tutkia eri polttoaineiden yhteensopivuutta hiiliteräksen kanssa parannettua upotuskoemenetelmää käyttäen. Testi suoritettiin kahdessa eri lämpötilassa, 23 ja 40 °C:ssa. Molempien kokeiden kesto oli yli 300 tuntia. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, vaikuttaako lämpötilan muutos korroosion ilmenemiseen. Tutkitut polttoaineet olivat uusiutuva diesel (RD) ja kevyt polttoöljy (LFO), molemmat ilman lisäaineita, MeOH:n ja RD:n seos, joka oli lisäaineistettu 1-oktanolilla seoksen vakauttamiseksi (myöhemmin seos). MeOH:n ja RD:n seos sisälsi energiasisällön perusteella 8 % MeOH:a. Mahdollista korroosiota tutkittiin analysoimalla polttoaineiden alkuainepitoisuudet ennen upotuskoetta ja sen jälkeen sekä arvioimalla hiiliteräslevyt visuaalisesti sekä SEM-kuvilla. Lisäksi tutkittujen polttoaineiden ominaisuudet analysoitiin ennen upotuskoetta ja sen jälkeen.
Upotuskoemenetelmän kehittäminen mahdollistaa tarkemmat tutkimustulokset. Alkuaineanalyysien tulosten perusteella tutkituista polttoaineista ei löytynyt hiiliteräslevyjen aiheuttamaa kontaminaatiota. SEM-kuvat ja näytteiden visuaalinen havainnointi tukevat tätä tulosta, koska hiiliteräslevyissä ei havaittu merkkejä korroosiosta. Lämpötilan muutos ei vaikuttanut polttoaineen kontaminaatioon ja korroosioon. RD, seos ja LFO täyttivät standardien vaatimukset tiheyden ja kinemaattisen viskositeetin mittaustulosten osalta. Tislaustulosten mukaan RD ja LFO täyttivät standardien vaatimukset. Lämpötilan muutos tai hiiliteräslevyn upottaminen polttoaineisiin eivät muuttaneet polttoaineiden ominaisuuksia.