ESTUDO DE CORROSÃO EM FUNDAÇÃO DE TORRES ESTAIADAS Neusvaldo Lira de Almeida1, Sidney O. Pagotto Jr.2, Leandro Santos Escudero3 Marcus Garbelotti4, José Antonio Jardini5, Mário Masuda6 ABSTRACT
The buried metallic structures are subject to soil corrosivity and it can result in premature deterioration. In general, the soil corrosivity is evaluated by resistivity, corrosion potential, redox potential, pH, etc. that supply just qualitative results. This paper refers to a study of the soil corrosivity relative to LT Tucuruí - Vila do Conde, in Para State. The soil parameters that influence the buried structure corrosion were determined. Besides, a new methodology to evaluate the soil corrosivity was applied through a coupons installation in the representative areas of LT. The main conclusions of this study were: a) the soil relative to LT Tucuruí - Vila do Conde possesses high resistivity (low corrosivity). b) In these areas, the redox potential values indicated absence of microbiologic corrosion, except in the Tower 674 that presented little occurrence probability. c) The corrosion potential values (potential soil-structure) were in accordance with natural potentials and they were nonoscillating. This indicates absence of external sources in the eventual structure corrosion processes. d) The corrosion rates obtained in the field tests varied between 0,014 mm/y and 0,044 mm/y and they presented a decreasing tendency as it increases their depth. e) The corrosion rates obtained in the field were systematically smaller than corrosion rates obtained by Stratful's diagram. f) Finally, the buried coupons showed to be an important technique to quantify the real corrosion rates.
Key words: soil corrosivity, corrosion rates, alternative methodology.
RESUMO
As estruturas metálicas enterradas estão sujeitas à ação corrosiva do solo que, dependendo da intensidade, pode resultar em deterioração prematura. Em geral, a corrosividade de solos é avaliada por meio da resistividade, do potencial de corrosão, do potencial redox, do pH, etc. que fornecem resultados apenas qualitativos de desempenho. Este trabalho refere-se a um estudo da corrosividade do solo que compreende a LT Tucuruí – Vila do Conde, no estado do Pará. Foram determinadas as variáveis do solo que influenciam a corrosão de estruturas enterradas ao longo da LT e aplicada uma nova metodologia para quantificar a corrosividade do solo, por meio de
1 Mestre – Pesquisador do Laboratório de Corrosão e Proteção - Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de
São Paulo.
2 Mestre – Pesquisador do Laboratório de Corrosão e Proteção - Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de
São Paulo.
3 Técnico em Metalurgia - Laboratório de Corrosão e Proteção - Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de
São Paulo.
4 Engenheiro Especialista – Empresa Paraense de Transmissão de Energia. 5 Doutor – Escola Politécnica - Universidade de São Paulo.
instalação de corpos-de-prova nas áreas representativas das torres da LT. As conclusões principais deste estudo foram: a) os solos nos quais as torres da LT Tucuruí – Vila do Conde estão enterradas possuem alta resistividade e, portanto, são pouco corrosivos. b) nas regiões pesquisadas, os valores dos potenciais redox indicam ausência de corrosão microbiológica, exceto na região da Torre 674, que apresentou leve probabilidade de ocorrência. c) os valores dos potenciais de corrosão (potencial estrutura-solo) estavam dentro da faixa de potenciais naturais e não eram oscilantes. Isto indica ausência de fontes externas nos eventuais processos de corrosão das estruturas. d) as taxas de corrosão obtidas nos ensaios de campo variaram entre 0,014 mm/ano e 0,044 mm/ano e apresentaram tendência decrescente à medida que aumenta a profundidade. e) as taxas de corrosão obtidas em campo foram sistematicamente inferiores às estimadas pelo diagrama de Stratful. f) finalmente, a utilização de corpos-de-prova enterrados nos mesmos solos nos quais estão as estruturas mostrou ser uma importante técnica para quantificar as taxas de corrosão.
Palavras chaves: corrosividade de solo, taxas de corrosão, metodologia alternativa.
INTRODUÇÃO
Estruturas metálicas enterradas estão sujeitas à ação corrosiva do solo que dependendo da intensidade, poderá resultar em deterioração prematura da estrutura. A corrosão pelo solo é influenciada por diversos fatores como a composição química do solo, o pH, o teor de umidade, atividade microbiológica, contato elétrico entre metais dissimilares e presença de correntes elétricas geradas por fontes externas. De uma maneira geral, a corrosividade de solos é avaliada por meio da determinação da resistividade, do potencial de corrosão, do potencial redox, do pH, etc. que, no entanto, fornecem resultados apenas qualitativos de desempenho.
Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento da ANEEL, para estudar a corrosividade do solo ao aço USI SAC 300, que era o material usado nas estruturas de fixação das torres de LT, em uma região onde está instalada a LT Tucuruí – Vila do Conde, no estado do Pará. Foi desenvolvido por meio de instalação de corpos-de-prova nos solos representativos das áreas nas quais estão instaladas as torres de LT. Os valores obtidos foram comparados com os valores estimados com base na resistividade mínima e no pH.
METODOLOGIA
A metodologia adotada neste estudo envolveu ensaios em campo e em laboratório. Para os ensaios de campo foram preparados corpos-de-prova de aço USI SAC 300. A Figura 1 mostra o aspecto de um corpo-de-prova utilizado nos ensaios de campo. O corpo-de-prova tinha o formato cilíndrico com altura de 4 cm e diâmetro médio de 3,2 cm. Os corpos-de-prova foram presos a hastes prolongadoras afastados de 1 m entre si. Cada haste continha três corpos-de-prova. A Figura 2 mostra o aspecto esquemático de uma haste com os corpos-de-prova. A haste era de aço-carbono ST 52 e entre os corpos-de-prova e a haste foi colocado um isolamento de PTFE para evitar o contato galvânico desta com o corpo-de-prova.
Os corpos-de-prova de aço USI SAC 300 foram pesados em balança analítica, suas áreas foram determinadas e em seguida foram cravados em dez regiões ao longo da LT 500 kV Tucuruí – Vila do Conde. Em cada região, foram colocadas duas hastes com três corpos-de-prova cada, com profundidade variando de 1 m a 3 m.
Em agosto de 2004 e em fevereiro e outubro de 2005, foram realizadas medidas de resistividade, do potencial de corrosão, do potencial redox e do pH. A resistividade foi medida com um terrômetro marca Megabras, para três profundidades diferentes: 1 m, 2 m e 3 m, pelo método de
Wenner.
O potencial estrutura-solo e o potencial redox foram medidos utilizando-se um multímetro marca Minipa modelo ET-2702, um eletrodo de referência de cobre/sulfato de cobre marca Tinker & Rasor e, no caso potencial redox, foi utilizado ainda um contra-eletrodo de platina. O pH dos solos também foi determinado com um medidor de pH portátil marca Digimed modelo DM-2. Em outubro de 2005, após 14 meses de ensaio, os corpos-de-prova foram retirados e decapados em laboratório, para determinação das taxas de corrosão, segundo as normas ASTM G 1:2003 e NBR 6210:1987.
Na época de instalação dos corpos-de-prova, foram coletadas amostras de solos das dez regiões para realização de ensaios em laboratório. Foram determinadas a resistividade mínima e o pH, de acordo com o seguinte procedimento:
- secagem em estufa da amostra de solo, até eliminar toda a umidade;
- a amostra de solo foi peneirada e colocada em um recipiente, sendo adicionados 10% (em massa) de água deionizada. O pH e a resistividade do solo foram medidos com um pHmetro portátil marca Digimed modelo DM-2 e um terrômetro marca Megabras, respectivamente; - seguiram-se novas adições de água, medindo o pH e a resistividade até obter a resistividade
mínima.
Com base nos valores de resistividade mínima e do pH foram estimadas as taxas de corrosão utilizando-se o diagrama de Stratful.
RESULTADOS
Os resultados da análise química estão mostrados na Tabela 1. Na Tabela 2, estão apresentadas a identificação dos locais onde os corpos-de-prova foram instalados e as respectivas profundidades. Nas Tabelas 3, 4 e 5, estão apresentados os valores das resistividades, dos potenciais de corrosão, dos potenciais redox e dos valores de pH obtidos nos meses de agosto de 2004, fevereiro de 2005 e outubro de 2005, respectivamente. A Tabela 6 apresenta as taxas de corrosão dos corpos-de-prova que foram enterrados nas dez regiões.
De acordo com os dados apresentados nas Tabelas 3 a 5, verifica-se que nos três períodos, a resistividade das dez regiões estudadas era superior a 10 kΩ.cm, valores estes característicos de
solos muito pouco corrosivos. Os valores dos potenciais de corrosão são típicos de potenciais naturais e os valores do potencial redox, em apenas uma região, foram sistematicamente inferiores a 400 mV. Nas demais, os valores indicaram que não há possibilidade de ocorrência de corrosão microbiológica.
Analisando-se a Tabela 6, nota-se que as taxas de corrosão são relativamente baixas, variando de 0,014 mm/ano a 0,044 mm/ano. Com base nos valores apresentados nas Tabelas 3 a 6, foram construídos gráficos para verificar como varia a taxa de corrosão com a profundidade dos corpos-de-prova e também com a resistividade dos solos. Os resultados obtidos estão mostrados nas Figuras 3 e 4. Observa-se que as taxas de corrosão apresentam tendência decrescente tanto com o aumento da profundidade dos corpos-de-prova, como com o aumento da resistividade. Os valores das taxas de corrosão obtidos com os corpos-de-prova enterrados foram comparados com os valores estimados com base no diagrama de Stratful. Em todos os casos, os valores das taxas de corrosão obtidas em campo foram inferiores às estimadas pelo diagrama de Stratful. Os gráficos mostrados nas Figuras 5 e 6 ilustram alguns destes casos.
Ensaios em Laboratório
A partir dos valores de resistividade mínima e de pH, foram calculadas as taxas de corrosão em laboratório e comparadas com as taxas de corrosão obtidas em campo para as resistividades mínimas, utilizando o diagrama de Stratful. Os valores obtidos estão mostrados na Tabela 7. Analisando-se esta Tabela, observa-se uma boa correlação entre os resultados de laboratório e os resultados de campo, exceto para o solo da Torre 674.
ANÁLISE DOS RESULTADOS
As taxas de corrosão dos metais enterrados dependem fortemente da agressividade intrínseca e da agressividade relativa do solo. Entende-se por agressividade intrínseca as características químicas e físicas do solo e por agressividade relativa, tudo que está relacionado com fatores externos como par galvânico e correntes de interferência.
Aspectos importantes foram comprovados neste estudo: os valores dos potenciais de corrosão (potencial estrutura-solo) estavam dentro da faixa de potencial natural e eram constantes; isto significa dizer que não há influência de correntes externas na estrutura. Nos solos estudados, em apenas uma região, os valores dos potenciais redox foram sistematicamente inferiores a 400 mV. Este potencial está relacionado com o grau de aeração do solo. Existem determinados microorganismos, como as bactérias redutoras de sulfatos, que se desenvolvem em condições anaeróbicas e o metabolismo destas bactérias envolve ataque aos metais. Nas condições do estudo, apenas na região da Torre 674 (potencial redox entre 200 mV e 400 mV) há alguma probabilidade de ocorrência de corrosão microbiológica.
No presente estudo, todos os valores de resistividade obtidos foram superiores a 20 kΩ.cm e as taxas de corrosão variaram de 0,014 mm/ano a 0,044 mm/ano. Se a classificação dos solos do
presente estudo fosse feita com base nos valores de resistividade (PANOSSIAN, 1992), os solos seriam considerados pouco corrosivos. Se, no entanto, esta classificação fosse feita com base na relação sugerida por Rosenqvist (1961), os solos seriam do tipo capazes de danificar estruturas. Se ao invés destes critérios fosse adotado o diagrama de Stratful, que é baseado na resistividade mínima e no pH, as taxas de corrosão seriam superestimadas já que estas, nas dez regiões estudadas, foram superiores às taxas obtidas em campo. Em outra análise, comparando-se as taxas de corrosão obtidas por Stratful, em laboratório e em campo, nota-se uma boa correlação entre elas, exceto para a região correspondente à Torre 674. Porém, em ambos os casos, as taxas de corrosão foram superiores às de campo.
Pelo exposto, parece evidente que sempre que for possível, deve-se dar preferência aos ensaios de campo para avaliar desempenho de materiais, porque estes apresentam resultados mais confiáveis. Quanto mais próximas das condições reais de trabalhos forem as condições do ensaio, mais representativos serão os resultados. Assim, a utilização de corpos-de-prova enterrados nas regiões nas quais as torres estão instaladas mostrou-se ser uma técnica eficaz para avaliar o desempenho de materiais. Cabe ressaltar ainda que este estudo comprovou que as taxas de corrosão diminuem com a profundidade, fato que não foi previsto por nenhuma das outras alternativas discutidas.
CONCLUSÃO
Os ensaios realizados em campo e em laboratório permitiram obter as seguintes conclusões: - os solos nos quais as torres da LT Tucuruí – Vila do Conde estão enterradas possuem alta
resistividade e portanto são típicos de solos muito pouco corrosivos;
- nas regiões pesquisadas, os valores dos potenciais redox indicam ausência de corrosão microbiológica, exceto na região da Torre 674, que apresentou alguma probabilidade;
- os valores dos potenciais de corrosão (potencial estrutura-solo) estavam dentro da faixa de potenciais naturais e não apresentaram valores oscilantes. Isto indica ausência de fontes externas nos eventuais processos de corrosão das estruturas;
- as taxas de corrosão obtidas nos ensaios de campo apresentaram tendência decrescente à medida que aumenta a profundidade;
- os valores das taxas de corrosão foram sistematicamente inferiores aos valores estimados pelo diagrama de Stratful;
- a utilização de corpos-de-prova enterrados nos solos mostrou ser uma importante técnica para quantificar as taxas de corrosão reais dos solos nos quais as estruturas estão enterradas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASTM G1:2003 “Standard Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens”
DUTRA, A.C.; NUNES, L.P. 1987. Proteção catódica – técnica de combate à corrosão. Rio de Janeiro: Editora Técnica. p.71.
NBR 6210:1987 “Preparo, limpeza e avaliação da taxa de corrosão de corpos-de-prova em ensaios de corrosão”
PANOSSIAN, Z. Proteção contra corrosão em equipamentos e estruturas metálicas. instituto de Pesquisas Tecnológicas, Publicação IPT 2032, 1993.v.2. p 281-363
ROSENQVIST, I. Th. Subsoil corrosion of steel. Norwegian Geothecnical Institute, Oslo, 1961. 86 p. (Publication Nr. 42)
SERRA, E.T., ARAÚJO, M.M., MANNHEIMER, W.A. On the influence of alternating current on corrosion of aluminum and copper in contact with soil, Corrosion, In: The International Corrosion Forum and Perfomance of Materials, Atlanta, March 1979.
Figura 1 – Aspecto do corpo-de-prova de aço USI SAC 300.
corpos-de-prova
isolamento
Figura 2 – Aspecto esquemático de uma haste contendo os corpos-de-prova.
Tabela 1– Resultado da análise química do aço USI SAC 300
Elementos Aço USI SAC 300
Carbono - % C 0,10 Silício - % Si 1,18 Manganês - % Mn 1,32 Fósforo - % P 0,036 Enxofre - % S 0,007 Cromo - % Cr 0,23 Níquel - % Ni 0,021 Cobre - % Cu 0,08 Alumínio - % Al 0,04
Tabela 2 – Locais de instalação das hastes com os corpos-de-prova, no trecho da linha LT 500 kV Tucuruí – Vila do
Conde
Local de
instalação Identificação dos CPs Profundidade (m)
29 0,5 28 1,5 4 Superfície 5 1 Torre 51 6 2 9 1 2 Superfície Torre 267 1 1 54 1 32 2 56 1 Torre 334 34 2 11 1 12 2 14 1 Torre 420 15 2 58 1 25 2 60 1 Torre 504 18 2 57 1 53 2 27 3 67 1 10 2 Torre 558 52 3 69 1 68 2 17 3 47 1 48 2 Torre 594 22 3 31 1 Torre 624 20 1 39 1 41 2 26 3 36 1 37 2 Torre 657 38 3 42 1 45 2 43 3 50 1 Torre 674 46 2
Tabela 3 - Valores da resistividade dos solos, dos potenciais de corrosão, dos potenciais redox e do pH, obtidos em
agosto de 2004.
Resistividade (kΩ.cm) Potencial (Cu/CuSO4) Local de
medição 1 m 2 m 3 m Redox (mV) Estrutura-solo (mV) pH
Torre 51 81 111 89 365 -766 7,1 Torre 267 181 141 100 415 -527 5,1 Torre 334 21 29 220 454 -600 5,2 Torre 420 55 65 77 381 -674 5,0 Torre 504 107 129 106 382 -745 5,0 Torre 558 188 230 203 371 -674 4,8 Torre 594 51 64 64 404 -738 4,7 Torre 624 88 108 32 361 -770 4,5 Torre 657 114 198 138 199 -744 5,1 Torre 674 111 108 - 218 -700 4,7
Tabela 4 - Valores da resistividade dos solos, dos potenciais de corrosão, dos potenciais redox e do pH, obtidos em
fevereiro de 2005.
Resistividade (kΩ.cm) Potencial (Cu/CuSO4) Locais de
medição 1 m 2 m 3 m Redox (mV) Estrutura-solo (mV) pH
Torre 51 72 117 89 458 -750 7,5 Torre 267 21 34 34 444 -620 4,9 Torre 334 13 29 41 400 -620 5,0 Torre 420 39 48 58 386 -560 6,0 Torre 504 80 92 73 418 -690 4,8 Torre 558 74 129 130 490 -450 5,0 Torre 594 76 70 72 310 -540 4,9 Torre 624 44 59 77 426 -560 5,6 Torre 657 141 99 149 539 500 5,3 Torre 674 117 196 252 286 -480 5,1
Tabela 5 - Valores da resistividade dos solos, dos potenciais de corrosão, dos potenciais redox e do pH, obtidos em
outubro de 2005.
Resistividade (kΩ.cm) Potencial (Cu/CuSO4) Locais de
medição 1 m 2 m 3 m Redox (mV) Estrutura-solo (mV) pH
Torre 51 123 187 202 402 -673 5,9 Torre 267 151 200 179 669 -329 4,9 Torre 334 44 55 71 440 -340 5,5 Torre 420 142 100 98 482 -369 5,2 Torre 504 138 219 258 618 -565 4,8 Torre 558 332 320 332 395 -680 5,5 Torre 594 121 276 200 443 -642 4,6 Torre 624 138 75 117 342 -482 4,5 Torre 657 219 314 731 282 -628 4,6 Torre 674 176 175 138 348 -622 4,6
Tabela 6 - Taxas de corrosão obtidas com os corpos-de-prova enterrados Taxas de corrosão (µm/ano) para as
três profundidades Local de instalação 1 m 2 m 3 m Torre 51 20,3 14,4 - Torre 267 30,9 - - Torre 334 37,3 33,9 - Torre 420 35,0 26,8 - Torre 504 18,8 27,5 - Torre 558 19,0 14,2 18,7 Torre 594 37,2 26,1 16,5 Torre 624 38,6 - - Torre 657 43,5 19,7 17,3 Torre 674 27,1 34,5 22,9 0 10 20 30 40 50 0 1 2 3 4 Profundidade (m) T ax a de co rr os ão ( m ic rons /ano)
Figura 3 – Relação entre a taxa de corrosão e a profundidade dos corpos-de-prova de aço USI SAC 300, nas dez
0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 400 Resistividade (ohm.cm) x 1000 T ax a de co rr os ão ( m ic rons /ano)
Figura 4 – Relação entre a taxa de corrosão do aço USI SAC 300 e a resistividade dos solos, nas dez regiões
estudadas. 0 20 40 60 0 1 2 3 4 Profundidade (m) T ax a d e c orro sã o (m ic ro ns /a no ) TC campo Stratful
Figura 5 – Relação entre a taxa de corrosão real e a taxa estimada pelo diagrama de
0 20 40 60 0 1 2 3 Profundidade (m) T ax a d e c orro sã o (m ic ro ns /a no ) 4 TC campo Stratful
Figura 6 – Relação entre a taxa de corrosão real e a taxa estimada pelo diagrama de
Stratful, para a Torre 594. TC – Taxa de Corrosão.
Tabela 7 – Taxas de corrosão obtidas em campo e em laboratório a partir da resistividade mínima e do pH,
utilizando o diagrama de Stratful.
Stratful (campo) Stratful (laboratório)
Locais de
medição Resistividade mínima
(kΩ.cm) pH Taxa de corrosão (µm/ano) Resistividade mínima (kΩ.cm) pH Taxa de corrosão (µm/ano) Torre 51 72,0 7,5 25,0 21,5 7,6 28,0 Torre 267 21,0 4,9 55,0 10,5 5,2 62 Torre 334 13,0 5,0 61,0 15,4 5,0 60 Torre 420 39,0 6,0 45,0 21,3 5,0 53 Torre 504 73,0 4,8 40,0 23,5 4,8 53 Torre 558 74,0 5,0 40,0 15,3 4,8 62 Torre 594 51,0 4,7 44,0 24,8 5,15 50 Torre 624 32,0 4,5 52,0 10,4 4,35 65 Torre 657 99,0 5,3 38,0 15,6 5,2 38 Torre 674 108,0 4,7 37,0 2,1 5,3 120
