Using Transient Resistance Measurements to Calculate the Diffusion Coefficient of the Water Medium in the Internal and External Polymer Coatings of Oilfield Pipes

P. E. Yudin; O. S. Bondareva; and I. S. Trofimov

doi:10.17804/2410-9908.2025.3.043-057

P. E. Yudin, O. S. Bondareva, and I. S. Trofimov

USING TRANSIENT RESISTANCE MEASUREMENTS TO CALCULATE THE DIFFUSION COEFFICIENT OF THE WATER MEDIUM IN THE INTERNAL AND EXTERNAL POLYMER COATINGS OF OILFIELD PIPES

DOI: 10.17804/2410-9908.2025.3.043-057

The recent development of stages in the degradation of internal corrosion-resistant coatings on pipes is necessary for predicting their trouble-free service life. The current absence of in-line inspection methods for pipes with internal coatings imposes additional requirements for the accuracy of life cycle assessment. The first stage of operation involves polymer saturation with the transported fluid, and the time it takes is directly related to the diffusion coefficient. Using reference data is not appropriate since they are provided for typical resins without special fillers. Internal and external pipe coatings involve creating a composite layer ensuring minimal environmental penetration to the metal substrate, which is achieved through the use of special resins, hardeners, and inorganic fillers. There are many methods for determining the diffusion coefficient; however, all are used for research purposes, and they are not included in regulations for coatings. This study proposes a new method for calculating the diffusion coefficient using data on transient resistance obtained in accordance with the requirements of GOST 51164-98 (a standard industry regulatory document, with testing procedures mastered by all testing laboratories). The correctness of the results is confirmed by comparison with reference data for similar polymer materials. The paper also demonstrates that the obtained values significantly depend on temperature and suggest tightening the current experiment requirements.

Acknowledgement: We are grateful to Prof. A. P. Amosov, head of the Department of Metal Science, Powder Metallurgy, and Nanomaterials at the SSTU, for his criticism of our manuscript. We also appreciate the assistance from the staff of the Samara RPC LLC in obtaining the experimental data.

Keywords: transient resistance, diffusion coefficient, internal and external corrosion-resistant pipe coatings

References:

Surgayeva, E.S., Yudin, P.E., and Amosov, A.P. Destruction of internal anti-corrosion polymer coatings of oil field pipes during operation. Safety of Technogenic and Natural Systems, 2024, 8 (2), 90–100. DOI: 10.23947/2541-9129-2024-8-2-90-100.
Efremov, A.M., Volyanskiy, P.D., Revin P.O., and Anufriev, S.V. Application of factory-applied epoxy coatings for corrosion protection of buried trunk pipelines. Nauka i Tekhnologii Truboprovodnogo Transporta Nefti i Nefteproduktov, 2021, 11 (3), 293–303. (In Russian). DOI: 10.28999/2541-9595-2021-11-3-293-303.
Mirsayapova, R.I. and Kantemirov, I.F. Extruded polyethylene vs epoxy coatings: Comparison of isolation materials for corrosion protection of pipes. Delovoy Zhurnal Neftegaz.Ru, 2021, 115 (7), 40–44. (In Russian).
Melnikov M.M., Prykina Yu.V., Vagapova Yu.Zh., and Kostev A.I. Analysis of factors affecting the determination of the degree of curing epoxy coatings of oil and gas pipes by differential scanning calorimetry. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov, 2023, 89 (3), 38–45. (In Russian). DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-3-38-45.
Zargarnezhad, H., Wong, D., Lam, C.N.C., and Asselin, E. Long-term performance of epoxy-based coatings: hydrothermal exposure. Progress in Organic Coatings, 2024, 196, 108697. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2024.108697.
Odette, N.F. and Soboyejo, W. Failure mechanisms in pipeline epoxy coatings. Advanced Materials Research, 2015, 1132, 366–384. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.1132.366.
Cao, Q., Oluwoye, I., Pojtanabuntoeng, T., Farhat, H., and Iannuzzi, M. Evaluation of epoxy-based coating degradation under thermal insulation at elevated temperatures on different steel substrates. Progress in Organic Coatings, 180, 107544. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2023.107544.
Rodionova, E.E., Kozhaeva, A.V., Akhmetgaliev, R.R., and Suyashev, I.F. Analysis of the properties of coatings used to protect the inner surface of pipelines. Setevoe Izdanie “Neftegazovoe Delo”, 2023, 4, 40–56. (In Russian). DOI: 10.17122/ogbus-2023-4-40-56. Available at: https://ogbus.ru/files/ogbus/issues/4_2023/ogbus_4_2023_p40-56.pdf
Zargarnezhad, H., Asselin, E., Wong, D., and Lam, C.N.C. A critical review of the time-dependent performance of polymeric pipeline coatings: focus on hydration of epoxy-based coatings. Polymers, 2021, 13 (9), 1517. DOI: 10.3390/polym13091517.
Zargarnezhad, H., Asselin, E., Wong, D., and Lam, C. C. Water transport through epoxy-based powder pipeline coatings. Progress in Organic Coatings, 2022, 168, 106874. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2022.106874.
Xiao, G.Z. and Shanahan, M.E.R. Water absorption and desorption in an epoxy resin with degradation. Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics, 1997, 35 (16), 2659–2670. DOI: 10.1002/(SICI)1099-0488(19971130)35:16<2659::AID-POLB9>3.0.CO;2-K.
Yang, C., Han, Q., Wang, A., Han, W., Sun, L., and Yang, L. Study on diffusion mechanism and failure behavior of epoxy coatings focusing on synergistic effect of temperature and water molecules. Designed Monomers and Polymers, 2021, 24 (1), 73–88. DOI: 10.1080/15685551.2021.1904581
Yang, C., Xing, X., Li, Z., and Zhang, S. A comprehensive review on water diffusion in polymers focusing on the polymer–metal interface combination. Polymers, 2020, 12 (1), 138. DOI: 10.3390/polym12010138.
Bogatov, M.V., Yudin, P.E., and Maidan, D.A. Influence of water absorption process on physical and mechanical properties of free coating film. Neftegazovoe Delo, 2025, 23 (1), 77–90. (In Russian). DOI: 10.17122/ngdelo-2025-1-77-90.
Bekman, I.N. Vysshaya matematika: matematicheskiy apparat diffuzii: uchebnik dlya bakalavriata i magistratury [Higher Mathematics: Mathematical Apparatus of Diffusion]. Yurait Publ., Moscow, 2025, 509 p. (In Russian).
Abdelkader, A.F. and White, J.R. Water absorption in epoxy resins: the effects of the crosslinking agent and curing temperature. Journal of Applied Polymer Science, 2005, 98 (6), 2544–2549. DOI: 10.1002/app.22400.

П. Ю. Юдин, О. С. Бондарева, И. С. Трофимов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ВОДНОЙ СРЕДЫ ВО ВНУТРЕННЕМ И НАРУЖНОМ ПОЛИМЕРНОМ ПОКРЫТИИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБ

Разработка стадийности процессов разрушения внутренних антикоррозионных покрытий труб, проводимая в последнее время, необходима для прогноза срока их безаварийной эксплуатации. Отсутствие на сегодняшний момент методов внутритрубной диагностики труб с внутренними покрытиями накладывает дополнительные требования к точной оценке ресурса. Первый этап эксплуатации подразумевает насыщение полимера транспортируемым флюидом, и время его протекания непосредственно связано с коэффициентом диффузии. Использование справочных данных не является корректным, поскольку они представлены для типовых смол без специальных наполнителей. Внутренние и наружные покрытия труб подразумевают создание композиционного слоя, обеспечивающего минимальное проникновение среды к металлической подложке, что достигается применением специальных смол, отвердителей и неорганических наполнителей. Существует большое количество методов определения коэффициента диффузии, однако все они применяются в исследовательских целях и не представлены в нормативной документации на покрытия. Авторами предложена новая методика расчета коэффициента диффузии с использованием данных переходного сопротивления, получаемых в соответствии с требованиями ГОСТ 51164-98 (типового отраслевого нормативного документа, испытания по которому освоены во всех испытательных лабораториях). Корректность получаемых результатов подтверждена сравнением со справочными данными для аналогичных полимерных материалов. Также показана существенная зависимость получаемых значений от температуры, и предложено ужесточить существующие требования к эксперименту.

Благодарность: Выражаем благодарность заведующему кафедрой «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» ФГБОУ ВПО «СамГТУ» д. ф.-м. н., профессору Амосо-ву А. П. за критику при написании статьи и всему коллективу «НПЦ «Самара» за помощь в получении экспериментальных данных.

Ключевые слова: переходное сопротивление, коэффициент диффузии, внутреннее и наружное антикоррозионное покрытие труб

Библиография:

Surgayeva E. S., Yudin P. E., Amosov A. P. Destruction of internal anti-corrosion polymer coatings of oil field pipes during operation // Safety of Technogenic and Natural Systems. – 2024. – Vol. 8 (2). – P. 90–100. – DOI: 10.23947/2541-9129-2024-8-2-90-100.
Применение заводских эпоксидных покрытий для антикоррозионной защиты подземных трубопроводов / А. М. Ефремов, П. Д. Волянский, П. О. Ревин, С. В. Ануфриев // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2021. – Т. 11 (3). – С. 293–303. – DOI: 10.28999/2541-9595-2021-11-3-293-303.
Мирсаяпова Р. И., Кантемиров И. Ф. Экструдированный полиэтилен vs эпоксидные покрытия: сравнение изоляции для антикоррозионной защиты труб // Деловой журнал Neftegaz. RU. – 2021. – № 7. – С. 40–44.
Анализ факторов, влияющих на определение степени отверждения эпоксидных покрытий нефтегазопроводных и насосно-компрессорных труб, методом дифференциальной сканирующей калориметрии / М. М. Мельников, Ю. В. Прыкина, Ю. Ж. Вагапова, А. И. Костев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2023. – Т. 89 (3). – С. 38–45. – DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-3-38-45.
Long-term performance of epoxy-based coatings: Hydrothermal exposure / H. Zargarnezhad, D. Wong, C. N. C. Lam, E. Asselin // Progress in Organic Coatings. – 2024. – Vol. 196. – P. 108697. – DOI: 10.1016/j.porgcoat.2024.108697.
Odette N. F., Soboyejo W. Failure mechanisms in pipeline epoxy coatings // Advanced Materials Research. – 2016. – Vol. 1132. – P. 366–384. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1132.366.
Evaluation of epoxy-based coating degradation under thermal insulation at elevated temperatures on different steel substrates / Q. Cao, I. Oluwoye, T. Pojtanabuntoeng, H. Farhat, M. Iannuzzi // Progress in Organic Coatings. – 2023. – Vol. 180. – P. 107544. – DOI: 10.1016/j.porgcoat.2023.107544.
Анализ свойств покрытий, применяемых для защиты внутренней поверхности трубопроводов / Е. Е. Родионова, А. В. Кожаева, Р. Р. Ахметгалиев, И. Ф. Суяшев // Сетевое издание «Нефтегазовое дело». – 2023. – № 4. – С. 40–56. – DOI: 10.17122/ogbus-2023-4-40-56.
A critical review of the time-dependent performance of polymeric pipeline coatings: focus on hydration of epoxy-based coatings / H. Zargarnezhad, E. Asselin, D. Wong, C. N. C. Lam // Polymers. – 2021. – Vol. 13 (9). – P. 1517. – DOI: 10.3390/polym13091517.
Water transport through epoxy-based powder pipeline coatings / H. Zargarnezhad, E. Asselin, D. Wong, C. N. C. Lam // Progress in Organic Coatings. – 2022. – Vol. 168. – P. 106874. – DOI: 10.1016/j.porgcoat.2022.106874.
Xiao G. Z., Shanahan M. E. R. Water absorption and desorption in an epoxy resin with degradation // Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. – 1997. – Vol. 35 (16). – P. 2659–2670. – DOI: 10.1002/(SICI)1099-0488(19971130)35:16<2659::AID-POLB9>3.0.CO;2-K.
Study on diffusion mechanism and failure behavior of epoxy coatings focusing on synergistic effect of temperature and water molecules / С. Yang, Q. Han., A. Wang., W. Han, L. Sun., L. Yang // Designed Monomers and Polymers. – 2021. – Vol. 24 (1). – P. 73–88. – DOI: 10.1080/15685551.2021.1904581.
A comprehensive review on water diffusion in polymers focusing on the polymer–metal interface combination / С. Yang, X. Xing, Z. Li, S. Zhang // Polymers. – 2020. – Vol. 12 (1). – P. 138. – DOI: 10.3390/polym12010138.
Богатов М. В., Юдин П. Е., Майдан Д. А. Влияние процесса водопоглощения на физико-механические свойства свободной пленки покрытия // Нефтегазовое дело. – 2025. – Т. 23 (1). – С. 77–90. – DOI: 10.17122/ngdelo-2025-1-77-90.
Бекман И. Н. Высшая математика: математический аппарат диффузии. – М. : Юрайт, 2025. – 509 с.
Abdelkader A. F., White J. R. Water absorption in epoxy resins: the effects of the crosslinking agent and curing temperature // Journal of Applied Polymer Science. – 2005. – Vol. 98 (6). – P. 2544–2549. – DOI: 10.1002/app.22400.

Библиографическая ссылка на статью

Yudin P. E., Bondareva O. S., Trofimov and I. S. Using Transient Resistance Measurements to Calculate the Diffusion Coefficient of the Water Medium in the Internal and External Polymer Coatings of Oilfield Pipes // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2025. - Iss. 3. - P. 43-57. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2025.3.043-057. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_511.html
(accessed: 18.04.2026).