8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 AVALIAÇÃO DA CORROSÃO E EROSÃO EM MATERIAIS UTILIZADOS EM TROCADORES DE CALOR DE USINAS TERMELÉTRICAS ARNT, A. B. C. (PQ) 1 ; ROCHA, M. R. (PQ) 1 ; PAULA, M. M. da S. (PQ) 1 ; ANGIOLETTO, E. (PQ) 1 ; ZANELATTO, C. C. (IC) 1 ; ZANINI, L.C. (IC) 1 ; FURLAN, R. (IC) 1 ; FELIPPE,L. (PQ) 2 (1) Universidade do Extremo Sul Catarinense, (PQ), pesquisador; (IC), iniciação científica, Av: Universitária, CEP: Criciúma - SC - BRASIL (2) Tractebel Energia S/A, pesquisador, Capivari de Baixo, SC - Brasil anb@unesc.net; mdr@unesc.net; mms@unesc.net; ean@unesc.net; lfelippe@tractebelenergia.com.br RESUMO Neste trabalho foi avaliada a resistência ao desgaste erosivo e corrosivo de diferentes materiais metálicos, em escala laboratorial. Tais tipos de desgaste, associados à corrosão eletroquímica são comuns em tubos trocadores de calor em usinas termelétricas à carvão, devido a ação combinada da temperatura, atmosfera e, do material particulado que é arrastado junto com os gases provenientes do processo de queima. O aço ASTM 178 é comumente aplicado na fabricação destes tubos. Assim, foi feita uma comparação do seu desempenho a outros aços, por meio de ensaios de desgaste erosivo (ASTM G76) e de modo complementar, uma análise qualitativa do seu comportamento frente a corrosão. Os materais avaliados foram aço ASTM A106 e o CORTEN A. Paralelamente, também foram avaliados dois tratamentos: um por aspersão térmica e outro por carbonitretação. Os resultados mostraram que o aço ASTM A106 teve desempenho, frente ao desgaste erosivo, em torno de 12% superior ao ASTM 178. Já as amostras obtidas com revestimentos termoaspergidos apresentaram desempenho superior a 90%. PALAVRAS-CHAVES: Erosão, Corrosão, Trocadores de Calor, Aspersão Térmica, Nitretação.

2 INTRODUÇÃO A confiabilidade operacional dos diversos equipamentos é de fundamental importância em qualquer atividade industrial. No setor elétrico, confiabilidade e segurança são de vital importância, face aos rígidos contratos de fornecimento assinados, sem contar as perdas diretas e indiretas, decorrentes da suspensão dos serviços. O Complexo Termoelétrico Jorge Lacerda, localizada em Capivari de Baixo Santa Catarina, tem fundamental importância em termos de geração e correção de tensão. Este fato indica uma real necessidade de se manter a segurança e pleno funcionamento das unidades, bem como aprimorar os métodos de manutenção para redução de custos, aliados a um aumento dos índices de confiabilidade. Existem muitos fatores inerentes às unidades geradoras que dificultam o alcance de bons índices, destacando-se os fenômenos de corrosão e erosão em pré-aquecedores de ar tubulares (carcaça e tubos). Processos corrosivos e erosivos são comuns na maioria das caldeiras ou instalações industriais similares, que utilizam combustíveis fósseis após curto período de operação. O histórico das falhas destes equipamentos mostra que trocadores de calor que utilizam fumos provenientes da combustão para aquecimento do ar primário e secundário, empregando geometria de correntes cruzadas, apresentam em determinadas regiões, acentuado desgaste corrosivo. Isto implica na necessidade de adoção de procedimentos corretivos. Ainda, as unidades térmicas ou industriais que se encontram em serviço a mais de uma década, especialmente as que utilizam combustíveis com elevado teor de enxofre, são muito mais susceptíveis a falhas (corrosão-erosão) nos pré-aquecedores de ar. Quando o ar frio no interior da tubulação entra no sistema, inicia-se a troca de calor com os gases de combustão, contendo enxofre. O aspecto construtivo do trocador de calor impõe que esta entrada ocorra justamente quando os gases estão mais frios. Esta grande diferença de temperatura na região de entrada implica numa grande troca térmica. Neste estágio, os gases de combustão atingem a temperatura de ponto de orvalho, possibilitando a formação de ácido sulfúrico, a partir do SO x presente nos gases de combustão que reagem com moléculas de água presentes no ambiente [1]. O fenômeno da erosão por sua vez está ligado à abrasividade das cinzas (fly-ash), que provocam desgaste nos tubos e conduzem a perfuração dos mesmos. Estes então devem passar por processo de reparo, onde um dos métodos de reparo é a introdução de outro tubo no interior do primeiro (embuchamento ou sleeving), ou ainda em outros casos, é realizado o tamponamento dos tubos. Salienta-se que ambos os procedimentos reduzem a eficiência da troca térmica do equipamento. O desgaste erosivo ocorre quando partículas sólidas ou pequenas gotas colidem com a superfície do material, causando perda de massa do mesmo. [2]. Quando um fluxo de partículas atinge a superfície do material a remoção resultante depende de fatores como: condições em que um fluxo incide sobre o material e, das propriedades da superfície e das partículas. As principais variáveis que afetam a severidade da erosão incluem: o tempo de duração do impacto, a velocidade das partículas, o fluxo e condições ambientais, o ângulo de colisão ou ataque, rotação das partículas, temperatura, número de partículas por unidade de área em unidade de tempo, ambiente corrosivo, propriedades das partículas (tamanho, forma, densidade e dureza), e propriedades da superfície (forma, nível de tensão, dureza) [3]. No caso dos trocadores de calor, a velocidade das partículas presentes nos gases de combustão é um importante parâmetro de desgaste (além do tipo e forma), não devendo exceder um determinado valor limite, para que tenha um controle de erosão. Dependendo da quantidade e da composição da cinza, a velocidade é limitada a 20 m/s [4, 5]. Neste trabalho foi avaliada a resistência ao desgaste erosivo e corrosivo de diferentes materiais metálicos, em escala laboratorial, a partir da utilização de tubos revestidos e tratados superficialmente (mais resistentes à erosão) na região do fluxo de partículas (entrada de gases quentes), e na extremidade oposta (entrada de ar frio), poderia se empregar tubos mais resistentes ao ataque corrosivo. Espera-se com a realização deste trabalho apresentar alternativas que aumentem a vida útil destes equipamentos. MÉTODO EXPERIMENTAL Os seguintes materiais de base foram estudados com relação à resistência ao desgaste e a corrosão: ASTM 178, ASTM 106, CORTEN A (Tabela 1), revestimentos termicamente aspergidos à base de Cr 2 C 3-25NiCr e carbonitretados por plasma. Amostras de aço ASTM 178 foram preparadas a partir de tubos fornecidos pela própria UTE. Os demais, adquiridos junto a fornecedores diversos. Nitretação por plasma foi efetuada em reator industrial, junto à empresa Nitrion do Brasil, durante 3 horas. A técnica de aspersão térmica por HVOF foi realizada na Metalúrgica Rijeza em um equipamento HVOF-JP O revestimento a base de carbeto de cromo 7202, granulometria de 45 µm ± 15 µm foi mantido em estufa a 60 C para retirar toda a umidade. A pressão de O 2 utilizada no processo foi 14,5kg/mm², e a pressão de querosene (combustível), 12kg/mm². A tocha de deposição foi mantida a 40 cm de distancia da peça, e todo o processo controlado por CNC (comando numérico computadorizado).

3 Tabela 1 Composição química dos aços utilizados. Aço C Mn Cr Si P S Al Fe ASTM 178 0,023 0,350 0,001 0,012 0,028 0,015 0,250 99,30 ASTM 106 0,191 0,628 0,012 0,208 0,020 0,072 0,005 98,91 CORTEN A 0,045 0,554 0,550 0,237 0,023 0,012 0,005 98,56 Para a avaliação da resistência ao desgaste erosivo em temperaturas elevadas, foram realizados ensaios de desgaste erosivo nas amostras de acordo com a norma ASTM G76, em equipamento disponível no laboratório de materiais cerâmicos da UFRGS, conforme Figura Figura 1 Equipamento para ensaios de desgaste erosivo indicando as partes principais: (1) sistema de pré-aquecimento do ar, (2) sistema de alimentação de partículas erodentes; (3) Sistema venturi-acelerador de partículas e (4) Forno para os ensaios. Foram extraídas dos tubos amostras com 30 mm de diâmetro. Como agente erodente, empregou-se sílica. Todas as medidas foram conduzidas à temperatura de 450 ºC, e ângulos de incidência do erodente iguais a 30º e 45º, em relação à superfície da amostra. Estes ângulos foram selecionados por serem críticos na degradação do substrato e se aproximam das condições a que são submetidos os tubos de aço. Também foram realizados ensaios acelerados de desgaste erosivo nos substratos revestidos com ligas a base de Cr 3 C 2 -NiCr pela técnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) e em substratos carbonitretados. Os substratos eram de aço ASTM 178. Os ensaios de corrosão foram feitos por experiências de polarização em uma célula convencional de três eletrodos. Como eletrodo de referência, empregou-se um eletrodo saturado de calomelano (SCE); uma placa de platina como contra-eletrodo e, como eletrodo de trabalho, os corpos de provas preparados. No ensaio potenciodinâmico utilizouse amostras com os aços ASTM 178, ASTM 106, CORTEN A, substrato aspergido e, substrato carbonitretado em H 2 SO 4 0,5M e HCl 0,5M. Antes de cada medida, o eletrodo de trabalho (substrato) foi mantido imerso na solução teste no potencial natural por 1 hora, até atingir o equilíbrio na interface metal-solução. As medidas foram realizadas num Potenciostato/Galvanostato (mod. PARC-273A). A aquisição dos dados foi efetuada com o auxílio do programa computacional 352 SoftCor III Corrosion Mensuarement Software for Windows (EG&G PAR). Distorções oriundas da resistência não-compensada (R u ) da solução foram atenuadas empregando-se capilar de Lugin, bem como o compensador automático existente no Potenciostato/Galvanostato. Distorções de queda ôhmica (R u ) são causadas pela resistência ôhmica existente entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência, podendo levar a interpretações errôneas na análise dos resultados. A velocidade de variação de potencial foi de 0,2 mv.s -1, iniciando em potencial de -0,25 V vs. E corr a +1,6 V vs. SCE. RESULTADOS E DISCUSSÕES Abaixo são apresentados resultados preliminares dos testes realizados com amostras de diferentes aços e ligas, em relação ao aço ASTM 178, empregado atualmente na UTE em estudo.

4 A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos para a taxa de desgaste erosivo por perda de massa, de acordo com a norma ASTM G76, para os materiais investigados, a saber: ASTM A178, ASTM A106, CORTEN A, nitretado e aspergido. Para cada valor apresentado na tabela, a média foi obtida pelo ensaio de três amostras. Tabela 2: Taxa de desgaste erosivo a 450ºC, seguindo a norma ASTM G76 Substrato/Revestimento Taxa Média De Erosão (G alvo / G erodente *10-4 ) 30º Desvio 45º Desvio ASTM 178 1,680 0,020 1,350 0,040 ASTM 106 1,480 0,160 1,260 0,210 CORTEN 1,720 0,140 1,480 0,240 ASTM 178+Nitretado 1,370 0,040 1,340 0,020 ASTM Cr 2 C 3-25NiCr 0,079 0,006 0,086 0,003 A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos de microdureza Vickers, utilizando um microdurômetro da marca Buehler, modelo micromet Foram utilizados identadores vickers e carga de 1000 g. O valor apresentado corresponde à média de 10 medidas. TABELA 3: Microdureza Vickers para os diversos substratos, a temperatura de 450ºC e ângulo de impacto de 45º. Microdureza Substrato/Revestimento Antes da erosão Após a erosão HV1 Desvio P. HV1 Desvio P. ASTM ,02 6,06 182,18 17,47 ASTM ,91 7,96 200,72 4,62 CORTEN 139,42 4,61 231,86 7,26 ASTM 178+Nitretado 216,46 8,14 270,43 8,31 ASTM Cr 2 C 3-25NiCr 663,27-134,81 - A baixa resistência apresentada pelo aço ASTM A178 no processo de erosão deve-se em parte a baixa quantidade de perlita em sua microestrutura, caracterizado pelo baixo teor de carbono. O processo de degradação na erosão ocorre por arrancamento de material metálico na superfície, o que é facilitado pelo baixo limite de escoamento do material. Durante o processo erosivo, ocorre deformação plástica do metal e encruamento, devido ao contínuo impacto das partículas de cinzas (rica em silicatos) sobre a sua superfície. Assim, o material em pontos localizados de sua superfície atinge o seu limite de resistência o que culmina, por conseqüência, com a perda de massa do aço pelo arrancamento de pequenas partículas. O aço ASTM A106, por apresentar um limite de escoamento maior, apresentou desempenho superior (~12%) ao do aço ASTM 178 nas mesmas condições de teste. Como pode ser observado na Tabela 2, as amostras apresentaram um aumento na sua microdureza após o processo erosivo. Isto decorre do encruamento causado pela deformação sobre as superfícies expostas. Ponto que deve ser destacado é que, embora o processo de desgaste ocorra em alta temperatura, ela não é suficiente para que ocorra a recuperação do material (redução de sua densidade de discordâncias) e, por este motivo, resultando em maior nível de resistência naquela região. Este endurecimento pode vir a contribuir, de certa forma, com o aumento da resistência ao arrancamento de partículas da superfície, desde que apresente uma maior dificuldade para o início do seu escoamento. Caso o limite de escoamento seja baixo, poderia ocorrer uma grande deformação inicial, esgotando, já no início do processo erosivo, a ductilidade disponível no material. Por conseqüência, culminando com a fratura da partícula. Como o aço ASTM 106 apresenta um limite de escoamento maior que o aço ASTM 178, isto pode ter contribuído para o leve aumento da sua resistência a erosão. Outro ponto observado a partir dos dados apresentados na Tabela 2, é que o substrato revestido com Cr 3 C 2 -NiCr apresenta maior microdureza que os demais, principalmente em relação ao aço ASTM 178, utilizado na UTE. Os resultados mostram que o desempenho apresentado pelos revestimentos à base de Cr 3 C 2 -NiCr é superior àquele apresentado pelo aço sem revestimento. O perfil potenciodinâmico para o aço ASTM 178, registrado em H 2 SO 4 0,5 mol.dm -3 e apresentado na Figura 3, mostra que a densidade de corrente apresenta um crescimento significativo a partir do E corr (E corr = -500 mv) até

5 atingir potencial próximo a 400 mv vs. SCE. Então, verifica-se significativa redução na densidade de corrente, sugerindo a formação de filme passivante. Entretanto, logo a corrente torna a aumentar, o que significa que o filme de passivação formado não é estável. O brusco crescimento da corrente conduz a dissolução do aço ASTM 178. Resultados análogos são verificados para o material aspergido termicamente. Embora neste caso o Ecorr esteja situado em -900 mv, isto é, cerca de 400 mv mais negativo, não se verifica passivação. Estes resultados estão em concordância com os obtidos a partir dos ensaios de perda de massa. Outros meios corrosivos foram avaliados e apresentaram resultados similares E(mV) log(i)(log(a)) Figura 3 Perfil potenciodinâmico para corpo-de-prova em aço ASTM 178 em H 2 SO 4 0,5 M. Partindo de -0,25 V vs. E corr até 1,6 V e registradas a uma velocidade de 0,2 mv.s -1. CONCLUSÃO As amostras que apresentaram melhor desempenho frente às condições de erosão foram as aspergidas com Cr 3 C 2 - NiCr, com ganho acima de 90%, quando comparado ao aço ASTM 178. O aço ASTM 106, comumente utilizado na UTE Jorge Lacerda, apresentou comportamento em torno de 18% maior na resistência ao desgaste erosivo quando comparado ao ASTM 178. Tal comportamento pode ser atribuído ao maior limite de escoamento e microdureza que este material apresenta em relação ao ASTM 178, o que contribui para uma menor perda de massa. Os resultados indicam que o aço ASTM 178 poderia ser substituído pelo aço ASTM 106, com ganhos na sua vida útil, principalmente nas regiões de severo desgaste erosivo no banco de trocadores de calor. Embora o aço CORTEN A possa ser aplicado, sua localização no banco de trocadores deve ser em regiões em que predominam desgastes causados principalmente por corrosão. Caso contrário, a sua camada passivante seria rapidamente removida pelas partículas erosivas. Finalmente, é importante ressaltar que a aplicação de tubos aspergidos termicamente sobre o aço ASTM 178 ainda necessidade de um estudo sobre a sua viabilidade econômica, uma vez que apresenta um custo de aplicação mais elevado que os materiais atualmente utilizados. AGRADECIMENTOS A Tractebel Energia S/A Unidade de Capivari de Baixo, pelo suporte do objeto de pesquisa. A METALÚRGICA RIJEZA S/A pelos depósitos de aspersão térmica e; a UNESC Depto de Engenharia de Materiais, pela disponibilização de seus laboratórios de pesquisa. REFERÊNCIAS

6 1. Coatings in the electricity supply industry: past, present, and opportunities for the future John Stringer Surface and Coatings Technology (1998) BUSHAN, B.; GUPTA,B.K. ; Handbook of Tribology.Krieger: Florida, HUTCHINGS, I. M. The erosion of ductile metals by solid particles PhD. Dissertation, Univ. of Cambridge (1974). p OWSENEK,L. W. Avoid The Self - Degenerating Cycle in Tubular Air Heaters : Plugging, Corrosion, Erosion." 5. COLLINS, S. Restore Air -Heater Efficiency by Sleeving Damage Tubes", Design/Operating Ideas.Power,July 1990,pg 86.