EDUCAÇÃO & TECNOLOGIA: MATERIAIS PARA TUBULAÇÃO

1. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS FERROSOS

As ligas ferrosas são, em princípio, divididas em dois grupos:

· Aços, com teores de carbono (C) até 2,0%;

· Ferros fundidos, com teores de carbono (C) acima de 2,0% e raramente superior a 4,0%.

1.1. AÇO CARBONO

Liga ferro-carbono contendo geralmente de 0,05% até cerca de 2,0% de carbono (C), além de certos elementos residuais, como o manganês (Mn), o silício (Si), o fósforo (P) e o enxofre (S) resultantes dos processos de fabricação.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

Cor Acinzentada

Peso Específico 7,8 Kgf/dm3

Fusão 1350 A 1400°C

Maleabilidade Boa

Ductibilidade Boa

Tenacidade Boa

Usinagem Ótima

Soldabilidade Ótima

A tabela apresenta os usos gerais dos aços em função de seus teores de carbono (C), bem como a maleabilidade e soldabilidade dos mesmos.

TEOR DE CARBONO (C)	APLICAÇÕES	MALEABILIDADE E SOLDABILIDADE
0,05 a 0,15%	Chapas, fios, parafusos, tubos, estirados, produtos de caldeiraria.	Grande maleabilidade. Fácil soldagem.
0,15 a 0,30%	Barras laminadas e perfiladas, tubos, peças comuns de mecânica.	Maleável. Soldável.
0,30 a 0,40%	Peças especiais de máquinas e motores. Ferramentas para a agricultura.	Difícil soldagem.
0,40 a 0,60%	Peças de grande dureza, ferramentas de corte, molas, trilhos.	Muito difícil soldagem
0,60 a 1,50%	Peças de grande dureza e resistência, molas, cabos, cutelaria.	Não se solda.

1.2. AÇO LIGA

São aços que recebem a adição de um ou mais elementos de liga no processo de fabricação, conforme a finalidade a que se destinam. Os elementos de liga mais usuais são: níquel (Ni), cromo (Cr), vanádio (V), cobalto (Co), silício (Si), manganês (Mn), tungstênio (W), molibdênio (Mo) e alumínio (Al).

TABELA DOS AÇOS LIGADOS

Baixa liga	Até 5% de elementos de liga
Média liga	de 5% a 10% de elementos de liga
Alta liga	acima de 10% de elementos de liga

1.3. AÇO INOXIDÁVEL

Caracterizam-se, fundamentalmente, por resistirem à corrosão atmosférica, embora possam igualmente resistir à ação de outros meios gasosos ou líquidos.

Os aços adquirem passividade quando ligados com alguns outros elementos metálicos, entre os quais os mais importantes são o cromo (Cr) e o níquel (Ni) e, em menor grau, o cobre (Cu), o silício (Si), o molibdênio (Mo) e o alumínio (Al). O cromo (Cr) é, de fato, o elemento mais importante, pois é o mais eficiente de todos, quando empregado em teores acima de 10%.

Os aços inoxidáveis são, portanto, aços de alta liga, contendo de 12% a 26% de cromo (Cr), até 22% de níquel (Ni) e freqüentemente pequenas quantidades de outros elementos de liga.

1.4. FERRO FUNDIDO

Os ferros fundidos são ligas de ferro (Fe) e carbono (C) com alto teor de carbono. Em média, possuem de 3% a 4% de carbono em sua composição. A temperatura de fusão dos ferros fundidos é de cerca de 1200ºC. Sua resistência à tração é da ordem de 10 a 20 kgf/mm².

Na fabricação, as impurezas do minério de ferro e do carvão (coque), deixam no ferro fundido pequenas porcentagens de silício (Si), manganês (Mn), enxofre (S) e fósforo (P).

O silício (Si) favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento. Os ferros fundidos classificam-se, segundo o estado do carbono no ferro fundido, nas seguintes categorias:

Ferro fundido cinzento ou lamelar - Liga ferro-carbono-silício, com teor de carbono acima de 2,0% e silício presente em teores de 1,20% a 3,00%; a quantidade de carbono é superior à que pode ser retida em solução sólida na austenita; esse teor de carbono e mais a quantidade elevada de silício promovem a formação parcial de carbono livre, na forma de lamelas ou “veios” de grafita. Nessas condições, o ferro fundido cinzento apresenta fratura com coloração escura, de onde provém a sua denominação.

Ferro fundido nodular ou dúctil - Liga ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar grafita na forma esferoidal, resultante de um tratamento realizado no material ainda em estado líquido (“nodulização”).

Ferro fundido maleável ou branco;

Ferro fundido temperado;

Ferro fundido especial.

Apesar de apresentarem em geral propriedades mecânicas inferiores às dos aços, elas podem ser consideravelmente modificadas pela adição de elementos de liga e tratamentos térmicos adequados. Os ferros fundidos podem substituir os aços e até serem mais adequados, em muitas aplicações.

Por exemplo: estruturas e elementos deslizantes de máquinas são construídos quase sempre em ferro fundido, devido à maior capacidade de amortecer vibrações, melhor estabilidade dimensional e menor resistência ao deslizamento, em razão do poder lubrificante do carbono livre em forma de grafita.

2. EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA

2.1. INTRODUÇÃO:

Devido às necessidades industriais, a pesquisa e a experiência levaram à descoberta de aços especiais, mediante a adição e a dosagem de certos elementos ao aço carbono.

Conseguiram-se assim Aços-Liga com características tais como resistência à tração e à corrosão, elasticidade, dureza, etc. bem melhores do que as do aço carbono comum.

A seguir serão apresentados os elementos de liga comumente empregados pela indústria e seus efeitos.

ELEMENTOS	EFEITOS
Alumínio (Al)	Desoxida o aço. No processo de tratamento termo-químico chamado nitretação, combina-se com o nitrogênio, favorecendo a formação de uma camada superficial duríssima.
Carbono (C)	A quantidade de carbono influi na dureza, no limite de resistência e na soldabilidade.
Cobalto (Co)	Influi favoravelmente nas propriedades magnéticas dos aços. Além disso, o cobalto, em associação com o tungstênio, aumenta a resistência dos aços ao calor.
Cromo (Cr)	O cromo confere ao aço alta resistência, dureza, elevado limite de elasticidade e boa resistência à corrosão em altas temperaturas.
Enxofre (S)	É um elemento prejudicial ao aço. Torna-o granuloso e áspero, devido aos gases que produz na massa metálica. Enfraquece a resistência do aço. Considerado como uma impureza.
Fósforo (P)	Em teores elevados torna o aço frágil e quebradiço, motivo pelo qual deve-se reduzir ao mínimo possível sua quantidade, já que não se pode eliminá-lo integralmente. Considerado como uma impureza.
Manganês (Mn)	O manganês, quando adicionado em quantidade conveniente, aumenta a resistência do aço ao desgaste e aos choques, mantendo-o dúctil.
Molibdênio (Mo)	Sua ação nos aços é semelhante à do tungstênio. Emprega-se, em geral, adicionado com cromo, produzindo os aços cromo-molibdênio, de grande resistência, principalmente a esforços repetidos.
Níquel (Ni)	Foi um dos primeiros metais utilizados com sucesso para dar determinadas qualidades ao aço. O níquel aumenta a resistência e a tenacidade do mesmo, eleva o limite de elasticidade, dá boa ductilidade e boa resistência à corrosão.
Silício (Si)	Torna o aço mais duro e tenaz. Previne a porosidade e concorre para a remoção dos gases e dos óxidos. Influi para que não apareçam falhas ou vazios na massa do aço. É um elemento purificador e tem o efeito de isolar ou suprimir o magnetismo. Os aços-silício contêm de 1 a 2% de silício.
Tungstênio (W)	É geralmente adicionado aos aços com outros elementos. O tungstênio aumenta a resistência ao calor, a dureza, a resistência à ruptura e o limite de elasticidade.
Vanádio (V)	Melhora, nos aços, a resistência à tração,

3. EFEITOS DA TEMPERATURA

3.1. FLUÊNCIA

Defini-se como fluência (creep) ao fenômeno de deformação permanente, lenta e progressiva, que se observa nos materiais metálicos, ao longo do tempo, quando submetidos à tração sob alta temperatura.

Denomina-se “faixa de fluência” (creep range) à faixa de temperatura em que o fenômeno passa a ser significativo.

3.2. MÓDULO DE ELASTICIDADE (Módulo de Young)

O módulo de elasticidade diminui com o aumento da temperatura. Essa diminuição é pouco acentuada no intervalo 0-250°C e mais acentuada para temperaturas superiores a 250°C.

3.3. LIMITE DE RESISTÊNCIA

O limite de resistência diminui com o aumento da temperatura de um modo geral (para T > 200°C). O limite de resistência deverá ser tomado na curva característica de cada material.

3.4. FRATURA FRÁGIL

Denomina-se fratura frágil à ruptura repentina do material a um nível de tensão bem inferior ao limite de resistência (LR) ou mesmo ao limite de escoamento (LE) do material.

Essas fraturas são caracterizadas pela propagação rápida, em várias direções e a perda total da peça atingida.

Para acontecer a fratura frágil são necessárias as três condições abaixo, simultaneamente:

· Elevada tensão de tração, da ordem da tensão de escoamento do material;

· Existência de entalhe;

· Temperatura na zona de comportamento frágil ou na zona de transição.

As fraturas frágeis são ainda influenciadas por:

· Forte tensão de tração, em geral, próxima do limite de escoamento;

· Espessura da peça: a resistência à fratura frágil é inversamente

proporcional à espessura da peça;

· Distribuição de tensões na peça: quanto mais irregular forem as tensões menor será a resistência da peça;

· Composição química: a presença de níquel (Ni) e manganês (Mn) é

benéfica e a presença de fósforo (P), enxofre (S), molibdênio (Mo),

nitrogênio (N) e cromo (Cr) é prejudicial, isto é, favorece o aparecimento da fratura frágil.

· Tratamento térmico: a ausência do tratamento térmico de alívio de tensões favorece o aparecimento de altas concentrações de tensão onde favorece o aparecimento da fratura frágil.

· Outros fatores de menor importância tais como: forma, laminação,

fabricação, etc.

4. CORROSÃO

4.1. CORROSÃO

Defini-se como corrosão a deterioração sofrida por um material em

conseqüência da ação química ou eletroquímica do meio, aliada ou não a esforços mecânicos.

A corrosão mais comum é a corrosão eletroquímica, caracterizada pelo transporte de cargas elétricas por meio de um eletrólito em um meio favorável, geralmente aquoso.

A corrosão química é devida ao ataque de produtos químicos sobre os

materiais metálicos, provocando a sua oxidação.

4.2. CORROSÃO ELETROQUÍMICA

4.2.1. Causas da corrosão

Para que se inicie a corrosão, é necessário que o sistema seja constituído dos quatro componentes a seguir: (cumpre lembrar que a falta de pelo menos um dos componentes bloqueia o processo de corrosão)

· Anodo e catodo: duas peças metálicas de materiais diferentes ou do mesmo material ou ainda duas regiões distintas da mesma peça metálica, próximas ou distantes uma da outra.

· Eletrólito: qualquer condutor elétrico tal como umidade, soluções aquosas ácidas ou alcalinas.

· Circuito metálico: é a continuidade metálica unindo o anodo ao catodo.

A diferença de potencial entre o anodo e o catodo pode se originar de inúmeras causas, tais como: metais diferentes, ligas metálicas diferentes, diferenças entre partes deformadas a frio, diferença entre estados de tensões, diferenças de tratamento térmico, irregularidades microscópicas, etc.

A corrosão mais freqüente é aquela devido às irregularidades microscópicas, que são as diferenças que existem entre os grãos que constituem o material.

Essas diferenças podem ser quanto a forma, natureza, tamanho, orientação, etc. Assim a corrosão eletroquímica é muito acentuada porque este material é constituído basicamente de grãos de ferrita (ferro alfa) e cementita (carboneto de ferro) que são grãos de diferentes naturezas.

Nos materiais puros ou ligas monofásicas (solução sólida) não existem grãos de natureza diferente, razão pela qual são mais resistentes à corrosão eletroquímica.

4.2.2. Tipos de corrosão

A corrosão eletroquímica pode se apresentar numa grande variedade de formas.

Pode-se classificar a corrosão em uniforme e localizada.

A corrosão localizada pode ser classificada em localizada macroscópica e microscópica.

· Corrosão uniforme

Também conhecida como corrosão generalizada, é aquela que se apresenta em toda a peça de uma forma geral, causando uma perda constante da espessura.

Pode ser facilmente controlada e prevista. As causas são as diferenças pelas irregularidades microscópicas dos grãos.

· Corrosão localizada macroscópica

Alveolar (Pitting)

É a corrosão que se apresenta em forma de “alvéolos” ou “pites” que são pequenos pontos onde a concentração da corrosão é muito intensa. A causa principal é a ocorrência de pontos fortemente anódicos em relação à área adjacente.

Galvânica

É a corrosão que se origina do contato entre dois metais ou ligas metálicas diferentes em um meio eletrolítico. A corrosão é tanto mais intensa quanto mais distanciados estiverem os dois metais ou ligas metálicas na série galvânica é tanto maior de acordo com as proporções entre o anodo e o catodo. A região corroída sempre será a região anódica. De um modo geral deve-se evitar o contato entre metais com grande diferença de potencial. Na impossibilidade de se evitar esse contato é necessário ter uma grande quantidade de material catódico para que a

corrosão não ataque uma pequena área.

Quando os dois metais tiverem uma pequena diferença de potencial, a corrosão galvânica é praticamente insignificante. Pode-se controlar este tipo de corrosão com a colocação de anodos de sacrifício, que consiste de elementos fortemente anódicos para serem corroídos.

Série galvânica para a água do mar:

Magnésio

Zinco ANODO

Alumínio

Ligas de alumínio

Aço carbono

Aço carbono com cobre

Ferro fundido

Aço liga Cr e Cr-Mo

Aço inox 12 Cr

Aço inox 17 Cr

Aço inox 27 Cr

Ativos

Aço liga Ni

Aço inox 18 Cr – 8 Ni

Aço inox 25 Cr – 20 Ni Ativos

Chumbo

Níquel

Ligas de Níquel Ativos

Latão

Cobre

Cobre níquel

Metal monel

Níquel

Ligas de níquel Passivos

Aço inox 12 Cr

Aço inox 17 Cr

Aço inox 18 Cr – 8 Ni

Aço inox 27 Cr

Aço inox 25 Cr – 20 Ni

Passivos

Titânio

Prata

Ouro CATODO

Platina

Seletiva

É uma forma de corrosão onde á atacado apenas um elemento da liga metálica resultando uma estrutura esponjosa sem resistência mecânica. Um exemplo de corrosão seletiva é a corrosão grafítica que ocorre no ferro fundido cinzento em contato com meios ácidos ou água salgada, onde o ferro á atacado resultando uma estrutura esponjosa composta de carbono livre e carbonetos.

Outro exemplo é a desincificação que consiste na migração do zinco, ficando o latão reduzido a uma estrutura esponjosa de cobre puro, sem resistência mecânica.

Corrosão sob contato

Também chamada de corrosão intersticial e corrosão em frestas, por ser uma corrosão que acontece em locais onde pequena quantidade de um fluido permanece estagnado em cavidades ou espaços confinados. Um exemplo é a folga entre a peça e a arruela ou a porca e outro seria nas conexões do tipo encaixe/solda, o espaço entre o tubo e o encaixe.

Corrosão–erosão

É a corrosão que aparece com a velocidade relativa do fluido em relação à peça corroída.

Cumpre lembrar, que um fluido pode não corroer uma peça em velocidades baixas, mas ser corrosivo em altas velocidades , com o efeito se tornando máximo quando o ângulo de incidência está entre 20 e 30°C. Como exemplo é citado a corrosão em peças de movimento rápido como pás, hélices, rotores e em curvas e conexões com redução.

Biológica

É a corrosão devido à ação de micro-organismos que atacam os metais produzindo ácidos, destruindo a camada apassivadora, destruindo revestimentos, despolarizando áreas catódicas.

Pode aparecer em águas paradas, principalmente em equipamentos que ficam por longo período ao tempo, a espera de utilização.

· Corrosão localizada microscópica

Sob tensão (stress-corrosion)

É provocada pela tensão e um meio corrosivo. Se manifesta pelo aparecimento de trincas perpendiculares ao sentido do esforço. Esse esforço pode ser de causas externas, tensão residual, tensões devido ao trabalho frio, soldagem, etc. Muito perigosa pois pode inutilizar uma peça em pouco tempo.

Intergranular

É a corrosão formada por trincas ao longo da periferia dos grãos do metal. Essas trincas após atingirem determinada dimensão destacam partes do material por ação de pequenas tensões.

Incisiva

É a corrosão que se forma ao longo de soldas e recebe o nome de “fio de faca”. É uma variante da corrosão intergranular.

4.3. PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO

4.3.1. Fatores que influenciam a corrosão

Antes de se falar em proteção dos materiais deve-se primeiramente estudar os fatores aceleradores da corrosão para se decidir sobre o melhor antídoto. Entre os fatores que influenciam a corrosão são citados:

Temperatura

Com o aumento da temperatura tem-se o aumento da atividade química o que acelera a corrosão. Cumpre lembrar que um equipamento ou tubulação que trabalha permanentemente quente e por algum motivo permanecer parado e frio por algum tempo sofrerá uma corrosão mais intensa neste período inativo.

Velocidade

Como já foi visto as altas velocidades e o turbilhonamento pode ocasionar a corrosão-erosão.

Umidade

A umidade promove uma gama maior de tipos de corrosão como a corrosão sob tensão, alveolar e sob-contato além de reagir com ácidos formando ácidos diluídos altamente corrosivos e aumentar a condutividade elétrica.

Esforços cíclicos

Havendo a possibilidade do aparecimento da corrosão sob tensão os esforços cíclicos serão os responsáveis pelo agravamento da corrosão e nestes pontos poderá haver a intensificação das tensões de fadiga.

Superfície do metal

Cumpre lembrar que quanto mais perfeita for a superfície do material melhor será a resistência contra a corrosão alveolar.

Atmosfera

Quando tem-se uma atmosfera muito agressiva, como por exemplo a temperatura associada à acidez, é possível ter um processo de corrosão muito intenso, sendo muitas vezes mais significativo que a corrosão interna dos equipamentos e tubulações.

Interface molhado/seco

Nos equipamentos que trabalham parcialmente cheios a interface molhado/seco pode favorecer a corrosão devido à dissolução de gases no líquido e conseqüentemente a variação da concentração do fluido e também devido a diferença de potencial entre região molhada e seca.

4.3.2. Proteção contra corrosão

Na tentativa de proteger tubulações e equipamentos contra a corrosão é possível observar dois aspectos diferentes ou mesmo um enfoque intermediário.

Em primeiro lugar pode-se atacar o problema logo no início do projeto pela escolha do material, detalhes de projeto, revestimentos de proteção, proteção catódica, tratamento térmico, etc. Todos esses métodos e princípios são meios de controle da corrosão, isto é evitar o início do processo ou ter um controle eficaz no caso da corrosão uniforme.

Em segundo lugar pode-se aceitar a corrosão como inevitável e adotar um sistema de controle com o emprego da “sobre-espessura para corrosão”.

Cumpre lembrar, que esta sobre-espessura é destinada à corrosão e portanto não deverá ser considerada para efeito de cálculos mecânicos como a determinação da distância entre suportes, por exemplo.

4.3.3. Como evitar a corrosão

Tipo de corrosão	Meio de proteção
Uniforme	Escolha do material adequado Tratamento superficial Detalhes de projeto
Alveolar	Escolha do material adequado Tratamento superficial Detalhes de projeto
Sob tensão	Escolha do material Alívio de tensões Detalhes de projeto Martelamento
Seletiva	Escolha do material
Galvânica	Evitar contato de materiais diferentes Anodos de sacrifício Proteção galvânica
Sob contato	Escolha dos materiais Detalhes de projeto
Incisiva	Escolha dos materiais
Intergranular	Escolha dos materiais
Corrosão-erosão	Escolha dos materiais Sobre-espessura Revestimento com materiais adequados

a. Tratamento superficial

Existem dois tipos de tratamento superficial: o tratamento com revestimentos permanentes (galvanização, argamassa de cimento, plásticos, borrachas, etc.) e o tratamento com revestimentos não permanentes (tintas). Ambos servem para impedir o contato da tubulação ou do equipamento com o meio agressivo, promovendo dessa forma sua proteção.

Revestimentos	Aplicação	Utilização	Normas
Poliuretano Líquido sem solvente	Adutoras	Revestimento interno Revestimento externo Instalação aérea, enterrada e submersa	DIN 30671 ANO 1987
Poliuretano-Tar sem solvente	Esgoto Emissário	Revestimento interno	DIN 30671 ANO 1987
Epoxi-Tar sem solvente	Esgoto	Revestimento interno	NBR 12309
Epoxi puro sem solvente	Adutoras	Revestimento interno	NBR 12309
Argamassa de cimento	Adutoras Esgoto	Revestimento interno	NBR 10515
Fitas de Polietileno aplicadas a frio	Adutoras Esgoto	Revestimento externo Instalação enterrada	AWWA C209 / C214
Epoxi líquido	Gás	Revestimento interno	API RP 5L2
Epoxi Mastic Alumínio	Adutoras	Revestimento externo Instalação aérea Ambiente não agressivo	PETROBRÁS N-2288
Revestimento Coal Tar Enamel Tipo I Coal Tar Enamel Tipo II	Gás Óleo Derivados de Petróleo Mineroduto Água	Revestimento externo Instalação enterrada	AWWA C203 BSI – BS 4164 PETROBRÁS N-1207 PETROBRÁS N-650 NBR 12780 SABESP E - 45
Fusion Bonded Epoxi	Gás Óleo Derivados de Petróleo Mineroduto Água	Revestimento externo Instalação enterrada	AWWA C213
Galvanização	Gás Óleo Água	Revestimento interno Revestimento externo	ASTM A153

b. Sobre-espessura

Quando não podemos evitar a corrosão por completo devemos adotar uma sobre-espessura para corrosão. Note que esta sobre-espessura tem por objetivo adicionar uma certa quantidade de material para o sacrifício da corrosão. Portanto um valor que se acrescenta ao valor da espessura calculada da tubulação.

A sobre-espessura para corrosão é destinada a controlar a corrosão uniforme e outras formas tais como as que atacam a espessura mas de nada vale para corrosão localizada microscópica.

Para tubulações em geral são adotados os seguintes valores para a sobreespessura para corrosão:

· Até 1,5mm para serviços de baixa corrosão

· Até 2,0mm para serviços de média corrosão

· Até 3,5mm para serviços de alta corrosão