Uma análise detalhada da seleção de materiais

A seleção de materiais é um importante método de controle de corrosão no projeto de engenharia. Ele desempenha um papel na estimativa eficaz dos custos do projeto, programação de construção e operações seguras.

Os conceitos fundamentais da seleção de materiais incluem:

• Tipos de materiais :abrange a ampla gama de materiais disponíveis que podem ser selecionados.
• Propriedades do material :refere-se ao exame das propriedades mecânicas, físicas e de resistência à corrosão que atendem aos requisitos para aplicações/usos específicos.
• Economia de materiais: Isso se refere aos custos de propriedade, capital, manutenção e operação de vários materiais.

Uma visão geral dos materiais comuns

Existem muitos materiais de engenharia na indústria. Aqui vamos dar uma olhada nas propriedades de alguns dos mais comuns.

Aços carbono

O aço carbono refere-se a uma família de metais à base de ferro com menos de 2% de carbono. Os aços carbono são os materiais mais utilizados devido à sua facilidade de fabricação, baixo custo, disponibilidade e alta resistência. Os aços carbono são usados ​​em uma ampla gama de aplicações, desde componentes estruturais até equipamentos de alta pressão.

Os aços carbono ligados com pequenas adições de cromo, molibdênio, vanádio e nióbio são considerados aços de baixa liga. Os elementos de liga formam carbonetos na microestrutura, aumentando a resistência e confiabilidade dos materiais em altas temperaturas, como em caldeiras de usinas.

Em temperaturas abaixo de zero, os aços carbono têm menos tenacidade, então o níquel é adicionado para manter a tenacidade. Com quantidades mais altas de níquel, a faixa para temperaturas mais baixas aumenta, especialmente para aplicações de gases líquidos para evitar fraturas frágeis em equipamentos de gás natural liquefeito (GNL) e gás liquefeito de petróleo (GLP).

Ferro fundido

O ferro fundido é um metal à base de ferro, com mais de 2% de carbono. É barato e não precisa de tratamento adicional para reduzir o teor de carbono. No entanto, é frágil e tem soldabilidade limitada. É utilizado para peças não críticas em bombas d'água e tubulações, e possui resistência à corrosão semelhante à dos aços carbono. Ferro fundido cinzento e ferro fundido nodular/dúctil são os tipos mais comuns de ferro fundido.

Aço inoxidável (SS)

O aço inoxidável é um tipo de aço com cromo de pelo menos 11%, em combinação com níquel, molibdênio e nitrogênio. Os aços inoxidáveis ​​são usados ​​de forma confiável em ambientes corrosivos em uma variedade de indústrias de energia, química e petroquímica. Existem vários tipos de aço inoxidável, dependendo dos teores de liga e microestruturas.

Ler: Uma introdução aos aços inoxidáveis

Aços inoxidáveis ​​ferríticos
Os aços inoxidáveis ​​ferríticos são os tipos mais econômicos e possuem teor de níquel muito baixo. Eles são suscetíveis à sensibilização e difíceis de soldar e, portanto, são usados ​​para componentes não soldados. Apesar de sua moderada resistência à corrosão, os aços inoxidáveis ​​ferríticos são resistentes à corrosão sob tensão assistida por cloreto (SCC).

Aços inoxidáveis ​​martensíticos
Os aços inoxidáveis ​​martensíticos possuem baixo teor de níquel, com uma gama de usos semelhante à dos aços inoxidáveis ​​ferríticos. Possuem alta resistência e existem muitas tubulações fabricadas em aços inoxidáveis ​​martensíticos. Sua alta dureza os torna preferidos para uso contra a erosão.

Aços inoxidáveis ​​austeníticos
Os aços inoxidáveis ​​austeníticos são os aços inoxidáveis ​​mais utilizados na indústria. Com níquel superior, possuem boa resistência à corrosão e são de fácil fabricação. Existem diferentes graus de aços inoxidáveis ​​austeníticos para selecionar dependendo da corrosividade do ambiente. Alguns graus de ligas inferiores têm baixa resistência ao cloreto SCC. Os aços inoxidáveis ​​austeníticos são amplamente utilizados em aplicações criogênicas.

Ler: 12 coisas que você precisa saber sobre aço inoxidável austenítico

Aços inoxidáveis ​​duplex
Os aços inoxidáveis ​​duplex possuem microestruturas duplas, ferríticas e austeníticas, com propriedades combinadas. Eles têm alta resistência e muito boa resistência à corrosão, especialmente contra SCC assistido por cloreto, tornando-os bons para uso em aplicações offshore. No entanto, os aços inoxidáveis ​​duplex herdam a menor resistência da fase ferrítica.

Aços inoxidáveis ​​endurecidos por precipitação
Os aços inoxidáveis ​​endurecidos por precipitação apresentam alta resistência e tenacidade, desde microestruturas austeníticas, semiausteníticas ou martensíticas, dependendo do tratamento térmico. Embora tenham boa soldabilidade, suas aplicações são limitadas, como para molas de alto desempenho.

Ligas

Uma liga combina diferentes metais, permitindo diferentes propriedades. Aqui estão algumas das ligas mais comuns e suas principais características.

Ligas de níquel

As ligas de níquel têm excepcional resistência à corrosão, mas são caras devido ao seu alto teor de níquel, que geralmente é adicionado em combinação com outros elementos de liga, como o molibdênio. Existem muitos tipos de ligas de níquel que são designadas pelo nome da marca, como Hastelloy, Incoloy, Monel, etc. Esses nomes pertencem a patentes expiradas, mas o legado de nomenclatura permanece. As ligas de níquel são resistentes ao SCC assistido por cloreto e ao SCC assistido por sulfeto.

Webinar: A resistência à corrosão das ligas de níquel

Ligas de alumínio

As ligas de alumínio têm boa relação resistência-peso e boa resistência à corrosão. Eles são, no entanto, suscetíveis à corrosão galvânica quando em contato com metais à base de ferro. Como o alumínio tem uma baixa temperatura de fusão, a aplicação de ligas de alumínio é limitada a usos de baixa temperatura. Devido ao seu excelente desempenho térmico e retenção de ductilidade, as ligas de alumínio são usadas em aplicações criogênicas, como trocadores de calor na indústria de GNL.

Ligas de Cobre

As ligas de cobre são comumente usadas em ambientes de água do mar e trocadores de calor. Possuem alta resistência à bioincrustação, especialmente microincrustação, e condições estagnadas que podem causar corrosão localizada, bem como corrosão relacionada ao fluxo excessivo. Algumas ligas de cobre são suscetíveis a SCC em ambientes contendo amônia.

Ligas de titânio

As ligas de titânio têm boa relação resistência-peso e alta resistência à corrosão em ambientes com alto teor de cloreto. Eles são, no entanto, caros e difíceis de fabricar. O titânio não ligado é comumente usado na indústria e é mais econômico do que outros graus de titânio.

Ler: 5 coisas para saber e entender sobre corrosão de titânio

Cerâmica

Devido à sua natureza frágil - e apesar de sua alta resistência à corrosão - as cerâmicas não são usadas em equipamentos que contêm pressão. A cerâmica é utilizada em equipamentos e peças de alta temperatura, como refratários, e para proteção contra desgaste. As cerâmicas para refratários são geralmente compostas por uma combinação de óxidos de alumínio, magnésio e silício. Para resistência ao desgaste, as cerâmicas são compostas de carbonetos ou nitretos.

Polímeros

Os polímeros são usados ​​como termoplásticos, termofixos e elastômeros. A maioria dos polímeros é muito resistente à corrosão, ainda mais do que muitas ligas resistentes à corrosão. Os polímeros, no entanto, têm baixa resistência, baixos pontos de fusão e resistência limitada aos raios UV. Em aplicações corrosivas de alta pressão, os polímeros podem ser usados ​​para revestimentos resistentes à corrosão em superfícies metálicas. PEAD, PVC e PTFE são exemplos de termoplásticos, mas apesar de pertencerem ao mesmo grupo, possuem propriedades e aplicações diferentes. Os termofixos geralmente não são usados ​​como materiais sólidos, mas sim como revestimentos ou em uma matriz de um compósito. Os elastômeros têm propriedades mecânicas únicas e são usados ​​para vedar componentes em muitas aplicações pressurizadas.

Ler: A corrosão de materiais poliméricos

Compostos

Os compósitos são uma combinação de dois ou mais materiais para obter ambas as propriedades de ambos e, portanto, características ideais para uma determinada aplicação. Os compósitos mais comuns na indústria combinam fibra de vidro reforçada em matriz polimérica e aço reforçado em matriz de concreto. A fibra dá alta resistência e a matriz dá tenacidade, distribuindo o estresse uniformemente. A fibra de reforço pode ser feita de vidro, metal, carbono e outros polímeros, como aramida. O vidro E é uma fibra comumente usada, e existem outros tipos de vidros adequados para diferentes aplicações, como o vidro C para resistência química ou o vidro R para resistência à fadiga. O polímero termofixo é uma matriz composta comumente utilizada, de fácil fabricação e com boas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão. O polímero termoplástico não é tão comumente usado quanto o polímero termofixo e tende a ser usado para tubos spool por sua alta ductilidade.

O concreto reforçado com aço é um material estrutural vital, e a corrosão do aço ocorre em ambientes corrosivos, como os da água do mar e águas residuais. Revestimentos, proteção catódica e uso de aços inoxidáveis ​​são usados ​​para mitigar a corrosão.

Fatores a serem considerados na seleção de materiais

Em geral, os principais fatores considerados para materiais incluem, mas não estão limitados a:

• Propriedades mecânicas
• Propriedades de corrosão
• Custo total de propriedade
• Disponibilidade
• Facilidade de fabricação

Para aplicações de suporte de carga, as propriedades mecânicas são verificadas para garantir a integridade estrutural. As propriedades mecânicas dos materiais de engenharia variam muito, dependendo das microestruturas, composição química e processos de fabricação. As variedades são padronizadas internacionalmente ou localmente por órgãos governamentais, como ASTM, ISO ou JIS. As propriedades mecânicas básicas incluem, mas não estão limitadas a:

• Resistência à tração
• Energia de impacto
• Alongamento
• Dureza
• Fadiga
• Resistência à fratura
• Deslizamento
• Outros fatores dependendo da aplicação específica

As propriedades são comumente obtidas a partir de testes destrutivos de amostras de processos de fabricação, e os resultados são declarados em certificados de material. Testes mecânicos especializados, no entanto, são realizados com antecedência para evitar disputas entre compradores e fabricantes.

Os materiais se degradam ao longo do tempo por reações induzidas pelo ambiente chamadas corrosão. A corrosividade ambiental varia dependendo da natureza do ambiente, materiais selecionados e aplicação. Os materiais devem ser selecionados adequadamente para garantir confiabilidade e operação segura durante a vida útil da aplicação.

A corrosão pode ser induzida pela atmosfera, solo, água, produtos químicos, óleo e gás e microorganismos, e por diferentes corrosivos causando diferentes tipos de corrosão. A seleção de materiais com o objetivo de mitigar a corrosão geralmente usa o seguinte:

• Diagramas/gráficos de corrosão termodinâmica
• Modelos de corrosão
• Tabelas de compatibilidade química
• Testes laboratoriais (polarização potenciodinâmica, imersão, espectroscopia de impedância eletroquímica, corrosão sob tensão)
• Recomendações de licenciadores de tecnologia
• Retorno operacional

Diagramas/Gráficos de Corrosão Termodinâmica

Diagramas/gráficos de corrosão são baseados na coleta de dados de testes de laboratório e/ou desempenho em campo. Os dados coletados são baseados em parâmetros estudados em testes de laboratório ou testes de campo.

Modelos de corrosão

Modelos de corrosão são usados ​​para prever taxas de corrosão com base em fórmulas empíricas. Os modelos são utilizados na forma de softwares proprietários ou em planilhas excel com os parâmetros de entrada inseridos. Existem modelos para CO₂ corrosão, corrosão por oxigênio e taxa de crescimento de trincas. A precisão dos modelos pode variar, pois nem todos os parâmetros de corrosão podem ser incluídos nos modelos, que são gerados empiricamente a partir de dados obtidos experimentalmente.

Tabelas de compatibilidade química

As tabelas ou gráficos de compatibilidade química são ferramentas qualitativas usadas para determinar a compatibilidade entre as condições ambientais e os materiais selecionados para uma aplicação. Para algumas situações, investigações e testes adicionais são necessários para determinar melhor a compatibilidade de um material selecionado.

Testes de laboratório

Testes de laboratório são realizados para casos em que são necessários dados analíticos para avaliar o desempenho de materiais selecionados em condições ambientais simuladas. As condições ambientais, configurações de laboratório e condições experimentais são organizadas em um ambiente de laboratório padronizado para garantir que os dados obtidos representem os parâmetros utilizados para a seleção de materiais eficaz e adequada.

Recomendações do Licenciador de Tecnologia

Algumas tecnologias de processamento são proprietárias e os acordos de know-how são de propriedade dos licenciadores. Os materiais selecionados pelos licenciadores geralmente representam os requisitos mínimos para fins de garantia.

Feedback operacional

O feedback operacional de experiências reais é valioso, pois oferece dados baseados em campo em tempo real. A coleta de dados históricos (alterações de parâmetros operacionais, certificados de materiais, Especificação de Procedimento de Soldagem (WPS) / Registros de Qualificação de Procedimentos (PQR), relatórios de inspeção, relatórios de análise de falhas, etc.) são cruciais para garantir a seleção adequada de materiais.

Avaliando o custo das decisões de seleção de materiais

O custo é a principal consideração para a seleção de materiais, e o equilíbrio entre despesas de capital (CAPEX) e despesas operacionais (OPEX) é crucial. Engenheiros de materiais e corrosão devem selecionar materiais que satisfaçam as considerações de orçamento e custos, bem como desempenho. A importância do CAPEX não está apenas nos materiais a granel selecionados, mas também nos processos de fabricação e nas formas dos produtos. O impacto do OPEX está no reparo e substituição de materiais corroídos e no controle de corrosão, monitoramento de corrosão e injeção de inibidor de corrosão. Usar aço carbono pode ser de baixo CAPEX, mas de alto OPEX, e usar aço inoxidável impacta cada um de forma oposta.

A disponibilidade de materiais também desempenha um papel crucial, principalmente em relação ao cronograma do projeto. O uso de materiais próprios, por exemplo, pode demorar mais do que o normal na entrega devido a limitações relacionadas aos fornecedores, baixas quantidades ou estoques que podem exigir pedidos de quantidade mínima, em situações que podem aumentar o custo.

Materiais difíceis de fabricar podem impactar significativamente o cronograma do projeto se não forem planejados antecipadamente, especialmente quando usados ​​em grandes quantidades. Por exemplo, materiais que precisam de tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) podem exigir milhares de soldas em instalações de petróleo e gás, bem como milhares de horas-homem para acomodar os requisitos de PWHT. Materiais difíceis de soldar podem diminuir as velocidades de soldagem e aumentar as taxas de reparo.

Conclusão

A seleção de materiais envolve procedimentos complexos, que exigem o entendimento das suscetibilidades a falhas e métodos de controle de corrosão, bem como a cooperação entre as diferentes disciplinas de engenharia.