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 PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

PAULO ROBERTO PAES DA SILVA

ESTUDO DA CORROSÃO ATMOSFÉRICA EM AÇO GALVANIZADO EMPREGADO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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PAULO ROBERTO PAES DA SILVA

ESTUDO DA CORROSÃO ATMOSFÉRICA EM AÇO GALVANIZADO EMPREGADO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO 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

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - 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)

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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.

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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.

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LISTA DE FIGURAS

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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

Tabela 1.4: Classificação em termos de contaminação de SO2...26

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 (mgSO3 /m².dias) das dez estações para um período de seis meses...48

Tabela 3.3: Média dos valores de partículas sedimentáveis das dez estações para um período de seis meses...48

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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 (SO4 -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 (Zn5(OH)8Cl2.H2O) foi o principal

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.

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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 relative humidity, and also due to the presence of chloride ions (Cl-) and sulphate (SO4-2)

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 (Zn5(OH)8Cl2.H2O) was the main

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.

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ... 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

3.3 Ensaio de corrosão não acelerado ... 54

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4. CONCLUSÃO ... 61

5. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 62

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 63

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INTRODUÇÃO

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 100oC. 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 (SOx) provenientes da

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.

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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 sulfato (SO4-2), 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.

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.

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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);

• Caracterizar os produtos de corrosão formados no aço galvanizado nos ensaios de corrosão acelerado em névoa salina e no ensaio não acelerado;

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