Proteção Catódica em Tubulações Industriais. Prof. João Paulo Barbosa, M.Sc.

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1 Proteção Catódica em Tubulações Industriais Prof. João Paulo Barbosa, M.Sc.

2 Definição Proteção Catódica (PC) é um método de proteção contra a corrosão de estruturas enterradas ou submersas baseado no princípio básico de formação das pilhas (corrosão eletroquímica). Aplicação: Oleodutos, gasodutos, minerodutos, adutoras, píeres de atracação, tanques, cabos telefônicos, redes de incêndio, armaduras de aço do concreto, etc.

3 ( Revisão ) Corrosão Eletroquímica Material + Meio contendo eletrólito (substâncias químicas e água) = Pilha (corrente elétrica / deterioração);

4 ( Revisão ) Causas da Corrosão Eletroquímica -Contatos elétricos de 2 materiais diferentes; -Heterogeneidades do Material; -Heterogeneidades do Meio; -Eletrólise causada por correntes de fuga; -Combinação de alguns ou todos esses fatores; Para entender as causas: exemplo de duto de aço enterrado; * Os solos, por mais secos que pareçam, sempre contêm água (condutividade);

5 Contatos elétricos de 2 materiais diferentes Qualquer metal enterrado possui uma diferença de potencial (ddp) com relação ao solo; Essa ddp (ddp natural) pode ser facilmente medida com auxílio de um voltímetro e um eletrodo de referência (geralmente cobre / sulfato de cobre);

6 Se os 2 materiais forem colocados em contato, a ddp fará com que circule uma corrente entre eles e o solo. Estará caracterizado o par galvânico, a pilha eletroquímica. Ex: Tubo de aço ligado a uma haste de magnésio no solo;

7 Na pilha por contato de materiais diferentes, um material funciona como anodo, corroendo e o outro como catodo mantendo-se preservado. Anodo é o que perde elétrons, logo ele se oxida. Catodo é o que ganha elétrons, logo ele se reduz. A corrente convencional flui pelo solo do material de potencial mais negativo (anodo) para o de potencial menos negativo (catodo). Os elétrons fluem no sentido oposto.

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9 Esse princípio de corrosão eletroquímica é usado há anos na construção de pilhas para equipamentos eletrônicos (lanternas, etc.).

10 Exemplos:

11 Exemplos:

12 Heterogeneidades do Material Zonas com diferentes potenciais podem surgir num mesmo material devido a heterogeneidades do mesmo como variações na composição química, presença de inclusões não metálicas, tensões internas, etc. Pilhas microscópicas (de ação local ) ou macroscópicas poderão se formar na presença do eletrólito resultando na corrosão do material (ataque generalizado, mas não uniforme...aspecto alveolar geralmente).

13 Exemplos:

14 ( solo ) Heterogeneidades do meio Diversas são as heterogeneidades do solo que causam variações de potencial no material e a formação de pilhas de corrosão no mesmo. Citam-se: Variações na resistividade elétrica, grau de aeração, composição química, grau de umidade, etc.

15 Resistividade baixa = condutividade alta = corrosão alta

16 ( Fuga Corrosão eletrolítica (Correntes de Corrosão severa onde a corrente deixa o duto para retornar ao circuito original (geralmente em falhas nos revestimentos).

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18 ESTAÇÃO A - km REGIÃO - 0,52 V AOCORRENÃO CORROSÃO DUTO NU ENTERRADO E SEM PROTEÇÃO CATÓDICA V = RI REGIÃO CATÓDICA 1 2 REGIÃO - 0,55 V OCORRECORROSÃO REGIÃO ANÓDICA B ESTAÇÃO - km 50 -

19 Proteção Catódica Princípio A Proteção Catódica consiste em eliminar, por meio de processo artificial, as áreas anódicas da superfície de uma estrutura, fazendo com que toda ela adquira comportamento catódico no meio corrosivo em que se encontra. Isso pode ser conseguido através do fornecimento à estrutura de um fluxo de corrente de proteção proveniente de uma fonte externa, com intensidade tal que seja capaz de anular as correntes de corrosão das diversas pilhas existentes na superfície metálica. Quando a estrutura ficar totalmente polarizada, a corrosão cessará.

20 Na verdade a corrosão não é eliminada, mas sim transferida para outro material, de baixo custo, que irá funcionar como anodo para preservar a instalação a proteger. Existem dois métodos de proteção catódica: -Por anodos galvânicos (anodos de sacrifício); -Por corrente impressa; Em ambos deverá haver suprimento de corrente contínua suficiente para cessar as pilhas existentes na superfície da estrutura, dependendo a escolha de um ou outro método de diversos fatores técnicos e econômicos a serem vistos posteriormente.

21 Prática A grande virtude da PC é permitir o controle seguro da corrosão de estruturas que, por estarem enterradas ou submersas, não podem ser inspecionadas e revestidas periodicamente com facilidade. A PC pode ser aplicada isoladamente ou em conjunto com outros métodos de proteção (revestimentos, pintura, etc.) para complementar sua eficiência. Revestimentos nunca são perfeitos (porosidade dos materiais usados, degradação com o tempo, falhas operacionais, etc.). A PC em conjunto com os mesmos garante a proteção completa da estrutura.

22 Proteção Catódica Galvânica ( Sacrifício (Anodos de Neste processo o fluxo externo de corrente elétrica origina-se da ddp gerada pela ligação do metal que se deseja proteger com outro menos nobre, que funcionará como anodo para garantir a proteção do primeiro. Por tal motivo, o material usado para proteção é chamado anodo de sacrifício devendo ser mais negativo na tabela prática que o material que se deseja proteger.

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24 Os materiais mais utilizados na prática como anodos de sacrifício para proteção de estruturas de aço são: -Ligas de Magnésio; -Ligas de Zinco; -Ligas de Alumínio;

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27 A composição química da liga é de fundamental importância para o bom desempenho do anodo. Procura-se adicionar elementos de liga para obtenção das propriedades desejadas: Exemplo: -Adição de manganês nas ligas de magnésio para garantir potencial suficientemente negativo; -Controle do teor de ferro (Fe < 0,001%) em anodos de zinco para evitar auto corrosão dos anodos e formação de camadas que empeçam o fluxo deda corrente; -Adição de índio e mercúrio nos anodos de alumínio para torná-los mais ativos (para que sejam corroídos uniformemente sem a formação de camada passiva);

28 A composição química da liga é de fundamental importância para o bom desempenho do anodo. Procura-se adicionar elementos de liga para obtenção das propriedades desejadas.

29 Ilustração da Proteção Catódica galvânica:

30 O enchimento condutor (mistura de gesso, bentonita e sulfato de sódio) usado em anodos de Mg e Zn para Proteção Catódica de estruturas enterradas tem as seguintes finalidades: - Melhorar a eficiência de corrente do anodo, fazendo com que seu desgaste seja uniforme; - Evitar a formação de películas isolantes (fosfatos e carbonatos); - Absorver umidade do solo; - Diminuir a resistência de aterramento, facilitando a passagem de corrente do anodo para o solo;

31 Mais informações sobre os anodos... -As características mais importantes de um anodo galvânico são seu potencial em circuito aberto (potencial anodo / meio medido com eletrodo de ref), sua capacidade de corrente (A.hora.Kg) e sua eficiência (%). - A capacidade de corrente dos anodos depende das suas dimensões, composição química, espaçamento, profundidade, etc. - Os anodos de sacrifício podem ser instalados isoladamente ou em grupos. - Um dos principais pontos a ser considerado no dimensionamento de um sistema de PC por anodos de sacrifício é o cálculo da vida útil dos anodos ($ x benef).

32 Emprego da PC com Anodos de Sacrifício Os anodos galvânicos são geralmente escolhidos quando se precisa de pouca quantidade de corrente (em geral até 5A) para proteger a estrutura (revestimento de boa qualidade ou estruturas com pequenas dimensões), e quando o eletrólito possui muito baixa resistividade elétrica (até cm). Razão: limitação da corrente devido às baixas ddps geradas entre os anodos e as estruturas a se proteger;

33 Vantagens Vantagens x Desvantagens -Não requer suprimento de corrente alternada no local; -Os custos de manutenção, após instalado o sistema, são mínimos; -Raramente aparecerão problemas de interferência com outras instalações metálicas enterradas; -Os custos de instalação são baixos; Desvantagens -A quantidade de corrente fornecida à estrutura é limitada pela baixa ddp existente entre os anodos e a estrutura; -Não fornece proteção se a resistividade do meio não for baixa; -Se o revestimento do duto não for muito bom, ou se o mesmo tiver grande diâmetro e comprimento, a proteção por anodos de sacrifício ficará muito cara devido ao grande nº de anodos necessários; -Em caso de interferência por corrente de fuga, dificilmente o sistema será eficiente;

34 Proteção Catódica por Corrente Impressa Nesse processo, o fluxo externo de corrente fornecida origina-se da força eletromotriz (fem) de uma fonte geradora de corrente contínua, sendo largamente utilizados na prática os retificadores de corrente (geram corrente contínua a partir de corrente alternada). Para dispersão dessa corrente no eletrólito são utilizados anodos especiais, inertes, com características e aplicações que dependem do eletrólito onde são utilizados.

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39 Os anodos são geralmente revestidos com enchimento condutor de coque metalúrgico moído para: - Obtenção de menor resistência de saída de corrente do anodo para o meio; - Diminuição no consumo do anodo (devido ao descarregamento da corrente ser feito em grande parte pelo coque);

40 Aplicação da PC por Corrente Impressa O método de PC por corrente impressa pode ser aplicado a eletrólitos de baixa (3.000 a cm), média ( a cm), alta ( a cm) e altíssima (> cm) resistividade elétrica. Podem fornecer grandes correntes de proteção.

41 Vantagens Vantagens x Desvantagens -Possibilidade de fornecer grandes quantidades de corrente; -Possibilidade de controlar as quantidades de corrente fornecidas; -Aplicação em qualquer eletrólito, até mesmo aqueles de elevada resistividade elétrica; -Possibilidade de aplicação, com eficácia, na proteção de estruturas nuas ou pobremente revestidas; -Possibilidade de ser aplicado, com economia, na proteção de instalações de grande porte; Desvantagens -Necessidade de Manutenção periódica; -Dispêndio de energia elétrica; -Possibilidade de interferência em outras estruturas;

42 Corrente Necessária para a Proteção A corrente necessária para a proteção depende de vários fatores: -Área a proteger e condições do revestimento; -Resistividade elétrica do meio; -Dificuldade de Polarização da estrutura; -Forma Geométrica da estrutura; Devido à grande variação dos parâmetros acima, a única maneira de se avaliar com precisão a corrente necessária para a proteção, é por meio de testes em campo. Cálculos teóricos preliminares podem ser feitos para facilitar a execução desses testes.

43 Levantamentos de Campo para Dimensionamento de Sistemas de Proteção Catódica Qualquer que seja a estrutura metálica a ser protegida, o projeto de proteção catódica só poderá ser elaborado com sucesso se forem feitas medições e testes de campo convenientes. A experiência do engenheiro de PC é fundamental para a realização desse trabalho e análise dos resultados dele provenientes.

44 Dados Necessários da Estrutura a ser Protegida -Material da Estrutura; -Especificações e propriedades do revestimento protetor, se existir; -Características de construção, dimensionais e geométricas; - Mapas e plantas de localização, desenhos e detalhes de construção; - Localização e Características de outras estruturas metálicas enterradas ou submersas existentes nas proximidades; - Existência ou não de sistemas de PC instalados nessas estruturas;

45 -Levantamento cuidadoso das condições de operação das linhas de transmissão em alta tensão que sigam paralelas ou cruzem a estrutura a ser protegida (podem causar problemas de corrente de fuga); - Levantamento de todas as fontes de corrente contínua existentes nas proximidades que possam causar corrosão eletrolítica; - Levantamento de todas as linhas de corrente alternada em baixa e média tensão nas proximidades da estrutura a ser protegida (para planejamento dos retificadores de corrente a serem usados na alimentação de corrente); * Em lugares remotos, onde não há disponibilidade de corrente elétrica, podem ser usados geradores termoelétricos, movidos a vento ou células solares;

46 Medições e Testes de Campo De posse dos dados sobre a estrutura descritos no item anterior, deve-se partir para os levantamentos de campo a seguir. Medições das resistividades elétricas -P/ avaliação das condições de corrosão a que estará sujeita a estrutura metálica; -Definição do método de PC (galvânico ou corrente impressa); -Escolha dos melhores locais para instalação dos anodos; -Estudo de problemas de interferência elétrica e correntes de fuga;

47 Medições dos potenciais estrutura / eletrólito Feitas com auxílio de voltímetros apropriados (alta resistência interna) e eletrodos de referência como Cu/CuSO4 e Ag/AgCl, têm a seguinte finalidade: -Avaliar as condições de corrosividade a que está sujeita a estrutura; - Detectar e estudar problemas de corrosão eletrolítica (além do voltímetro convencional, nesses casos são usado voltímetros registradores para medições prolongadas); -Verificar se a estrutura ficou protegida após instalação do sistema de PC;

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50 Escolha dos Locais para Instalação dos Anodos Tarefa realizada tendo em vista diversos fatores: -Locais com baixa resistividade elétrica; -Distribuição de Corrente ao longo da estrutura; -Locais de fácil acesso para montagem e inspeção; -Locais onde haja energia elétrica em corrente alternada para o caso de instalação de retificadores;

51 Testes para determinação da corrente necessária Feitos com a injeção de corrente na estrutura com auxílio de fonte de corrente contínua (bateria, máquina de solda, retificador) e uma cama de anodos provisória (sucata de aço). Aplica-se corrente (mede-se a mesma) e verifica-se o potencial da estrutura em pontos distantes 50 m do ponto de aplicação da corrente até que se atinja um valor nobre (o critério será falado adiante). O valor da corrente injetada dividido pela área da tubulação entre esses dois pontos será a densidade de corrente usada na proteção (para o duto todo). Método similar é usado para tanques, estacas, etc.

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53 Outros testes, Medições e Observações -Medições do ph do eletrólito; -Pesquisa de corrosão por bactérias; -Coleta de amostras do produto de corrosão para análise em laboratório;

54 Custo da Proteção Catódica -Custo do levantamento dos dados de campo; -Custo do Projeto; -Custo dos Materiais; -Custo da Instalação; -Custo da Manutenção; Experiência IEC: 1% (obras grandes) a 5% (pequenas obras) do valor total da obra;

55 Dimensionamento de Sistemas de Proteção Catódica Roteiros Simplificado: - Cálculo da Corrente Elétrica de Proteção (quando ( campo não é possível obtê-la em I = A. Dc. F (1 E) I Corrente Elétrica em ma; A Área a ser protegida; (*) Dc Densidade de corrente elétrica, em ma/m 2 ; F Fator de correção de velocidade; E Eficiência do revestimento;

56 - Área(A): considerar apenas partes em contato com o eletrólito; - Densidade de Corrente (Dc): considerar superfície a proteger completamente nua; Dc depende da resistividade do eletrólito (ρ), daí a importância de se medir essa variável corretamente em campo; Dc =73,73 13,35 log - Fator de correção da velocidade (F): só para casos onde há movimento relativo entre a estrutura e o eletrólito;

57 - Eficiência do revestimento (E): Depende muito da experiência do projetista;

58 Um vez calculada (ou medida) a corrente necessária para proteção, define-se o método a ser empregado: Galvânico: I 5 A Corrente Impressa: I > 5 A

59 Proteção Catódica por Anodos Galvânicos -Cálculo da Resistência O sistema galvânico funciona segundo a lei de Ohm I = V / Rt I = corrente elétrica de proteção, em ampères; V = ddp entre o anodo e a estrutura a proteger em volts; Rt = resistência total do circuito de corrosão;

60 O valor de I deve ser maior ou igual à corrente requerida para proteção (*); V significa a diferença entre o potencial natural do anodo (circuito aberto) e o potencial de proteção do material metálico na estrutura (-0,8V para aço em relação a Ag/AgCl ou -0,85V para Cu/CuSO 4 );

61 Rt = Rca + Rc + Ra Rca resistência do cabo elétrico de ligação (função do comprimento e bitola do cabo, geralmente tabelado pelos fabricantes); Rc resistência de contato entre a estrutura (catodo) e o eletrólito;. Para eletrólitos de baixa resistividade esse valor pode ser desprezado nos cálculos; Ra resistência de contato entre o anodo ou anodos e o eletrólito. Depende do formato do anodo e da resistividade do eletrólito;

62 Para anodo cilíndrico na posição vertical: Para grupo de anodos cilíndricos em paralelo na posição vertical:

63 Para anodo cilíndrico na posição horizontal:

64 -Cálculo da Vida dos anodos galvânicos Vida para determinada massa de anodo(s) ou massa requerida para determinada vida útil da estrutura;

65 Proteção Catódica por Corrente Impressa Também deve obedecer a lei de Ohm I = V / Rt I corrente de proteção em ampères para cada conjunto retificador / cama de anodos a ser instalado. O número de retificadores é definido em função da corrente total necessária ao longo da estrutura, da existência de locais com resistividade adequada e disponibilidade de corrente alternada nesses locais; V tensão de saída, em corrente contínua, do retificador (para instalações terrestres, tensões de 30V a 100V e correntes de 5A a 50A; para instalações marítimas, 10V a 20V e 50A a 400A; Rt Resistência total do circuito do conjunto retificador / leito de anodos (cálculo semelhante ao usado para anodos galvânicos). A resistência deve ser menor que a resistência nominal do retificador.

66 -Vida útil dos anodos inertes sofremanodosos, inertes termodoapesar desgaste ao longo do tempo...

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68 Instrumentos e Acessórios Utilizados -Vibroground, Geohm, Nilsson, Megger Para medição da resistividade elétrica do solo segundo método de Wenner; -EM S Para medição da resistividade elétrica do solo por meio de técnica eletromagnética de medição; - Soil Box Para medição da resistividade elétrica de eletrólitos líquidos; -Voltímetros Para registro da ddp estrutura eletrólito; São usados voltímetros convencionais, de alta resistência, de baixa resistência, voltímetros potenciométricos e eletrônicos.

69 -Amperímetros Para medir correntes elétricas (saída de retificadores, anodos, etc. ( Multímetros ) -Medidores combinados Para facilitar o transporte, por serem compactos. Multi função (amperímetro, voltímetro, ohmímetro). -Registradores Para registro contínuo de dados (corrente e pontencial) onde há possibilidade de interferência de corrente. -Localizadores de tubulações -Detectores de falhas em revestimentos -Eletrodos de referência, caixas padrão, fios, cabos, etc.

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78 Exemplos:

79 Exemplos:

80 Exemplos:

81 Questões 1- Quais as dois meios de Proteção Catódica?

82 Questões 1- Quais as dois meios de Proteção Catódica? R.: Os meios de manter uma tubulação protegida catodicamente são pôr intermédio de Anodos de Sacrifício e Corrente Impressa.

83 Questões 2- Porque em tubulações revestidas também é necessário Proteção Catódica?

84 Questões 2- Porque em tubulações revestidas também é necessário Proteção Catódica? R.: Para complementar a proteção dos revestimentos, utiliza-se, então, um sistema de proteção catódica, cujo fluxo de corrente proveniente dos anodos galvânicos ou dos retificadores, penetra nos poros e falhas da camada isolante, bloqueia as correntes de corrosão e elimina totalmente o processo corrosivo.

85 Questões 3- Cite 2 vantagens do sistema de corrente impressa em relação ao de anodo de sacrifício.

86 Questões 3- Cite 2 vantagens do sistema de corrente impressa em relação ao de anodo de sacrifício. -Possibilidade de fornecer grandes quantidades de corrente; -Possibilidade de controlar as quantidades de corrente fornecidas; -Aplicação em qualquer eletrólito, até mesmo aqueles de elevada resistividade elétrica; -Possibilidade de aplicação, com eficácia, na proteção de estruturas nuas ou pobremente revestidas; -Possibilidade de ser aplicado, com economia, na proteção de instalações de grande porte;

87 Bibliografia: Manual de proteção catódica IEC; Corrosão Vicente Gentil, LTC; Engenharia e Ciência dos Materiais Callister, LTC.

88 Proteção Catódica em Tubulações Industriais Prof. João Paulo Barbosa, M.Sc.