Seleção Estratégica de Materiais: Protegendo Design, Custo e Longevidade

A seleção de materiais é um método principal de controle de corrosão no design de engenharia. Desempenha papel na estimativa efetiva de custos de projeto, cronograma de construção e operações seguras.

Os conceitos fundamentais de seleção de materiais incluem:

• Tipos de Materiais: Abrange a ampla gama de materiais disponíveis que podem ser selecionados.
• Propriedades dos Materiais: Pertence a examinar propriedades mecânicas, físicas e de resistência à corrosão que atendem requisitos para aplicações/usos específicos.
• Economia de Materiais: Pertence aos custos de propriedade, capital, manutenção e operação para vários materiais.

Visão Geral de Materiais Comuns

Existem muitos materiais de engenharia na indústria. Aqui veremos as propriedades de alguns dos mais comuns.

Aços Carbono

Aço carbono refere-se a uma família de metais baseados em ferro com menos de 2% de carbono. Aços carbono são os materiais mais usados graças à sua facilidade de fabricação, baixo custo, disponibilidade e alta resistência. Aços carbono são usados em uma ampla gama de aplicações, de componentes estruturais a equipamentos de alta pressão.

Aços carbono ligados com adições menores 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 de energia.

Em temperaturas subzero, aços carbono têm menos tenacidade, então níquel é adicionado para manter a tenacidade. Com maiores quantidades de níquel, a faixa para temperaturas mais baixas aumenta, especialmente para aplicações de gases liquefeitos para prevenir fraturas frágeis em equipamentos de gás natural liquefeito (GNL) e gás de petróleo liquefeito (GPL).

Ferro Fundido

Ferro fundido é um metal baseado em 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 usado para peças não críticas em bombas d'água e tubos, e tem resistência à corrosão similar à dos aços carbono. Ferro fundido cinzento e ferro fundido nodular/ductil são os tipos mais comuns de ferro fundido.

Aço Inoxidável (AI)

Aço inoxidável é um tipo de aço com cromo de pelo menos 11%, em combinação com níquel, molibdênio e nitrogênio. Aços inoxidáveis são confiavelmente usados 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.

Leia: Introdução aos Aços Inoxidáveis

Aços Inoxidáveis Ferríticos
Aços inoxidáveis ferríticos são os tipos mais econômicos e têm teor de níquel muito baixo. São suscetíveis à sensibilização e difíceis de soldar, e assim são usados para componentes não soldados. Apesar de sua resistência à corrosão moderada, aços inoxidáveis ferríticos são resistentes à trinca por corrosão sob tensão (TCCT) assistida por cloreto.

Aços Inoxidáveis Martensíticos
Aços inoxidáveis martensíticos têm baixo teor de níquel, com gama de usos similar à dos aços inoxidáveis ferríticos. Têm alta resistência e há muitos dutos fabricados de aços inoxidáveis martensíticos. Sua alta dureza os torna preferidos para uso contra erosão.

Aços Inoxidáveis Austeníticos
Aços inoxidáveis austeníticos são os aços inoxidáveis mais comumente usados na indústria. Com maior níquel, têm boa resistência à corrosão e são facilmente fabricados. Existem diferentes graus de aços inoxidáveis austeníticos para selecionar dependendo da corrosividade do ambiente. Alguns graus de liga mais baixa têm baixa resistência à TCCT por cloreto. Aços inoxidáveis austeníticos são extensivamente usados em aplicações criogênicas.

Leia: 12 Coisas Que Você Precisa Saber Sobre Aço Inoxidável Austenítico

Aços Inoxidáveis Duplex
Aços inoxidáveis duplex têm microestruturas duais, ferrítica e austenítica, com propriedades combinadas. Têm alta resistência e muito boa resistência à corrosão, especialmente contra TCCT assistida por cloreto, tornando-os bons para uso em aplicações offshore. No entanto, aços inoxidáveis duplex herdam a menor resistência da fase ferrítica.

Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação
Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação têm alta resistência e tenacidade, de microestruturas austeníticas, semi-austeníticas 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 características-chave.

Ligas de Níquel

Ligas de níquel têm resistência à corrosão excepcional, mas são caras por causa de seu alto teor de níquel, que geralmente é adicionado em combinação com outros elementos de liga como molibdênio. Existem muitos tipos de ligas de níquel designadas por nome de marca, como Hastelloy, Incoloy, Monel, etc. Estes nomes referem-se a patentes expiradas, mas o legado de nomenclatura permanece. Ligas de níquel são resistentes à TCCT assistida por cloreto e TCCT assistida por sulfeto.

Webinar: A Resistência à Corrosão de Ligas de Níquel

Ligas de Alumínio

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

Ligas de Cobre

Ligas de cobre são comumente usadas em ambientes de água do mar e trocadores de calor. Têm alta resistência ao biofouling, especialmente microfouling, e condições estagnadas que podem causar corrosão localizada, bem como corrosão relacionada a fluxo excessivo. Algumas ligas de cobre são suscetíveis à TCCT em ambientes contendo amônia.

Ligas de Titânio

Ligas de titânio têm boa relação resistência-peso e alta resistência à corrosão em ambientes de alto cloreto. São, no entanto, caras e difíceis de fabricar. Titânio não ligado é comumente usado na indústria e é mais econômico que outros graus de titânio.

Leia: 5 Coisas para Saber e Entender Sobre Corrosão de Titânio

Cerâmicas

Devido à sua natureza frágil — e apesar de sua alta resistência à corrosão — cerâmicas não são usadas em equipamentos de contenção de pressão. Cerâmicas são usadas em equipamentos e peças de alta temperatura, como refratários, e para proteção contra desgaste. Cerâmicas para refratários são geralmente compostas de uma combinação de óxidos de alumínio, magnésio e silício. Para resistência ao desgaste, cerâmicas são compostas de carbonetos ou nitretos.

Polímeros

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

Leia: A Corrosão de Materiais Poliméricos

Compósitos

Compósitos são uma combinação de dois ou mais materiais para alcançar propriedades de ambos e portanto características ótimas para uma certa aplicação. Compósitos mais comuns na indústria combinam fibra de vidro reforçada em matriz polimérica, e aço reforçado em matriz de concreto. Fibra dá alta resistência e matriz dá tenacidade, distribuindo tensão uniformemente. Fibra de reforço pode ser feita de vidro, metal, carbono e outros polímeros como aramida. Vidro E é uma fibra comumente usada, e existem outros tipos de vidros adequados para diferentes aplicações, como vidro C para resistência química ou vidro R para resistência à fadiga. Polímero termofixo é uma matriz de compósito comumente usada que é fácil de fabricar e tem boas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão. Polímero termoplástico não é tão comumente usado quanto polímero termofixo, e tende a ser usado para tubos enroláveis por sua alta ductilidade.

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

Fatores a Considerar na Seleção de Materiais

Em geral, os principais fatores considerados para materiais incluem, mas não se limitam a:

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

Para aplicações de suporte de carga, propriedades mecânicas são verificadas para garantir integridade estrutural. Propriedades mecânicas de materiais de engenharia variam altamente, dependendo de microestruturas, composição química e processos de fabricação. As variedades são padronizadas internacional ou localmente por órgãos governantes, como ASTM, ISO ou JIS. Propriedades mecânicas básicas incluem, mas não se limitam a:

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

As propriedades são comumente obtidas 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 previamente para evitar disputas entre compradores e fabricantes.

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

Corrosão pode ser induzida da atmosfera, solo, água, produtos químicos, petróleo e gás, e microrganismos, e por diferentes corrodentes causando diferentes tipos de corrosão. Seleção de materiais para o propósito de mitigar corrosão geralmente usa o seguinte:

• Diagramas/gráficos termodinâmicos de corrosão
• Modelos de corrosão
• Tabelas de compatibilidade química
• Testes de laboratório (polarização potenciodinâmica, imersão, espectroscopia de impedância eletroquímica, trinca por corrosão sob tensão)
• Recomendações de licenciadores de tecnologia
• Feedback operacional

Diagramas/Grádicos Termodinâmicos de Corrosão

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

Modelos de Corrosão

Modelos de corrosão são usados para prever taxas de corrosão baseados em fórmulas empíricas. Os modelos são usados na forma de programas de software proprietários ou em planilhas Excel com parâmetros de entrada inseridos. Existem modelos para corrosão por CO₂, corrosão por oxigênio e taxa de crescimento de trinca. A precisão dos modelos pode variar, pois nem todos os parâmetros de corrosão podem ser compreendidos nos modelos, que são empiricamente gerados de dados obtidos experimentalmente.

Tabelas de Compatibilidade Química

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

Testes de Laboratório

Testes de laboratório são realizados para casos nos quais dados analíticos são necessários para avaliar o desempenho de materiais selecionados em condições ambientais simuladas. Condições ambientais, configurações de laboratório e condições experimentais são arranjadas em ambiente de laboratório padronizado para garantir que os dados obtidos representem os parâmetros usados para seleção efetiva e adequada de materiais.

Recomendações de Licenciadores de Tecnologia

Algumas tecnologias de processamento são proprietárias, e os arranjos de know-how são proprietários de licenciadores. Materiais selecionados por licenciadores frequentemente representam requisitos mínimos para fins de garantia.

Feedback Operacional

Feedback operacional de experiências reais são valiosos pois oferecem dados de campo em tempo real. Coleta de dados históricos (mudanças de parâmetros operacionais, certificados de materiais, Especificação de Procedimento de Soldagem (EPS)/Registros de Qualificação de Procedimento (RQP), relatórios de inspeção, relatórios de análise de falha, etc.) são cruciais para garantir seleção adequada de materiais.

Avaliando o Custo de Decisões de Seleção de Materiais

Custo é de grande consideração para 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 considerações de orçamento e custos bem como desempenho. A significância do CAPEX reside não apenas nos materiais em massa selecionados, mas também nos processos de fabricação e formas de produto. O impacto do OPEX reside no reparo e substituição de materiais corroídos, e 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.

Disponibilidade de materiais também desempenha papel crucial, especialmente sobre cronograma de projeto. Uso de materiais proprietários, por exemplo, pode levar mais tempo que o normal na entrega por causa de limitações relacionadas a fornecedores, baixas quantidades, ou estoques que poderiam exigir pedidos de quantidade mínima, em situações que poderiam aumentar custo.

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

Conclusão

Seleção de materiais envolve procedimentos complexos, que requerem compreensão de susceptibilidades de falha e métodos de controle de corrosão, bem como cooperação entre diferentes disciplinas de engenharia.