Curvas de polarização

As curvas de polarização possuem muitas aplicações no estudo dos comportamentos dos materiais frente à corrosão. Os diagramas de polarização anódica e catódica podem ser obtidos pela construção de gráficos do logaritmo da densidade de corrente versus tensão aplicada na amostra (eletrodo de trabalho) sendo possível coletar os potenciais e as correntes de corrosão que são utilizados para o cálculo das taxas de corrosão. Além disso, é possível observar os comportamentos que um material pode assumir durante polarizações anódicas ou

catódicas (Gentil, 2003; Wolynec, 2003; ASTM G3 – 89). Um diagrama hipotético de

polarização anódica e catódica é apresentado na Figura 3.30.

O valor da densidade de corrente de corrosão (Equação 3.1) é obtido pela divisão do valor da corrente total (obtida no ensaio eletroquímico) pela área do

eletrodo exposto na solução. Este cálculo pode ser expresso como (ASTM G102 –

89):

⁄ (3.1)

onde:

icorr = densidade de corrente de corrosão (µA/cm²)

Icorr = corrente anódica total (µA);

A = área exposta da amostra (cm²). Outras unidades podem ser usadas neste cálculo.

Na Figura 3.30, os coeficientes ba e bc são chamados de declives de Tafel anódico e catódico, respectivamente. Estes coeficientes são utilizados para calcular a constante de Stern-Geary (B) que por sua vez é utilizada para determinar a corrente de corrosão.

Figura 3.30. Diagrama hipotético de polarização anódica e catódica na ausência de oxigênio. Fonte ASTM G3-89.

Com a técnica de polarização potenciostática ou potenciodinâmica é possível

observar se filmes de produto de corrosão formados em meios ricos em CO2

apresentam características protetoras e melhoram o desempenho dos aços frente à corrosão. Um exemplo é o trabalho realizado pelos autores Zhang et al. (2011), onde um filme de carbonato de ferro foi formado na superfície do aço de condução (API

X65) pela imersão do corpo de prova em uma água de formação saturada com CO2

a 60°C por um tempo de 240 horas. A solução de teste possuía concentração iônica total de 33120 mg/L e pH de 5,1. Após o tempo de imersão, a resistência à corrosão dos corpos de prova com filme de carbonato de ferro foi avaliada com o uso da técnica de polarização potenciostática, em comparação com um corpo de prova que não possuía um filme de carbonato de ferro em sua superfície.

A Figura 3.31(a) apresenta o resultado dos ensaios obtidos por Zhang et al. (2011) evidenciando que a presença de um filme de produto de corrosão formado nas condições anteriormente descritas influencia positivamente na resistência à corrosão. A Figura 3.31(b) mostra a morfologia do filme formado.

Figura 3.31. (a) Curvas de polarização de aço com substrato exposto e (b) aço coberto com carbonato de ferro formado em 240 horas de imersão em água de formação saturada com CO2 a

60°C. pH da solução de ensaio: 5,1 e concentração total de íons de 33120 mg/L. Fonte: Zhang et al. (2011).

Pode-se visualizar também que na Figura 3.31 (a) ocorre um comportamento de dissolução anódica do substrato exposto (branco) enquanto que no aço recoberto com um filme de carbonato de ferro foi observado um comportamento pseudo passivo o qual apresenta, em uma pequena faixa de potencial, um pequeno aumento na densidade de corrente com um aumento positivo no potencial. As densidades de corrente anódicas e catódicas foram menores na amostra recoberta com filmes de produto de corrosão quando comparadas com o aço sem filme (branco).

No trabalho de Liu et al. (2011) também foram utilizadas curvas de polarização para investigar o efeito dos filmes de produto de corrosão em corpos de prova que foram expostos a um meio com uma pressão de 2 MPa e 80 °C por um tempo de 72 horas. A Figura 3.32 mostra as curvas de polarização do aço N80 com e sem filmes de produto de corrosão em um meio com 1% de NaCl saturado com

CO2 a 35 °C. A curva 1 é a curva que foi obtida no aço com o substrato exposto

(branco) pois não possui filmes de produto de corrosão e a curva 2 é uma amostra de aço recoberta com um filme de carbonato de ferro formado no interior de um reator nas condições anteriormente citadas.

Figura 3.32. (a) Curvas de polarização de um aço N80 com e sem filmes de pré-corrosão. (b) Morfologia do filme de produto de corrosão da amostra que foi realizado o ensaio. Condições de

ensaio: 35 °C com uma solução de 1% de NaCl. Fonte: Liu et al. (2011).

Observa-se na Figura 3.32(a) que o aço recoberto com filme de carbonato de ferro (curva 2) apresentou o potencial de corrosão deslocado no sentido de

potenciais mais positivos, comparativamente ao aço não revestido (branco – curva

1). Além disso, observou-se a diminuição dos valores de densidade de corrente desenvolvidos pelo corpo de prova recoberto com filmes de produtos de corrosão formados nas condições anteriormente descritas. Segundo Liu et al (2011), o filme de produtos de corrosão restringe o processo de dissolução anódica e melhora o desempenho do sistema na proteção contra a corrosão do aço.

Para o cálculo das taxas de corrosão conforme a norma ASTM G102 – 89 é

necessário, além da densidade da corrente de corrosão obtida pelo ensaio de polarização, a massa equivalente do material (ME), a qual pode ser entendida como a massa do metal em gramas que será oxidada pela passagem de um Faraday de carga elétrica.

Para ligas metálicas assume-se que o processo de corrosão é uniforme e não ocorre seletivamente para algum componente da liga. Normalmente somente elementos acima de 1% em massa na liga são incluídos no cálculo e para calcular a massa equivalente da liga a seguinte aproximação (Equação 3.2) pode ser usada:

∑

(3.2)

onde :

fi = a fração mássica de i-ésimo elemento da liga; Wi = o peso atômico do i-ésimo elemento da liga; ni = a valência do i-ésimo elemento da liga.

Para o cálculo das taxas de corrosão (TC) pode ser utilizada a Lei de Faraday

conforme recomenda a norma ASTM G102 – 89, a qual pode ser representada pela

Equação 3.3.

(3.3)

onde:

TC é dada em mm/ano, icorr em (µA/cm²);

K1=3,27x10-3_{, mm g/ µA/cm ano;}

ρ densidade do material em g/cm³;

No trabalho de Paolinelli et al. (2008) os ensaios de polarização potenciostática foram utilizados para observar como o tempo de exposição a uma

solução de 5% de NaCl saturada com CO2 influencia na resistência à corrosão de

um aço API N80. Os resultados são mostrados na Tabela 3.9.

Tabela 3.9. Parâmetros eletroquímicos obtidos para um aço N80 após exposição à corrosão por CO2. Fonte: Paolinelli et al. (2008).

Tempo de pré-corrosão (h) Ecorr (mV/SCE) Rp (Ω.cm²) Tc (mm/ano) 2 -755 140 ± 10 1,40 ± 0,10 24 -747 169 ± 15 1,15 ± 0,10 48 -742 188 ± 20 1,05 ± 0,10 72 -739 191 ± 27 1,05 ± 0,15

Na Tabela 3.9 é possível observar que à medida que se aumenta o tempo de

pré-corrosão e exposição ao meio rico em CO2, os valores do potencial de corrosão

deslocam-se para valores mais positivos, a resistência de polarização sofre um incremento e as taxas de corrosão reduzem. Segundo Paolinelli et al. (2008), esta melhora está associada à presença do filme de carbonato de ferro, o qual protege a superfície do aço e melhora o desempenho frente à corrosão promovendo uma redução de 25% na taxa de corrosão.

A seguir, a integridade de poços em longo prazo na presença de CO2 é

discutida em função da estabilidade química dos materiais que são empregados em sua construção.

3.10. Integridade química dos materiais empregados na construção de poços