Química Aplicada-AULA CORROSÃO 2015

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CORROSÃO EM 
ESTRUTURAS METÁLICAS
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PORQUE ESTUDAR A CORROSÃO?
Devido ao alto uso de metais e outros materiais na sociedade;
Desenvolvimento de novos materiais comportamento frente à corrosão
Alterações no meio ambiente: Poluição
Ponto de vista econômico: prejuízos,
desperdiço
Estima 30% do aço produzido é para 
reposição
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CORROSÃO??
É a deterioração (total, parcial, superficial, estrutura), perda de material devido a ação química ou eletroquímica do meio ambiente, aliado ou não a esforços mecânicos, temperatura.
A deterioração leva:
Ao desgaste
À variações químicas na composição
À modificações estruturais
Em geral a corrosão é um processo espontâneo
O Engenheiro deve:
Saber como evitar condições de corrosão severa;
Proteger adequadamente os materiais contra a corrosão
Escolher corretamente os materiais para as condições de uso
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PORQUE OCORRE A CORROSÃO?
Os metais raramente são encontrados no estado puro; eles estão sempre combinados com um ou mais elementos formando óxidos minérios.
A purificação dos metais por meio de redução de seus óxidos exige aplicação de energia em grandes quantidades.
Portanto o metal tem uma forte tendência de voltar ao seu estado original (combinado) de mais baixa energia  CORROSÃO
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Consequências
reposições de matéria prima, mão-de-obra;
 custos e manutenção de processos de proteção;
uso de materiais mais caros (aço inoxidável, etc) no lugar dos mais baratos (aço ao carbono, etc); 
interrupções na produção;
perdas de produtos;
perda de propriedades das estruturas como a resistência mecânica, comprometendo a estabilidade da estrutura. 
menor eficiência do equipamento;
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h) riscos de acidentes e poluição em ambientes de trabalho; 
j) eventuais riscos de explosões e incêndios, etc;
1 – 5% PIB são gastos com corrosão
Brasil: US$ 10 bilhões , grande parte na industria petrolifera
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MEIOS CORROSIVOS
 Atmosfera (poeira, poluição, umidade, gases: CO, CO2, O3, SOx, H2S, NOx,...)
Água (corrosão microbiológica*, pH, gases dissolvidos)
Solo (acidez, pH, gases dissolvidos, porosidade)
Produtos químicos
obs. Um determinado meio pode ser extremamente agressivo, sob o ponto de vista da corrosão, para um determinado material e inofensivo para outro.
*bactérias, algas se alimentam com os produtos das reações da corrosão e defecam substâncias que modificam localmente as condições do meioaceleram a corrosão!
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Principais Fatores 
Tempo de contato 
 tempo que a superfície fica recoberta por uma película de água (como a chuva e o orvalho). 
poluição atmosférica 
 os cloretos dos ambientes marinhos se depositam como pequenas gotas ou cristais formados pela evaporação das goticulas carregadas pelos ventos. 
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Ação de sulfatos
mais presente em ambientes industriais, onde há presença de sulfurados SOx como SO2, SO3 e o SO42– .
O SO2 é gerado pela queima de combustíveis fósseis , pela atividade vulcânica; solubilizado na água (chuva e orvalho) forma o ácido sulfuroso. Oxidado forma ácido sulfúrico. 
 
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SO2 + H2O  H2SO3
H2SO3 + O2  H2SO4
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 A previsão do desempenho do AÇO CARBONO em um ambiente é complexa, depende de muitos fatores: 
 condição inicial de exposição; 
 massa da amostra;
 orientação e velocidade do vento; 
 condição de abrigo;
 natureza dos produtos de corrosão e poluentes não medidos. 
O ambiente ao qual o aço está exposto determina a sua velocidade de corrosão. 
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Corrosão Eletroquímica
Envolvem transferência de elétrons. Portanto, são reações anódicas e catódicas (REAÇÕES DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO)
A corrosão eletroquímica envolve a presença de uma solução que permite o movimento dos íons.
Corrosão Química
Neste caso há reação direta com o meio corrosivo, sendo os casos mais comuns a reação com o oxigênio (OXIDAÇÃO SECA);
Corrosão com solventes orgânicos isentos de água
Corrosão de materiais não - metálicos
 
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TIPOS DE CORROSÃO
 
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CORROSÃO POR AÇÃO QUÍMICA: OXIDAÇÃO SECA
A oxidação ao ar seco não se constitui corrosão eletroquímica porque não há eletrólito (solução aquosa para permitir o movimento dos íons).
Reação genérica da oxidação seca:
METAL + OXIGÊNIO  ÓXIDO DO METAL
Geralmente, o óxido do metal forma uma camada passivadora que constitui uma barreira para que a oxidação continue (barreira para a entrada de O2).
Essa camada passivadora é fina e aderente.
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Exemplo de metais que formam camada passivadora de óxido, com proteção eficiente
Al  Al2O3
Pb
Cr
Aço inox - Cr2O3
Ti
Mg  MgO
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OXIDAÇÃO DO FERRO AO AR SECO
Fe + ½ O2  FeO 		T= 1000 C
3Fe + 2O2  Fe3O4		T= 600 C
	
2Fe + 3/2 O2  Fe2O3	 T= 400 C
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Corrosão do Zn metálico em presença de ácido sulfúrico:
Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2
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Plásticos e Borrachas também podem sofrer corrosão (degradação)
hidrólise do poli(tereftalato de etileno) (PET)há a descaracterização do material com a perda da rigidez e da flexibilidade
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A destruição do Concreto devida à ação dos agentes poluentes sobre seus constituintes (cimento, areia etc).
Essa corrosão afeta a estabilidade e durabilidade
das estruturas, sendo muito rápida e progressiva.
Fatores mecânicos (vibrações e erosão), físicos (variação de temperatura), biológicos (bactérias) ou químicos (em geral ácidos e sais) são os responsáveis por esse processo
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em contato com ácidos:
 3CaO.2SiO2.3H2O + 6HCl → 3CaCl2 + 2SiO2 + 6H2O
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CORROSÃO ELETROQUÍMICA
É um processo espontâneo, passível de ocorrer
quando o metal está em contato com um eletrólito;
Ocorrem simultaneamente, reações anódicas e catódicas. 
É mais frequente na natureza e se caracteriza por realizar- se necessariamente na presença de água, na maioria das vezes a temperatura ambiente
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Zn  Zn2+ +2 e +0,76 eV
Fe2+ + 2e  Fe - 0,44 eV
Epilha = 0,76-0,44 = 0,32 eV
Pilha: Zn + Fe2+  Zn2+ +Fe
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REVISÃO - ELETROQUIMICA
OXIDAÇÃO : PERDER ELÉTRONSÂNODO PÓLO POSITIVO
 REDUÇÃO : GANHAR ELÉTRONS CÁTODO  PÓLO NEGATIVO
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PROCESSO DE FORMAÇÃO DA FERRUGEM
Reação anódica (oxidação): 2Fe → 2Fe2+ + 4e– 
Reação catódica (redução): 2H2O +O2 + 4e– → 4OH– 
-íons Fe2+ migram em direção à região catódica e os íons OH– direcionam-se para a anódica formando : 
Fe2+ + 2OH– → Fe(OH)2 (hidroxido ferroso)
-Em meio com baixo teor de oxigênio: 
3Fe(OH)2 →Fe3O4 + 2H2O + H2
-caso o teor de oxigênio seja elevado, tem-se:
2Fe(OH)2 + H2O + 1/2O2 →2Fe(OH)3 
2Fe(OH)3 → Fe2O3.H2O + 2H2O
Ferrugem : Fe3O4 (coloração preta) e Fe2O3.H2O (coloração alaranjada ou castanho-avermelhada).
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Pilha de corrosão formada pelo mesmo material e mesmo eletrólito, porém com teores de gases dissolvidos diferentes-Pilha de Aeração Diferencial
 - O eletrodo mais aerado é o 
 CÁTODO e o menos aerado o o ÂNODO
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Corrosão Uniforme 
Se desenvolve de forma homogênea sobre a superfície metálica; a perda de espessura igual em todos os pontos
Aços carbono e ligas de cobre sofrem este tipo de ataque. 
Geralmente ocorre em metais sem camada passivadora.
Ocorre pela exposição direta do aço carbono a um ambiente agressivo sem um sistema protetor ou quando o mesmo é rompido e não reparado. 
 
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TIPOS DE CORROSÃO
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Corrosão por Placas
Os produtos formam-se em placas que
 se desprendem progressivamente. 
Ocorre em metais que formam películas 
inicialmente protetoras que ao se tornarem espessas, fraturam e perdem aderência, expondo o metal ao novo ataque. 
Ocorrem também quando a corrosão se dá por aeração diferencial.
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Corrosão por Pites
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Ocorre de forma localizada, enquanto
o restante pode permanecer sem ataque;
 Formam pequenas cavidades de profun-
didade significativa com relação a 
espessura do material; 
Ataca materiais metálicos que formam 
 películas protetoras passivantes (nos pontos frágeis)formado pilhas de corrosão.
Não há redução homogênea da espessura; pode ocorrer dentro do equipamento; é de difícil acompanhamento.
Agentes agressivos: Cl-, Br-, ClO- 
Fe2+ + Cl- FeCl2 + H2O  Fe(OH)2 +2H+ + 2Cl-
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Corrosão - Erosão 
Erosão de um material metálico é o desgaste mecânico provocado pela abrasão superficial de uma substância sólida, líquida ou gasosa .
 A ação erosiva sobre um material metálico é mais frequente nos seguintes casos:
quando se desloca um material sólido;
quando se desloca um líquido contendo partículas sólidas;
quando se desloca um gás contendo partículas líquidas ou sólidas.
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No caso de líquidos e gases a ação erosiva ocorre normalmente, em tubulações, em pás de turbinas.
No caso dos metais com camada de passivação ou protetoras, leva ao desgaste da mesma.
Erosão-Corrosão: Combinação do erosão com ataque químico levando ao arrancamento de íons.
Ocorre em locais turbulentos onde o meio corrosivo se encontra em alta velocidade e aumenta o grau de oxidação das peças.
ex. tubulações, pás de turbinas, hélices, esgotos em movimento, despejo de produtos químicos (indústrias) ou ação direta de água do mar ou de rios (portos, pontes e embarcações).
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Corrosão sob Tensão 
É resultante da soma de tensões e um 
meio corrosivo. Essas tensões podem ser provenientes de encruamento, solda, tratamento térmico, cargas etc, combinados com temperatura.
Neste tipo de corrosão formam-se trincas ramificadas no material.
Região tensionada funciona como ânodo em relação ao restante das regiões.
Com tempo surgem micro fissuras que podem acarretar em rompimento antes do problema ser percebido.
Agentes agressivos: Cl-, NH3, NaOH
INOX: acima de 66°C
 
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Corrosão em Frestas
A ação da aeração diferencial e/ou da concentração iônica diferencial causa a formação de pilhas em frestas nos materiais metálicos. 
Aparecem em juntas soldadas, juntas por rebites, em ligações com flanges, em uniões por roscas de parafusos, e em inúmeras configurações de que permitam formação de frestas.
No projeto, as frestas devem ser minimizadas com o objetivo de reduzir a corrosão.
Agente Agressivo: Cl-
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Prevenção e Controle 
Pode ser evitada com a inspeção regular da estrutura evitando acumulo de substâncias na superfície e depósitos;
Limpeza superficial (jato de areia) ;
Pite/Frestas: cobrir o furo aplicando sobre ele um selante (Revestimento) especial. 
Redução do meio agressivo
Pintar ou Renovar a pintura antiga. 
Uso de ligas especiais como o aço inoxidável. 
Reforço ou substituição dos elementos, peças danificadas. 
Corrosão-Erosão: diminuir a velocidade do fluido.
Proteção Catódica e Anódica
 
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Corrosão Galvânica
Forma bastante comum de corrosão devido ao contato de dois materiais de natureza química diferente em presença de um eletrólito
Enquanto um dos metais cede 
elétrons ao outro e se corrói (ânodo),
 o outro metal fica protegido, 
tendo sua velocidade de corrosão 
diminuída(catodo). 
Ex.Uma peça de Cu e outra de Ferro em 
contato com a água. O Ferro tem maior tendência de se oxidar que o Cu, então o Fe sofrerá corrosão intensa. 
 
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Evitar contato metal-metal
 coloca-se entre os mesmos um material isolante: compostos não poroso (pode absorver água e propiciar a formação da corrosão por frestas): arruelas de plásticos, fitas adesivas especiais , materiais cerâmicos
Pintura pelo menos no metal mais nobre
Galvanização 
Uso de materiais com potenciais próximos
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Prevenção e Controle 
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TAXA DE CORROSÃO
As taxas de corrosão expressam a velocidade do desgaste verificado na superfície metálica. 
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mm/ano = é a perda de espessura, em mm por ano;  m= perda de massa, em mg;  S = área exposta, em cm2;  t = tempo de exposição, em dias;   = densidade do material, em g/cm3. 
mpy = é a perda de espessura, em milésimos de polegada por ano;  m= perda de massa, em mg;  S = área exposta, em cm2;  t = tempo de exposição, em horas;   = densidade do material, em g/cm3. 
mdd = mg/dm2/dia 
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TAXA DE CORROSÃO
taxa de corrosão = perda de espessura /tempo de exposição x frentes de ataque
vida remanescente = (espessura atual – espessura mínima) / (taxa de corrosão interna + taxa de corrosão externa)
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COMPOSIÇÃO
Composição média(em volume) : 7 e 15% de cimento, 14 a 21% de água, 0,5 a 8% de ar, 24 a 30% de agregados finos e 31 a 51% de agregados grossos (pedras). 
Cimento Portland: 3CaO.SiO2, 2CaO.SiO2, 3CaO.Al2O3, 4CaO.Al2O3. Fe2O3
CONCRETO ARMADO
A resistência à tração do concreto é dez a quinze vezes menor que à resistência à compressão. 
Se uma peça em concreto for submetida a forças de tração (vigas), o concreto é moldado contendo no seu interior barras de aço como reforço. 
Desta forma, os esforços de tração são transferidos para o aço por aderência entre o aço e o concreto. 
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Nas reações de hidratação são produzidos principalmente o silicato tricálcio hidratado e hidroxido de calcio;
hidróxido de cálcio que se dissolvem na água e preenche os poros e capilares do concreto conferindo-lhe um caráter alcalino (pH = 12,6). 
2(3CaO.SiO2) + 6H2O  3CaO.(SiO2)2.3H2O +3Ca(OH)2
Isto proporciona uma passivação do aço que consiste numa capa ou película protetora composta de óxidos que mantém a armadura protegida, mesmo em concretos com elevada umidade.
 
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CORROSÃO:
 A exposição das estruturas de concreto armado às condições ambientes, chuva ácida, poluentes como o SO2, e CO2 e especialmente a ambientes contaminados com cloretos, podem provocar a corrosão das armaduras. 
O CO2 ao penetrar no concreto, reage com o Ca(OH)2, formando CaCO3 por carbonatação:
CO2   + H2O  H2CO3
H2CO3  + Ca(OH)2  CaCO3 + 2H2O
Consequências da carbonatação: o pH da fase aquosa 
 presente nos poros do concreto diminui para um valor abaixo de 8,0destruindo a camada passivadora da armadura permitindo o processo de corrosão
 
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A corrosão das armaduras destrói o aço imerso no concreto, causa expansão volumétrica, gerando tensões significativas.
    Fe + CO2 + H2O    FeCO3 + H2
FeCO3 + CO2 + H2O   Fe (HCO3)2
2Fe (HCO3)2 + O2     Fe2O3 .2H2O + 4CO2
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Deterioração do Concreto
Além do ataque nas armaduras, o concreto pode sofrer diversos tipos de deterioração.
A ação química pode ocorrer na pasta de cimento e no agregado.
 gases contidos na atmosfera (CO2, SO2 etc.); águas puras, turvas, ácidas, e marinhas; 
óleos, gorduras, combustíveis, líquidos alimentares, entre outros. 
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Os íons cloreto (corrosão química) destroem a película passivadora, mas não atacam o concreto 
Pode-se formar também a sílica gel pela reação de ataque ao silicato tricálcio do concreto  
 
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Sulfatos podem estar presentes na água e reagem com os compostos da pasta de cimento hidratada. Tais reações causam expansões de volume da fase sólida.
É comum em ambientes industriais e onde há sulfurados 
( SO2, SO3, SO42–). 
São geradas tensões e provocam desagregação progressiva do material:
Surgimento da corrosão da armadura penetração de gases e líquidos
Exposição da armadura
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Lixiviação
Vem do ataque de águas puras ou com poucas impurezas, e ainda de águas de chuva ou infiltração de umidade, etc
 A lixiviação é nociva ao concreto por várias razões: 
com a remoção de sólidos, ocorre redução na resistência mecânica do material e abre-se caminho para a entrada de gases e líquidos agressivos às armaduras e ao próprio concreto, além da penetração de água e oxigênio
Com a penetração de ar nos poros do concreto,
através de fissuras ou nos espaços oriundos da lixiviação de cal hidratada, ocorre a carbonataçãoqueda no pH do concreto, com consequente redução na proteção das armaduras.
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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO
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Aços Patináveis
São obtidos pela adição de cobre e cromo. Algumas siderúrgicas adicionam níquel, vanádio e nióbio.
Apresentam resistência à corrosão atmosférica até oito vezes maior que os aços-carbono comuns
A sua utilização não exige revestimento contra corrosão, devido a formação da “pátina”(camada de óxido compacta e aderente) em contato com a atmosfera. 
  Este óxido é inicialmente semelhante ao encontrado no aço carbono comum exposto às mesmas condições. 
À medida que o aço patinável continua exposto á atmosfera, a camada de óxido se recristaliza e se consolida na superfície. Esta camada torna-se cada vez mais escura com o tempo. 
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Após a formação dessa camada protetora de óxido consolidada no aço patinável, a taxa de corrosão torna-se muito inferior á taxa de corrosão inicial
O tempo necessário para a sua completa formação varia em média de 2 a 3 anos conforme a exposição do aço, ou pré-tratamento em usina para acelerar o processo.
 Muito usado em esculturas situadas ao ar livre e na fachada externa de edifícios, como componente estrutural (vigas soldadas, rebitadas ou aparafusadas) de pontes e viadutos etc
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GALVANIZAÇÃO
A galvanização é o processo de zincagem por imersão a quente, que consiste na imersão da peça em um recipiente com zinco fundido a 460°C.
O zinco adere à superfície do aço através da formação de uma camada de liga Fe-Zn, sobre a qual deposita-se uma camada de zinco pura de espessura correspondente a agressividade do meio a qual a peça será submetida.
Para garantir uma proteção ainda maior contra a corrosão costuma-se aplicar tintas sobre as superfícies zincadas.
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PINTURA
A proteção contra corrosão através de pintura consiste em criar uma barreira impermeável protetora na superfície exposta do aço através de aplicação de esmaltes, vernizes, tintas e plásticos, obedecendo as seguintes etapas:
a) Limpeza da superfície: pode ser feita através de escovamento, aplicação de solventes e jateamento;
b) Aplicação de primer: garante aderência a camada subsequente;
c) Camada intermediária: fornece espessura ao sistema;
d) Camada final: atua como barreira protetora, além da finalidade estética
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Proteção Catódica
Impedir o processo artificial 
as áreas anódicas do seu material 
tornando-a uma região catódica. 
Um novo circuito é estabelecido.
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Proteção catódica galvânica (ânodo de sacrificio) 
liga-se a estrutura a ser protegia um metal anódico ;
força eletromotriz resulta da diferença entre o potencial natural do ânodo e o potencial da estrutura que se deseja proteger. 
Como a diferença de potencial conseguido nesse sistema é relativamente pequena ele é aplicado somente a meios de resistividade elétrica (6000ohm.cm)  instalações marítimas
 Mg e suas ligas, zinco, Al e suas ligas
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Proteção catódica por corrente impressa: 
liga-se ao ânodo uma fonte geradora de corrente elétrica gerador, retificador
estruturas enterradas ou submersas tais como dutos, tanques, pés-de-torre, navios e plataformas.
Os ânodos mais empregados são os de grafite, ferro-silício, ferro-silício-cromo, chumbo-antimônio-prata, titânio platinizado, nióbio platinizado e magnetita.
 Os ânodos de grafite, ferro-silício e magnetita são geralmente usados em solos e os demais usados em água do mar.
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Proteção Anódica
Aumento do potencial para ocorrer a formação de um filme óxido passivo. Isto acontece por aplicação de corrente anódica externa. 
Não ocorre qualquer dissolução do filme e caso ocorra alguma falha no filme, este é reparado automaticamente formando um novo filme.
O êxito é conseguido com exato controle do potencial, caso contrário, gera pontos anódicos perto de uma grande região catodica, levando a corrosão por pite.
Potenciais muito altos podem levar a dissolução o metalnovo estado de oxidação perdendo a característica protetora
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Proteção Anódica
Superfícies : Fe, Ni, Cr, Ti (metais com transição ativo/passivo)
Aplicações: reatores de sulfonacão, tanques de armazenamento de ácido sulfúrico.
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