Erosão por partículas sólidas

Erosão é a deterioração de materiais metálicos ou não-metálicos pela ação abrasiva de fluidos em movimento, geralmente acelerada pela presença de partículas sólidas em suspensão (HUTCHINGS, 1992; GENTIL, 2007). Sendo frequentemente observada em uma grande variedade de condições ambientais, principalmente naquelas que envolve transporte de fluídos (líquidos ou gases). Como exemplos de equipamentos e componentes que estão sujeitos a este tipo de desgaste, citam-se: transportadores pneumáticos, turbinas, tubulações, bombas, válvulas, conexões, entre outros (SILVA, 2008). GENTIL (2007) diz que o desgaste erosivo pode promover a destruição das camadas superficiais protetoras dos materiais metálicos, levando ao aparecimento de pequenas regiões anódicas em contato com grandes extensões catódicas, o que se figura como uma pilha eletroquímica quando este material está em contato com meios eletrolíticos.

O desgaste erosivo também é conhecido como erosão por partículas sólidas ou erosão por impacto sólido (impingement), para distinguir dos danos causados por impacto de jatos líquidos ou gotas. A velocidade das partículas em um desgaste erosivo é geralmente da ordem de 5 a 500 m·s-1, apesar de que ainda fora deste limite o processo possa acontecer. Se estas partículas forem transportadas por um líquido o desgaste pode ser denominado slurry erosion (HUTCHINGS, 1992).

Na erosão, diversas forças de diferentes origens podem agir sobre uma partícula em contato com uma superfície sólida (Figura 2.2). Partículas próximas podem exercer forças de contato entre elas; e um fluido escoando, poderá exercer outra força denominada força de arraste. Contudo, a força predominante sobre uma partícula erosiva, a qual é responsável principalmente pela desaceleração a partir de sua velocidade inicial de impacto, é geralmente a força de contato exercida pela superfície. Na erosão, a extensão do desgaste depende não só do número e massa de partículas individuais que atingem a superfície, como também da sua velocidade de impacto (HUTCHINGS, 1992).

Figura 2.2 – Diagrama mostrando as forças que podem atuar sobre uma partícula em contato com uma superfície sólida (adaptada de HUTCHINGS, 1992).

Segundo SILVA (2008), a energia cinética das partículas erosivas convertida em energia de impacto é a grande responsável pelas tensões de contato nas superfícies erodidas. FINNIE (1995) apud SILVA (2008) ainda acrescenta que, as diversas variáveis que podem influenciar na energia de impacto e, consequentemente, na taxa de erosão, foram classificadas em três grandes grupos: (a) variáveis relativas ao impacto; (b) variáveis relativas à partícula erosiva e; (c) variáveis relativas ao material.

As variáveis relativas ao impacto descrevem o escoamento das partículas e são constituídas da velocidade da partícula (v), do ângulo de incidência ( ) e do fluxo (concentração de partículas e escoamento do fluído) (Figura 2.3). O ângulo de incidência é definido com relação à superfície do material erodido e à trajetória da partícula erosiva. Na prática, o impacto se dá por várias partículas e estas podem

incidir normalmente à superfície ( = 90°), obliquamente (ângulos próximos de zero) ou atuar simultaneamente em diversos ângulos (SILVA, 2008).

Figura 2.3 – Representação esquemática da ação erosiva de uma partícula (adaptada de SILVA, 2008).

São consideradas como variáveis de partícula: a forma, o tamanho, a dureza e a tenacidade à fratura. Quanto às variáveis de material, devem ser consideradas todas as propriedades e características do material, tais como: microestrutura, dureza e tenacidade. SILVA (2008), em sua tese, relata que além de todas estas variáveis citadas anteriormente, a taxa de erosão depende, também, da forma com que o material é removido, ou seja, depende dos mecanismos de erosão.

As variáveis envolvidas na erosão influenciam no tipo de mecanismo de remoção de material e, consequentemente, na taxa de desgaste. Uma observação é que os modelos e mecanismos descritos na literatura consideram o impacto de apenas uma partícula em ângulos de impactos específicos, o que na prática não acontece (SILVA, 2008).

Segundo HUTCHINGS (1992), os mecanismos de erosão conhecidos atualmente são compostos basicamente pelo corte, sulcamento, deformação plástica e fratura frágil, sendo que, os mecanismos de corte e sulcamento são semelhantes àqueles observados na abrasão. O microsulcamento é definido como sendo o deslocamento de material para o lado ou para frente da partícula (SILVA, 2008).

ZUM GAHR (1987) diz que o efeito do ângulo de incidência sobre a taxa de erosão é função do mecanismo de remoção de material. A Figura 2.4 apresenta o efeito do ângulo de impacto na taxa de desgaste de materiais dúcteis e frágeis.

Figura 2.4 – Representação esquemática do efeito do ângulo de impacto na taxa de desgaste de materiais dúcteis e frágeis (adaptada de STACHOWIAK e BATCHELOR, 2006).

De acordo com SILVA (2008), em sistemas onde prevalecem o corte e o sulcamento, as maiores taxas de desgaste são verificadas para ângulos de incidência baixos, tipicamente entre 20° e 30°, caindo para metade a um terço em ângulos de incidência normal. Esse comportamento caracteriza um comportamento dúctil do material erodido.

WANG et al. (1995) apud SILVA (2008) relataram que nas condições em que a deformação plástica e a fratura frágil atuam, as maiores taxas de remoção de material são obtidas para incidência normal das partículas, caracterizando um comportamento frágil. Como por exemplo, materiais frágeis, tais como, vidro ou cerâmica fraturam com pouca ou nenhuma deformação e a taxa de desgaste máxima acontece a 90° por fragmentação decorrente da formação e propagação de trincas subsuperficiais no ponto de impacto.

Os mecanismos básicos da erosão por partículas sólidas (microcorte e/ou microsulcamento, fadiga, deformação plástica e fratura frágil) são representados esquematicamente na Figura 2.5.

Figura 2.5 – (a) microcorte e/ou microsulcamento – baixos ângulos de incidência; (b) fadiga – altos ângulos e baixa velocidade, (c) deformação plástica – alto ângulo e média velocidade e (d) fratura

frágil (adaptada de STACHOWIAK e BATCHELOR, 2006).

Os danos a filmes passivados em uma superfície metálica podem ser, também, influenciados pelo ângulo de contato da partícula sobre a superfície, desta forma WOOD (2007) esquematizou as seguintes possibilidades de danos que podem ocorrer em uma superfície passivada (Figura 2.6): (1) superfície passivada inicialmente sem dano; (2) baixo ângulo de impacto resulta em corte e remoção, do filme passivado e do material do substrato; (3) ângulo intermediário de impacto resulta em corte e remoção do filme, mais a formação de crateras plásticas e fratura do filme; (4) ângulo normal de impacto à superfície leva a formação de crateras plásticas/recobrimento e fratura do filme.

Figura 2.6 – Remoção ou fratura de filmes passivados depende do ângulo de impacto das partículas (adaptada de WOOD, 2007).

A taxa de erosão (E) é geralmente definida em função da variação de massa

do material erodido por unidade de área e por unidade de tempo (g/mm2.min). Outra

forma muito utilizada é a taxa de erosão adimensional (EM), obtida pela relação da

variação de massa de material removido, em gramas, pela massa de partículas erosivas que atingem a superfície, também em gramas, para o mesmo período de tempo (g/g) (HUTCHINGS,1992; SILVA, 2008). A Equação 2.1 relaciona estas duas formas de apresentar a taxa de erosão:

E = c V E_M (2.1)

Onde:

E = taxa de erosão (g/mm2.min);

c = concentração de partículas erosivas (g/mm3);

V = velocidade de impacto (m/s);

EM = taxa de erosão (g/g)

A taxa de erosão é medida através de testes de erosão ou calculada utilizando-se os modelos matemáticos propostos na literatura. Em um dos modelos genéricos propostos, a taxa de erosão é calculada em função da massa específica

do material erodido, da velocidade de impacto e da dureza do material, segundo a Equação 2.2 (HUTCHINGS,1992; SILVA, 2008).

E = K V 2 2H (2.2) Onde: E = taxa de erosão (g/g); K = constante; V = velocidade de impacto (m/s);

H = dureza do material erodido (Pa);

= massa específica do material erodido (kg/m3₎

Este modelo simplificado, relatado por HUTCHINGS (1992) em sua obra, não leva em consideração o efeito de variáveis tais como: ângulo de incidência, tamanho e forma da partícula erosiva, dentre outras. Por isso, a constante K da Equação 2.2

é controlada por estas variáveis e tem valores típicos entre 10-5 a 10-1. SILVA (2008)

ainda acrescenta que apesar das limitações e simplificações dos modelos matemáticos propostos para erosão, eles podem fornecer estimativas de desgaste em projetos, bem como auxiliar no entendimento de problemas práticos envolvendo erosão.