A CORROSÃO METÁLICA CAUSADA POR ÁGUAS NATURAIS S. R. PETERS 1, S. N. da SILVA 2 e L. M. RODRIGUES 3 1 Universidade Federal do Pampa, Campus Bagé, Curso de Engenharia Química 2 Universidade Federal do Pampa, Campus Bagé, Curso de Engenharia de Energias 3 Universidade Federal do Pampa, Campus Bagé, Curso de Engenharia Química E-mail para contato: steffany.rpeters@gmail.com RESUMO A corrosão consiste na deterioração dos materiais pela ação química ou eletroquímica do meio. As águas naturais são meios corrosivos complexos contendo sais, gases dissolvidos, matéria orgânica, microorganismos, etc. É de suma importância o conhecimento dos processos corrosivos, devido ao fato do mesmo gerar grandes perdas econômicas para as indústrias. Este trabalho objetiva investigar o caráter corrosivo de águas naturais, coletadas no Rio Grande do Sul, sobre um aço carbono, utilizado na construção de dutos e tanques de combustíveis. Os materiais empregados foram amostras de água do mar, açude, rio e o aço API 5L Grau B. O estudo baseou-se na caracterização físico-química das águas, análise morfológica do metal e estudo da corrosão do aço exposto às águas. A taxa de corrosão foi determinada após 5 meses de exposição. Testes eletroquímicos determinaram o potencial de corrosão e o comportamento do aço em tais meios, empregando-se a voltametria cíclica. Os resultados indicaram o ataque ao aço em curtos tempos de exposição (60 min). A água do mar representou a maior taxa de corrosão do aço, 0,33 mm/ano, no entanto, todas as amostras de águas naturais foram corrosivas ao metal. Este fato reforça a necessidade da investigação do processo corrosivo em diferentes meios. 1. INTRODUÇÃO Ao se considerar o emprego de materiais na construção de equipamentos ou instalações é necessário que estes resistam à ação do meio corrosivo (GEMELLI, 2001; PANOSSIAN, 1993). Um quinto da produção mundial de aço é destinado a repor perdas causadas pela corrosão, o que representa um impacto econômico para as grandes empresas que utilizam de alguma forma este material (Diário Comércio, 2008). Com isso, o estudo dos processos corrosivos que atacam e degradam materiais metálicos e não metálicos é de extrema importância, por ser um processo espontâneo e que, constantemente, transforma os materiais, diminuindo ou limitando a sua durabilidade e desempenho, resultando em um problema para as indústrias, empresas de gás, de petróleo, de mineração, petroquímicas e companhias de saneamento e águas (GOMES 1995; GEMELI, 2001).
Meios corrosivos muito comuns são as águas naturais. As águas naturais podem conter sais, gases dissolvidos, matéria orgânica, microorganismos, resíduos industriais, poluentes diversos, etc. Trata-se de um meio corrosivo de constituição química complexa e de difícil estudo, por envolver diversos constituintes (UHLIG, 1963). Os materiais metálicos em contato com águas naturais tendem a sofrer corrosão, a qual vai depender de vários fatores, como ph, a temperatura e a velocidade de agitação, além de substâncias que podem estar contaminando a mesma (FURTADO, 1981; GENTIL, 2011). Os contaminantes normalmente encontrados são gases dissolvidos (O2, N2, CO2, Cl2, SO2, SO3, H2S), sais dissolvidos (NaCl, FeCl3, MgCl2, Na2CO3, NaHCO3), matéria orgânica de origem animal ou vegetal, bactérias, limos, algas, sólidos suspensos, etc. Os sais podem agir acelerando ou retardando a velocidade do processo corrosivo. O efeito do cloreto de sódio, na corrosão, deve-se ao fato de este sal ser um eletrólito forte, ocasionando, portanto, o aumento da condutividade elétrica, que é fundamental no mecanismo eletroquímico. O íon cloreto atua também na despassivação do aço inoxidável e das ligas de alumínio, visto que ele pode penetrar na camada protetora de óxidos de cromo e alumínio. No caso de presença de íons sulfato, SO4 2-, devese considerar a possibilidade de ocorrência de corrosão microbiológica, originada por bactérias redutoras de sulfato, acelerando o processo corrosivo (GENTIL, 2011). A ação corrosiva da água do mar, em particular, é de elevada intensidade, podendo ser determinada inicialmente por sua salinidade. Essa salinidade é praticamente constante em oceanos, mas pode variar em mares (LAQUE, 1975). Este trabalho realiza a caracterização físico-química de águas naturais e o estudo da corrosão do aço carbono exposto às águas. A taxa de corrosão foi determinada após 5 meses de exposição, testes eletroquímicos determinaram o potencial de corrosão e o comportamento do aço em tais meios, empregando-se a técnica de voltametria cíclica. A análise morfológica do aço carbono foi realizada por microscopia óptica. 2. EXPERIMENTAL Para a realização do ensaio da corrosão, foram utilizadas amostras metálicas de aço carbono API 5L grau B, as quais foram cedidas por empresa responsável pela distribuição de petróleo e derivados no estado do Rio Grande do Sul. As amostragens de águas naturais foram realizadas no rio Quebracho, na cidade de Bagé, em açude, no município de Don Pedrito, e na costa litorânea da cidade de Rio Grande, no oceano Atlântico. Para que não houvesse algum tipo de contaminação das mesmas, as amostragens foram coletadas e transportadas de maneira adequada, sendo encaminhadas imediatamente para análises laboratoriais. A caracterização físico-química das amostras de águas foram realizadas através da determinação do índice de turbidez, do valor de ph e da condutividade elétrica. As amostras metálicas
foram preparadas por corte, com áreas de 2 cm², polimento em lixas d água até granulometria #2000, e sua morfologia foi caracterizada por microscopia óptica. Os ensaios de corrosão por exposição foram realizados expondo as amostras metálicas nas respectivas amostras de águas naturais (Figura 1), por um tempo de 5 meses. Foi realizado o monitoramento da perda de massa das amostras metálicas, desde 10 min até o tempo final. A taxa de corrosão do aço foi determinada segundo a norma ASTM G1-90, para cada um dos meios agressivos. Aço API 5L Grau B Figura 1 - Exposição das amostras metálicas nas águas naturais. Foram realizados testes eletroquímicos de voltametria cíclica, em célula a três eletrodos, na presença de oxigênio, em potenciostato Autolab. A varredura foi efetuada entre 100 e 320 mv, em relação ao eletrodo normal de hidrogênio (ENH), a uma velocidade de 10 mv s -1. Foram empregados o eletrodo de referência de Ag/AgCl, como contra-eletrodo um fio de Pt e o aço carbono API 5L Grau B, como eletrodo de trabalho. O potencial de corrosão do aço nos meios avaliados foi determinado com 30 min de exposição, empregando-se o potenciostato. Todas as medidas foram realizadas a 25ºC. 3. METODOLOGIA DE CÁLCULO A determinação da taxa de corrosão segundo a norma ASTM G1 90, é representada pela Equação 1: Onde: constante para definir unidade (K) equivale a 8,76 x 10 4 mm ano -1, tempo de exposição (t) em h, a área (A) em cm 2, perda de massa (W) em g, densidade do metal (D) em g cm -3 (aço carbono = 7,86 g cm -3 ). 4. RESULTADOS A morfologia da amostra metálica preparada, antes de qualquer exposição aos meios, é apresentada na Figura 2.a. Observam-se as inclusões não metálicas, típicas da composição deste material, as quais são formadas durante o processo de fabricação do aço carbono API 5L Grau B, ainda no estado líquido (ZHANG 2006 apud INFOMET cap. 2), indicadas na Figura 2.b. (1)
a) b) Inclusões não metálicas 40x 400x Figura 2 - Morfologia do aço antes da exposição (a), detalhe das inclusões não metálicas (b). As amostras de aço expostas pelo tempo inicial de 10 min em água de rio e água do mar são apresentadas na Figura 3.a e Figura 3.b. A rápida nucleação do ataque à superfície metálica, com a formação de pites (ataque localizado), foi observada mesmo com apenas 10 min de exposição. a) b) 40x 40x Figura 3 Morfologia do ataque ao aço em 10 min de exposição à água de rio (a) e do mar (b). Em um período de exposição de 120 h, o ataque avança de forma generalizada, abrangendo uma maior área da superfície metálica. Nota-se a formação de uma camada de produtos de corrosão na superfície das amostras expostas à água de mar, como apresentado na Figura 4.a. Com a remoção do produto de corrosão, para a determinação da taxa de corrosão do aço, observa-se o ataque localizado ao metal, com a formação de pite, exposto à água de rio e mar. Foi constatado um ataque mais intenso às amostras expostas em água do mar, e o meio de água doce apresentou um menor nível de agressividade ao aço, como apresentado nas Figuras 4.b e 4.c. A taxa de corrosão das amostras metálicas, determinada para o tempo de exposição de 120 h, foi de 0,56 mm ano -1 para exposição em água do mar, e de 0,12 mm ano -1 para exposição em água de rio. Não foi detectado ataque ao aço exposto em água de açude, até este tempo de análise. a) b) c) 40x 40x 100x Figura 4 - Morfologia do ataque em água do mar por 120 h, antes de remoção do produto de
corrosão (a), após a remoção (b), e após a remoção, para o aço em água de rio por 120 h (c). A Tabela 1 apresenta o resultado da caracterização físico-química realizada nas amostras de águas naturais antes da exposição do aço carbono, e o monitoramento de parâmetros durante o tempo total de exposição, sendo acompanhados os valores de ph inicial e máximo (ph0 e phmax), e condutividade elétrica inicial e final (CE0 e CEf). O índice de turbidez reflete a quantidade de material particulado presente em cada meio, sendo destacado o maior nível em água do mar. Observou-se o crescente aumento dos valores de ph e condutividade elétrica das amostras de águas naturais, sendo maiores para a amostra de água do mar. O incremento nos valores de condutividade elétrica, provavelmente se deva à liberação de pequenas quantidades de óxidos metálicos, que se destacam do metal atacado, nas águas. Tabela 1 Caracterização e monitoramento das amostras de águas naturais, durante a exposição do aço por 5 meses. Águas Turbidez ph o ph max CE o CE f (NTU) (MS cm - ²) (MS cm - ²) Mar 53,00 6,5 7,7 >200 >200 Rio 7,76 7,7 8,6 1,702 3,250 Açude 0,32 7,7 8,2 0,315 0,750 As amostras metálicas em água do mar apresentaram o maior aumento de massa detectado, proveniente do acúmulo de espessa camada de produtos de corrosão ao longo de toda a superfície exposta. Na Figura 5 é apresentada a morfologia das amostras de aço, após 5 meses de exposição, na presença dos produtos de corrosão, e após a remoção destes produtos, segundo a norma ASTM G1-90, para a determinação da taxa de corrosão do aço. a) b) c) Figura 5 - Morfologia do aço após 5 meses de exposição com e sem produtos de corrosão, para exposição no rio (a), em açude (b) e no mar (c). As taxas de corrosão de cada uma das amostras de aço carbono expostas foram de 0,15 mm ano - 1 em rio, 0,17 mm ano -1 em açude, e 0,33 mm ano -1 no mar. Isto reforça a teoria de que as águas de rio e açude são também meios agressivos ao aço, mesmo que em menor intensidade, no entanto, a água
de mar foi praticamente duas vezes mais agressiva. Na medida de voltametria cíclica medida sobre o aço em contato com a água do mar, Figura 6, foram verificadas maiores valores de densidades de corrente (j), cerca de 5 ma cm -2, evidenciando a intensa reação de oxidação na superfície do metal. O retorno no sentido de menores valores de j, é outro indicativo de que o metal sofreu ataque localizado, sob a forma de pites. Figura 6 Voltametria cíclica medida sobre o aço API 5L Grau B em água do mar a 10 mv s -1 e 25 C. A morfologia das amostras de aço após a voltametria foi observada por microscopia óptica, revelando a presença de pequenos ataques localizados para as amostras imersas em águas doces (rio e açude), e um ataque mais intenso à amostra exposta ao mar. Conforme mostra a Figura 7. a) b) c) 200x 200x 200x Figura 7 - Morfologia do aço após a voltametria cíclica a 10 mv s -1 em água de rio (a), de açude (b) e de mar (c). 5. CONCLUSÃO Constatou-se a ocorrência de processos corrosivos sobre o aço carbono API 5L Grau B em contato com todas as amostras de águas naturais, açude, rio e mar. A água do mar foi mais agressiva, promovendo um rápido ataque ao metal (a partir de 10 min), iniciando por pite e evoluindo para um ataque generalizado. Em todos os casos, após 5 meses de exposição, espessa camada de produtos de corrosão foi formada no aço, gerando maiores valores de ph e condutividade elétrica nas águas. A taxa de corrosão determinada após 5 meses, e os testes eletroquímicos realizados, também comprovam que a corrosividade da água do mar é mais intensa do que as amostras de água doce (rio e açude), mas no entanto, todo os meios apresentaram algum nível de agressividade ao aço.
6. NOMENCLATURA A Área da superfície exposta do aço [L ² ] CEo Condutividade elétrica inicial da água CEf Condutividade elétrica final da água D Massa especifica do aço [M 3 /T] K Constante para definir unidades [L/T] pho phmax ph inicial da amostra de água ph máximo encontrado após exposição T Tempo de exposição [T] T.C Taxa de corrosão [L/ T] W Perda de massa [M] 7. REFERÊNCIAS DIÁRIO DO COMÉRCIO. Os Danos da Corrosão na Economia. Disponível em: http://www.diariodocomercio.com.br/noticia.php?tit=os_danos_da_corrosao_na_economia_&id=101 214. Acessado em: 12/01/2016. GEMELLI, E. Corrosão de Materiais Metálicos e Sua Caracterização. LTC: Rio de Janeiro, 2001. GOMES, L. P. Sistemas de Proteção catódica. Instalações e Engenharia de Corrosão Ltda., 1995. FURTADO, P. Introdução à Corrosão e Proteção das Superfícies. Imprensa Universitária, UFMG, 1981. GENTIL, V. Corrosão. LTC: Rio de Janeiro, 2011. INFOMET. Inclusões Não Metálicas em Aços. Disponível em: http://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?codconteudo=226. Acessado em: 15/01/2016. LAQUE, F. L. Marine Corrosion. John Wiley & Sons: NY, 1975. NORMA TÉCNICA ASTM G1-90 Standard Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens, 1999. PANOSSIAN, Z. Corrosão e Proteção contra Corrosão em Equipamentos e Estruturas Metálicas. v. 2, IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas: São Paulo, 1993. UHLIG, H. H. Corrosion and Corrosion Control. John Wiley & Sons: NY, 1963.