Corrosão Associada a Solicitações Mecânicas

Introdução Quando a corrosão depende apenas do meio corrosivo, ocorre acentuada perda de massa do material corroído. No entanto, a associação do meio corrosivo com solicitações mecânicas pode ocasionar processos corrosivos acelerados mesmo sem perda acentuada de massa.

Introdução Esse processo pode ocasionar fraturas, colocando fora de operação o equipamento deteriorado, bem como trazer problemas relativos à segurança das instalações e dos operadores das mesmas.

Introdução Corrosão sob tensão  fratura de certos materiais, quando tensionados em certos ambientes, sob condições tais que nem a solicitação mecânica nem a corrosão ambiente isoladamente conduziriam à fratura.

Introdução Obs: muitas vezes ocorre fratura por tensão sem que ocorra dissolução anódica do material – isso significa que o processo não é de corrosão, mas apenas um fenômeno de natureza física.

Problemas Parede de tubo em contato com ambiente corrosivo rompido depois de repetidos ciclos de pressurização Eixo de manivela com fratura por fadiga Fratura em estojos de munição feitos de latão Corrosão por fadiga em avião corrosão sob tensão e corrosão intergranular de um tubo pré-aquecedor em aço inox 316Ti

Casos para estudo Corrosão sob fadiga Corrosão com erosão, cavitação e impingimento Corrosão sob atrito Fragilização por metal líquido Fragilização pelo hidrogênio Fendimento por álcali Corrosão sob tensão

Corrosão sob fadiga Metal sofre solicitações mecânicas alternadas ou cíclicas Inicia-se por uma pequena trinca, em ponto de concentração de tensões, que penetra lentamente o metal, numa direção perpendicular à tensão – após certo tempo, a área do elemento se reduz de tal modo que não pode mais suportar a carga aplicada, ocorrendo fratura final e repentina.

Corrosão sob fadiga - Reconhecimento A região de início da trinca tem um aspecto liso, devido ao atrito entre as faces sucessivas da trinca em cada ciclo. A segunda região é a área, de aspecto rugoso, fibroso ou cristalino, onde se verifica a fratura repentina

Corrosão sob fadiga - Ocorrência Tubulações de equipamento de perfuração de poços, usadas para bombear petróleo, têm vida limitada devido à corrosão por fadiga resultante do meio corrosivo (água salgada). Tubulações transportando vapores ou líquidos de temperaturas variáveis, podem fratura devido ao ciclo térmico (expansão e contração periódicas)

Corrosão sob fadiga - Ocorrência Trocadores ou permutadores se corroem devido a vibrações imprimidas pelas bombas nos líquidos, e que são transmitidas ao equipamento. Diversos vasos de pressão

Corrosão sob fadiga - Mecanismo Concentração de tensões nos locais de entalhe ou pites formados pelo meio corrosivo. Fendas, na superfície do metal, produzidas por intrusões e extrusões microscópicas formadas durante os ciclos de tensões. Tais fendas resultam de deslizamentos localizados dentro dos grãos do metal.

Corrosão sob fadiga - Proteção Proteção catódica Uso de inibidores (diminuição da corrosividade dos meios) Revestimentos metálicos anódicos ou de sacrifício Películas não-metálicas pigmentadas com pó de zinco Jateamento na superfície do metal ou introdução de esforços de compressão Alteração de projeto

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Ocorre quando um fluido em movimento está em contato com uma superfície metálica.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Erosão  deterioração de materiais metálicos ou não-metálicos pela ação abrasiva de fluidos em movimento, podendo ser aceleradas pela presença de partículas sólidas em suspensão. Mais intensa em estrangulamentos ou em desvios de fluxo Exemplos: desgaste de palhetas de turbinas ou de hélices, em alta velocidade, sob a ação de gotículas de água, e de rotores ou impelidores de bombas.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Cavitação  ação dinâmica, no interior do fluido, associada à formação e ao colapso de cavidades nas regiões que ficam abaixo da pressão absoluta de vapor do líquido. Impingimento  ação mecânica, com desgaste de material, provocada pelo impingimento ou impacto direto do fluido sobre uma superfície metálica. Bolhas de ar aumentam o efeito do impingimento.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento CORROSÃO – EROSÃO: a erosão é considerada um fenômeno puramente mecânico, em que o metal é removido ou destruído mecanicamente, sofrendo somente alterações físicas. Na erosão-corrosão ocorrem fenômenos físico-químicos, sendo caracterizada por sua aparência sob a forma de sulcos, crateras, ondulações, furos arredondados e um sentido direcional de ataque. No entanto, em função da própria erosão, a superfície fica isenta de possíveis produtos de corrosão.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Erosão em tubo de aço-carbono causada por ação de ácido sulfúrico concentrado

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Proteção contra a corrosão-erosão: Emprego de materiais mais resistentes Alteração de projeto Acréscimo de diâmetro da tubulação Dirigir as tubulações de entrada para o centro de tanques ao invés de colocá-las próximas às paredes laterais Inserir virolas nas extremidades das entradas de tubos

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Proteção contra a corrosão-erosão: Usar bombas com partes vulneráveis facilmente substituíveis. Inserir placas defletoras ou substituíveis na área de impingimento. Montar tubos de maneira que eles fiquem, no lado de entrada do fluido, alguns centímetros além dos espelhos de trocadores de calor. Modificações no meio corrosivo, por desaeração e emprego de inibidores.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Proteção contra a corrosão-erosão: Uso de revestimentos, como borracha, elastômeros artificiais (neoprene), basalto (silicato de alumínio fundido) ou aço inoxidável com alto teor de crômio e níquel somente nas partes sujeitas a ação erosiva. Proteção catódica.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento CORROSÃO – CAVITAÇÃO: quando cavidades ou bolhas sofrem colapsos ou implosão na superfície metálica há uma ação mecânica conjugada a uma ação química que dá condições para que ocorra uma corrosão com cavitação. É comum em hélices de navios, turbinas hidráulicas e a vapor, bombas hidráulicas e em camisas de cilindros de motores Diesel na face refrigerada com água.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Fases do ciclo da ação da cavitação: Áreas de pressões baixas são produzidas devido a irregularidades no escoamento; Formação de cavidades ou bolhas de vapor; Colapso das bolhas ou cavidades contra a superfície do metal. A continuidade do processo deixa a superfície com pites ou alvéolos, podendo até arrancar pedaços do metal

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Ampliação da região de cavitação Cavitação em camisa de cilindro de motor Diesel

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Esquema do ataque por cavitação: (A) líquido em repouso em temperatura e pressão ambientes; (B) expansão e formação de bolhas de vapor em temperatura ambiente e pressão reduzida; (C) compressão e colapso, ou implosão da bolhas de vapor, em temperatura ambiente e aumento de pressão; (D) destruição da película de óxido, ou revestimento, pelo impacto da onda de choque transmitida pela implosão da bolha de vapor; (E) reconstituição da película de óxido e redução da espessura do material metálico.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Proteção contra a corrosão-cavitação: No projeto do equipamento, eliminar: Possibilidades de áreas de quedas de pressão Abruptas modificações de seções para evitar turbulência Vibrações de partes críticas Outros processos: Introdução de ar no fluido em escoamento para aliviar as áreas de baixa pressão

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Proteção contra corrosão-cavitação Emprego de materiais com alta ductibilidade, alta resistência à fadiga ou superfícies endurecidas Revestimento com materiais resistentes Emprego de inibidores Proteção catódica Preenchimento das áreas danificadas por cavitação com solda e em seguida retificá-las

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento ATAQUE POR IMPINGIMENTO – CORROSÃO POR TURBULÊNCIA Corrosão associada ao fluxo turbulento de um fluido – ocorre quando um fluido está em movimento e passa de uma tubulação de grande diâmetro para outra de menor diâmetro (a turbulência sempre aparece na região de menor diâmetro) Ocorre em entradas dos tubos de condensadores, saídas de registros, válvulas, bombas centrífugas, hélices e outros dispositivos que provoquem variações acentuadas da seção transversal do fluido ou modifiquem o seu deslocamento lamelar.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento ATAQUE POR IMPINGIMENTO – CORROSÃO POR TURBULÊNCIA O fluido em movimento turbulento pode conter gases, formando bolhas que se deslocam com ele. A ação da turbulência aliada aos choques que resultam do rompimento das bolhas provoca um tipo de corrosão-erosão denominada impingimento.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Aspecto característico de erosão por impingimento e, curva de tubulação de linha de condensado, causada por vapor dágua.

Corrosão por erosão, cavitação e impingimento Proteção contra corrosão por impingimento: Usar ligas de cobre com cerca de 5% de estanho, ou latões de alumínio, ou ainda ligas de cobre/níquel/ferro. Reduzir a velocidade do fluido Diminuir a quantidade de ar ou partículas sólidas Modificar a geometria dos equipamentos, evitando curvas acentuadas Usar placas defletoras

Corrosão por Atrito Provocada por pequenos deslizamentos relativos, originados por vibrações A interface do metal deve estar sujeita a carga Formação de produtos pulverulentos de corrosão, em alguns casos pites, que podem servir de núcleos para a ocorrência de fraturas por fadiga

Corrosão por atrito MECANISMO Desgaste mecânico na ausência de ambiente corrosivo. O atrito entre os materiais vai expondo novas superfícies do metal, as quais ficam cobertas com oxigênio ou outro agente corrosivo. A próxima aspereza retira o óxido ou pode, mecanicamente, ativar a reação do oxigênio adsorvido com o metal para formar óxido, que por sua vez é arrastado, formando novamente uma superfície metálica limpa.

Corrosão por atrito Proteção contra corrosão por atrito: Combinação de metal mole com metal duro (impede o processo de solda nos pontos de contato entre metais similares) Construção de superfícies de contato de maneira a evitar quase por completo o deslizamento Uso de lubrificantes Uso de juntas de elastômeros ou materiais de baixo coeficiente de atrito

Fragilização por metal líquido Ocorre quando metais no estado sólido são submetidos a tensões residuais ou externas, concomitantemente em contato com metais fundidos. A falha ocorre pela nucleação e subsequente propagação para o interior de uma trinca na superfície molhada do sólido. Esse processo de falha não envolve modificação química do metal sólido.

Fragilização pelo Hidrogênio O hidrogênio interage com a maioria dos metais por uma série de mecanismos, resultando em modificações das propriedades mecânicas que levam a fraturas frágeis e altamente danosas. O hidrogênio penetra nos metais na forma atômica, e devido ao seu pequeno volume atômico é capaz de se difundir rapidamente na malha cristalina.

Fragilização pelo Hidrogênio Dentre os metais que mais comumente incorporam hidrogênio na rede cristalina estão o cobre, o ferro e a prata. O hidrogênio pode ser absorvido por: Alta solubilidade no metal em estado líquido, levando a grandes concentrações no metal solidificado na forma de peças fundidas ou na de filetes de solda. Decapagem por meios químicos ou eletroquímicos

Fragilização pelo Hidrogênio O hidrogênio pode ser absorvido por: Deposição eletrolítica de metais, onde o hidrogênio, juntamente com o metal a depositar, é formado no cátodo. Ação de gases ricos em hidrogênio em condições de temperatura e pressão favoráveis Decomposição térmica de hidrocarbonetos, em temperaturas elevadas. Craqueamento de amônia Reações generalizadas com água, quando um metal reage formando óxido e liberando hidrogênio

Fragilização pelo Hidrogênio Trecho de tubulação com empolamento pelo hidrogênio, ocasionado por gás sulfídrico, H2S, e umidade.

Fragilização pelo Hidrogênio Mecanismo Dois tipos: irreversível e reversível No processo irreversível, a presença de hidrogênio conduz à danificação da estrutura do metal, comprometendo sua resistência mecânica Quando o hidrogênio é produzido na suprefície do metal, ele se difunde para seu interior na forma atômica, e no interior do metal ele retorna à forma molecular, preferencialmente nos defeitos internos, provocando a formação de bolhas que levam finalmente à ruptura do metal

Fragilização pelo Hidrogênio O processo reversível caracteriza-se pela necessidade de existir a presença simultânea de tensões e hidrogênio. A eliminação do hidrogênio antes da aplicação da tensão restaura a ductibilidade do metal. A fragilização aumenta com a diminuição da velocidade de formação, isto é, exige-se a ação conjunta da tensão e hidrogênio durante algum tempo para que a fratura ocorra.

Fragilização pelo Hidrogênio Proteção Evitar que possa haver absorção de hidrogênio pelo metal; nos casos onde não há fragilização irreversível, uma posterior ação danosa pode ser evitada submetendo-se o material, onde possa ter absorvido esse elemento, e uma vez terminado o processo, ao recozimento a uma temperatura relativamente baixa (geralmente em torno de 190ºC), que permita sua difusão e liberação na superfície

Fendimento por Álcali Ocorre em caldeiras para produção de vapor que apresentam junções rebitadas. A fim de se evitar a corrosão do ferro pela água, a ela se adicionam substâncias alcalinas, pois estas tornam o ferro passivo. No entanto, vazamentos podem fazer a solução alcalina se concentrar de tal modo que acaba atacando o ferro. Fendas entre os rebites podem enfraquecer a caldeira, podendo levar a uma explosão.

Fendimento por Álcali Mecanismo Fe + 2 NaOH  Na2FeO2 + H2 Proteção Formação de hidrogênio devido ao ataque do aço pela solução concentrada de hidróxido de sódio: Fe + 2 NaOH  Na2FeO2 + H2 Proteção Substituição de rebites por soldas, seguida de tratamento térmico para diminuir as tensões; Adição de substâncias tamponantes; Revestir as partes sujeitas ao ataque com níquel ou ligas de níquel (resistente a álcalis)