CORROSÃO EM SOLOS AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE E REABILITAÇÃO DE DUTOS. Denise Souza de Freitas Engª de Corrosão, Ph.D.

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1 CORROSÃO EM SOLOS AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE E REABILITAÇÃO DE DUTOS Denise Souza de Freitas Engª de Corrosão, Ph.D.

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3 Corrosão em Estruturas Enterradas - Abordagem - Fatores influentes na corrosão em solos Descolamento catódico Ambiente favorável a ocorrência de fratura

4 SOLOS

5 Fatores influentes na corrosão em solos Tipo de solo textura e estrutura Teor de água e posição do lençol freático Aeração e difusão de oxigênio Resistividade do solo ph Sais solúveis presentes no solo Presença de microrganismos

6 Tipo de solos Distribuição do tamanho das partículas do solo n Permeabilidade movimento de fluidos ou gases na matriz n n n n Composição Argila distribuição de partículas pequenas restritivo Areia grande fluxo de fluidos e gases, silica, inerte Carbonatos tampona o solo em ph neutro a alcalino

7 Tipos de solo n Argila n Areia n Lodo

8 Aeração n A aeração determina o acesso de oxigênio e umidade às estruturas enterradas. n É dependente das características físicas do solo. n continuidade e porosidade no solo Exemplo: n Solo argiloso encolhe em volume quando seca, produzindo fendas que são canais para o oxigênio.

9 Corrosão por aeração diferencial Corrosão localizada cerca de 15 cm abaixo da superfície do solo Vicente Gentil, Corrosão, 2000

10 Eletrólito n A principal função do eletrólito é transportar corrente e promover as reações eletroquímicas no processo de corrosão n O solo contém uma variedade de cátions e ânions n Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, SO 4 2-, Cl -, CO 3 2- n A presença de íons promove a condutividade elétrica e determina as propriedades químicas do solo.

11 Heterogeneidade dos solos n Este fator está associado a diferentes secções de solo no mesmo duto devido à mudanças de meio ambiente: n Estas variações podem ser causadas por: n condições climáticas n emprego de fertilizantes n despejos industriais n movimentação do solo n Conseqüências: n variação de potencial, aeração, reações químicas

12 Solos com quantidades grandes de sais solúveis, tem resistividade baixa, atuando como ânodo. Os solos com baixos teores de sais solúveis atuam como cátodo. Vicente Gentil, Corrosão, 2000

13 Variação da composição dos solos Composição do solo no trecho do Olapa /PR SOIL PARAMETERS SAMPLES Kilometer Kilometer Kilometer Cl - 0,07 ppm 9,04 ppm 5,92 ppm SO 4 0,067 ppm 0,029 ppm 0,012 ppm Na 8,97 ppm 14,26 ppm 23,23 ppm Ca ppm 1020 ppm 280 ppm Mg ppm 84 ppm 132 ppm Al ppm 0,0 90 ppm P 1 ppm 9 ppm 51 ppm K 25 ppm 156 ppm 62 ppm Conductivity 0,1 ms/cm 0,26 ms/cm 0,2 ms/cm % Sand %Clay %Silt SOIL SAMPLES AS RECEIVED Kilometer Kilometer Kilometer Humidity Content (%) 27,81 28,78 29,34 Resistivity ( Ω.cm) ph 6,40 7,16 5,71

14 Correlação entre as Variáveis Físico-Químicas Resistividade vs. Teor de Umidade Resistividade (kohm.cm OLAPA Km 54 Km 57 Km % 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% Teor de Umidade Retenção de água - OLAPA Funil+papel Funil+papel Agua Porcentagem AMOSTRA Funil+papel Amostra seca Amostra Úmida +amostra seca +amostra úmida Retenida de retenção KM-60A 90, ,73 48, , , , ,5276 KM-60B 94, ,36 46, ,36 59, , ,8343 KM-60C 0 0 0,0000 #DIV/0! KM-54A 90, ,41 42, ,16 55, , ,8754 KM-54B 95, ,9 43, ,09 56, , ,1735 KM-54C 0 0 0,0000 #DIV/0! KM-57A 90, ,5 45, , , , ,2716 KM-57B 94, ,99 45, ,31 60, , ,2628 KM-57C 0 0 0,0000 #DIV/0! MÉDIA 21, , ,7672

15 Teor de Umidade vs. ph n ph do solo varia ± de 3,5 a 10 n n n Solos contendo matéria orgânica úmida tendem a ser ácidos Solos minerais tendem a ser ácidos devido a lixiviação dos cátions básicos (Ca +, Mg +2, Na +2 e K + ) e do CO 2 Algumas argilas adsorvem e trocam ambos, cátions e anions (especialmente fosfatos) tamponando o ph do solo ph Teor de Umidade Amostras Km 54 Km 57 Km 60 Como recebida 6,69 6,17 5,81 0% % 4,36 6,63 5,55 10% 5,11 6,82 5,26 15% 5,13 5,54 5,10 20% 4,94 5,34 4,45 25% 4,73 5,24 4,42 30% 4,51 4,60 4,35 35% 4,05 4,46 4,29

16 Avaliação da corrosividade dos solos ALGUNS CRITÉRIOS PROPOSTOS: n Índice de Steinrath (resistividade, potencial redox, ph, umidade, cloreto, sulfato e sulfeto) n Índice de Steinrath modificado (tudo acima mais contagem de bactérias) n Critério de Robinson (resistividade) n Critério da Acidez (resistividade e ph) n Critério de Starkey e Wight (potencial redox) n Critério de Booth (resistividade, potencial redox e umidade) n Critério de Girard (umidade de saturação, resistividade do extrato aquoso e acidez total) n Critério de Gotlieb e Vieira (resistividade, sais solúveis, acidez total e coeficiente de despolarização) n Norma DIN (conteúdo de argila, matéria orgânica, condutividade elétrica, ph, capacidade de tamponamento e teor de cloreto e sulfato)

17 Fatores elétricos n São determinantes do tamanho, número e locação de áreas anódicas como também da quantidade de corrente que flui do duto para o solo. n Fatores determinantes: (1) Variação local do suprimento de oxigênio. (2) Diferenças de potencial causadas por: -Contato entre diferentes metais -Inclusões nos metais -Presença de correntes de fuga -Relação entre áreas anódicas e catódicas. As diferenças de potencial são influenciados pela resistividade do eletrólito e pela polarização da superfície do metal

18 Contato entre metais diferentes Trecho de tubulação evidenciando o contato com a malha de aterramento

19 Correntes de Fuga São correntes elétricas de interferência que abandonam seu circuito normal para fluir por uma região de menor resistência. n Podem ter um efeito devastador em estruturas enterradas, em particular em dutos. n A principal complicação é que a corrosão pode ser desenvolver a longas distancias. n É dependente de praticamente todos os parâmetros do solo

20 Corrosão por Corrente de Fuga n Cabo aéreo n solo

21 Corrosão por Corrente de Fuga

22 Potencial de Oxi-redução do Solo Indica a capacidade de oxidação e redução do solo através da determinação da concentração de oxigênio Corrosão Microbiológica n As bactérias aceleram a velocidade das reações anódicas e catódicas n Promovem a formação de meio corrosivo. n Degradam o filme protetor devido ao produto do metabolismo microbiano. Uligh s Corrosion Handbook, Ed.Revie, R.W., p.341, 2000

23 Biocorrosão Kang et al, Corrosion, Vol 57, No 9, 2001 Estudo realizado em linhas de transmissão de gás na Korea Decolamento de uma Manta Termocontrátil Filme de FeS dentro da região descolada Corrosão encontrada

24 Descolamento catódico Perda da adesão de revestimentos orgânicos sob a influência de potencial ou corrente catódica (Proteção Catódica) Água, Potencial Catódico, Oxigênio, Cátion

25 Pourbaix e a proteção catódica Superproteção 2H 2 O + 2e - è 2OH - + H 2 ñ

26 Teorias sugeridas para o Descolamento Catódico n Falha mecânica devido à pressão interna do gás Natureza Química n Separação interfacial do revestimento n Devido à água ou solução alcalina na interface do metal/revestimento. n Dissolução de óxido n Atribuído à alcalinidade da solução interfacial que leva a dissolução anódica do ferro. n Falha coesiva e de degradação Natureza mecânica n Descolamento do revestimento devido a evolução de hidrogênio. n Causado pela saponificação do revestimento devido ao aumento do ph. n Descolamento causado pelos produtos intermediários da redução do oxigênio.

27 Sistema de proteção catódico dimensionado para revestimentos de baixa eficiência Freitas et al., Rio Oil and Gas Conference, IBP 1026_06, Rio de Janeiro, PIPELINE B 56,941 (356) Pipeline B ,000 54, (224) (101) ,000 63,000 90,000 Pipe diameter = 12 Distance anode/pipeline = 100 m Deep of pipe = 2,008 m length unit = meters Pipe Characteristics Aging coating (80%efficiency) New coating segments (99.9%efficiency) Pipe repairing localization (pipe repairing extension) Representação esquemática de tubulação com substituição de trechos de dutos Potential (Vsce) old pipeline coating efficiency Pipeline coordinate (m) Influência de revestimentos antigos nos trechos novos em solo com resistividade de Ωm 70% 80% 90%

28 Aspecto dos revestimentos após 30 dias de ensaio utilizando-se solo retirado dos trechos substituídos Montagem dos ensaio de descolamento catódico utilizando potenciais da simulação numérica Manta Termocontrátil

29 Corrosão sob Tensão em dutos(cst) ou Stress Corrosion Cracking (SCC) Ambiente favorável Descolamento do revestimento Umidade e CO2 Nível da proteção catódica Condições do solo Temperatura Tensionamento Tensão de fabricação Tensão de serviço: Pressão de operação Carregamento cíclico Taxa de deformação Carregamento secundário Susceptibilidade do material Condições de superfície Microestrutura do aço

30 Corrosão sob Tensão em Dutos Principais condições para ocorrência: Tubulação enterrada sob proteção catódica Meio aquoso de carbonato/bicarbonato (SCC clássico) Alta tensão de tração Descolamento do revestimento Potenciais entre 600 mv a 700 mv vs. SCE Temperatura é importante

31 Ambiente Favorável ao Trincamento CO 2 H 2 O O 2 Revestimento isolantes Ex: Polietileno tripla camada (PE3L) Manta Termocontrátil Deterioração dos revestimentos

32 Ruptura de tubulação de gás devido à CST

33 Aspecto visual da falha por SCC em tubulação de óleo 14 polegadas Propagação irregular na origem da falha Falhas secundárias próximas a fratura próxima a estação de compressor

34 Aparência do CST Inspeção por Fluorescência- Partícula magnética Trincas paralelas ao plano de fratura

35 CST clássica: ph elevado ph 9 a 12 Trincas Intergranulares Trinca típica de CST, amostra polida n Tipo de trinca: Intergranular Orientação: Longitudinal Circuferencial Caminho de propagação da trincas intergranular

36 CST em ph próximo neutro Tipo de trinca: Transgranular Potencial de corrosão: -760mV a -790mV (Cu/CuSO4) Solução no interior da fenda: -solução de bicarbonato diluído ph 5,5 a 8,8

37 Principais áreas de ocorrência de SCC

38 Relatório: Stress Corrosion Cracking on Canadian Oil and Gas Pipelines, MH-2-95, 1996

39 Falabella et al., TGS, World Gas Conference (WGC), Amsterdan, 2006 Observações interessantes: 80% dos casos de SCC são encontrados nos primeiros 20Km das plantas de compressão de gás; A temperatura é a principal variável e, na Argentina o solo é refratário fazendo que o calor seja dissipado lentamente; A proximidade dos retificadores é uma das variáveis mais importantes para a ocorrência de SCC devido á excessiva produção de H 2 e a blindagem da corrente de PC.

40 King et al, NRTC, International Pipeline Conference (IPC), Calgary 2004 Observações interessantes: Ocorrência em regiões do revestimento descolado; High Density Polyethilene (HDPE) e efeito de blindagem Em poucos dias o ph na interface do revestimento/ metal caiu de 9 para 5.