CORROSÃO ASSOCIADA A SOLICITAÇÃO MECÂNICA

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UNIVERSIDADE SALGADO DE OLIVEIRA
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA
CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
Ana Carolina de Sousa Borges-600466533
Douglas dos Santos Lima-600426903
Glaucia Cunha-600370123
Jéssika Silva da Mota-600475479
Juliane dos Santos Ribeiro-600475484
Sérgio Renato Cajado Santarém-600312843
CORROSÃO ASSOCIADA À SOLICITAÇÃO MECÂNICA
São Gonçalo
2017
Ana Carolina de Sousa Borges-600466533
Douglas dos Santos Lima-600426903
Glaucia Cunha-600370123
Jéssika Silva da Mota-600475479
Juliane dos Santos Ribeiro-600475484
Sérgio Renato Cajado Santarém-600312843
Corrosão associada á solicitação mecânica
Projeto apresentado à Disciplina de Corrosão e Seleção de Materiais do curso de Engenharia de Produção da Universidade Salgado de Oliveira – UNIVERSO, como parte dos requisitos para nota de VT.
Orientador: Prof° Thiago Teobaldo
Mestre em Educação
São Gonçalo
 2017
Introdução
Trata-se de um tipo de corrosão que se produz por efeito combinado de uma ação mecânica e de um meio corrosivo específico. Na ausência da ação mecânica, o fenômeno de corrosão pode não se manifestar ou se manifestar, mas de maneira bem menos agressiva.
Os processos de corrosão permanecem como um grande desafio para a busca da garantia de integridade de materiais estruturais em meios corrosivos. No cenário brasileiro atual tem-se como exemplo as demandas de materiais para a exploração, produção e transporte de óleo e gás na região do pré-sal. As condições de corrosividade dos meios envolvidos se somam as elevadas tensões atuantes, causadas pelas grandes profundidades no mar e elevadas pressões de surgência do óleo e do gás a ser extraído.
Naturalmente, a deterioração das propriedades mecânicas ocorre com rompimento com características macroscópicas de uma fratura frágil, isto é, com pequena deformação ou dissolução de material, com esta situação frequentemente ocasionando fraturas inesperadas e catastróficas. 
A seguir serão apresentados e discutidos os principais mecanismos de corrosão associados a solicitações mecânicas.
Casos para estudo
Corrosão sob fadiga;
Corrosão com erosão, cavitação e impingimento;
Corrosão sob atrito;
Fragilização por metal líquido;
Fragilização por hidrogênio;
Fendimento por álcali;
Corrosão sob tensão.
Corrosão sob fadiga
Quando um metal é submetido a solicitações mecânicas alternadas ou cíclicas pode, em muitos casos, ocorrer um tipo de fratura denominado fratura por fadiga.
Caracteristicamente, forma-se uma pequena trinca, em geral num ponto de concentração de tensões, que penetra lentamente o metal, numa direção perpendicular à tensão. Após certo tempo, que pode ser um período de milhões de ciclos, a área do elemento se reduz de tal modo que não mais pode suportar a carga aplicada e ocorre a fratura final e repentina, quase sempre de maneira frágil. 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.
A resistência à fadiga de um metal é determinada pelo seu limite de resistência à fadiga, que é a amplitude de tensão ou de deformação máxima que pode ser imposta alternada e indefinidamente sem causar ruptura. A amplitude de tensão ou deformação é, em geral, inferior aos limites que caracterizam o regime elástico do material. Quando a tensão ou deformação alternada aplicada é superior ao limite de resistência à fadiga, o material fratura após um número finito de ciclos, que decresce com o aumento da amplitude de tensão aplicada. Para frequências de oscilação de carregamento e temperaturas normais, em ambiente não agressivo, o limite de resistência à fadiga é considerado independente da frequência.
Ocorrência
tubulação de equipamento de perfuração de poços, usada para bombear petróleo, tem vida limitada devido à corrosão por fadiga resultante do meio corrosivo (água salgada);
tubulações transportando vapores ou líquidos, de temperaturas variáveis, podem fraturar devido ao ciclo térmico (expansão e contração periódica);
trocadores de calor se corroem devido a vibrações imprimidas pelas bombas nos líquidos e, que são transmitidas ao equipamento;
diversos tipos de vasos de pressão.
Mecanismo
O mecanismo da corrosão sob fadiga é de uma fadiga acentuada pela corrosão que depende do valor da frequência, das condições corrosivas e do tempo que o material sofre. Não apresentam nenhum limite definido, como ocorre na resistência somente à fadiga.
O mecanismo de início da fratura pode estar associado a:
concentrações de tensões nos locais de entalhes 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. A nucleação e o crescimento da fratura iniciam-se na superfície, ao longo de faixas de deslizamento acumuladas.
Proteção
Há diversos métodos que podem ser empregados para reduzir a corrosão sob fadiga, como:
A proteção catódica ocorre quando o meio é uma solução aquosa, sendo uma proteção efetiva, pois o limite de fadiga pode subir até o valor determinado no vácuo.
O uso de inibidores para diminuir a corrosividade dos meios é o método em que se adicionam 200ppm de Na2Cr2O7 (considerar seu caráter poluente) em água, o que reduz a corrosão sob fadiga de fio aço com 0,35% de carbono normalizado em um nível que representa melhoramento sobre o comportamento do aço no ar.
Revestimentos metálicos anódicos ou de sacrifício, como o zinco ou o cádmio, eletrodepositados no aço, são bons protetores, pois protegem catodicamente a base do metal de defeitos no revestimento. A eletrodeposição de estanho, chumbo, cobre ou prata no aço também são convenientes, pois, e embora não reduzam as propriedades normais de fadiga, impedem a ação do meio corrosivo. Níquel protegem bem contra corrosão em condições estáticas, mas reduz a resistência, à fadiga do aço porque o revestimento se deforma sob tração.
Películas não metálicas pigmentadas com pó de zinco são revestimentos orgânicos contendo pigmentos inibidores, como cromato de zinco, e constituem bons protetores. O material recoberto com Zn tem um aumento no limite normal de fadiga. Na corrosão sob fadiga o material recoberto com Zn tem uma resistência bem maior por causa da proteção advinda da ação de sacrifício do Zn.
O jateamento na superfície do metal (shot peenig) ou outros meios capazes de introduzir esforços de compressão na superfície metálica, como nitretação superficial, são bons protetores, pois as capas superficiais ficam em compressão. As tenções de tração rompem mais facilmente as películas protetoras, ao passo que as tensões de compressão agem no sentido de fechar as descontinuidades dessas películas.
Outro método é a alteração do projeto, no sentido de eliminar áreas de concentração de tensões que têm efeito acelerador nesse tipo de corrosão. Grandes diferenças de seções, perfurações e entalhes devem ser evitadas.
Corrosão com erosão, cavitação e impingimento
A corrosão de um metal em contato com um fluido em movimento pode muitas vezes ser aumentada por efeitos dinâmicos. Esse tipo de corrosão implica ações erosiva e corrosiva do meio, devidas ao movimento relativo existente entre esse e o material metálico. Pode-se incluir neste caso a corrosão associada à erosão, à cavitação e ao impingimento que causam perda de material por ação mecânica der sólidos, líquidos ou meios gasosos.
Erosão – Corrosão
É a deterioração dos materiais metálicos ou não metálicos pela ação abrasiva de fluidos em movimento, usualmente acelerada pela presença de partículas sólidas em suspensão. Ocorre mais intensamente em estrangulamentos ou em desvios de fluxos como cotovelos, curvas e ejetores de vapor. Como exemplos de erosão, tem-se o desgaste de palhetas de turbinas ou de hélices, em altavelocidade, sob a ação de gotículas de água, e de rotores ou impelidores de bombas. 
Como fatores influentes no processo de erosão pode-se, portanto, mencionar: velocidade de escoamento, ângulo de incidência, temperatura, dureza e forma das partículas. Líquidos com bolhas de vapor, ar ou gás também exercem ação erosiva, ocasionando as avarias por cavitação ou por impingimento. 
Cavitação é a ação dinâmica, no interior de um fluido, associada à formação e ao colapso de cavidades nas regiões que ficam abaixo da pressão absoluta de vapor do líquido.
Quando um fluido impinge ou tem impacto direto sobre uma superfície metálica, pode-se notar severa ação mecânica com desgaste do material. Bolhas de gás, presentes no líquido, aumentam o efeito do impingimento, observando-se que a presença de bolhas de ar agrava o ataque por impingimento.
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 físicos e químicos, sendo caracterizada por sua aparência sob a forma de sulcos, crateras, ondulações, furos arredondados e um sentido direcional de ataque. Em razão da própria ação da erosão, a superfície fica isenta de possíveis produtos de corrosão. 
Erosão em tubo de aço –carbono causada por ação de ácido sulfúrico concentrado.
CORROSÃO – CAVITAÇÃO
Quando cavidades ou bolhas sofrem colapso ou implosão na superfície metálica há uma ação mecânica conjugada a uma ação química que dá condições para que ocorra uma corrosão com cavitação. Deve-se notar que a cavitação se origina do comportamento do líquido e não do que ocorre com o metal.
São mais frequentes em hélices de navios, turbinas hidráulicas e a vapor, bombas hidráulicas e em camisas de cilindros de motores Diesel na face refrigerada com água.
O processo normal de colocar água em ebulição envolve seu aquecimento até que a pressão de vapor d’água se eleva e iguala à pressão estática do ambiente, que é usualmente a atmosférica. Quando isso ocorre, núcleos microscópios de vapor e de ar, que estão em suspensão na água, crescem rapidamente e formam grandes bolhas ou cavidades. Outro modo de colocar a água em ebulição é, em vez de aquecer para aumentar a pressão de vapor, diminuir a pressão ambiente até que ela se torne menor do que a pressão de vapor d’água na temperatura reinante nessas condições.
Cavitação em camisa de cilindro Ampliação na região de
de motor Diesel. cavitação.
Podem-se distinguir as seguintes fases do ciclo de ação da cavitação: áreas de pressões baixas são produzidas em decorrência de irregularidades no escoamento, como obstruções e estrangulamentos; formação de cavidades ou bolhas de vapor; as condições de pressão e de escoamento mudam abruptamente e são seguidas pelo colapso das bolhas ou cavidades, com a resultante pressão de choque, atingindo algumas centenas de atmosferas em áreas localizadas.
As consequências da cavitação são: erosão e corrosão, vibração e ruído e alteração do escoamento. A continuidade do processo deixa a superfície com pites ou alvéolos, podendo até arrancar pedaços do metal. A vibração é originada pelo desbalanceamento, e o ruído é provocado pela implosão das bolhas. É evidente que com as mudanças cíclicas de pressões há condições para ocorrência de fratura por fadiga do material.
Proteção 
O mais recomendável meio de proteção é atuar no projeto do equipamento visando a eliminar:
possibilidades de áreas de quedas de pressões;
abruptas modificações de seções para evitar turbulência;
vibração de partes críticas;
Quando não se pode atuar no projeto do equipamento deve-se estudar a possibilidade de usar um dos processos seguintes:
introdução de ar no fluido em escoamento para aliviar as áreas de baixa pressão;
emprego de materiais com alta ductibilidade, alta resistência à fadiga ou superfícies endurecidas;
revestimento com materiais resistentes;
emprego de inibidores, como óleos solúveis, cromatos e nitritos;
proteção catódica;
em alguns casos, preencher as áreas danificadas por cavitação com solda e em seguida retificá-las.
Ataque por impingimento – Corrosão por Turbulência
É a corrosão associada ao fluxo turbulento de um líquido. A turbulência ocorre quando um fluido está em movimento e passa de uma tubulação de grande diâmetro para outra de menor diâmetro. As regiões de turbulência mais comuns são as que ocorrem nas entradas dos tubos de condensadores, nas saídas de registros, válvulas, bombas centrífugas, hélice e outros dispositivos que provoquem variações acentuadas da seção transversal do fluido ou modifiquem o seu deslocamento lamelar.
O fluido em movimento turbulento pode ocorrer gases, formando bolhas que se deslocam com ele. A ação da turbulência, aliadas ao choques que resultam do rompimento das bolhas, provocada um tipo de corrosão-erosão denominado impingimento.
Aspecto característico da erosão por impingimento, em curva de tubulação de linha de condensado, causada por vapor d’água.
Proteção contra corrosão por impingimento
usar ligas de cobre contendo cerca de 5% de estanho; latões de alumínio e ligas de cobre ,níquel e 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
Se duas superfícies, em contato e sob carga, das quais pelo menos uma é metálica, forem submetidas a pequenos deslizamentos relativos, originados comumente por vibrações.
Como requisito necessário para a ocorrência desse tipo de corrosão, a interface do metal deve estar sujeita a carga. Os danos causados por esse tipo de corrosão são caracterizados por descoramento da superfície do metal, com a formação de produtos pulverulentos de corrosão e, em alguns casos, pites. Esses pites podem servir de núcleos para a ocorrência de fraturas por fadiga.
Mecanismo
O mecanismo do fenômeno está naturalmente ligado ao desgaste mecânico na ausência de ambiente corrosivo. Quando dois materiais são justapostos o contato ocorre em número limitado de pontos, representando os picos da rugosidade. Quando os materiais são deslocados esses pontos de contato são cisalhados, com ou sem a ocorrência prévia de soldagem entre os metais. Tal ação resulta do aparecimento constante de novas superfícies metálicas, seja no metal-base, seja nas partículas produzidas. Essas superfícies imediatamente ficam cobertas com oxigênio, ou outro agente corrosivo, ou se oxidam 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. Os detritos de óxidos que se vão acumulando têm muitas vezes características abrasivas, que contribuem para o desgaste.
Proteção contra a corrosão sob atrito:
combinação de metal mole com metal duro, com essa combinação o processo de solda nos pontos de contato entre metais similares é impedido.
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. Os problemas relacionados com a presença de hidrogênio, se bem que descritos há muito tempo, tiveram grande avanço nos últimos anos, principalmente em relação aos aços de alta resistênciamecânica.
O hidrogênio penetra nos metais na forma atômica e, devido a seu pequeno volume atômico, é capaz de se difundir rapidamente na malha cristalina, mesmo em temperaturas relativamente baixas. Deste modo, qualquer processo que produza hidrogênio atômico (ou nascente) na superfície do metal poderá ocasionar absorção pelo mesmo.
Entre os metais que mais comumente incorporam hidrogênio na rede cristalina podem ser citados o cobre, o ferro e a prata.
Alguns dos mais importantes processos durante os quais o hidrogênio é absorvido são:
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, ácida, em que o hidrogênio é gerado pela ação de ácido clorídrico ou sulfúrico sobre o metal.
no processo de sulfonação, para fabricação de tensoativos, usando derivados de flúor como catalisadores.
reação entre solução concentrada de hidróxido de sódio aquecida e aço
deposição eletrolítica de metais, em que o hidrogênio, juntamente com o metal a depositar, é formado no catodo
atmosferas redutoras, de fornos de tratamentos térmicos, contendo hidrogênio puro ou sob forma de NH3 ou de hidrocarbonetos;
decomposição térmica de hidrocarbonetos, em temperaturas elevadas
craqueamento de amônia
reações generalizadas com água, quando um metal reage forando óxido e liberando hidrogênio.
Trecho de tubulação com empolamento pelo hidrogênio, ocasionado por gás, sulfídrico, H2S, e umidade.
Mecanismo
Duas grandes classes de modalidades pelas quais o hidrogênio fragiliza os metais, e que são denominadas irreversível e reversível.
A fragilização irreversível inclui os casos em que a presença de hidrogênio conduz à danificação da estrutura do metal comprometendo sua resistência mecânica, mesmo que todo o hidrogênio seja eliminado posteriormente. Pode-se dizer que a fragilização irreversível tanto pode ocorrer quando a exposição ao hidrogênio é anterior quanto simultânea com a aplicação da tensão.
A fragilização reversível caracteriza-se por exigir a presença simultânea de tensões e de hidrogênio. A eliminação do hidrogênio antes da aplicação de tensão restaura a ductibilidade do metal. A fragilização aumenta com a diminuição da velocidade de formação, isto é, exige-se a ação conjunta de tensão e hidrogênio durante algum tempo para que a fratura ocorra. Por esse motivo o fenômeno é muitas vezes denominado fratura retardada.
Proteção
Vários fatores devem ser levados em conta para evitar a fragilização pelo hidrogênio. Deve combater essencialmente a danificação da estrutura do material ou a presença de hidrogênio durante a solicitação mecânica. O problema se torna mais grave à medida que aumenta a resistência mecânica e diminui a ductibilidade do metal. A melhor maneira de combater o problema é evitar que possa haver absorção de hidrogênio pelo metal; e nos casos em que não há fragilização irreversível, uma posterior ação danosa pode ser evitada submetendo 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 190°C), que permita sua difusão e liberação na superfície.
Fendimento por Álcali
É um tipo de corrosão que ocorre principalmente em caldeiras para produção de vapor que apresentam junções rebitadas. A fim de evitar a corrosão do ferro pela água, a ela se adicionam substâncias alcalinas, pois estas tornam o ferro passivo. Essa proteção pode ocasionar um caso grave de corrosão. Devido a choques de mecânicos e térmicos, as chapas rebitadas da caldeira podem permitir a saída de água superaquecida para o exterior, já que a vedação não é mais perfeita. A solução alcalina vai se concentrando, podendo atingir tal concentração que acaba por atacar o ferro, dissolvendo-o.
Fendas entre os rebites podem enfraquecer a caldeira, podendo levar a um explosão.
Mecanismo
O provável mecanismo responsável pelo fendimento por álcali ou fragilidade cáustica está associado à formação de hidrogênio, devido ao ataque do aço pela solução concentrada de hidróxido de sódio, ou soda cáustica:
Fe + 2NaOH → Na2FeO2 + H2
Proteção
Os processos mais usados para evitar essa corrosão são:
- Substituição de rebites por soldas, seguindo-se tratamento térmico da parte soldada para diminuir as tensões.
- Consiste em adicionar à água alguns aditivos, como fosfato de sódio.
- Revestir as partes sujeitas ao ataque com níquel ou ligas de níquel, devido à resistência desse metal aos álcalis, é uma solução, embora não muito viável economicamente.
Bibliografica:
Livro: Corrosão
Autor: Vicente Gentil
6° edição