Corrosão Galvânica: Mecanismos e Tipos

CORROSÃO Prof Fernando Castro de Oliveira CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS Departamento de Metalurgia e Química CORROSÃO GALVÂNICA A Corrosão galvânica resulta do acoplamento de materiais metálicos dissimilares imersos em um eletrólito causando uma transferência de carga elétrica de um para outro por terem potenciais elétricos diferentes 3 Tipos de Corrosão Uma placa de cobre ligado a um prego 1020 imerso em ágar contendo NaCl K3FeCN6 e fenolftaleína Mecanismo 2 2 0440 V oxid Fe s Fe aq e E Cu s n e Não ocorre nas condições experimentais ENTÃO QUEM ESTÁ REDUZINDO CORROSÃO GALVÂNICA 3 Tipos de Corrosão 2 2 2 2 2 0828 V red H O l e H g OH aq E 2 2 2 4 4 0401 V red H O l O g e OH aq E 2 2 0440 V oxid Fe s Fe aq e E Sem O2g Com O2g QUAL DESTAS PROPOSTAS É A MELHOR 2 2 2 2 2 0828 V red H O l e H g OH aq E Proposta de Mecanismo Sem O2g 2 2 0440 V oxid Fe s Fe aq e E 2 2 2 2 2 0388 V H O l Fe s Fe aq H g OH aq E G n F E á 0 0 leva E G Não Espontânea CORROSÃO GALVÂNICA 3 Tipos de Corrosão 2 2 2 4 4 0401 V red H O l O g e OH aq E Proposta de Mecanismo com O2g 2 2 2 4 0440 V oxid Fe s Fe aq e E 2 2 2 2 2 2 4 0841 V H O l Fe s O g Fe aq OH aq E G n F E á 0 0 leva E G Transformação Espontânea Mas como racionalizar o aparecimento das cores sob a óptica das reações de oxidação e redução CORROSÃO GALVÂNICA 3 Tipos de Corrosão Região Azul Escuro indicador anódico 2 2 0440 V oxid Fe s Fe aq e E 2 3 0771 V oxid Fe aq Fe aq e E 3 4 6 6 3 3 3 0370 V red Fe CN aq e Fe CN aq E 3 3 0331 V oxid Fe s Fe aq e E 3 4 3 6 6 3 3 0039 V Fe CN aq Fe s Fe aq Fe CN aq E 4 3 4 6 6 3 4 3 Fe aq Fe CN aq Fe Fe CN Azul da Prússia CORROSÃO GALVÂNICA 3 Tipos de Corrosão Região Roseada indicador catódico 2 2 2 4 4 0401 V red H O l O g e OH aq E Conclusões A formação da coloração azul em torno do aço 1020 é evidência do processo de corrosão no qual os íons Fe3 produto da corrosão é complexado pelo íon FeCN64 A formação da coloração rósea em torno do cobre é evidência da redução da água na presença de oxigênio gasoso que leva à formação de íons OH que por sua vez faz com que a fenolftaleína se converta para sua forma aniônica rósea CORROSÃO GALVÂNICA Quando materiais metálicos de potenciais elétricos diferentes estão em contato a corrosão do material metálico que funciona como anodo é muito mais acentuada que a corrosão isolada desse material sob ação do mesmo meio corrosivo A corrosão do material que funciona como catodo é muito baixa e acentuadamente menor que a que ocorre quando o material sofre corrosão isolada 3 Tipos de Corrosão 3 Tipos de Corrosão Segundo Metal Corrosão Ferro mg Corrosão Segundo Metal mg Magnésio 00 31043 Zinco 04 6880 Cádmio 04 3079 Alumínio 98 1059 Antimônio 1531 138 Tungstênio 1760 52 Níquel 1811 02 Cobre 1831 00 CORROSÃO GALVÂNICA Tabela Corrosão do ferro acoplado a outros metais e totalmente imersos em solução aquosa de cloreto de sódio a 1 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO GALVÂNICA Junção bimetálica direta Corrosão no metal anódico Junção bimetálica com separação por flange isolante Material polimérico ou material cerâmico isolante Cu Fe Devese evitar sempre que possível que um fluido circule por um material metálico catódico antes de circular por um que lhe seja anódico Fluxo do Fluido Cu Fe Fluxo do Fluido 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO GALVÂNICA Cu Fe Quando não for possível a inversão de sentido do fluido podese usar o esquema representado acima em que aparece a colocação de trecho de tubo de aço intercalado entre o tubo de cobre que transporta o fluido e o equipamento de açocarbono ou outro material anódico em relação ao anterior Como o tubo de aço é flangeado pode ser facilmente substituído quando necessário e deve apresentar diâmetro maior do que o do cobre para que haja redução de velocidade possibilitando a deposição de partículas de cobre arrastadas pelo fluido Fluxo do Fluido Fe 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO GALVÂNICA Um fator importante na corrosão galvânica é a relação entre a área anódica e a catódica Se a relação área anódicaárea catódica for muito maior que um isto é área catódica pequena em relação à área anódica a corrosão não será tão prejudicial mas no caso contrário isto é área catódica maior que a área anódica a corrosão será tanto mais intensa quanto maior for a área catódica e menor a área anódica pois temse uma alta densidade de corrente na parte do metal anodo que está sendo corroída 1 anódica catódica A A 1 anódica catódica A A 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO GALVÂNICA Podese concluir também do experimento mostrado no início desta aula que o metal que funciona como catodo fica protegido isto é não sofre corrosão Esta conclusão explica o mecanismo da proteção catódica com anodos de sacrifício ou galvânicos 2 2 0440 V oxid Fe s Fe aq e E 2 2 2370 V oxid Mg s Mg aq e E 2 2 2370 V oxid Mg s Mg aq e E 2 2 0440 V red Fe aq e Fe s E 2 2 1930 V Fe aq Mg s Mg aq Fe s E 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Existem casos em que se têm materiais metálicos de mesma natureza mas que podem originar uma diferença de potencial ocasionando processos de corrosão Isto ocorre quando se tem um mesmo material metálico em contato com diferentes concentrações de um mesmo eletrólito ou em contato com o mesmo eletrólito porém em locais em que os teores de gases dissolvidos são diferentes Temse no primeiro caso a corrosão de concentração iônica e no segundo caso a corrosão de aeração diferencial Corrosão de Concentração Iônica Corrosão de Aeração Diferencial 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Corrosão de Aeração Diferencial SOLO 2 1 O patm bar 2 01 O psolo bar Tubulação de açocarbono parcialmente soterrado 2 2 2 4 4 0401 V H O l O g e OH aq E 2 4 2 2 ln atm atm O OH R T E E n F H O p 2 4 ln 1 atm atm O OH R T E E n F p 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Corrosão de Aeração Diferencial 2 2 2 4 4 0401 V H O l O g e OH aq E 2 4 ln atm atm O OH R T E E n F p 2 4 83145 298 0401 V ln 4 96485 atm atm O OH E p 2 4 83145 298 0401 V ln 4 96485 atm atm O OH E p 2 0401 V 002568 V ln atm atm O OH E p 2 0401 V 002568 V ln atm atm O OH E p 2 0401 V 002568 V ln solo solo O OH E p 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Corrosão de Aeração Diferencial atm solo E E E 2 2 0401 V 002568 V ln 0401 V 002568 V ln atm solo O O OH OH E p p 2 2 0401 V 002568 V ln 0401 V 002568 V ln atm solo O O OH OH E p p 2 2 002568 ln 002568 ln atm solo O O OH OH E p p 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Corrosão de Aeração Diferencial atm solo E E E 2 2 002568 ln ln 002568 ln ln atm solo O O E OH p OH p 2 2 002568 ln 002568 ln 002568 ln 002568 ln atm solo O O E OH p OH p 2 2 002568 ln 002568 ln atm solo O O E p p 2 2 002568 ln ln atm solo O O E p p 2 2 002568 ln atm O solo O p E p 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Corrosão de Aeração Diferencial ln 2303log 2 2 002568 ln atm O solo O p E p 2 2 00591 log atm O solo O p E p SOLO 2 1 O patm bar 2 01 O psolo bar 1 00591 log 01 E 00591 V E A área exposta mais rica em O2g atua como catodo e área enterrada mais pobre em O2g funciona como anodo 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Corrosão de Aeração Diferencial Maior Difusão de O2g Mais Rico em O2g Região Catódica Menor Difusão de O2g Mais pobre em O2g Região Anódica As áreas expostas funcionam como catodo 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Corrosão de Concentração Iônica Fe2aq 15 molL Fe2aq 10104 molL 2 2 0440 V red Fe aq e Fe s E R T ln E E Q n F E D Recipiente da Esquerda E E 2 1 ln red red R T E E n F Fe E 83145 298 1 0440 ln 2 96485 15 red E E 0440 001284 ln 0667 red E E 0440 0005 V Ered E 0435 V Ered 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Corrosão de Concentração Iônica Fe2aq 15 molL Fe2aq 10104 molL 2 2 0440 V red Fe aq e Fe s E R T ln E E Q n F E D Recipiente da Direita D D 2 1 ln red red R T E E n F Fe D 4 83145 298 1 0440 ln 2 96485 10 10 red E D 4 0440 001284 ln10 10 red E D 0440 0118 V Ered D 0558 V Ered 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO POR AERAÇÃO CONCENTRAÇÃO DIFERENCIAL Corrosão de Concentração Iônica Fe2aq 15 molL Fe2aq 10104 molL E D Diferença de Potencial ddp 2 E 2 0435 V red Fe aq e Fe s E 2 D 2 0558 V red Fe aq e Fe s E 2 E 2 0435 V red Fe aq e Fe s E 2 D 2 0558 V oxid Fe s Fe aq e E 2 2 0123 V Fe s D Fe aq E Fe aq D Fe s E E Oxida Anodo Corrosão Reduz catodo 3 Tipos de Corrosão HETEROGENEIDADES RESPONSÁVEIS POR CORROSÃO ELETROQUÍMICA A corrosão eletroquímica pode ocorrer sempre que existir heterogeneidade no sistema material metálico meio corrosivo pois a diferença de potencial resultante possibilita a formação de áreas anódicas e catódicas Material Metálico Contornos de Grãos Contornos de grãos funcionam como área anódica em relação ao grão que funciona como área catódica corrosão intergranular Diferença de Tamanho dos Grãos um grão pequeno de um dado metal contém energia interna maior do que um grão relativamente maior 3 2 4 4 3 V Sup G r r G r G GV 0 GV 0 G n F E 3 Tipos de Corrosão HETEROGENEIDADES RESPONSÁVEIS POR CORROSÃO ELETROQUÍMICA Material Metálico Tratamentos Térmicos ou Metalúrgicos Diferentes se uma parte de uma superfície metálica sofrer tratamento térmico diferente das restantes regiões da superfície ocorre diferença de potencial entre essas regiões 3 Tipos de Corrosão HETEROGENEIDADES RESPONSÁVEIS POR CORROSÃO ELETROQUÍMICA Material Metálico Polimento da Superfície Metálica superfícies metálicas altamente polidas podem apresentar potenciais diferentes em relação aos de superfícies rugosas Polimento ddp Volts Polimento Metalográfico 0438 V Polido com Lixa 000 0597 V Polido com Aloxite no 120 0627 V Essa diferença pode ser devida ao fato de que as películas formadas em superfícies rugosas serem menos contínuas do que as formadas em superfícies lisas Os dados que se seguem apresentam os potenciais do aço em solução de NaCl a 10 mV e 25 oC usando como padrão o eletrodo de calomelano 01 N 3 Tipos de Corrosão HETEROGENEIDADES RESPONSÁVEIS POR CORROSÃO ELETROQUÍMICA Material Metálico Presença de Escoriações e Abrasões O efeito de escoriações e abrasões na superfície metálica se faz notar em meios corrosivos onde o material metálico forma película com características protetoras Riscandose essa superfície há destruição da película funcionando a parte riscada como área anódica portanto sujeita à destruição Bordas de Superfícies Metálicas Essas regiões são mais suscetíveis ao ataque tornando se áreas anódicas e entre os fatores que podem contribuir para essa heterogeneidade devem ser citadas as bordas que são muitas vezes rugosas e desiguais e quando provenientes de cortes são submetidas a deformação a frio criando então condições de serem atacadas 3 Tipos de Corrosão HETEROGENEIDADES RESPONSÁVEIS POR CORROSÃO ELETROQUÍMICA Material Metálico Deformações Diferenciais qualquer parte de um material metálico sujeito a deformações pode apresentar potencial diferente daquele de uma parte nãodeformada Assim quando um material metálico está submetido à tensão observase que a região tensionada ou deformada funciona como anodo 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO ELETROLÍTICA Os casos de corrosão estudados anteriormente envolveram sempre processos eletroquímicos espontâneos isto é a diferença de potencial se origina dos potenciais próprios dos materiais metálicos no processo corrosivo Existem entretanto correntes ocasionadas por potenciais externos que produzem casos severos de corrosão Essas correntes elétricas são chamadas de correntes de fuga corrente parasita ou espúrias Como as intensidades dessas correntes são maiores do que as originadas nas pilhas naturais da própria estrutura metálica decorrentes das suas heterogeneidades ou das variações do meio em que se encontram a corrosão resultante poderá ser muito intensa e de alta velocidade 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO ELETROLÍTICA As correntes de fuga são devidas a deficiência do isolamento de alguma parte do circuito gerador da fuga que se acha em potencial diferente do meio em que se encontra solo ou água Como a resistividade do solo ou da água é maior do que a dos metais havendo principalmente tubulações enterradas ou submersas no percurso das correntes de fuga estas são captadas e transportadas pelo metal até o ponto onde elas abandonam esta estrutura metálica e penetram no eletrólito solo ou água para retornarem à fonte de alimentação do circuito É nessa área que se concentra a ação corrosiva das correntes de fuga sobre a estrutura interferida Além disso a estrutura interferente de onde as correntes escapam para o meio abandonando o seu circuito metálico normal também sofre corrosão eletrolítica nestas áreas 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO ELETROLÍTICA As correntes de fuga que causam maiores danos são as correntes contínuas ou as correntes alternadas de baixa frequência Ex Estimase que a corrente alternada de 60 Hz causa apenas 1 do dano que causaria a corrente contínua de intensidade equivalente As principais fontes de corrente de fuga contínua que respondem por maiores danos a estruturas metálicas enterradas são os sistemas de tração eletrificada trem metrô bonde instalações de solda elétrica sistemas eletroquímicos industriais e sistemas de proteção catódica por corrente impressa 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO ELETROLÍTICA A taxa de corrosão resultante das correntes de interferência depende principalmente dos seguintes fatores Intensidade da corrente e sua densidade na área onde ela abandona a estrutura metálica e penetra no eletrólito Distância entre a estrutura interferente e a interferida e ainda a localização da fonte de alimentação do sistema gerador da interferência Existência ou não de um revestimento da estrutura interferida e qualidade deste revestimento No caso de tubulações enterradas ou submersas existência e localização de juntas de isolamento elétrico Resistividade elétrica do meio onde se encontram as estruturas interferentes e as interferidas 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO ELETROLÍTICA A medição da resistividade elétrica do solo pode ser feita pelo método dos quatro eletrodos ou métodos de Wenner Este método utiliza quatro eletrodos colocados no solo em linha reta e igualmente separados por uma distância a Neste método a corrente contínua I fornecida por uma bateria é injetada no solo por intermédio dos dois eletrodos extremos e a diferença de potencial E é medida entre os dois eletrodos de referência intermediários O valor da resistividade é dado pela equação 2 E a I 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO ELETROLÍTICA Um exemplo de correntes de fuga provenientes de sistema de tração eletrificada que utiliza os trilhos para retorno da corrente à fonte de energia elétrica As ligações entre os trilhos quase sempre deficientes dificultando o retorno da corrente Os trilhos repousam sobre dormentes em geral de madeira que entram em contato com o solo Embora os dormentes tenham apreciável resistência elétrica eles são muitos e constituem resistências associadas em paralelo portanto acarretam um isolamento elétrico deficiente entre os trilhos e o solo 3 Tipos de Corrosão CORROSÃO ELETROLÍTICA Um exemplo de correntes de fuga provenientes de sistema de tração eletrificada que utiliza os trilhos para retorno da corrente à fonte de energia elétrica