Corrosão sob tensão em aços de alta resistência aspergidos termicamente.

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1 Corrosão sob tensão em aços de alta resistência aspergidos termicamente. Leila Maria Ferreira Gomes DMC Furg Iduvirges Lourdes Müller- Profa. Dra.- LAPEC-DEMET UFRGS RESUMO: O presente trabalho avalia a susceptibilidade à corrosão sob tensão em água do mar, de aço de alta resistência mecânica revestidos com Zn e Al. Amostras de aço API X65 foram aspergidas termicamente e tracionadas, em água do mar sintética, através de ensaio com baixa taxa de deformação no potencial de circuito aberto. O comportamento de amostras ensaiadas no ar é usado como parâmetro para avaliação do desempenho do aço em água do mar. Os resultados são expressos através das curvas tensão (δ r ) x deformação (ε) real, do grau de tenacidade e das macrosfotografias das amostras fraturadas. As curvas δ r x ε e o aspecto físico das amostras testadas em água do mar sintética nos potenciais de circuito aberto, evidenciam uma tendência à fratura frágil do aço X65. Foi observada uma redução na capacidade de absorção de energia para a fratura nas amostras de aço X65 revestidas e testadas em água do mar sintética em ralação às amostras testadas no ar. ABSTRACT: The susceptibility to stress corrosion cracking of a Zn or Al coated high strength steel in syntetic sea water has been evaluated. Tensile specimens of API X65 steel were coated with Al or Zn by an oxyfuel spraying method and were tested in a constant elongation strain rate machine at open circuit potential. The behaviour of the steel in air was used as a comparison to quantify the susceptibility to stress corrosion in seawater at the open circuit potential. The results are showed by the strain (δ r ) x elongation (ε) real curves, tenacity grade and macrographs of the fractured specimens. The δ r x ε curves of the specimens teted in syntetic sea water at open circuit potential and the appearance of fractures, indicated fragile fractures. Was observed a reduction in the capacity of energy absortion to fracture of the X65 steels coated with Al and Zn tested in sea water at open circuit potentiais with regarde to the specimens tested in air. Key words: Stress corrosion cracking, thermal sprayed coatings, high strength steels. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34101

2 Introdução: O desenvolvimento de estruturas offshore para exploração de petróleo em águas cada vez mais profundas, envolve a utilização de materiais cujas propriedades mecânicas sejam capazes de se adequarem às severas condições de carregamento exigidas em serviço. Em alguns componentes dessas estruturas, aços de média ou alta resistência mecânica são utilizados para este fim. Entretanto, componentes estruturais desses aços, imersos em água do mar, além de estarem sujeitos a ação de esforços mecânicos críticos ( níveis elevados de tensões, tensões cíclicas de carregamento) estão expostos ao ataque corrosivo provocado pelo meio, cujo efeito combinado, muitas vezes conduz à fratura frágil prematura e ao comprometimento dessas estruturas. Para eliminar e/ou atenuar o efeito nocivo da água do mar sobre o aço é comum protegê-lo com revestimentos metálicos 1 os quais além de exercerem uma barreira física ao ataque agressivo têm a função de proteção catódica.. O processo de revestimento consiste na aspersão térmica de Al ou Zn finamente pulverizados, formando uma camada protetora de longa duração 2,3. Entretanto, apesar da comprovada eficiência de proteção desses revestimentos sobre o aço, a grande maioria dos estudos mostram potenciais de corrosão nas faixas de 800 a 950mV(ECS) para o aço recoberto por Al e de a 1050mV(ECS para o recoberto por Zn, para espessuras de recobrimento de aproximadamente 250µm, a temperatura ambiente 4. Esta situação expõe os aços de alta resistência mecânica ao risco de corrosão sob tensão (CST) 5, usualmente definida em termos de um processo de fratura frágil por trincamento, que requer a ação simultânea de tensões de tração e de um meio corrosivo específico. O presente estudo avalia o comportamento do aço API X65 aspergido termicamente, utilizado em estruturas offshore frente a CST no potencial de corrosão. Dois revestimentos metálicos (Al e Zn) foram aplicados pelo processo de aspersão térmica por plasma, sobre os corpos de prova de aço com espessuras de aproximadamente 250µm. As amostras revestidas foram colocadas em uma célula eletroquímica, contendo água do mar sintética aerada, adaptada a uma máquina de tração e tracionadas até a ruptura através de ensaio com baixa taxa de deformação. Os testes foram realizados a temperatura ambiente e aos respectivos potenciais de corrosão. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34102

3 Procedimento Experimental: Corpos de prova de aço X65 de seção circular livres de entalhe, foram usinados conforme norma NACE TM (Figura 1), a partir de barras cortadas de um tubo, na direção longitudinal, lixados, polidos e revestidos ao longo de suas seções reduzidas de área, com Al ou Zn, pelo processo de aspersão térmica por plasma, até atingirem espessura média de 250 µm. As tabelas 1 e 2 listam a composição química e as propriedades mecânicas do aço. TABELA 1 : Composição química do aço X65. (% em peso) Elem. C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Cu Ti Pb Sn % 0,13 0,24 1,31 0,022 0,005 0,02 0,01 0,01 0,028 <0,01 0,006 0, TABELA 2 - Propriedades mecânicas do aço X-65. Propriedades mecânicas Limite de escoamento(mpa) 521,7 Limite de resistência (MPa) 623,8 Alongamento % 16,00 Dureza(R c ) 12 tabela 3. As condições de ensaio e dimensões dos corpos de prova estão apresentadas na TABELA 3 Parâmetros de teste para ensaio de CST. Propriedades Diâmetro da amostra (mm) 2,45 Eletrólito água do mar ASTM Espessura do revestimento µm ~ 250 Velocidade de teste (mm/s) 1, Temperatura ambiente CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34103

4 φ 2,45 mm Raio 6,5mm φ 6mm 25,4m m 17mm 175mm FIGURA 1: Dimensões dos CP, subsize de acordo com a Norma NACE TM Os testes de corrosão sob tensão foram realizados em máquina de tração EMIC modelo DL 2000 com taxa de aplicação de carga de 1,57 x 10-5 mm/s. Os corpos de prova foram colocados em célula eletroquímica ( Figura 2 ), contendo água do mar sintética de acordo com a norma ASTM D1141, ph = 8,2. O conjunto foi fixado na máquina de tração onde os CPs permaneceram por um período de 24 horas sem carregamento, após o qual foram tracionados até a ruptura. Os ensaios foram realizados a temperatura ambiente nos potenciais de 995mV e 1070mV para as amostras revestidas com Zn e Al, respectivamente. Os potenciais eletroquímicos foram monitorados por potenciostato Tacussel modelo PRT 20-2X, eletrodo saturado de calomelano de junção simples e contra-eletrodo de fio de platina. FIGURA 2: Esquema simplificado da célula eletroquímica. Após a ruptura os corpos de prova foram lavados com água, desidratados com acetona e secos em jato de ar quente. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34104

5 Resultados: Os resultados dos ensaios de CST são apresentados nas figuras 3 a 6. As curvas foram plotadas na forma de tensão real ( δ r ) x deformação real ( ε ), obtidas através da conversão dos dados das curvas tensão ( δ ) x deformação ( ε 0 ) convencional, baseada nas dimensões originais do corpo de prova, fornecidos por software específico de aquisição de dados da máquina de tração Tensão real (Kgf/mm2) Tensão Real (kgf/mm2) Deformação real Deformação real FIGURA 3 : Curva tensão x deformação real do aço X65 aspergido com Al obtida por ensaio de tração com baixa taxa de deformação, ao ar. FIGURA 4 : Curva tensão x deformação real do aço aspergido com Al,obtido por ensaio de tração com baixa taxa de deformação ao potencial livre de corrosão Tensão real (Kgf/mm2) Tensão real (Kgf/mm2) Deformação real FIGURA 5 : Curva tensão x deformação real do aço X65 aspergido com Zn, obtida por ensaio de tração com baixa taxa de deformação, no ar Deformaçãoreal FIGURA 6 : Curva tensão x deformação real do aço X65 aspergido com Zn, obtida por ensaio de tração com baixa taxa de deformação ao potencial livre de corrosão. As áreas sob as curvas δ r x ε representam o grau de tenacidade ( U t ), definido como sendo a energia absorvida pelo material por unidade de volume, desde o início do CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34105

6 ensaio de tração até a ruptura. O grau de tenacidade de cada curva foi determinado por meio de software em linguagem FORTRAN, específico para a determinação de valores de áreas sob curvas. As figuras 7(a) e 7 (b) apresentam as macrografias das CPs revestidos com Al, ensaiados no ar e em água do mar, respectivamente. As figuras 8(b) e 8(c) apresentam as macrogarfias dos CPs revestidos com Zn, ensaiados no ar e em água do mar, respectivamente. Estas macrografias foram obtidas através de lupa Zeiss modelo Sterni SV11. As figuras 3 e 5, representam as curvas tensão x deformação real dos CPs revestidos respectivamente com Al e Zn, tracionados no ar. Observou-se um comportamento de deformação com fratura dúctil nos dois corpos de prova. Este fato é confirmado pelas fotomacrografias (figuras 7(a) 8(c)), as quais revelam, no aço, uma redução de área com fratura tipo taça-cone, nítida indicação de fratura dúctil. (a) (b) FIGURA 7 : Aço X65 aspergido com Al tracionado (a) ao ar e (b) ao E= -995mV. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34106

7 (c) (d) Figura 8 : Aço X65 aspergido com Zn tracionado (a) ao ar (b) ao E= -1050mV. Durante os ensaios de CST, observou-se a ruptura prematura dos revestimentos, tanto no ar como em água do mar, ficando o aço exposto ao ambiente. Ocorre que os revestimentos metálicos são originados da deposição de minúsculas partículas que aderem ao substrato e entre si, sendo assim, a capacidade de deformação destas camadas está associada ao grau de coesão entre as partículas e ao grau de adesão ao substrato. A figura 5 apresenta a curva tensão x deformação real do CP revestido com Al, tracionado em água do mar, no potencial livre de corrosão, Ecor = -995mV (ECS). A análise da região final da curva, região de encruamento não uniforme, mostra uma tendência à fratura frágil com redução brusca da tensão acompanhada de pequena deformação. A fotomacrografia do CP revestido com Al e tracionado em água do mar, figura 7(b), revela, na zona de fratura, a ocorrência de bem pouca redução de área e a existência de pequenas trincas na direção transversal ao deslocamento, indicando fratura frágil precedida por alguma deformação. Este comportamento pode estar vinculado ao par galvânico aço-al formado através da ruptura prematura do revestimento fazendo com que o Al aja como protetor catódico do aço, o qual fica isento de um ataque imediato do eletrólito. Os valores encontrados para os graus de tenacidade, relativos às amostras revestidas com Al, são de 4,99 Kgf.mm/mm 3 para o CP tracionado em água do mar e de 6,25 Kgf.mm/mm 3 para o CP ensaiado no ar, indicando que o primeiro apresenta uma redução de 25,3% na capacidade de absorção de energia por unidade de volume para a fratura. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34107

8 A figura 6 apresenta a curva tensão x deformação real do CP revestido com Zn e tracionado em água do mar, no potencial livre de corrosão, Ecor = -1050mV (ECS). Observa-se que a região final da curva apresenta comportamento de fratura frágil, a qual é confirmada pelo aspecto da fratura mostrada pela figura 8(d), caracterizada pela ausência total de estricção e pela presença de trincas transversais à direção do esforço aplicado. Observa-se também trincas largas no revestimento, as quais são encontradas ao longo de toda sua extensão. O fato não é observado no revestimento de Al (figura 79b), no qual a presença de trincas é detectada apenas na região de ruptura final do aço e próximas das regiões de redução de diâmetro do CP. As largas e numerosas trincas encontradas no revestimento de Zn, devem estar associados à sua pequena resistência mecânica. Efetivamente, a resistência à tração e a resistência ao impacto do Zn puro não são elevados. Isto faz com que o revestimento rompa bem antes mesmo que o aço comece a entrar em estricção. Quanto ao grau de tenacidade, observa-se que o aço aspergido com Zn tem sua capacidade de absorção de energia para a fratura (Uf = 5,95 Kgf.mm/mm 3 ), quando tracionado em água do mar, reduzida em 27,3% em relação ao ensaiado no ar ( U f = 7,58Kgf.mm/mm 3 ). Estes resultados de redução da tenacidade do aço nos dois casos, deve estar associada à fragilização por hidrogênio, tendo em visto que o potencial de eletrodo, em ambos os casos, ser relativamente baixo (o que garante a proteção catódica do aço) e é difícil associar o mecanismo da fratura frágil a algum processo anódico nestes potenciais. O fato de o alumínio aparentemente ter promovido uma menor diminuição da tenacidade deve estar associado ao fato de o potencial, na presença deste revestimento, ficar menos negativo. A suscetibilidade detectada por este método não é muito significativa, o que em parte pode ser creditado ao fato de o aço ensaiado não ser de resistência muito elevada. Porém, há possibilidade de que estes resultados se modifiquem no caso de se deixar o corpo de prova por mais tempo imerso antes da realização do teste, desde que o processo de ruptura esteja realmente ligado à absorção de hidrogênio a partir da reação catódica. Como por outro lado o presente tipo de ensaio leva o material até a fratura, expondo necessariamente o aço ao meio corrosivo em algum momento, fica por verificar-se o comportamento do material revestido para cargas inferiores ao longo do tempo, afim de verificar a possibilidade da fragilização por difusão de hidrogênio através do metal do revestimento, ou ainda, através dos poros deste. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34108

9 Conclusões: 1) O revestimento de Al demonstra ser levemente mais eficiente do que o de Zn na proteção a CST, de aço de alta resistência mecânica, imerso em água do mar sintética, no potencial livre de corrosão. 2) A ruptura prematura dos revestimentos durante o ensaio de CST realizados aos potenciais de corrosão dos pares galvânicos aço-zn e aço-al, cria uma situação favorável à CST de aços de alta resistência mecânica em água do mar. 3) Os menores valores encontrados para os graus de tenacidade, a tendência a fratura frágil indicada pelas curvas tensão x deformação real e o aspecto físico da fratura evidenciando uma zona de ruptura sem deformação com a presença de trincas são indicativos da suscetibilidade a CST dos aços de alta resistência mecânica revestidos com Al e Zn, quando tracionados em água do mar sintética ao potencial livre de corrosão. 4) O mecanismo de fratura observado deve estar associado à fragilização por hidrogênio, dado os baixos valores dos potenciais de corrosão. Referências bibliográficas: 1.GARTHAND, O. Cathodic protection of aluminum coated steel in seawater. Materials Performance, v. 26, n. 6, p , CARTER, V. E. Metallic coatings for corrosion control, Newnes-Butterworths, London, SHAMPSON, E. R. Thermal spray coatings for corrosion protection: an overview. Materials Performance, v. 36, n. 12, p , SALAMA, M. M.; THOMASON, W. H. Evaluation of aluminum sprayed coatings for corrosion protection of offshore structures. In: 5th OFFSHORE SOUTH EAST ASIA CONFERENCE, session 13, Singapore, PARKINS, R. N. Corrosion in power generating equipments. Markus O. Speidel and Andreys Atrens, New York, p , CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34109

10 6. THOMASON, W. H. Quantitative measurementt of hidrogen charging rates into steel surfaces exposed to seawater under varying cathodic protection levels. Materials Performance, v.27, n.7, pp.63-69, THOMASON,W.H.;PAPE, S.E.e EVANS, S. The use of coatings to suplement cathodic protection of offshore strutctures. Materials Performance, v.35, n.7, pp 32-36, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34110