Usina Elétrica a Gás ARAUCÁRIA

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1 Usina Elétrica a Gás ARAUCÁRIA PRINCÍPIOS DA CORROSÃO PÁGINA 1

2 Índice 1. INFORMAÇÕES GERAIS A QUÍMICA DA CORROSÃO FATORES QUE INFLUENCIAM A CORROSÃO CONTROLE DE CORROSÃO...13 Referências...16 PÁGINA 2

3 1. INFORMAÇÕES GERAIS Quando um trocador de calor apresenta vazamentos geralmente é por causa da corrosão. A corrosão é uma reação eletroquímica que ocorre entre um metal e seu ambiente. É a reversão, ou a volta, de metais refinados novamente para o seu estado químico original. Considerando o aço, um material comumente utilizado nos trocadores de calor. O aço do trocador é produzido originalmente numa usina siderúrgica por um processo de refinamento, começando pelo minério de ferro. O minério de ferro é uma forma muito estável de óxido de ferro. No processo de refinamento, o oxigênio é retirado para formar o ferro elementar. Para fabricar o aço, geralmente junta-se o carbono em quantidade bem pequena. São usados aditivos para fazer diferentes tipos de aço. Figura 1 Ciclo de vida do ferro. Quando se usa aço não protegido num trocador de calor, ele pode reagir com o meio ambiente e corroer-se. Durante a corrosão, o oxigênio da água é usado nas reações químicas para formar o óxido de ferro (ferrugem). A corrosão aparece na forma de PÁGINA 3

4 adelgaçamento do tubo ou como um ataque puntiforme - pitting do metal básico. Isso pode provocar vazamento no trocador de calor. A falha de um trocador de calor essencial pode significar horas de paradas não programadas, bem como o aumento nos custos operacionais. Além de perder o metal, os produtos da corrosão (óxido de ferro ou ferrugem) podem migrar através do sistema de resfriamento e se depositar em outras áreas. Se eles se depositarem em outro trocador de calor, a eficiência da transferência de calor daquele trocador é reduzida, aumentando os custos de produção. Em resumo controlar a corrosão sempre reduz os custos operacionais. O aço carbono é o metal primário usado na maioria dos trocadores de calor. O aço inoxidável, o cobre e as ligas de cobre (por exemplo, o latão e o cuproníquel) também são usados. No entanto, uma análise para avaliar resistência mecânica e ação da corrosão é necessária para qualquer sistema de troca térmica. Indiferente da arquitetura dos sistemas de troca térmica, as plantas devem ter um programa correto para o controle de corrosão das estruturas. O objetivo de um bom programa de controle da corrosão é minimizar a corrosão de todos os metais a um nível aceitável. O sucesso depende de um bom projeto mecânico, metalurgias aceitáveis do trocador e a seleção e aplicação de um programa eficiente de tratamento. 2. A QUÍMICA DA CORROSÃO A corrosão é uma reação eletroquímica entre um metal e seu meio ambiente. Os elétrons estão movimentando-se dentro do metal, como você pode ver na Figura 2. Lembre-se que os elétrons têm carga negativa. Os elétrons passam do ânodo de uma célula de corrosão para o cátodo, onde são produzidos os íons hidróxidos através de uma reação com a água. (Por que algumas áreas da superfície metálica se comportam como ânodos e outras áreas como cátodos é bem complicado de se entender). O oxigênio dissolvido na água, devido ao contato com o ar, reage com a superfície metálica para formar hidróxido de ferro. Formam-se produtos da corrosão que são insolúveis na água. Esses depósitos de produtos de corrosão (chamados turbérculos) se acumulam na PÁGINA 4

5 superfície onde são produzidos. A não ser que seja controlada, a corrosão continua até que apareça um furo no tubo e ocorra o vazamento. Figura 2 Processo da corrosão. Num sistema de resfriamento, a corrosão aparece como estreitamento geral do metal (corrosão generalizada uniforme) ou uma corrosão intensa em pontos específicos (pitting). O pitting é mais perigoso que a corrosão generalizada porque é concentrado. PÁGINA 5

6 O metal vai sendo perfurado e podem surgir falhas em curto tempo. Na Figura 3, são mostrados exemplos de ambos os tipos de corrosão. Figura 3 Exemplo de corrosão generalizada e pitting. Acontece um tipo especial de corrosão quando dois metais diferentes entram em contato na água. O metal mais forte, mais nobre, atua como um cátodo. O metal mais fraco é o ânodo e começa a corroer. Isso é chamado de corrosão galvânica e é comum nos sistemas de água de resfriamento. Por exemplo, se usamos válvulas de latão conectadas com tubos de aço, acontece a corrosão galvânica entre os dois metais. Nesse caso, os elétrons fluem do aço para o componente cobre do latão, causando a corrosão. Um outro tipo de corrosão que pode ocorrer nos sistemas de resfriamento é a lixiviação seletiva. Nesse caso, a corrosão ataca um elemento da liga (a liga é uma mistura de PÁGINA 6

7 metais básicos). A forma mais comum de lixiviação nos sistemas de resfriamento é a dezincificação do latão admiralty, onde o zinco é removido do latão, deixando o metal de cobre puro. Isso é mostrado na Figura 4. Figura 4 Exemplo do processo de dezincificação. Infelizmente, o cobre que permanece está longe de ser tão forte quanto o metal original. Isso faz com que o tubo de um trocador de calor dezincificado seja mais suscetível a vazamentos e falhas. Nos sistemas de resfriamento, as principais causas da dezincificação estão na superdosagem de biocidas oxidantes, tais como o cloro ou o hipoclorito de sódio e/ou na operação dos sistemas de água de resfriamento em ph abaixo de 7 (condições ácidas). Um outro tipo de corrosão que, às vezes, acontece nos sistemas de resfriamento é a chamada stress corrosion cracking (corrosão sob tensão) (SCC). Este é um tipo bem rápido de falha. O aço inoxidável e os latões admiralty são os mais suscetíveis a esse tipo de defeito. Para que esse tipo de falha ocorra, deve haver a presença de materiais corrosivos específicos na água, a temperatura do metal deve ser alta e o metal básico deve estar, de alguma forma, estressado. A presença de cloretos é uma causa comum de PÁGINA 7

8 SCC no aço inoxidável. A presença da amônia tem sido ligada ao SCC nos latões admiralty. A corrosão sob depósito pode ocorrer quando uma incrustação mineral ou produtos corrosivos arrastados de outras áreas do sistema se acumulam numa superfície metálica. Esta é uma corrosão localizada, causada por células de concentração de oxigênio. Conforme são formados depósitos nas superfícies metálicas, as concentrações de oxigênio sob o depósito são reduzidos, estabelecendo-se uma célula de corrosão eletroquímica. Isso pode provocar uma rápida corrosão do metal sob o depósito, levando a uma séria corrosão localizada e à perfuração da estrutura metálica. Um outro tipo de corrosão que pode ser observado em sistemas de resfriamento é a corrosão induzida por microorganismos (MIC). A MIC ocorre sob o biofilme aderido às superfícies metálicas. O biofilme atua como uma barreira para os micróbios, protegendoos dos biocidas oxidantes/não-oxidantes e permitindo que eles se desenvolvam. A maioria dos organismos secreta ácidos como parte de seus processos metabólicos. Isso cria uma condição localizada de baixo ph sob o biofilme, levando à corrosão. Um exemplo dessa corrosão é mostrado na Figura 5. Note que o depósito microbiológico original foi retirado para mostrar a corrosão por baixo. Figura 5 Exemplo de corrosão induzida por microorganismos. PÁGINA 8

9 Como você pode ver, corrosão pode acontecer de muitas formas nos sistemas de resfriamento. Portanto, não se consegue minimizar a corrosão com uma única abordagem mágica. É necessária uma combinação de soluções químicas e mecânicas. 3. FATORES QUE INFLUENCIAM A CORROSÃO Muitos fatores afetam a taxa e a severidade da corrosão. O entendimento desses fatores permite-nos selecionar os programas mais adequados de tratamento, ajudando na operação eficiente dos trocadores de calor. O oxigênio é um componente fundamental que influencia a taxa de corrosão num sistema de resfriamento. Conforme demonstrado na Figura 6, afeta a taxa de corrosão porque participa das reações anódicas e catódicas na superfície metálica. Figura 6 Taxa de corrosão em função do oxigênio dissolvido. Quanto mais oxigênio tiver, mais rápida a corrosão. Numa torre de resfriamento, o ar é misturado com a água ao passar através do enchimento da torre. A água é continuamente saturada por oxigênio. Uma forma de controlar os efeitos corrosivos do oxigênio nos sistemas de resfriamento é adicionando inibidores especiais que bloqueiam o oxigênio, PÁGINA 9

10 impedindo que ele atinja a superfície metálica. Sem oxigênio, não pode haver reação química e a corrosão é interrompida. A temperatura é outro fator que afeta diretamente a taxa de corrosão num sistema de resfriamento, conforme demonstrado na Figura 7. Em regra, a taxa de corrosão quase dobra cada vez que a temperatura da água sobe 18ºF [10ºC]. Na maioria dos casos, são projetadas temperaturas operacionais para os sistemas de resfriamento e pouco se pode fazer para mudá-las. Figura 7 Taxa de corrosão em função da temperatura. A velocidade da água influencia a taxa de corrosão nos sistemas de resfriamento. (Figura 8). Em faixas relativamente baixas de velocidade, a taxa de corrosão tende a crescer com o aumento da velocidade da água. Porém, em uma velocidade crítica, a taxa de corrosão diminui um pouco quando o oxigênio é levado para a superfície metálica, encorajando a formação rápida de uma camada protetora de óxido de metal. Conforme a velocidade aumenta, além daquele ponto, a ação de limpeza do fluxo da água começa a remover qualquer filme protetor e a corrosão tende a aumentar (erosão). PÁGINA 10

11 Figura 8 Taxa de corrosão em função da velocidade da água. As velocidades da água são tipicamente projetadas para os sistemas de resfriamento e podem ser difíceis de alterar. Para aumentar a velocidade, procure aumentar a capacidade da bomba. Não tente reduzir a vazão da água, a não ser que seja inevitável. A velocidade mais baixa pode diminuir a corrosão, mas aumenta o risco de deposição. O ph é uma medida de acidez de água. Ele pode influenciar dramaticamente a corrosão. Em geral, quanto mais baixo o ph, maior a tendência para corrosão (vide Figura 9). São adicionados inibidores de corrosão no sistema para reduzir a taxa de corrosão, sendo os mesmos projetados para operar dentro de uma faixa específica de ph. PÁGINA 11

12 Figura 9 Taxa de corrosão em função do ph da água. Portanto é fundamental controlar o ph do sistema de resfriamento dentro da faixa especificada para seu programa de tratamento. O ph é controlado nos sistemas de resfriamento ou pela alimentação de ácido ou alcális, ou pelo ajuste dos ciclos de concentração em torres de resfriamento. O total de sólidos dissolvidos (TDS) de uma água tem influência direta na taxa de corrosão do ferro e do aço. Isto é mostrado na Figura 10. Faz sentido afirmar que, já que a corrosão envolve a transferência de elétrons dentro do metal e as reações correspondentes na água, esta, com conteúdo iônico elevado, tem alta tendência a corroer o metal. PÁGINA 12

13 Figura 10 Taxa de corrosão em função da condutividade da água. O uso do cloro também está fortemente associado à taxa de corrosão. Em geral, quanto mais elevada a dosagem de cloro ou hipoclorito de sódio, maior a tendência à corrosão. Se esse material for alimentado em excesso num sistema de resfriamento, ele ataca as ligas de cobre do sistema, tais como o latão admiralty, liberando os íons de cobre para dentro da água de resfriamento. Os íons de cobre podem depositar-se nas superfícies de aço dentro do sistema e levar à corrosão galvânica. Portanto, um bom controle de cloro e do hipoclorito de sódio é crítico num sistema de resfriamento. 4. CONTROLE DE CORROSÃO Os métodos de controle de corrosão usados nos sistemas de resfriamento são imprescindíveis para manter a planta funcionando, sem problemas. Esses métodos são geralmente classificados como mecânicos ou químicos. As técnicas mecânicas para minimizar a corrosão nos sistemas de resfriamento são geralmente projetadas dentro do equipamento. Por exemplo, a escolha da metalurgia do trocador de calor é baseada na expectativa do tipo de serviço do trocador. O equipamento ou os esquemas de controle de temperatura, são especificados para possibilitar que os PÁGINA 13

14 trocadores de calor opere com velocidades adequadas da água de resfriamento. A corrosão galvânica é minimizada pela seleção apropriada dos componentes do sistema ou pelo uso de ânodos de sacrifício. São também instalados equipamentos para controlar o ph e os ciclos/condutividade. Alguns sistemas usam equipamentos de dosagem automática para manter taxas apropriadas de alimentação química. Um bom exemplo de uma técnica mecânica de controle da corrosão é o uso de ânodos de sacrifício. Nos trocadores de calor é comum combinar um espelho de aço carbono com tubos de latão admiralty. Isso cria um grande potencial para a corrosão galvânica nos espelhos de aço. A corrosão pode produzir grandes bolhas de ferrugem chamadas de tubérculos. Estas obstruem a entrada de águas nos tubos do trocador de calor. Nesse caso, o aço se corrói porque é mais anódico que o latão admiralty, conforme mostra a série galvânica (vide Figura 11). Para ajudar a minimizar esse problema, são colocados ânodos de sacrifício de magnésio ou de zinco nos carretéis e espelhos desses trocadores. Como o magnésio e o zinco são mais ativos que os espelhos de aço, ocorre corrosão desses materiais preferencialmente, reduzindo-se a corrosão nos espelhos. Eles protegem o aço sacrificando-se à água corrosiva, eventualmente desgastando-se. PÁGINA 14

15 Figura 11 Tabela de série galvânica. As técnicas químicas para inibir a corrosão nos sistemas de resfriamento incluem o controle de ph, controle dos ciclos e a dosagem de aditivos químicos especiais, chamados de inibidores de corrosão. É importante permanecer dentro dos limites recomendados para que os produtos químicos inibidores de corrosão controlem a corrosão nos sistemas de resfriamento o tempo todo. A superdosagem de inibidores de corrosão aumenta o custo e, em alguns casos, pode na realidade causar deposição. Por essas razões, algumas plantas instalaram dosadores químicos e sistemas de controle automáticos computadorizados. PÁGINA 15

16 Referências [1] 2004, Long Term Standby Procedure, Operating Procedure 1001-Vol. 2, COPEL/ UPARC Araucária-PR, Brazil. [2] 1997, Outage Preservation of Steam Turbines, Maintenance Guide HTGD V0001E Rev. E, Alstom Power. [3] Heat Recovery Steam Generators, Instruction Manual G.O. 2005, Aalborg Industries. [4] 2000, IPP Start-up Guide, Instruction Manual BMI , BetzDearborn GNC Group [5] Vieira, P. A. et al., 2006, Recomissionamento da UTE Araucária, Technical Report 008/2006, COPEL/UPARC, Araucária-PR, Brazil. [6] 2006, Inspection Report HRSG-1,2-COPEL Vol.1,2, Araújo Engenharia e Integridade de Equipamentos Ltda., Araucária-PR, Brazil. [7] Swanekamp, R. C., 2006, HRSG Users Handbook, HRSG User s Group, Las Vegas, USA, Chap [8] Albuquerque, F. C. et al., 2008, A Combined Cycle Power Plant Long Term Preservation Program: The Araucária Power Station Case Study. [9] PÁGINA 16