CORROSÃO EM SOLOS AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE E REABILITAÇÃO DE DUTOS Denise Souza de Freitas Engª de Corrosão, Ph.D.
Corrosão em Estruturas Enterradas - Abordagem - Fatores influentes na corrosão em solos Descolamento catódico Ambiente favorável a ocorrência de fratura
SOLOS
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
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
Tipos de solo n Argila n Areia n Lodo
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.
Corrosão por aeração diferencial Corrosão localizada cerca de 15 cm abaixo da superfície do solo Vicente Gentil, Corrosão, 2000
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.
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
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
Variação da composição dos solos Composição do solo no trecho do Olapa /PR SOIL PARAMETERS SAMPLES Kilometer 39.353 Kilometer 48.316 Kilometer 55.000 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 ++ 120 ppm 1020 ppm 280 ppm Mg ++ 72 ppm 84 ppm 132 ppm Al +++ 144 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 72 62 79 %Clay 6 22 18 %Silt 22 16 3 SOIL SAMPLES AS RECEIVED Kilometer 39.353 Kilometer 48.316 Kilometer 55.000 Humidity Content (%) 27,81 28,78 29,34 Resistivity ( Ω.cm) 87000 4950 31500 ph 6,40 7,16 5,71
Correlação entre as Variáveis Físico-Químicas Resistividade vs. Teor de Umidade Resistividade (kohm.cm 1200 1000 800 600 400 200 OLAPA Km 54 Km 57 Km 60 0 0% 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 90,2864 138,73 48,4436 152,0197 61,7333 13,2897 21,5276 KM-60B 94,8207 141,36 46,5393 154,36 59,5393 13,0000 21,8343 KM-60C 0 0 0,0000 #DIV/0! KM-54A 90,4233 133,41 42,9867 146,16 55,7367 12,7500 22,8754 KM-54B 95,1716 138,9 43,7284 152,09 56,9184 13,1900 23,1735 KM-54C 0 0 0,0000 #DIV/0! KM-57A 90,2799 135,5 45,2201 149,9934 59,7135 14,4934 24,2716 KM-57B 94,6674 139,99 45,3226 155,31 60,6426 15,3200 25,2628 KM-57C 0 0 0,0000 #DIV/0! MÉDIA 21,6810 23,0245 24,7672
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% - - - 5% 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
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 50929 (conteúdo de argila, matéria orgânica, condutividade elétrica, ph, capacidade de tamponamento e teor de cloreto e sulfato)
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
Contato entre metais diferentes Trecho de tubulação evidenciando o contato com a malha de aterramento
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
Corrosão por Corrente de Fuga n Cabo aéreo n solo
Corrosão por Corrente de Fuga
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
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
Descolamento catódico Perda da adesão de revestimentos orgânicos sob a influência de potencial ou corrente catódica (Proteção Catódica) Água, Potencial Catódico, Oxigênio, Cátion
Pourbaix e a proteção catódica Superproteção 2H 2 O + 2e - è 2OH - + H 2 ñ
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.
Sistema de proteção catódico dimensionado para revestimentos de baixa eficiência Freitas et al., Rio Oil and Gas Conference, IBP 1026_06, Rio de Janeiro, 2006-0.80-1.00 PIPELINE B 56,941 (356) Pipeline B -1.40 0 94,000 54,215 60.851 (224) (101) -1.60 346 26,000 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) -1.20-1.80 Representação esquemática de tubulação com substituição de trechos de dutos Potential (Vsce) old pipeline coating efficiency 52000 54000 56000 58000 60000 62000 Pipeline coordinate (m) Influência de revestimentos antigos nos trechos novos em solo com resistividade de 4.000 Ωm 70% 80% 90%
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
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
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
Ambiente Favorável ao Trincamento CO 2 H 2 O O 2 Revestimento isolantes Ex: Polietileno tripla camada (PE3L) Manta Termocontrátil Deterioração dos revestimentos
Ruptura de tubulação de gás devido à CST
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
Aparência do CST Inspeção por Fluorescência- Partícula magnética Trincas paralelas ao plano de fratura
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
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
Principais áreas de ocorrência de SCC
Relatório: Stress Corrosion Cracking on Canadian Oil and Gas Pipelines, MH-2-95, 1996
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.
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.