UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM

PROGRAMA DE PốS-GRADUAđấO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE

  

MATERIAIS - PGCEM

  

ESTUDO DA CORROSÃO ATMOSFÉRICA EM AÇO GALVANIZADO

EMPREGADO EM REDES DE DISTRIBUIđấO DE ENERGIA ELÉTRICA

PAULO ROBERTO PAES DA SILVA ESTUDO DA CORROSÃO ATMOSFÉRICA EM AÇO GALVANIZADO EMPREGADO EM REDES DE DISTRIBUIđấO DE ENERGIA ELÉTRICA

  Dissertação apresentada para a obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas – CCT.

  Orientador: Enori Gemelli, Doutor

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT COORDENAđấO DE PốS-GRADUAđấO - CPG Estudo da Corrosão Atmosférica em Aço Galvanizado Empregado em Redes de Distribuição de Energia Elétrica

  por

Paulo Roberto Paes da Silva

  Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

  na área de concentração "Metais", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

  DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

  Dr. Enori Gemelli (presidente)

  Banca Examinadora:

  Dr.César Edil da Costa (UDESC) Dr.Julio César Giubilei Milan (UDESC)

  Dr. Marcio Roberto da Rocha (UNESC)

  

FICHA CATALOGRÁFICA

  S586e Silva, Paulo Roberto Paes da.

  Estudo da Corrosão Atmosférica em Aço Galvanizado Empregado em Redes de Distribuição de Energia Elétrica/ Paulo Roberto Paes da Silva;

  Orientador: Enori Gemelli. – Joinville, 2011. 73 f. : il ; 30 cm. Incluem referências. Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2011.

  1. Metais. 2. Corrosão atmosférica. I. Gemelli, Enori.

  CDD 620.16

  A mulher da minha vida no qual amo muito e dedico este trabalho.

  

AGRADECIMENTOS

À Deus, por estar sempre comigo mesmo nas horas mais angustiantes.

  Ao Prof. Dr. Enori Gemelli, que na condição de orientador soube pacientemente e brilhantemente orientar-me na realização deste trabalho.

  Ao prof. Dr. Marcos Marques da Silva Paula, que como co-orientador e amigo soube cobrar, mas também não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização do presente trabalho. À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós- graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho. Aos Professores Dr. Marcio Roberto da Rocha e Dra. Angela Beatriz Coelho Arnt pelo apoio incondicional na realização deste trabalho.

  Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infraestrutura oferecida.

  À Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC pelo disponibilização dos laboratórios de Engenharia de Materiais para realização do presente trabalho À empresa CELESC S.A. e a Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) pelo fomento dos recursos necessários para a realização do presente trabalho.

  À CAPES pela bolsa de estudo concedida. A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho.

  Aos amigos em especial ao Sander Topanotti Fortuna, pelo apoio técnico e moral

  

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Aparato de fixação de cabos em postes, apresentando corrosão avançada.

  Material aço galvanizado......................................................................................................15

  

Figura 1.1: Fluxograma da galvanização por imersão a quente..........................................17

Figura 1.2: Parte do diagrama de equilíbrio ferro-zinco.....................................................20

Figura 1.3: Figura ilustrativa da seção transversal de uma camada de zinco (Eta: η, Zeta:

  ξ, Delta: δ, Gama: Γ e Ferro α)............................................................................................21

  

Figura 1.4: Reação geral da corrosão de materiais metálicos.............................................22

Figura 1.5: Corrosão do zinco em meio ácido....................................................................23

Figura 1.6: Valores médios para as concentrações de cloretos a três distâncias da orla

  marítima................................................................................................................................30

  

Figura 1.7: Corrosão atmosférica de aço galvanizado. (A) Corrosão da camada eta (η)

  (500x). (B) Área da camada zeta (ξ) expostas (x500)..........................................................31

  

Figura 1.8: Corrosão atmosférica de aço galvanizado. (A) Começo da corrosão da camada

  zeta (x500). (B) Falhas na interface de grãos (x500)...........................................................32

  

Figura 1.9: Alcance da superfície do aço pelas falhas do revestimento (x500)..................32

Figura 1.10: Esquema da reação geral para formação dos principais produtos de corrosão

  do zinco sob condições de proteção.....................................................................................33

  

Figura 1.11: Difração de raios-X para o zinco exposto a atmosfera contaminada com

  cloreto de sódio....................................................................................................................35

  

Figura 2.1: Localização das estações de monitoramento de poluentes...............................36

Figura 2.2: Unidade para o monitoramento de cloretos. (A) Esquema de montagem. (B)

  Dispositivo depois de montado............................................................................................38

  

Figura 2.3: Unidade para o monitoramento de sulfatos. (A) Esquema de montagem. (B)

  Dispositivo montado.............................................................................................................39

  

Figura 2.4: Unidade para o monitoramento de partículas sedimentáveis. (A) Esquema de

  montagem. (B) Dispositivo depois de montado...................................................................40

  

Figura 2.5: Painel para ensaio de corrosão não-acelerado. (A) Esquema de montagem. (B)

  

Figura 2.6: Estação de monitoramento de poluentes atmosféricos. (A) dispositivos

  coletores de partículas sedimentáveis e cloretos da estação 5. (B) dispositivo coletor de sulfatos e painel de ensaio de corrosão não acelerado da estação 5.....................................42

  

Figura 2.7: Realização das coletas. (A) Tubo coletor de Partículas Sedimentáveis da

  estação 10 (B) Vela coletora de Sulfatos da estação 10.......................................................43

  

Figura 2.8: Alocação das placas dentro da câmara de névoa salina...................................45

Figura 3.1: Umidade relativa média mensal do ano de 2009..............................................46

Figura 3.2: Média mensal do índice pluviométrico no período de 2000 a 2009 registrados

  na estação meteorológica de Araranguá...............................................................................47

  

Figura 3.3: Teores mensais de cloretos no semestre. (A) Estação 2. (B) Estações 6 e 10..50

Figura 3.4: Valores mensais para taxa de sulfatação no semestre das estações 2, 6 e 10...51

Figura 3.5: Valores mensais para partículas sedimentáveis no semestre das estações 2, 6 e

  10..........................................................................................................................................52

  

Figura 3.6: Micrografia do revestimento de zinco. Ataque reativo Nital 3%.....................53

Figura 3.7: Micrografia do revestimento de zinco obtida por MEV após ataque reativo

  com Nital 3%. (A) Vista geral e (B) ampliação mostrando as fases ETA e ZETA....................................................................................................................................53

  

Figura 3.8: Micrografia dos produtos de corrosão formados na superfície da placa da

  estação 2 após um semestre de exposição............................................................................54

  

Figura 3.9: Difratometria de raios-X dos produtos de corrosão formados na superfície da

  placa na estação 2 após um semestre de exposição..............................................................55

  

Figura 3.10: Micrografia dos produtos de corrosão formados na superfície da placa da

  estação 6 após um semestre de exposição............................................................................56

  

Figura 3.11: Micrografia dos produtos de corrosão formados na superfície da placa da

  estação 10 após um semestre de exposição..........................................................................56

  

Figura 3.12: Gráfico comparativo do teor de cloretos com a quantidade de produtos de

  corrosão formados para as estações 2, 6 e 10. MEV com as superfícies corroídas do aço galvanizado para as estações correspondentes.....................................................................57

  

Figura 3.13: Perdas de massa obtidas no ensaio de corrosão acelerado em câmara de

  névoa salina..........................................................................................................................58

  

Figura 3.14: Difratometria de raios-X dos produtos de corrosão formados na superfície da

Figura 3.15: Micrografia obtida por MEV da superfície da placa de aço SAE 1010

  galvanizado após 96 horas de exposição em câmara de névoa salina. (A) vista geral do revestimento. (B) ampliação mostrando a superfície corroída do revestimento. Ataque reativo Nital 3%....................................................................................................................60

  

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1: Características das fases ferro-zinco................................................................20

Tabela 1.2: Classificação em tempos de superfície úmida..................................................26

  • Tabela 1.3: Classificação de contaminação por Cl .............................................................26

  ...........................................26

  Tabela 1.4: Classificação em termos de contaminação de SO

  2 Tabela 1.5: Categorias de corrosividade estimada da atmosfera para o metal zinco..........27

Tabela 1.6: Categoria de corrosividade da atmosfera.........................................................27

Tabela 1.7: Médias mensais do teor de cloretos na atmosfera de São Luís........................28

Tabela 1.8: Médias mensais da taxa de sulfatação total na atmosfera de São Luís............28

Tabela 1.9: Teor de partículas sedimentáveis na Ilha de São Luís.....................................29

Tabela 2.1: Localização geográfica das estações................................................................37

Tabela 3.1: Média dos teores mensais de cloretos (mg/m².dia) das dez estações para um

  período de seis meses...........................................................................................................48

  

Tabela 3.2: Média da taxa de sulfatação (mgSO /m².dias) das dez estações para um

  3

  período de seis meses...........................................................................................................48

  

Tabela 3.3: Média dos valores de partículas sedimentáveis das dez estações para um

  período de seis meses...........................................................................................................48

  

Tabela 3.4: Corrosividade das atmosferas (C), segundo a norma ISO 9223 de 1992.........49

  

RESUMO

  SILVA, Paulo Roberto Paes da. Estudo da Corrosão Atmosférica em Aço Galvanizado

  

Empregado em Redes de Distribuição de Energia Elétrica. 2011. 73f. Dissertação

  (Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais – Área: Metais) – Universidade do Estado de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2011.

  Em regiões litorâneas e industriais a atmosfera é considerada agressiva devido à umidade

  relativa ser elevada, e também devido à presença de íons de cloreto (Cl ) e de sulfato (SO

  4

  2

  ), fazendo com que o processo de corrosão seja acelerado. Isso onera as empresas de distribuição de energia elétrica devido aos custos diretos, pois frequentemente componentes metálicos mesmo galvanizados devem ser substituídos, e custos indiretos como interrupções do fornecimento de energia elétrica para manutenção. Sendo assim, o objetivo principal deste trabalho, vinculado a CELESC S.A. (Centrais Elétricas de Santa Catarina) foi estudar a corrosão atmosférica em aço galvanizado empregado em redes de distribuição de energia elétrica no litoral sul de Santa Catarina. Para isto foram instaladas em 10 locais diferentes, estações de monitoramento de parâmetros atmosféricos, tais como, taxa de sulfatação, teor de cloretos e partículas sedimentáveis em um período de seis meses. A camada de zinco aplicada nas placas de aço SAE 1010 utilizadas nos ensaios de corrosão foi caracterizada por meio de microscopia óptica e eletrônica. Os produtos de corrosão formados na superfície do aço galvanizado nos ensaios de corrosão foram caracterizados por difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura. Os resultados indicaram que a maioria dos locais apresentou alto índice de corrosividade, classificado segundo a norma ISO 9223 como C5. As variações nos valores de teor de cloretos mensais foram atribuídas à direção dos ventos. O Simonkolleite (Zn (OH) Cl .H O) foi o principal

  5

  8

  2

  2

  produto de corrosão formado sobre o aço galvanizado, devido à presença de cloretos no ar em todas as estações de monitoramento. Esse produto também foi encontrado nos ensaios de corrosão em névoa salina.

  

Palavras chaves: Corrosão Atmosférica. Aço galvanizado. Corrosividade. Simonkolleite.

  

ABSTRACT

  SILVA, Paulo Roberto Paes da. Study of Atmospheric Corrosion of Galvanized Steel

  

Used in Electric Distribution Networks. 2011. 73p. Dissertation (Master Course in

  Science and Materials Engineering – Area: Metals) – Santa Catarina State University, Post Graduation Program in Science and Materials Engineering, Joinville, 2011.

  In coastal and in industrial region the atmosphere is considered aggressive due to the high

  • 2

  relative humidity, and also due to the presence of chloride ions (Cl ) and sulphate (SO )

  4

  ions, accelerating the corrosion process to accelerate. This onerous on electric distribution companies due to direct costs, because even the galvanized metal components must be replaced often, and indirect costs such as disruption of electricity supply for maintenance. Thus, the aim of this work, together with CELESC SA (Electric Centrals of Santa Catarina), was to study the atmospheric corrosion of the galvanized steel used in electric distribution networks in the south coast of Santa Catarina. For this it was installed 10 different locations, monitoring stations of atmospheric parameters to measure the rate of sulfate, chloride and sedimentary particles in a period of six months. The zinc layer applied to the SAE 1010 steel plates used in corrosion tests were characterized by optical and electron microscopy. The corrosion products formed on the surface of galvanized steel in corrosion tests were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The results indicated that most of the locations had a high rate of corrosion, classified according to ISO 9223 as C5. The variations in the chloride content per month were attributed to the wind direction. The Simonkolleite (Zn (OH) Cl .H O) was the main

  5

  8

  2

  2

  corrosion product formed on the galvanized steel, due to the presence of chloride in the air at all monitoring stations. This product was also observed in salt spray corrosion tests.

  Key words: Atmospheric Corrosion. Galvanized Steel. Corrosion. Simonkolleite.

SUMÁRIO

  INTRODUđấO ................................................................................................................... 14 OBJETIVO GERAL ............................................................................................................ 16 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................................. 16

  1. ESTUDO BIBLIOGRÁFICO ...................................................................................... 17

  1.1 Processo de galvanização a quente em banho de zinco ................................................. 17

  1.1.1 Formação do revestimento durante a galvanização .................................................... 19

  1.1.2 Fases formadas durante a galvanização ...................................................................... 19

  1.1.3 Formação das fases ..................................................................................................... 21

  1.2 Corrosão de materiais metálicos .................................................................................... 22

  1.3 Corrosão atmosférica e corrosividade de atmosferas .................................................... 24

  1.4 Corrosão do aço galvanizado ......................................................................................... 30

  2. MÉTODOS EXPERIMENTAIS .................................................................................. 36

  2.1 Localização das estações de monitoramento ................................................................. 36

  2.2 Confecção dos dispositivos de monitoramento atmosférico e painéis de ensaio de corrosão não-acelerada ........................................................................................................ 37

  2.3 Determinação da corrosividade atmosférica.................................................................. 42

  2.4 Caracterização do revestimento de zinco ...................................................................... 43

  2.5 Ensaio de corrosão não acelerado .................................................................................. 44

  2.6 Ensaios de corrosão acelerado em névoa salina (salt spray) ......................................... 44

  3. RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................... 46

  3.1 Corrosividade atmosférica ............................................................................................. 46

  3.2 Caracterização do revestimento de zinco ...................................................................... 52

  4. CONCLUSÃO ............................................................................................................. 61

  5. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................................................... 62 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 63 ANEXOS ............................................................................................................................. 68

  

INTRODUđấO

  Corrosão pode ser definida como a deterioração de um material, geralmente metálico, por ação química ou eletroquímica com o meio a qual está exposto, onde o metal é convertido a um estado não-metálico. Quando isto ocorre, o metal perde suas qualidades fundamentais, como resistência mecânica, elasticidade e ductilidade (GENTIL, 1982).

  Dentre as várias classificações de corrosão pode-se destacar duas: a seca e a aquosa. A primeira consiste na reação de oxidação entre metais e gases a temperaturas superiores a

  o

  100

  C. A segunda ocorre no metal por meio de uma solução aquosa que é capaz de conduzir eletricidade (RAMANATHAN, 1988).

  A corrosão atmosférica, considerada como aquosa, é certamente a mais visível de todos os processos de corrosão, alguns exemplos são pontes oxidadas, ferragens de transmissão de energia, pólos de bateria, edifícios, e monumentos ao ar livre. A corrosão atmosférica é uma reação eletroquímica que ocorre em um sistema compreendido por um material metálico exposto ao ambiente coberto por uma camada superficial de água, mais os produtos de corrosão e possivelmente outros depósitos (BARDAL, 2004).

  Existem basicamente quatro tipos de atmosferas: Internas - as atmosferas internas são consideradas pouco corrosivas; Rural (interior do continente) - as atmosferas rurais são tipicamente menos agressivas; Industrial/Urbana - considerada altamente corrosiva, por apresentar agentes poluidores, principalmente compostos de enxofre (SO ) provenientes da

  x

  queima de combustíveis fósseis e; Marinha - também altamente corrosiva, é caracterizada por ser carregada de partículas finas de névoa do mar arrastadas pelo vento e depositando- se em superfícies expostas (ROBERGE, 2008).

  O setor elétrico emprega inúmeros componentes metálicos em todas as atividades, tanto na geração, quanto na transmissão e distribuição. Estes componentes por sua vez são expostos ao ambiente, e com isso são susceptíveis à corrosão atmosférica. Para diminuir os efeitos desta, é utilizado na maioria dos componentes metálicos o aço galvanizado, que é o recobrimento do aço por uma camada de zinco.

  O processo de galvanização mais utilizado é o de imersão à quente que consiste em sacrifício que corrói preferencialmente e isola o substrato da ação do meio corrosivo (GENTIL, 1982). Chama-se essa proteção de proteção anódica em que o zinco no par galvânico é o anodo de sacrifício.

  Em regiões litorâneas e industriais a atmosfera é considerada agressiva devido à

  • umidade relativa ser elevada, e também existir a presença de íons cloreto (Cl ) e sul
  • 2

  (SO ), fazendo com que o processo de corrosão seja acelerado. Isso onera as empresas de

  4

  distribuição de energia elétrica devido aos custos diretos, pois frequentemente componentes metálicos, mesmo galvanizados, devem ser substituídos e; custos indiretos, como interrupções do fornecimento de energia elétrica para manutenção.

  No estado de Santa Catarina a principal empresa responsável pela distribuição de energia elétrica é a Centrais Elétricas de Santa Catarina - CELESC S.A. A empresa, em sua agência regional no sul do estado, cobre uma área que contém aproximadamente 60 quilômetros de litoral e possui em sua rede de distribuição cerca de 7.500 postes instalados. Isso envolve elevados custos de manutenção, uma vez que frequentemente vários componentes metálicos (cintas, parafusos, armações, arruelas) em presença do ambiente marinho devem ser substituídos por terem sua vida útil consideravelmente reduzida. Alguns desses componentes apresentam um tempo médio de substituição inferior a dois anos dependendo do local. A Figura 1 apresenta um exemplo de componentes expostos ao ambiente marinho.

  Existem vários mecanismos envolvidos no processo de corrosão atmosférica. Nesse sentido faz-se necessário um estudo dos fatores que o influenciam, bem como avaliar o comportamento frente à corrosão de materiais metálicos expostos ao meio ambiente, uma vez que no estado de Santa Catarina ainda não existe um estudo deste tipo voltado ao setor elétrico.

  Este trabalho consistiu em seis meses de monitoramento atmosférico na região do litoral sul de Santa Catarina, sendo a etapa inicial de um estudo da corrosão atmosférica voltado ao setor elétrico com dois anos de duração.

  Devido ao exposto o presente estudo em parceria com a CELESC Distribuição tem os seguintes objetivos.

OBJETIVO GERAL

  Estudar a corrosão atmosférica do aço SAE 1010 galvanizado destinado à utilização em redes de distribuição de energia elétrica na região sul de Santa Catarina.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

  Quantificar os níveis de poluentes presentes na atmosfera;

  • Identificar os fatores que possam influenciar na corrosividade atmosférica;
  • Classificar a categoria de corrosividade atmosférica segundo a norma ISO 9223;
  • Caracterizar o revestimento utilizado nos componentes metálicos (cintas, parafusos,
  • armações, arruelas);
  • corrosão acelerado em névoa salina e no ensaio não acelerado;

  Caracterizar os produtos de corrosão formados no aço galvanizado nos ensaios de

  • ensaio não acelerado.

  Comparar os produtos de corrosão formados no ensaio acelerado com os produtos do

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