Os aços inoxidáveis na condução de água potável domiciliar. Autor: Eng. Dante A. Taddei Diretor de Hidrinox S.A. Buenos Aires – República Argentina No final da Segunda Guerra Mundial a utilização de ligas de aços inoxidáveis teve um incremento exponencial na área da construçäo civil. Já em 1928 um dos primeiros prédios no mundo a usar aço inoxidável foi o Chrysler Building, em Nova York, construído pelo Arquiteto William Van Allen. Neste edifício o revestimento da cúpula foi feito em liga AISI 302 (de qualidade inferior ao nosso atual AISI 304), sendo a espessura das chapas utilizadas medida por especialistas anualmente, ao longo de quase oitenta anos. A ocorrência da corrosão levaria a uma diminuição da espessura das chapas, mas como não há diminuição de espessura, conclui­se que não ocorreu a corrosão. Desde então, fachadas de lojas comerciais, corrimãos de escadas, revestimento de elevadores, pias e móveis de cozinha, geladeiras, lavabos, cadeiras e móveis em geral, são só alguns dos elementos que usam um material harmonioso desde o ponto de vista arquitetônico, unido a sua alta resistência mecânica, muito elevada resistência à corrosão, possibilidade de rápida limpeza e ainda com o maior grau de salubridade possível. Na segunda metade do século XX, o aço inoxidável passa a ser utilizado nos serviços de distribuição de água potável nos países desenvolvidos. Assim, Japão e Estados Unidos começam a substituir as antigas e obsoletas redes de tubulações de abastecimento de água potável por tubulações de aços inoxidáveis AISI 304 e 316 e rapidamente eles foram imitados pela Alemanha e outros paises europeus que necessitavam reconstituir suas redes ao término da Segunda Grande Guerra. Na atualidade os aços inoxidáveis são a cada dia mais usados no mundo inteiro nos sistemas de condução de água potável. No entanto, os aços inoxidáveis nas formas de tubulações e conexões eram usados normalmente pelas indústrias química, farmacêutica, petroquímica, nuclear e alimentícia, não sendo muito conhecidos na engenharia da água, nem tão pouco nos encanamentos, apesar do conhecimento geral sobre os atributos do material e os possíveis métodos de união (soldagem e união roscada), os quais são um tanto quanto custosos. Mas existem muito boas razões para considerar que os aços inoxidáveis são os materiais mais adequados nas instalações de água potável de hotéis, hospitais, hipermercados, centros comerciais e edifícios de escritórios e habitações. Neste artigo vamos mostrar algumas das razões pelas quais o aço inoxidável é de fato o melhor material para a condução de água potável. Acredita­se que toda a informação aqui contida será do interesse de assessores sanitários, engenheiros de manutenção, encanadores como também pelos investidores e usuários da rede de condução de água potável.
O desenvolvimento deste artigo irá obedecer à seguinte itemização:
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Por que temos de usar aços inoxidáveis?
Propriedades dos aços inoxidáveis
Resistência à corrosão dos aços inoxidáveis
A potabilidade das águas
Tubulações e conexões (normas)
Sistemas de montagens Por que razão temos de usar aços inoxidáveis? Nas décadas de 1.940 e 50 foram estudadas diversas doenças (como o saturnismo e o câncer) as quais poderiam ser causadas pelos desprendimentos das tubulações dos prédios habitacionais de chumbo e também de aços galvanizados, portanto essas tubulações foram perdendo sua fatia de mercado e, porém começaram a se utilizar tubulações de cobre ou bronze e posteriormente tubulações plásticas tipo PVC, CPVC e outros polímeros. Nos últimos anos a EPA (Environmental Protection Agency) dos USA, tabulou os valores máximos de metais e microorganismos admissíveis nas águas potáveis. Segundo o National Primary Drinking Water Regulation também as tubulações de cobre e de materiais plásticos foram questionadas, a primeira pelo alto risco de contrair problemas gastrintestinais e doenças do fígado; a segunda pelo risco de contrair algum tipo de câncer. Estes alertas, trouxeram a possibilidade de usar materiais alternativos substitutos e de maior segurança nas tubulações de condução de água potável. O material que se apresenta como a melhor e mais segura alternativa para a saúde humana são os aços inoxidáveis, os quais têm as seguintes vantagens:
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Apresentam boa resistência à corrosão. Esta qualidade permite ter a água nos padrões mais altos de potabilidade, incluído águas moles, o que é sumamente valioso em grandes edifícios.
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Têm alta resistência mecânica, mesmo no estado recozido.
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As tubulações de aço inoxidável não são afetadas pelas elevadas velocidades do fluxo da água.
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O aço inoxidável tem muito baixo ou mesmo nulo custo de manutenção, e ao mesmo tempo sua vida útil é muito longa.
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Os aços inoxidáveis são materiais não tóxicos
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As tubulações de aços inoxidáveis usadas em contato com água potável podem ter espessuras de parede mais finas em comparação com outras
tubulações de diferentes materiais, porém o peso das estruturas é menor e a sua manipulação é facilitada.
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As tubulações de aços inoxidáveis são muito estéticas é têm bons acabamentos superficiais, portanto são ideais para instalações aparentes.
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As tubulações de aços inoxidáveis resistem à agressão externa casual provocada por pregos ou parafusos.
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Geralmente a tubulação de aço inoxidável não precisa de isolamentos especiais, já que os cimentos e as misturas típicas da construção não a atacam nem corroem.
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O aço inoxidável não tem permeabilidade ao ar e não são atacados pelos raios ultra­violeta (UV).
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Os aços inoxidáveis não são atacados por ratos nem outros animais.
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Os aços inoxidáveis são 100% recicláveis
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As tubulações de aços inoxidáveis são compatíveis com as antigas instalações de cobre.
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Durante a última metade do século XX, foram desenvolvidos novos sistemas de união e montagem os quais reduzem notavelmente os custos de instalação, porém agora os aços inoxidáveis são competitivos em comparação a outros materiais. Pelo exposto conclui­se que as tubulações de aços inoxidáveis são as mais adequadas para uso nas instalações domésticas de condução de água potável. Propriedades dos aços inoxidáveis Todas as ligas de ferro, só poderão ser chamadas de aços inoxidáveis se tiverem um teor de cromo (Cr) igual o superior a 13%. Por isso existem muitos tipos diferentes de aços inoxidáveis os quais têm um amplo espectro de resistência à corrosão e diferentes propriedades mecânicas. Não obstante, para as tubulações de condução da água, existem somente duas principais famílias de ligas a serem consideradas. Este são as conhecidas como AISI 304 e AISI 316. A liga AISI 316 contém mais altos níveis de Níquel (Ni) e ainda mais o Molibdênio (Mo) na sua composição, porém esta liga tem uma maior resistência à corrosão em contato com águas agressivas. Não obstante, as
ligas da família do AISI 304 são normalmente usadas em contato com quase todos os tipos de água potável domiciliar. Estes aços inoxidáveis são fortes, de elevada resistência mecânica, dúcteis e não são frágeis na faixa de temperatura menor que os 400°C. Sua alta resistência à corrosão é causada pela precipitação, em sua superfície, de uma camada incolor e estável de óxido de cromo, a qual se forma em contato com o oxigênio (tanto do ar como da água). Esta camada possui a propriedade de auto­regeneração, o que quer dizer que uma vez danificada ela se recompõe na presença do oxigênio. Toda a água potável tem uma quantidade de oxigênio suficiente para formar e regenerar esse filme protetor e saudável. Estas ligas da família do AISI 304 (AISI 304; AISI 304L; AISI 321, AISI 347) são resistentes tanto a águas duras como a moles. Todas estas ligas suportam altas velocidades de fluxo de água (até 30 m/s) e não demonstram sofrer os efeitos de erosão e nem tão pouco de turbulência, quando obedecidas as faixas de valores de pH especificados para as águas potáveis nas normas norte­americanas (EPA) e européias (UNE). Propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis Liga Limite de Limite de Alongamento escoamento ou resistência à mín. de tração mínimo % proporcionalidade N/mm 2 (0,2%) mínimo N/mm 2 AISI 304 230 540 – 750 45 AISI 316 240 530 ­ 680 40 Tabela I – Limite de escoamento, de resistência e alongamento para os aços inoxidáveis AISI 304 e 316 O aço inoxidável tem coeficiente de expansão térmica muito semelhante ao do cobre e seu calor especifico é 1,5 vezes maior do que o daquele metal. As propriedades mecânicas apresentadas no quadro acima indicam que o material AISI 304 e muito mais resistente que o cobre, mas ele mantém uma boa ductilidade o qual torna as tubulações construídas com o material muito mais fortes e mais resistentes a acidentes comuns em obras (como por exemplo, perfurações causadas por pregos ou parafusos) que aquelas feitas de cobre. Resistência à corrosão dos aços inoxidáveis O aço inoxidável tem uma excelente resistência à corrosão em água potável. Reafirmando o dito anteriormente, sua fina e invisível camada passiva de óxido de cromo confere ao material uma resistência máxima à corrosão geral e minimiza seu desgaste.
Resiste à corrosão muito mais que qualquer outra tubulação metálica mesmo a altas velocidades de fluxo. Uma velocidade de fluxo de 6 m/s provoca uma corrosão no inox equivalente à taxa de 0,0001 mm/ano, a mesma velocidade em uma tubulação de cobre induz uma taxa de corrosão de 0,042 mm/ano. O AISI 304 pode trabalhar com velocidades de fluxo de até 30 m/s e resistir perfeitamente à corrosão–erosão devido às turbulências. Esta resistência à corrosão faz com que a ruptura da camada passiva de óxido de cromo seja pouco provável. Quando em presença de íons halogenetos acumulados (cloretos, brometos, fluoretos, iodetos) a possibilidade de ruptura da camada passiva é incrementada. Na prática, a possibilidade de acontecer corrosão por contato (crevice corrosion) ou corrosão alveolar (pitting corrosion) nos aços inoxidáveis AISI 304 é muito pouco provável em contato com águas potáveis naturais as quais contêm até 250 PPM de cloretos em solução. Nos aços inoxidáveis da família AISI 316 a probabilidade de corrosão por pites é nula até 1000 PPM de cloretos. O órgão encarregado da salubridade na Europa e nos EUA indica que, uma água para ser potável, tem de ter um conteúdo de cloretos de até 250 PPM. Na prática, na maioria dos países a concentração média de cloretos livres não é superior a 40 PPM. Nestes casos a família do AISI 304 é 316 são usados normalmente. Para águas muito cloradas é recomendável a utilização de AISI 316. A corrosão sob tensões (conhecida como stress corrosion cracking) pode tanto afetar aos aços inoxidáveis de ambas as famílias (AISI 304 e AISI 316) quando estão presentes os seguintes fatores conjuntos:
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Temperatura do material maior a 50°C.
Altas concentrações de cloretos na solução.
Tensões de tração no material. Na prática, é difícil achar este tipo de corrosão em tubulações em contato com água fria ou quente, e na realidade é pouco provável esta corrosão em águas potáveis com nível de cloretos menores a 250 PPM e a temperaturas normais de sistemas domésticos. Muitas vezes, a fim de preservar a superfície externa da tubulação de aço inoxidável, e normal isolar a mesma. Neste caso, os materiais usados como recobrimentos deverão ser mantidos sempre sem umidade (por exemplo, materiais de alumínio com asfalto). No caso da corrosão galvânica, poderemos dizer que os aços inoxidáveis são mais nobres que os aços carbono, mesmo que estes sejam galvanizados e, se estão em contato, deve­se isolar os materiais com luvas dielétricas para evitar a corrosão do metal menos nobre. Os aços inoxidáveis são ligeiramente mais
nobres que o cobre e as suas ligas, mais na pratica os dois materiais poderão ser mantidos em contato sem ocorrer a corrosão galvânica. A potabilidade das águas e a desinfecção dos aços Muitas vezes as tubulações de edifícios, de laboratórios ou de hospitais precisam ser desinfetadas, a fim de prevenir o crescimento de algas ou bactérias. Na maior parte das vezes essas tubulações são desinfetadas com soluções ¨sanitizadoras¨ as quais contêm hipocloritos ou cloro mesmo. Em condições normais, os teores de cloro dessas soluções não afetam o uso de aço inoxidável. Em situações especiais torna­se necessário fazer uso de soluções com altas concentrações de cloro, o que deverá ser levado em consideração na especificação do material construtivo da tubulação para que esta não seja afetada por corrosão devido ao ataque do cloro. Igualmente, os níveis de cloro nas soluções de limpeza deverão ser os mais baixos possíveis, entre 25 é 30 PPM de cloretos livres, ou os tempos de contato com a solução não será de mais e 24 horas. Existem instituições que usam outros tipos de desinfetantes, como o ácido acético, que tem menor risco de afetar as tubulações. Também podem ser usados tratamentos químicos baseados em ozônio para limpar sistemas de condução de água. A potabilidade das águas pode ser alterada pelos desprendimentos de componentes das ligas tanto metálicas como plásticas, é isso pode chegar a contaminar as águas com resíduos tóxicos que afetam a saúde humana. Podemos ver a lista de resíduos tóxicos que são admitidos pela EPA e também pela UNE na página web: www.epa.gov . Nesta listagem os resíduos de cobre (Cu) estão permitidos até 1,3 mg/l e eles provêm geralmente da corrosão das tubulações domésticas. Estes resíduos, em curtos tempos de exposição dentro do organismo humano provocam doenças gastrintestinais e com tempos mais longos até podem afetar severamente o fígado e também os rins. No mesmo sentido, o cádmio (Cd), que geralmente provém da corrosão das tubulações galvanizadas, é aceito até um teor de somente 0,005 mg/l, e ele provoca doenças nos rins. (**) O chumbo (Pb) foi totalmente proibido, não se admitindo nem traços deste metal na água domiciliar, pela possibilidade de doenças em crianças e adultos. Estes resíduos podem vir de velhas tubulações de chumbo e também de soldas de tubos de cobre efetuadas com ligas que contêm este metal. Também diversos componentes orgânicos, os quais estão presentes na maioria dos materiais plásticos, afetam a saúde humana, o cloreto de vinila, que provém, entre outras, da decomposição das tubulações de PVC é o mais daninho para a saúde humana pela possibilidade de acrescer o risco de contrair câncer.
A potabilidade das águas não é alterada pelo uso dos aços inoxidáveis, visto que eles desenvolvem em suas superfícies em contato com a água uma camada passiva de óxido de cromo que é muito estável. Isto faz com que os aços inoxidáveis sejam os materiais mais adequados para as tubulações de água potável domiciliar. Os aços inoxidáveis estão na listagem da NSF (National Science Foundation) como materiais aprovados para uso com águas potáveis e todos eles estão aprovados nos Estados Unidos pela ANSI/NSF 61 é na Europa pela DWI Regulation 25 (1)C. (*) Extr aído de “guidelines for dr inking water quality, 2nd ed. Vol.2 Health cr iter ia and other suppor ting infor mation, pp. 281­283) – Geneva, Wor ld Health Or ganization” (**) Extr aído de “National Pr imar y Drinking Water Regulations – Envir onmental Pr otection Agency” Tubos e conexões (normas) Tubos A Tabela II informa a composição química de alguns tipos de aços inoxidáveis austeníticos. Grado C % Cr % Ni % Mo % Ti % Nb % AISI (UNS) 304 0.08 máx. 17.0 ­ 8.0­11.0 (30400) 19.5 304L 0.03 máx. 18.0 – 8.0 ­ 11.0 (30403) 20.0 321 0.08 máx. 17.0 – 9.0 – 13.0 5xC – 0.7 (32100) 20.0 máx. 347 0.08 máx. 17.0 – 9.0 – 13.0 10xC – 1.0 (34700) 20.0 máx. 316 0.08 máx. 16.0 – 11.0 – 2.0 – 3.0 (31600) 18.0 14.0 316L 0.03 máx. 16.0 – 10.0 – 2.0 – 3.0 (31603) 18.0 15.0 316Ti 0.08 máx. 16.5 – 10.5 – 2.0 –2.5 5xC – 0.7 (31635) 18.5 13.5 máx. Tabela II – Composição química de alguns aços inoxidáveis austeníticos
As normas de fabricação das tubulações standard que são usadas nos sistemas de condução de água potável, são os seguintes: ASTM A­312 ­ Tubos de aços inoxidáveis com e sem costura ASTM A­269 ­ Tubos de aços inoxidáveis com e sem costura para serviços gerais. JIS 3448 ­ Tubos de aços inoxidáveis para condução de água em serviços gerais BS 4127 ­ Tubos de aços inoxidáveis leves para condução de água. Cada uma destas normas de fabricação adapta­se em maior ou menor grau para alguns dos sistemas de montagem dos que vamos mostrar a seguir. Também existem outras normas de fabricação de tubulações as quais são específicas para a indústria alimentícia ou para a indústria farmacêutica, onde são solicitados tubos sem costura, ou também tubos com costura com a parte interna do cordão de solda polido. Conexões A maior quantidade de conexões usadas nos sistemas de montagem das tubulações de aços inoxidáveis é fabricada de acordo com as seguintes normas, as quais poderão ser cumpridas totalmente ou em parte com algumas modificações que deverão ser especificadas. ASTM A­403 Conexões de aços inoxidáveis. ASTM A­182 Conexões forjadas de aços inoxidáveis ASTM A­733 Nipples de aços inoxidáveis ASTM A­778 Produtos tubulares de aços inoxidáveis com solda BS 4368 Conexões para compressão JIS 3447 Produtos tubulares de aços inoxidáveis para a indústria sanitária Sistemas de montagem Existe uma variedade de sistemas de união de tubos e conexões para efetuar a montagem das tubulações, as quais também podem ser combinadas umas com outras, como segue:
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Uniões soldadas
Uniões roscadas
Uniões por flangeada
Uniões por compressão
Uniões ranhuradas
Uniões por alta compressão (HHC) As uniões soldadas de tubulações de aços inoxidáveis são efetuadas por alguns dos seguintes métodos:
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Solda capilar (geralmente conhecida como solda de prata)
Solda por eletrodo recoberto
Solda TIG (com proteção de gases inertes e eletrodos não consumíveis)
Solda MIG (com proteção de gases inertes e aporte de metal) As uniões roscadas podem ser feitas usando geralmente algumas destes tipos de roscas:
· NPT (roscas cônicas americanas)
· BSPT (roscas cônicas inglesas)
· BSP (roscas retas inglesas)
· DIN (roscas alemãs) As uniões flangeadas se efetuam com algumas dos seguintes flanges, todos com termos em inglês:
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Slip­on.
Welding neck.
Lap­joint.
Blind
Socket weld As uniões por compressão são usadas principalmente nos sistemas de instrumentação e controle também como para condução de alguns tipos de fluídos. Trata­se de uniões de tubos e conexões que se executam por meio da compressão que faz uma porca acima de um terceiro elemento conhecido como luva, virola ou arandela. As uniões ranhuradas também conhecidas com o nome de Sistema Victaulic 1 , por ser a empresa criadora do sistema na 2° década do século XX, é um sistema de união de tubos e conexões as quais tem uma ranhura (groove) que pode ser feita por laminação ou por usinagem. Cada ranhura é feita nas pontas dos tubos e das conexões. A união é feita por meio de um acoplamento que tem duas carcaças e uma junta elastomérica de compostos especiais para cada tipo de líquido. Este sistema e os seus componentes são usados na condução de água potável com juntas elastoméricas EPDM aprovadas pela norma ANSI/NSF 61. Geralmente o sistema ranhurado é usado para tubulações de diâmetros superiores a 3”. As uniões por alta compressão (HHC), é um sistema inventado no fim dos anos 50 na Suécia e desenvolvido posteriormente na Europa e Oriente. 1 Marca registrada pela Victaulic Co. of America, de Easton, PA., EUA
Trata­se de um sistema de conexões em cujas pontas é realizada uma deformação feita por meios mecânicos. Nessa deformação é colocado um o´ring de compostos elastoméricos aprovados pela norma ANSI/NSF 61 e pelas normas européias equivalentes. O tubo, que deverá ter uma calibração especial é introduzido dentro da conexão e depois ambas as peças são unidas com a utilização de uma bomba hidráulica a qual atinge 700 atmosferas de pressão, fazendo uma união hermética total. Esta união e feita em pouco tempo, não mais do que 30 segundos, pelo que podemos afirmar que depois de muitas décadas o mundo acha o sistema ideal que permite poupar esforços e tempo, isto faz uma substancial poupança de mão de obra que permite a utilização de um material tão nobre como é o aço inoxidável. Este sistema é ideal para as instalações de água potável domiciliar, pois além da economia de mão­de­obra ainda apresenta as vantagens de não utilizar nem eletricidade, nem cola de contato (como ocorre com as tubulações de PVC), nem gases nem também eletrodos, e isto reduz consideravelmente os riscos de acidentes nas obras. A seguir são ilustrados algumas montagens de tubulações industriais que se utilizaram do sistema HHC (Figuras 1 – 3). Figura 1 ­ Linha de nitrogênio Ø 1­1/4” x 1,25 mm e redução a ¾” x 1,00 mm, 2 conduçäo de nitrogênio, pressäo de trabalho 15 kgf/cm , acabamento acetinado (Adega Chandon em Mendoza, Argentina).
Figura 2 ­ Linha de ar comprimido e de água potável, água industrial Ø 4” x 2 2,11 mm, pressäo de 4 kgf/cm . Linha de ar comprimido Ø 3” x 1,65 mm e 2­ 2 1/2” x 1,50 mm, pressäo de 5 kgf/cm . Linha de água potável Ø 1” x 1,25 mm, 2 pressäo de 2 kgf/cm (Thyssen Krupp Mexinox, México). Figura 3 ­ Planta alimentícia, Saída de água tratada, Ø 1­1/2” x 1,25 mm, temperatura de 60°C e pressäo de 3 kgf/cm 2 (Verona, Itália)
Conclusão: Por tudo aquilo que até aqui foi dito podemos assegurar que para a condução de água potável domiciliar em habitações, hospitais, hotéis, centros comerciais, edifícios de escritórios, etc., o melhor baixo o ponto de vista técnico – comercial e a utilização de tubos e conexões de aço inoxidável unidos por o sistema de alta compressão (HHC). Currículo O Engenheiro Dante Taddei, é engenheiro industrial, estudo no Instituto Tecnológico de Buenos Aires, tem estudos de metalurgia na Universidade Tecnológica de Buenos Aires e no Technion, de Haifa, Israel. Ele trabalhou na área de metalurgia do pó e desde 1970 se especializou em aços inoxidáveis, sendo Diretor da Sandvik Argentina, Também foi um dos iniciadores da Tubra do Brasil Ltda., de São Paulo e desde 1994 trabalha na Hidrinox da Argentina.