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Aula 05 - Corrosão Sob Tensão, Fragilização pelo Hidrogênio, Corrosão- Fadiga, Corrosão-Erosão UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA Profa. Eliane Medeiros CORROSÃO SOB TENSÃO (CST) Processo corrosivo resultante da ação simultânea de um meio agressivo e de tensões de tração estáticas, residuais ou aplicadas sobre o metal / liga. CORROSÃO SOB TENSÃO CST - Fatores Influenciadores: Material – Tensão aplicada ou residual - Observa-se um limiar para que o processo de corrosão sob tensão ocorra. X ponto de ruptura sem meio corrosivo ponto de ruptura com meio corrosivo LE: Limite de escoamento corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente. CORROSÃO SOB TENSÃO A fratura poderá ser intergranular ou transgranular (ou mista). - As trincas de corrosão sob tensão desenvolvem-se perpendicularmente à direção da tensão. - Normalmente não há evidência de corrosão generalizada nas peças. - Apresenta dois estágios distintos: o primeiro chamado indução, quando o processo corrosivo é lento e precede à formação das trincas, enquanto no segundo, ocorre a propagação das trincas. CORROSÃO SOB TENSÃO CORROSÃO SOB TENSÃO CORROSÃO SOB TENSÃO - Em alguns casos, o avanço da trinca ocorre através de regiões ou caminhos anódicos. Em outros casos, o hidrogênio gerado (catódico) pelo processo corrosivo fragiliza a região da ponta da trinca, promovendo o avanço da mesma. Material – Fatores metalúrgicos - Composição química, orientação preferencial dos grãos, composição e a distribuição dos precipitados. - Em aços, o percentual de carbono assim como sua distribuição na matriz são fatores metalúrgicos principais controlando a CST. Em aços com baixo teor de carbono (< 0,1%), quando a quantidade de carbono aumenta, a proporção de perlita (Fe3C) aumenta e o número de partículas de carbono próximos dos grãos diminuem, reduzindo o número de sítios para fissuração. CST- Fatores Influenciadores: Material – Composição e Estrutura cristalina A adição de baixos teores de elementos de liga reduzem a resistência à corrosão sob tensão. Este valor atinge um mínimo e a partir daí, maiores quantidades de elementos adicionados aumentam a resistência da liga a este processo de corrosão. CST- Fatores Influenciadores: Meio – Concentração de agentes Como regra geral, quanto maior a concentração do agente causador, tanto mais rápidos os efeitos da corrosão sob tensão. Meio – Temperatura Na maior parte das vezes, a ação do meio no desenvolvimento da corrosão sob tensão é acelerada pela elevação da temperatura. Para alguns metais / ligas, a corrosão sob tensão somente ocorre acima de determinada temperatura. CST- Fatores Influenciadores: Efeito da concentração do agente causador CST- Fatores Influenciadores: * Limite de escoamento corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente CST - Metais e Ligas mais suscetíveis Metal Meio Aço inoxidável austenítico Cl-, OH-, Br- Latão NH3, aminas Ligas de titânio, 8%Al, 1%Mo, 1%V Cl-, Br-, I- Ligas de alumínio H2O, solução de NaCl Independentemente do mecanismo atuante, a CST envolve três estágios principais. - O estágio inicial consiste num ataque corrosivo lento, que produz pite ou outra forma de concentração de tensão, que pode se desenvolver numa trinca visível. - O segundo estágio corresponde ao crescimento lento da trinca, durante o qual os efeitos combinados de tensão e corrosão promovem a sua propagação, com o consequente aumento na intensidade de tensão na extremidade da trinca. - O terceiro estágio é atingido quando a intensidade da tensão alcança um valor tal que a fratura rápida passa a ocorrer sob ação da tensão unicamente. CST - Mecanismo de CST CST – Mecanismo Geral de CST CST - Mecanismo de CST Mecanismo de propagação de trincas por mobilidade superficial Postulado 1: O meio afeta o metal devido a mudanças na autodifusibilidade superficial do metal. O meio aumenta a mobilidade superficial. (GEMELLI, E., 2001) CST - Mecanismo de CST Propagação de trincas por propagação de fissura Postulado 2: A corrosão sob tensão ocorre por fixação de lacunas na ponta da trinca. Conduz à propagação de trincas por movimento atômico na ponta causando diminuição da energia livre. (GEMELLI, E., 2001) Sistema: tubulação de aço inoxidável Material: aço inoxidável AISI 304 Condições operacionais: fraturas em trecho curvo do tubo. Temperatura: 80-90°C. Análise: a análise do vapor condensado em contato com o tubo acusou presença de cloreto. CST - Alguns casos práticos: CASO 1 Causa: CST, devido a ação conjunta de cloreto e temperatura sobre aço inoxidável em área tensionada como no trecho curvo. Solução: substituição por aço inoxidável AISI 316 e eliminação da contaminação do vapor com cloreto. Sistema: equipamento de aço inoxidável em fábrica de alimentos Material: peça de aço inoxidável AISI 304. Condições operacionais: contato da peça com solução de cloreto de sódio 20%. CST - Alguns casos práticos: CASO 2 Observações: fratura na peça. Análise metalográfica: trincas transgranulares. Causa: CST Solução: diante da impossibilidade de modificação das condições operacionais, isto é, contato com solução de NaCl, e por questões econômicas, foi empregado o aço inoxidável AISI 316, que, embora mais resistente que o 304, também fica sujeito a CST. Fragilização pelo hidrogênio O hidrogênio atômico tem grande capacidade de difusão em materiais metálicos. Dessa forma se o hidrogênio for gerado na superfície de um material, ele migra para o interior e acumula-se em falhas existentes. O hidrogênio acumulado passa da forma atômica para a molecular e provoca o aparecimento de altas pressões no interior da falha. Fragilização pelo hidrogênio Mecanismo de nucleação das trincas induzidas pelo hidrogênio Fragilização pelo hidrogênio Exemplo: Refinaria de petróleo Nas frações mais pesadas e resíduos do petróleo, observa-se que o H2S é o principal responsável pela corrosão por “sulfetação” dos aços carbono, a qual passa a ser importante apenas acima de cerca de 260°C, ocorrendo através da reação, Fe + H2S → FeS + H2 . Na prevenção de falhas, deve-se avaliar inicialmente o potencial para fragilização por hidrogênio por meio de testes laboratoriais como, por exemplo, teste de difusão de hidrogênio, antes mesmo dos procedimentos de controle serem implementados. Fragilização pelo hidrogênio Tratamento A eliminação e o rearranjo de defeitos cristalinos, favorecido a temperaturas elevadas. Tratamentos térmicos podem ser descritos por ciclos de aquecimento e resfriamento controlados que incitam as alterações na microestrutura e nas propriedades mecânicas da peça . O objetivo do tratamento térmico é, então, remover tensões internas e redistribuir uniformemente a espécie, com liberação através da superfície, embora parte do hidrogênio continue retida. Corrosão sob Fadiga Corrosão sob Fadiga Falha que ocorre quando um componente é submetido a tensões alternadas ou cíclicas, num meio que é capaz de atacar continuamente o metal. Neste processo não se observao limite de fadiga. Processo que inicia pela formação de pites, age na nucleação da trinca de fadiga. Corrosão-Fadiga Corrosão-Fadiga Ocorrência de corrosão-fadiga como os que seguem: • Trocadores ou permutadores se corroem devido a vibrações imprimidas pelas bombas nos líquidos, e que são transmitidas ao equipamento; • 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); • Tubos de evaporadores; • Caldeiras; • Diversos vasos de pressão. Corrosão-Fadiga Mecanismo: Usualmente a fadiga inicia a partir de pequenos pites na superfície corroída, os quais agem como concentradores de tensão. Em outros casos, a trinca pode ter iniciado e os agentes de corrosão aceleram a propagação. Superfície Aço AISI 630 (trinca de fadiga iniciada) Seção Transversal Corrosão-Fadiga 1- Recobrimentos Protetores:- tintas - recobrimentos metálicos (galvanização) 2- Modificação do meio:- Inibidores de corrosão (inibem iniciação do processo corrosivo) - Óleos emulsionáveis (adsorção) 3- Modificação das propriedades da superfície - Tensões compressivas na região superficial dificultam a nucleação da trinca a qual acontece por tensões trativas : - jateamento superficial; - nitretação superficial (revestimento com N). 4- Proteção catódica de Aços recuperam seu limite à fadiga em potenciais suficientemente catódicos. Proteção: CORROSÃO-EROSÃO Processo corrosivo em que a velocidade de ataque de um metal é aumentada devido ao movimento relativo do meio. Em geral, a velocidade do meio é tão alta que ocorre ação mecânica de desgaste juntamente com a ação corrosiva. CORROSÃO-EROSÃO (a) Erosão, (b) Corrosão-erosão com produto não protetor, (c) Corrosão-erosão Produto protetor CORROSÃO-EROSÃO A corrosão-erosão é consequência de: 1- forças, devido à própria turbulência do líquido em movimento. 2- presença de partículas no meio corrosivo. 3- existência de gases no líquido em movimento. OBS: No caso de corrosão-erosão em que há colapso de bolhas, este processo é chamado de corrosão-cavitação. CORROSÃO-EROSÃO CORROSÃO-EROSÃO Uma característica da corrosão-erosão é a presença de áreas corroídas, bem lisas, sem produtos de corrosão e com bordas bem definidas, muitas vezes em forma de ferradura. Observam-se pites alongados na direção de escoamento do fluido, figura abaixo. CORROSÃO-EROSÃO CORROSÃO-EROSÃO Fatores influenciadores Natureza dos produtos A eficiência do caráter protetor dos produtos de corrosão no processo de corrosão-erosão é importante: - quanto maior a dureza, continuidade e aderência, maior a resistência à corrosão-erosão. - quanto maior a facilidade (velocidade) de formação dos produtos, maior a resistência à corrosão erosão, pois rapidamente se formarão protegendo novamente o metal. CORROSÃO-EROSÃO Fatores influenciadores Turbulência e Impingimento Em tubulações, onde a velocidade do fluido é baixa para causar corrosão-erosão, esta pode ocorrer nas regiões com mudança de direção devido a curvas ou reduções de seção ou ainda onde existirem depósitos ou riscamento da superfície metálica. Quando houver curvas nas tubulações e o líquido colidir frontalmente com a parede com nível de pressão suficiente para promover a corrosão-erosão, este é chamado de impingimento. Corrosão-Erosão Impingimento CORROSÃO-EROSÃO Fatores influenciadores Efeito galvânico Dois metais passiváveis em contato elétrico e condições estagnadas normalmente não apresentam corrosão galvânica. Entretanto, se a velocidade do meio determinar o arrancamento dos produtos de corrosão, criam-se condições para que a corrosão galvânica apareça. Natureza do metal ou liga A resistência à corrosão-erosão é associada à natureza do metal ou liga, sendo função da composição química (passivante, ex. cromo), resistência à corrosão intrínseca (série galvânica), dureza (quanto maior, melhor) e histórico de processamento metalúrgico. CORROSÃO-EROSÃO CORROSÃO-EROSÃO CORROSÃO-CAVITAÇÃO Processo de corrosão-erosão em que ocorre colapso de bolhas de gás no líquido em contato com o metal. Mecanismo: 1- Nas regiões onde o líquido está sujeito a vibrações ou turbulências, este pode formar bolhas. 2- As bolhas entram em colapso, passando por um processo de “implosão”. 3- A implosão produz ondas de choque de alta pressão. 4- A pressão é da ordem de 15 t/cm², danificando a superfície do metal. Então, podem arrancar partículas metálicas (cavitação) ou produtos de corrosão (corrosão-erosão). No caso da cavitação-erosão, as ondas de choque provocam a quebra de camadas de produtos de corrosão e expõe novamente o metal ao meio corrosivo. CORROSÃO-CAVITAÇÃO 1. Formação de uma bolha sobre a superfície metálica coberta por produtos de corrosão de caráter protetor; 2. Colapso da bolha e destruição da camada protetora; 3. Recomposição da camada de produtos de corrosão; 4. Formação de uma nova bolha; 5. Colapso de nova bolha e danificação da camada protetora; 6. Recomposição da camada protetora. CORROSÃO-CAVITAÇÃO CORROSÃO-CAVITAÇÃO Uma turbina, cujas palhetas estão submetidas a altas temperaturas e tensões, devido às forças centrífuga e vibracional. Danos causados por cavitação em uma Turbina. CORROSÃO-CAVITAÇÃO Fatores influenciadores Teor em ar: Pode haver pequenas bolhas de ar (50 micrometros de diâmetro) que existem em suspensão no líquido e que são muito prejudiciais ao processo de cavitação. Pressão no líquido: O aumento na pressão sobre o líquido aumenta a resistência a cavitação, uma vez que dificulta a formação de bolhas. CORROSÃO-CAVITAÇÃO Fatores influenciadores: Temperatura: Em água, o dano por cavitação aumenta na faixa de 0 a 50°C, permite colapsos mais fortes. Acima de 50°C, os danos por cavitação decrescem pelo aumento da pressão de vapor no fluido, que induz o acolchoamento de vapor dentro da cavidade. Natureza do líquido: Tem influência sobre a intensidade da cavitação. Por exemplo, água do mar e salmoura produzem maior ataque sobre o aço em relação à água destilada. Inibidores: A adoção de inibidores de corrosão em sistemas fechados reduz os danos por cavitação. CORROSÃO-CAVITAÇÃO MÉTODOS DE PREVENÇÃO concepção de equipamentos levando em consideração a minimização de diferenças de pressões hidrodinâmicas; proteção catódica que previne a danificação evitando a corrosão nos períodos em que a camada protetora foi removida, como gerando bolhas de hidrogênio na superfície metálica que absorvem as energias de choque. Corrosão-Cavitação
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