Estudo da resistência ao desgaste erosivo e corrosivo de diferentes materiais depositados por
aspersão térmica a arco: Uma aplicação em
aquecedores tubulares do CTJL.
Norton Zanette Kejelin1, Franco Wronski Comeli2
os dados operacionais estão apresentados na tabela I.
Resumo – Tubos de trocadores de calor de usinas termoelétricas a carvão sofrem desgaste corrosivo e erosivo devido à
presença de partículas sólidas, enxofre e condensação dos gases
da combustão, tendo por consequência uma redução na eficiência global do equipamento em 10 a 20%, forçando assim as
paradas de manutenção. Uma opção para o aumento da resistência à corrosão e erosão é a utilização de revestimentos aplicados pelo processo de aspersão térmica a arco (Arc Spray), o
qual possui uma versatilidade de materiais e alta taxa de deposição. Para a determinação do melhor revestimento a ser utilizado, foram testadas ligas metálicas resistentes à corrosão e
erosão, em comparação com o material empregado nos tubos
dos trocadores de calor, ASTM 178A. Verificou-se que defeitos
presentes no revestimento potencializam o desgaste e que revestimentos em alumínio possuem as melhores característica
contra corrosão, enquanto o desgaste erosivo pode ser reduzido
utilizando-se o aço inoxidável martensítico AISI 420.
Palavras-chave – Trocador de Calor, Desgaste Erosivo, Corrosão, Aspersão térmica.
I. INTRODUÇÃO
Os aquecedores tubulares da UTLB (Unidade Termoelétrica Jorge Lacerda B) unidades 5 e 6 do CTJL (Complexo
Termoelétrico Jorge Lacerda) são classificados como trocadores de calor recuperativos de fluxo cruzado. Estes equipamentos têm por finalidade promover a troca térmica entre
os gases (quentes) resultantes da queima do carvão na caldeira com o ar atmosférico (frio), para ser utilizado no preaquecimento, desumidificação e arraste do combustível pulverizado (Carvão Mineral). Este equipamento, conforme
pode ser observado no desenho esquemático da figura 1, é
constituído por três aquecedores (1, 2, 3) com quatro bancos
por aquecedor (A, B, C, D), cujas características técnicas e
Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e
Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado pela
ANEEL e consta dos Anais do VII Congresso de Inovação Tecnológica em
Energia Elétrica (VII CITENEL), realizado na cidade do Rio de Janeiro/RJ,
no período de 05 a 07 de agosto de 2013.
Este trabalho foi apoiado integralmente pelo programa de P&D da Tractebel Energia por intermédio do projeto PD-0403-0012/2010.
Norton Zanette Kejelin trabalha na ‘Faculdade SATC’ (e-mail: [email protected]).
Franco Wronski Comeli trabalha na ‘Tractebel Energia’ (e-mail: [email protected]).
1
2
3
A
B
C
D
Figura 1. Desenho esquemático do aquecedor Tubular da UTLB: Identificação dos aquecedores (1, 2, 3) e dos bancos (A, B, C e D).
Tabela I. Características técnicas e dados operacionais.
Característica
Quantidade de tubos instalados
Comprimento dos tubos (mm)
Material original dos tubos
Quantidade de Aquecedores
Quantidade de bancos por aquecedor
Especificação dos tubos
Teor de enxofre do combustível
Teor de cinzas do combustível
Temperatura do ar limpo
Temperatura dos gases de combustão
Temperatura de orvalho dos gases
SO2
Umidade relativa
Fonte: (Felippe et. al., 2011).
Descrição
20.160
4.860
ASTM 178 - Grau A
3
4
Ø 57,15 x 2,5 mm
1,96 %
43%
40ºC (entrada) - 290ºC (saída)
370ºC (entrada) - 160ºC (saída)
115ºC
25,22 Kg/MW
6,8 %
Devido à elevada quantidade de cinzas em suspensão, a
incidência do gás de combustão sobre os bancos da região
"A" promove um severo dano ao equipamento devido ao
desgaste erosivo, uma vez que a cinza é composta em sua
totalidade por materiais inorgânicos (óxidos) de elevada
dureza. O desgaste erosivo resulta num descontrole da manutenção, perda de rendimento do equipamento e um alto
custo para a troca dos tubos. As falhas que ocorrem nos
aquecedores tubulares devido ao desgaste erosivo por partículas sólidas, podem ser observadas em detalhes na figura 2.
Erosão
Erosão
ocorre à condensação dos gases.
SO2 ( g ) + 1 2 O2 ( g ) + H 2 O(l ) → H 2 SO4 (l )
(1)
Fe( s ) + SO2 ( g ) + O2 ( g ) → FeSO4 ( s )
(2)
2 Fe( s ) + 2 H 2 SO4 (l ) + O2 ( g ) → 2 FeSO4 ( s ) + 2 H 2 O(l )
(3)
2 FeSO4 ( s ) + 1 2 O2 ( g ) + 5 H 2 O(l ) → …
… 2 Fe(OH ) 3 ( s ) + 2 H 2 SO4 (l )
Figura 2. Detalhe do desgaste erosivo no banco A3 do aquecedor tubular.
Na medida em que os gases de combustão avançam pelo
interior do aquecedor tubular, os mesmos resfriam-se gradativamente durante o percurso de troca térmica, aquecendo o
ar limpo que escoa no interior dos tubos. Na outra extremidade do equipamento (região de entrada de ar frio) os gases
de combustão atingem a temperatura de orvalho de aproximadamente 115ºC, promovendo a formação de ácido sulfúrico devido à umidade e ao SO2 presente numa quantidade
aproximada de 25 Kg/MW.
Como conseqüência, ocorre um desgaste corrosivo extremo na região dos bancos "D" do equipamento. A figura 3
apresenta uma imagem da parede interna do trocador de
calor que sofreu desgaste corrosivo. Pode ser observada a
formação de incrustações e perfuração nos tubos, fatores
que resultam na perda de eficiência deste tipo de trocador de
calor.
Incrustação
(4)
Independentemente do tipo de desgaste apresentado (erosivo na entrada de gás quente ou corrosivo na saída), os
tubos quando perfurados são submetidos a um reparo ou
isolamento, como por exemplo, a realização de tamponamento. Essa operação causa a obstrução do fluxo de ar, reduzindo o volume e causando uma significativa perda na
eficiência de troca térmica.
Embora esse artifício (tamponamento) seja rotineiramente
utilizado no CTJL, existe um limite aceitável para a quantidade de tubos danificados no equipamento, reduzindo a capacidade de geração da unidade em níveis significativos (em
torno de 20%) forçando assim a parada de manutenção para
a troca dos componentes desgastados.
Este trabalho está inserido no programa de P&D da
TRACTEBEL ENERGIA denominado "Desenvolvimento
de novos Revestimentos por Aspersão Térmica a Arco para
Proteção contra Corrosão e Desgaste Erosivo em Trocadores de Calor Ar/Gases - PD-0403-0012/2010". Executado
no Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade
SATC, teve como objetivo estudar o comportamento de
resistência a erosão e a corrosão em uma série de revestimentos depositados por aspersão térmica à arco AS (Arc
Spray), no sentido de aumentar a vida útil dos tubos dos
trocadores de calor ar-gases situados no CTJL.
Perfuração
II. REVISÃO DA LITERATURA
Figura 3. Detalhe do desgaste corrosivo no banco D1 do aquecedor tubular.
As equações (1), (2), (3) e (4) descrevem as reações de
corrosão que ocorrem no equipamento. Pode se observar em
(1) que o dióxido de enxofre em contato com oxigênio e a
água forma ácido sulfúrico, composto que é altamente corrosivo; em (2) ocorre à formação do sulfeto de enxofre devido à reação do ferro, presente nos tubos do trocador e o
dióxido de enxofre presente nos gases de combustão. Já em
(3), o ferro dos tubos em contato com ácido sulfúrico e oxigênio gera novamente o sulfato de ferro. Por fim, em (4) o
sulfeto de ferro em contato com a água reage e forma o ácido sulfúrico. Pode-se notar que sulfato de ferro, ao sofrer
hidrólise, forma ácido sulfúrico. Isso torna a reação de corrosão cíclica, conforme [1] e acelera o processo de corrosão.
Porém, segundo [2], a presença de H2SO4 na forma de vapor
(SO2(g) + H2O(v)) não ocasiona corrosão, somente quando
A. Desgaste Erosivo por Partículas Sólidas
De uma forma geral, o desgaste erosivo se caracteriza por
danos causados devido ao impacto sucessivo de partículas
sólidas e duras, arrastadas por um fluxo de gás ou líquido,
ocasionando a perda de material num determinado equipamento ou componente. As variáveis que afetam a severidade
da erosão são:
1. Variáveis relativas ao impacto (operacionais): velocidade da partícula (V), ângulo de impacto (α), temperatura, número de partículas por unidade de área por
unidade de tempo, corrosividade do meio;
2. Variáveis relativas à partícula erosiva: tipo de material,
tamanho, forma, densidade, dureza;
3. Variáveis relativas ao material (superfície): tipo de material, morfologia, nível de tensões, dureza, densidade,
rugosidade, tenacidade.
Nos materiais dúcteis a taxa de erosão é maior em baixos
ângulos de colisão, em contraste aos materiais frágeis, os
quais apresentam suas maiores taxas de desgaste erosivo em
ângulos próximos à 90º [3]. Esta diferença de comportamento pode ser explicada pela diferença de mecanismos de des-
gaste erosivo envolvidos em cada situação.
A figura 3 apresenta uma curva típica de metal dúctil,
demonstrando e relacionando o mecanismo de desgaste com
o ângulo de ataque do erodente. Nota-se que em (1) o mecanismo de remoção é por microcorte, (2) microsulcamento
(abrasão) e (3) o mecanismo atuante é por deformação plástica (formação de protuberâncias).
Figura 3. Curva experimental para a erosão de um metal dúctil (linha contínua) e mecanismos de remoção de material (Finnie, 1995).
Por outro lado, no caso dos materiais frágeis, a incidência
do erodente em baixo ângulo, facilita a "reflexão" destas
partículas, tendo como conseqüência o desvio de sua trajetória. Entretanto, na medida em que se aumenta o ângulo de
incidência para algo próximo de 90º, observa-se um aumento da taxa de desgaste devido aos mecanismos de microfadiga, os quais promovem a nucleação e propagação de microtrincas sucedidas do arrancamento de uma significativa porção do material, conhecido por lascamento. A figura 4 ilustra em detalhes o mecanismo de desgaste erosivo predominante em materiais frágeis sob alto ângulo de incidência.
Figura 4. Desgaste erosivo em materiais frágeis.
Embora o grande número de variáveis que influenciam no
desgaste erosivo resulte num fenômeno complexo e de difícil mensuração, tem-se feito grandes esforços ao longo dos
anos para a formulação de modelos e identificação dos mecanismos de remoção de material, bem como os efeitos das
principais variáveis. A norma ASTM G76 [4] descreve um
método padrão para a realização de ensaios de erosão por
partículas sólidas usando um gás de arraste. Com este método pode-se classificar quais os melhores materiais resistentes à erosão sob condições específicas de testes, calculando
a taxa de desgaste erosivo a partir de (1):
TV =
(mi − m f )
me ∗ ρap
(5)
onde TV é a taxa de erosão volumétrica (cm³alvo/g erodente), mi é massa inicial da amostra (g), mf é massa final da
amostra (g) e ρap é densidade do revestimento (g/cm³). me é
a massa de erodente (g).
A referência [5] observou que partículas erodentes com
dureza de pelo menos duas vezes menor que a do material
alvo não há influência na taxa de erosão. O uso de materiais
com dureza superior à de partículas erosivas encontradas na
natureza, tais como a sílica que possui dureza da ordem de
800HV, pode resultar numa maior resistência ao desgaste
por partículas duras. Desta maneira, a dureza da superfície
alvo deve ser de 1,2 vezes maior que a dureza das partículas
erosivas [6]. Esta relação é válida quando o mecanismo de
desgaste é o microcorte, onde a propriedade de maior significância na taxa de desgaste é a dureza [7]. Contudo, um
aumento deliberado da dureza não deve ser realizado em
detrimento à tenacidade. Caso contrário, o impacto das partículas erosivas pode causar fraturas frágeis [8].
Quando o mecanismo atuante é por fratura frágil, em ângulos de incidência normal, a tenacidade também tem uma
parcela importante na resistência à erosão. O desgaste erosivo de materiais frágeis, como por exemplo, cerâmicos, ocorrem basicamente pela formação e propagação de trincas.
Um aumento na tenacidade destes materiais pode ocasionar
em uma maior resistência ao desgaste erosivo [9].
Assim, as variáveis do material devem ser sempre analisadas com base nos mecanismos de erosão predominantes.
Alteração nestes mecanismos devido às condições de erosão
(velocidade de impacto, ângulo de incidência, tipo de fluído,
fluxo de partículas, etc...) podem modificar completamente
qualquer classificação dos materiais com base na taxa de
erosão.
B. Desgaste Corrosivo
A corrosão pode ser definida como uma reação química
ou eletroquímica, entre um material e um meio, que produz
a deterioração do material e de suas propriedades [10]. Para
metais puros e suas ligas, esta reação é decorrente da tendência natural ou espontânea que esses materiais possuem
em retornar para a forma de minerais termodinamicamente
mais estáveis [11].
De uma forma geral, a corrosão é o aumento na velocidade de ataque do metal devido ao movimento relativo entre
um fluido corrosivo e a superfície metálica [12]. Na corrosão, os produtos sólidos que formam sobre a superfície são
arrastados e/ou o metal é removido como íons. Frequentemente, a película sobre a superfície metálica é removida
devido à ação abrasiva de fluidos movendo-se rapidamente,
tal ação pode facilmente levar ao aparecimento de pequenas
regiões anódicas em contato com grandes regiões catódicas,
o que constitui uma situação especialmente perigosa.
A importância dos problemas de corrosão decorre de dois
Início de desprendimento de H2
mento da corrosão deve-se a possibilidade de redução do H+
além do O2 presente no meio [2]. Nestes ambientes a difusão de O2, responsável pela velocidade da reação de corrosão, facilita o desprendimento do hidrogênio.
O efeito do pH pode ser verificado na figura 6, que demonstra a taxa de corrosão do ferro em função do pH. Outro
fator importante para a ocorrência da corrosão no trocador
pode ser atribuído a expressiva quantidade de água que é
formada durante a queima do carvão. Em uma hora são formadas aproximadamente 13 toneladas de vapor d’água, provenientes da combustão do carvão. A umidade relativa dos
gases fica em torno de 6% e sua temperatura em 160 ºC.
Taxa de Corrosão (ipy)
aspectos principais. O primeiro, econômico, em razão do
seu elevado custo. No Brasil, segundo dados de 2006, o
custo anual decorrente da corrosão foi de aproximadamente
40 bilhões de reais. O segundo aspecto está correlacionado
com a preservação das reservas minerais, uma vez que existe a necessidade de produção adicional por conta da reposição do que é deteriorado [13].
Através da figura 5 pode-se observar que as reações eletroquímicas que ocorrem em uma célula de corrosão, onde
se produz tanto um fluxo de elétrons quanto migração de
espécies químicas através do eletrólito. Para que haja uma
célula eletroquímica, quatro processos ocorrem simultaneamente: 1) Oxidação na superfície do ânodo; 2) Redução na
superfície do cátodo; 3) Fluxo de elétrons entre eles através
de uma conexão metálica; 4) Fluxo de íons através de um
eletrólito.
Figura 4. Pilha de eletrodos diferentes [14].
pH
Um fator importante para a determinação da velocidade
de corrosão é a passivação ou não do material. Conforme a
referência [15], passivação sugere a combinação do metal
com o oxigênio, formando uma camada superficial fina de
óxido protetor, tornando esta superfície mais estável ao
meio. O filme passivo separa o metal do eletrólito e por consequência a velocidade de corrosão é reduzida significativamente. A curva de polarização de um metal comporta-se
de três maneiras conforme pode ser observado na figura 5.
A figura 5a apresenta ativação do material a partir do potencial de corrosão (Ec) e passivação a partir da corrente
crítica (Icorr). A figura 5b traz uma curva de polarização onde desde o potencial de polarização (Ep) tem-se a passivação
do metal. Nas figuras 5a e 5b, após certo potencial ocorre o
rompimento do filme passivo pela formação de pites. Já a
figura 5c mostra uma curva semelhante à curva da figura 5a,
porém a passivação ocorre até potenciais mais elevados,
fator que dificulta a formação de pites no filme passivo e
consequemente aumenta a resistência à corrosão do material.
Pites
E
E
Passivação
Ep
Ec
Ativação
Polarização
por
concentração
Pites
E
Passivação
Passivação
Ep
Ec
Figura 6. Efeito do pH na taxa de corrosão do ferro [2].
III. MATERIAIS E MÉTODOS
Visando simular as características operacionais do aquecedor tubular, foram realizados, em laboratório, ensaios de
desgaste erosivo por partículas sólidas, bem como ensaios
de corrosão acelerada em câmara de SO2 e de polarização.
A. Materiais do Substrato
Para os ensaios de desgaste erosivo, corpos de prova cilíndricos de 25mm de diâmetro e 10mm de espessura foram
usinados em aço inoxidável AISI 304. O substrato (nesse
caso) não tem influência na caracterização dos revestimentos metálicos a que este trabalho propõe.
Nos ensaios de corrosão, foi utilizado como substrato seções do próprio tubo empregado no trocador de calor (aço
C-Mn) ASTM 178 A. Para os ensaios de corrosão acelerada
em câmara de SO2 os corpos de prova apresentaram dimensões de 57,15 mm de diâmetro e 100 mm de comprimento.
Além disso, foi depositado um isolamento interno com resina polimérica, deixando somente a superfície aspergida exposta ao meio corrosivo. As amostras para o ensaio de polarização foram confeccionadas de seções dos tubos com
comprimento e largura de 40 mm e espessura de 3 mm.
Ativação
Icorr
Icorr
Figura 5. Curvas de polarização clássicas (Gentil, 1996).
Pode-se também relacionar a ação corrosiva com o pH,
umidade relativa, temperatura do meio corrosivo, entre outros fatores. Em regiões ácidas, com pH menor que 4, o au-
B. Revestimentos
A tabela II apresenta a composição química dos consumíveis de aspersão térmica a arco empregados.
Tabela II. Composição química dos consumíveis de aspersão térmica empregados para a fabricação dos revestimentos.
Revestimento
SM 8400
595 T
SM 8297
AISI 420
Inconel 625
AISI 308
AISI 316L
Alumínio
Fabricante
Sulzer Metco
Eutectic
Sulzer Metco
Sulzer Metco
Sulzer Metco
Sulzer Metco
Sulzer Metco
Sulzer Metco
Composição Química - Percentual em Peso
5% Al, bal. Ni.
À base de FeCrB (composição não divulgada pelo fabricante).
26% WC, 13% Cr, 6% TiC, 6% Ni, 2% B, 1% Si, bal. Fe
13% Cr, 0.5% Ni, 0.5% Mn, 0,35% C, 0,25% Si, 0,06% Outros, bal. Fe
22% Cr, 8% Mo, 5% Fe, 3.15% Nb, 1% Co, 0.50% Mn, 0.50% Si, 0.40% Al, 0.40% Ti, 0.10% C, 0.015% P, Bal Ni
20% Cr, 11% Ni, 2% Mn, 0,08% C, 1% Si Outros, bal. Fe
17% Cr, 12% Ni, 2,5 % Mo, 2% Mn, 0,03 % C, 1% Si Outros bal. Fe
99% Al.
Os revestimentos foram depositados por um equipamento de
aspersão térmica a arco Eutronic ARC SPRAY 4 da
EUTECTIC. Para a aplicação dos revestimentos foi desenvolvida uma bancada automatizada no LAENS (Laboratório
de Engenharia de Soldagem e Aspersão Térmica) da Faculdade SATC, conforme pode ser observado na figura 6.
Cabine com
Exaustão
Bancada
Automatiza-
Mecanismo de
Deslocamento da
Pistola
Figura 7. Bancada para os ensaios de aspersão térmica.
C. Caracterização Microestrutural
Para a caracterização microestrutural, amostras contendo
os revestimentos depositados foram submetidas à preparação metalográfica convencional, sendo utilizado um microscópio ótico Olympus BX51M e um microdurômetro Shimadzu HMV - 2TADW, com carga de 980,7 mN. A caracterização dos mecanismos remoção de material, provenientes
do ensaio de desgaste erosivo foi realizada empregado-se a
técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) através de um equipamento Jeol – JSM – 6390.
A porosidade e o teor de óxidos dos revestimentos foram
determinados utilizando-se o método de análise de imagens
computacional a partir de 10 imagens por revestimento. Foi
utilizado o software Image Tool, empregando-se a técnica
de binarização manual, e o grau de porosidade e de óxidos
na microestrutura foi determinado a partir da relação entre a
área associada aos constituintes e a área total analisada.
D. Ensaio de Erosão Acelerada
Os ensaios de desgaste erosivo realizados neste trabalho
foram feitos com o intuito de avaliar a resistência à erosão
dos revestimentos aplicados pelo processo de aspersão a
arco, comparando-a com a resistência ao desgaste do material atualmente empregado, simulando as condições operacionais de solicitação que ocorrem no aquecedor tubular. O
equipamento utilizado atende a norma ASTM G76 - 95
“Standart Test Method for Conducting Erosion Tests by
Solid Particle Impingemente Using Gás Jets” [4]. A tabela
III sintetiza os parâmetros selecionados para o ensaio de
erosão acelerada, obtidos a partir das condições operacio-
nais do aquecedor tubular.
Tabela III. Características técnicas e dados operacionais.
Temperatura
Fluxo de Massa
Velocidade
Ângulo de Impacto
Erodente
Tamanho do Erodente
Acabamento Superficial
Massa de Erodente por Teste
370 °C
8,0 g/min
30 m/s
30° e 90°
Alumina Eletrofundida Marron
160 µm
Lixa #600
640g
E. Ensaios de Corrosão Acelerada
Visando simular as condições operacionais dos trocadores
de calor, cuja análise da borra formada na região de condensação de gases indicou um pH de 1,96, foram realizados
ensaios de corrosão acelerada em câmara de SO2. Foram
utilizados corpos de prova constituídos por tubos ASTM
178A seccionados em comprimento de 96 mm, diâmetro de
57 mm e espessura de 3 mm.
Durante os ensaios, os CPs foram submetidos a 8 horas
ininterruptas em contato direto com o SO2, e, posteriormente, a um ambiente com umidade relativa elevada e com temperatura de 40 ± 3 ºC durante 16 horas, completando assim
às 24 horas de um ciclo. Foi empregada uma vazão de SO2
de 2 litros por ciclo. O equipamento no qual foram realizados os ensaios atende a norma ASTM G87-02 Standard
Practice for Conducting Moist SO2 Tests. Foram realizadas
medições de massa nos corpos de prova nos intervalos entre
cada ciclo de 24 horas, num total de 03 ciclos ou 72 horas
de ensaio.
F. Ensaios de Polarização
Os ensaios de polarização foram realizados conforme a
norma ASTM G5-94 [16]. As amostras foram colocadas em
uma célula eletrolítica de 3 eletrodos especialmente concebida para curvas de polarização (célula de trabalho) com
área de amostra exposta de 0,63 cm2 em região da amostra
distante das bordas, e potencial variando entre -1V a 1,7 V.
Como eletrodo de referência, foi utilizado o eletrodo de
Ag/AgCl e como contra eletrodo um fio de platina. Todas as
análises foram realizadas em H2SO4 1M aquoso e a temperatura ambiente. Após a realização dos ensaios, as amostra
foram retiradas para análise e os dados foram tratados através do Software Origin 8® e GPES Manager®, para obtenção dos gráficos e valores necessários.
IV. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A. Ensaio de Erosão Acelerada
Na tabela 7 são apresentados os valores de densidade teórica, porosidade e densidade aparente dos revestimentos
estudados para a proteção contra o desgaste erosivo. A densidade teórica foi obtida através de especificações técnicas
dos fabricantes dos consumíveis, e o valor da densidade
aparente é fundamentalmente influenciado pela porosidade
contida nos revestimentos, sendo indispensável para o cálculo da taxa de erosão de cada revestimento.
Tabela IV. Propriedades dos revestimentos aplicados para proteção contra
desgaste erosivo.
Material
ASTM A178
595 T
SM 8297
AISI 420
Inconel 625
Densidade
Teórica (g/cm³)
7,86
6,74
8,85
7,70
8,44
Porosidade
(%)
0,0
2,8
11,5
2,1
3,5
Densidade
Aparente (g/cm³)
7,86
6,55
7,84
7,54
8,14
Com exceção do material SM8297, que apresentou 11,5%
de porosidade, verifica-se que os demais revestimentos testados atendem ao critério proposto por [17], onde níveis de
porosidade superiores a 5% inviabilizam a aplicação do revestimento para aplicações em desgaste erosivo. As imagens
contidas na tabela V ilustram as amostras submetidas ao
ensaio de desgaste erosivo.
Tabela V. Amostras pós-ensaio de erosão em ângulos de incidência de
erodente de 30° e 90°.
Erodente 90º
Tabela VI. Resultados obtidos a partir dos ensaios de erosão.
Revestimento
Aço ASTM
178A
595 T
SM 8297
AISI 420
Inconel 625
Ângulo de
Impacto
30°
90°
30°
90°
30°
90°
30°
90°
30°
90°
Taxa de erosão
(cm³/gerodente) * 10-6
2,226
1,389
4,129
4,137
5,136
9,438
2,640
2,868
4,237
4,045
Dureza
(HV)
130 ± 6
900 ± 179
1044 ± 240
508 ± 85
339 ± 37
Verifica-se a partir da tabela VI que os revestimentos aspergidos se apresentaram menos resistentes ao desgaste erosivo quando comparados ao material atualmente utilizado
nos tubos dos trocadores de calor (ASTM 178A). Todavia, o
revestimento com aço inoxidável AISI 420 apresentou resistência ao desgaste erosivo semelhante ao ASTM A178 em
ângulo de incidência de 30o, onde, de acordo com dados
históricos, existe uma maior intensidade e predominância do
desgaste dos tubos.
De uma forma geral, os resultados de taxa de erosão foram inesperados por dois motivos: 1) a dureza do aço
ASTM A178 (130 HV) é inferior em relação aquela observada nos revestimentos aspergidos, os quais variam entre
339HV a 1044 HV; e 2) as propriedades mecânicas dos revestimentos em alta temperatura são superiores a do aço.
Aparentemente os resultados mostraram que a dureza não
deve ser um guia orientativo para a seleção do material em
aplicações envolvendo desgaste erosivo.
No caso de revestimentos aspergidos, a porosidade tem
importância fundamental sobre a resistência à erosão. A
figura 8 demonstra que a taxa de erosão em ensaios de desgaste realizados com ângulo de incidência de erodente a 90o
pode ser altamente correlacionada com o nível de porosidade encontrado no material analisado.
Inconel625
AISI420
595T
SM8297
178A
Erodente 30º
cada revestimento em cada ângulo de impacto, bem como os
valores de microdureza de cada uma das microestruturas
analisadas estão apresentadas na tabela VI.
Os valores de taxa de erosão volumétrica, obtidas para
Figura 9. Influência da porosidade sobre a taxa de erosão em 90º.
A figura 10, apresenta um comparativo entre os ângulos
de incidência de erodente a 30º e 90º. Pode ser observado no
caso do aço ASTM A 178 que a taxa de remoção de material é mais acentuada em baixos ângulos de incidência (30o),
sugerindo assim um mecanismo dúctil de desgaste erosivo.
Por outro lado, a taxa de desgaste do revestimento SM 8297
(o qual possui alto nível de dureza) foi mais acentuada com
ângulo de incidência de erodente a 90o, sugerindo como
frágil o mecanismo de desgaste erosivo.
Um melhor entendimento dos mecanismos de remoção de
material pode ser realizado a partir das análises das micrografias obtidas por MEV. As figuras 12A e 12B apresentam
os resultados das superfícies erodidas do aço ASTM A 178
em ângulos de 30o e 90o, respectivamente. Verifica-se que
quando erodido em baixo ângulo de incidência (30o), o material sofreu um mecanismo de desgaste por microcorte
(abrasão), com formação de lábios de cisalhamento. Em alto
ângulo de incidência (90o ) observa-se uma intensa deformação plástica caracterizada pela presença de indentações
com morfologia angular proveniente da ação do erodente.
Estas informações corroboram para o fato de que este material apresenta um mecanismo de remoção de material preponderantemente dúctil.
A
Figura 10. Influência da porosidade sobre a taxa de erosão em 30º e 90º.
Uma alternativa para explicar a diferença no comportamento do desgaste nos revestimentos aplicados pelo processo de aspersão a arco, pode estar evidenciado nas microestruturas e nos mecanismos de remoção de material durante o
ensaio de erosão. As microestruturas dos revestimentos aspergidos apresentaram, dependendo do tipo de liga, alguns
constituintes típicos, tais como: partículas parcialmente fundidas, fases heterogêneas, óxidos e porosidade.
A figura 11 apresenta micrografias obtidas por microscopia ótica dos revestimentos depositados neste trabalho antes
do ensaio de erosão. Verifica-se que os revestimentos depositados com AISI 420 e Inconel 625 apresentaram baixos
níveis de porosidade.
AISI 420
B
A Inconel 625
Poros
Óxidos
B
Indentações
Microcorte
Figura 12. Micrografias obtidas 30º
por MEV do aço ASTM A 178 erodido
90ºa
30º(A) e a 90º(B).
Embora tenha sido constatada uma baixa perda de massa
durante os ensaios de desgaste erosivo do aço ASTM A178,
verificou-se duas possíveis fontes de incerteza no cálculo da
taxa de erosão dos corpos de prova. A figura 13A apresenta
uma evidência de incrustação de partículas de erodente em
ângulos de 90o. Além disso, observou-se que quando submetidas a um ciclo térmico compatível com o ensaio de desgaste erosivo (370oC por 80 minutos) amostras desse material apresentaram um ganho de massa por oxidação da ordem de 2,6 mg (Figura 13B).
Poros
A
Antes do
Ensaio
Após o
Ensaio
53,8002g
53,8028g
B
Camada Base
Camada Base
Substrato
C SM8297
595T
D
Poros
Microtrincas
Microtrincas
Camada Base
Substrato
Camada Base
Substrato
Figura 11. Micrografias obtidas por microscopia ótica.
Pode ser observado que no revestimento SM 8297 há a
presença de uma alta densidade de microtrincas na seção
transversal da camada aspergida, confirmando a característica de elevada fragilização deste material. Embora também
esteja evidenciada a presença de microtrincas no revestimento 595T, a análise da taxa de erosão (figura 10) reportou
um comportamento de perda de material semelhante nos
dois ângulos de ensaio de desgaste (30o e 90o), caracterizando-o como um material de maior tenacidade.
Erodente
Incrustado
Figura 13. Incrustação de erodente (A). Ganho de massa (B).
Considerando que a perda de massa no C.P.
ASTM 178 A, erodido a 30o foi de 11,5 mg, enquanto que
no C.P. revestido com aço inoxidável AISI 420 erodido a
30o foi de 12,8 mg, não existem evidências suficientes para
se afirmar que o aço ASTM A 178 apresente resistência ao
desgaste erosivo superior ao material revestido, devido aos
ganhos de massa por oxidação e por incrustação de erodente.
A observação no MEV das amostras revestidas com o aço
inoxidável AISI 420 (figuras 14A e B) e com a superliga a
base de níquel Inconel 625 (Figuras 14 C e D) remetem para
um mecanismo de remoção de material por erosão de forma
predominantemente dúctil, de forma semelhante ao aço
ASTM 178 A.
A
B
Indentações
Microcorte
30º
C
90º
Microsulcamento
D
do obter informações referentes ao potencial de corrosão
(Ecorr) e corrente de corrosão (Icorr) de cada material analisado.
A figura 15 apresenta a curva de polarização obtida para
o aço ASTM A178 em H2SO4 1M e sua respectiva análise
pelo método de Tafel com auxílio do Software GPES Manager®, que consiste em traçar duas retas tangentes às curvas de polarização, uma no ramo catódico (inferior) e outra
no ramo anódico (superior) conforme pode ser visualizado
na figura 16. Na intersecção das duas retas são determinados
os valores de potencial e corrente de corrosão.
Microcorte
Microcavaco
Espiral
C
90º
30º
Figura 14. Micrografias obtidas por MEV. Revestimento AISI 420 erodido
a 30o(A). Revestimento AISI 420 erodido a 90o (B). Revestimento Inconel
625 erodido a 30o(C). Revestimento Inconel 625 erodido a 90o(D).
Sob baixos ângulos de incidência de erodente, observa-se
evidências de microcorte em ambos os materiais respectivamente. Adicionalmente, pode ser observada a formação
de microcavacos em espiral na amostra revestida com Inconel erodida a 30o (Figura 14C), típico de materiais de elevada ductilidade. Observou-se também a ocorrência de remoção de material atribuída a eventos de corte em alto ângulo
de ataque, que associado aos defeitos oriundos do processo
de aspersão térmica podem estar aumentando a taxa de remoção de material em amostras dúcteis erodidas a 90o (figura 14D), equiparando-se aos valores de perda de material em
baixo ângulo de desgaste, conforme observado para o aço
AISI 420 na figura 10.
A Figura 15 apresenta micrografias obtidas por MEV de
revestimentos depositados com SM 8297 erodidas a 90o. A
alta fragilidade deste material caracterizada pela presença de
uma rede de trincas interligadas (previamente visualizadas
na Figura 10), associada à alta quantidade de poros (superior
a 10%) proporciona a obtenção de fratura por mecanismos
de clivagem. Dessa forma, sugere-se que o fator preponderante para a elevada perda de massa nesse revestimento
ocorra por lascamento de "camadas" de material.
B
A
Figura 16. Curva de polarização para o aço ASTM 178A: Método de obtenção dos valores de potencial e corrente de corrosão atreves do método de
Tafel com o auxílio do Software GPES Manager®.
Verifica-se, de acordo com a figura 16, que para o aço
ASTM 178A a densidade de corrente apresenta um aumento
significativo a partir do potencial de corrosão (Ecorr) de
-399mV (ponto A). Continuando a elevação de potencial até
aproximadamente 420mV (ponto B), observa-se uma acentuada queda na densidade de corrente, indicando a formação
de um filme passivo. Todavia a densidade corrente volta a
aumentar próximo a 700mV (ponto C), indicando que o
filme passivo não é estável, prosseguindo até a dissolução
do substrato.
A figura 17 apresenta a sobreposição das curvas de polarização para os materiais ensaiados. Verifica-se que o
alumínio apresentou o menor potencial de corrosão entre os
materiais ensaiados, enquanto o Inconel 625® apresentou o
maior. De uma forma geral, os materiais apresentaram curva
de polarização característica, onde nota-se a queda da corrente de corrosão evidenciando o início do filme passivo e
em seguida, o seu aumento, confirmando a fragilidade do
óxido gerado.
Alumínio
Clivagem
Trincas
Inconel 625
Figura 15. Micrografias obtidas por MEV. Revestimento SM8297 erodido a
90º.
Alumínio
B. Ensaio de Polarização
O ensaio de polarização consiste em variar linearmente o
potencial aplicado ao eletrodo de trabalho (a própria amostra), tendo como resposta a corrente que circula entre os
eletrodos. Esse ensaio é utilizado para se conhecer o comportamento de corrosão dos materiais aspergidos, permitin-
ASTM 178A
Figura 17. Curvas de polarização.
O fenômeno de passivação no alumínio acontece espontaneamente em sua reação com o oxigênio, pois no processo
de aspersão térmica a arco, o revestimento apresenta grande
quantidade de óxidos e nitretos devido à interação com o ar
atmosférico. Tal fato contribui para o aumento significativo
de sua resistência a corrosão, devido a facilidade de passivação do óxido de alumínio. Por esse fato, a curva de passivação do alumínio difere dos demais materiais, apresentando uma inclinação de quase 90º, indicando um pequeno
crescimento da corrente de corrosão após a passivação, garantindo boa resistência a corrosão.
Após a utilização do método de Tafel em todas as curvas,
foram obtidos os valores de potencial e corrente de corrosão
expostos na tabela VII. Observa-se que os revestimentos de
Inconel 625® e alumínio apresentaram os melhores resultados, pois, considerando que a corrente de corrosão é diretamente proporcional à taxa de corrosão, pode-se afirmar que
esses revestimentos apresentaram uma taxa de corrosão da
ordem de 10 vezes inferior aos demais.
C. Ensaio de Corrosão Acelerada em Câmara de SO2
A figura 19 apresenta a evolução da variação de massa
nas amostras submetidas ao ensaio de corrosão acelerada em
SO2. Observa-se que todos os revestimentos aspergidos
apresentaram ganho de massa, inclusive o tubo sem revestimento, devido à formação de óxidos na superfície. A natureza desses óxidos é responsável pela maior ou menor resistência a corrosão de cada um dos materiais.
Tabela VII. Potencial e corrente de corrosão nas amostras.
Amostras
(Inconel 625)
(Alumínio)
(AISI 316)
(AISI 308)
(ASTM 178A)
(AISI 420)
Potencial
(Ecorr) [V]
-0,248
-0,518
-0,287
-0,419
-0,399
-0,414
Corrente
(Icorr) [A/cm²]
2,6.10-4
3,9.10-4
1,3.10-3
1,7.10-3
2,9.10-3
4,1.10-3
Corrente Crítica
(Icrit) [A/cm²]
6,0.10-3
1,0.10-3
1,1.10-2
1,9.10-2
1,5.10-1
5,4.10-2
Ao se comparar o potencial de corrosão do aço ASTM
A178 (-399 mV, ECS), com o potencial de corrosão do revestimento com alumínio (-518 mV, ECS), e com o potencial de corrosão do Inconel 625® (-248 mV, ECS), verificase que o aço é 119 mV mais nobre que o alumínio em solução de H2SO4 1M. Isto significa que, ao se colocar estes
dois materiais em contato, o alumínio irá proteger o aço pelo
processo de proteção catódica, onde o alumínio pode se
comportar como um ânodo de sacrifício conforme a pilha
esquemática da figura 18.
Por outro lado, o Inconel 625® protegeria o aço pelo processo de proteção anódica, semelhante a uma pintura, sendo
que qualquer desplacamento do revestimento aspergido poderia expor o substrato ao processo de corrosão, diferentemente do alumínio aspergido.
Figura 19. Evolução do ganho de massa dos revestimentos.
A figura 20 apresenta um comparativo entre o comportamento de resistência a corrosão para o alumínio aspergido
(figura 20A) e para o tubo ASTM 178A na condição sem
revestimento (figura 20B). Pode ser observado que os CPs
aspergidos com alumínio apresentaram a formação de óxidos estáveis (característicos da oxidação do alumínio), garantindo maior proteção contra corrosão. Por outro lado, os
tubos ensaiados sem revestimento apresentaram a formação
de óxido de ferro, os quais apresentam menor aderência,
facilitando assim a sua remoção e por consequência o aumento da velocidade de corrosão.
A
Óxidos
Estáveis
B
Óxidos
Instáveis
Figura 20. Corpos de prova após ensaio de corrosão em SO2: Revestimento
de alumínio aspergido (A); Aço ASTM 178A sem revestimento (B).
Figura 18. Esquema da pilha eletroquímica formada no tubo revestido.
Verifica-se, após as realizações dos ensaios de corrosão,
que o alumínio atende os requisitos de forma plenamente
satisfatória. Outra questão que torna o alumínio o principal
candidato a revestimento para proteção contra corrosão é
que o seu custo relativo é dez vezes inferior ao Inconel 625.
Além disso, ensaios de dobramento caracterizam o alumínio
como sendo o material de melhores características de adesão
e coesão do revestimento aspergindo, aceitando índices elevados de deformação plástica sem trincas, conforme pode
ser observado nos ensaios de dobramento da figura 21.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AISI 308
Incon. 625
AISI 316
Alumínio
AISI 420
[1]
[2]
[3]
[4]
Figura 21. Comportamento dos revestimentos ao ensaio de dobramento.
V. CONCLUSÕES
A partir da análise dos resultados obtidos, pode-se concluir que:
• Os revestimentos utilizados neste estudo apresentaram
uma taxa de erosão volumétrica superior ou muito próxima
a do aço ASTM A178. Todavia, existe uma incerteza nos
valores obtidos no ensaio de erosão do aço ASTM A178 em
virtude dos eventuais ganhos de massa por incrustações de
partículas erodentes sobre a superfície desgastada e, principalmente, por oxidação. Desta forma, medidas comparativas
efetivas só poderão ser realizadas mediante a avaliação dos
resultados nas condições de desgaste erosivo em operação.
• O desgaste erosivo de revestimentos metálicos está fortemente correlacionado aos defeitos presentes nas microestruturas, particularmente porosidades e microtrincas;
• O mecanismo de desgaste erosivo está diretamente associado ao ângulo de incidência do erodente e às propriedades mecânicas dos materiais envolvidos;
• A medida de dureza não deve ser utilizada como único
critério de seleção de materiais para aplicações em desgaste
erosivo;
• O revestimento SM 8297, indicado para essa finalidade, apresentou o pior comportamento frente ao desgaste
erosivo, em virtude de sua elevada dureza média (1044
HV), elevada densidade de microtrincas e elevada porosidade (11,5%);
• O revestimento com aço inoxidável AISI 420 propiciou
o melhor desempenho em relação ao desgaste erosivo (caracterizado por obter as menores taxas de erosão), devido à
baixa porosidade (2,1%) e níveis médios de dureza razoáveis (508 HV).
• Nos ensaios de corrosão acelerada em câmara de SO2,
todas as amostras apresentaram formação de óxidos, ou seja,
todas obtiveram ganho de massa ao reagir com o meio corrosivo;
• Considerando que o menor ganho de massa indica menor corrosão do material, o alumínio obteve o melhor comportamento sob esse aspecto;
• De acordo com os ensaios de polarização, houve passivação do material em todas as amostras, exceto o Alumínio.
A não passivação do alumínio era esperada, uma vez que
esse comportamento não é característico do material;
• A metalização com o alumínio obteve melhor comportamento no ensaio de dobramento e menor índice de porosidade, sendo a melhor solução para proteção contra corrosão.
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
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