REVISTA CADERNO PEDAGÓGICO – Studies Publicações Ltda.
ISSN: 1983-0882
Ensaio não-destrutivo em estruturas offshore
Non-destructive testing in offshore structures
DOI: 10.54033/cadpedv20n5-020
Recebimento dos originais: 20/10/2023
Aceitação para publicação: 20/11/2023
Francisco José da Rocha Cardoso
Tecnólogo em Construção Naval
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) - campus Zona
Oeste
Endereço: Av. Manuel Caldeira de Alvarenga, 1203, Campo Grande, Rio de
Janeiro – RJ, CEP: 23070-200
E-mail: franciscocardoso45@hotmail.com
Heitor Ferreira Werner
Tecnólogo em Construção Naval
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) - campus Zona
Oeste
Endereço: Av. Manuel Caldeira de Alvarenga, 1203, Campo Grande, Rio de
Janeiro – RJ, CEP: 23070-200
E-mail: heitor.werner.s@gmail.com
Tatiana Santos da Cunha
Doutora em Engenharia Civil, Sistemas Petrolíferos
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) - campus Zona
Oeste, Departamento de Naval e Pesca
Endereço: Av. Manuel Caldeira de Alvarenga, 1203, Campo Grande, Rio de
Janeiro – RJ, CEP: 23070-200
E-mail: tcunharj@gmail.com
Patrícia dos Santos Matta
Doutora em Ciências em Engenharia Civil, Estruturas Offshore
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) - campus Zona
Oeste, Departamento de Naval e Pesca
Endereço: Av. Manuel Caldeira de Alvarenga, 1203, Campo Grande, Rio de
Janeiro – RJ, CEP: 23070-200
E-mail: patricia.matta@uerj.br
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Tetyana Gurova
Doutora em Engenharia Metalúrgica
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) - campus Zona
Oeste, Departamento de Naval e Pesca
Endereço: Av. Manuel Caldeira de Alvarenga, 1203, Campo Grande, Rio de
Janeiro – RJ, CEP: 23070-200
E-mail: gurova@lts.coppe.ufrj.br
Maria Iaponeide Fernandes Macêdo
Doutora em Ciências
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) - campus Zona
Oeste, Departamento de Materiais
Endereço: Av. Manuel Caldeira de Alvarenga, 1203, Campo Grande, Rio de
Janeiro – RJ, CEP: 23070-200
E-mail: maria.macedo@uerj.br
RESUMO
A medição de potencial eletroquímico é uma técnica de ensaio não destrutivo
usada para o acompanhamento do nível da proteção catódica das estruturas
submersas indicando a possibilidade de corrosão ou nível de proteção de uma
estrutura. Por meio desta, é possível realizar a inspeção de estruturas marítimas
submersas desde que se tenha conhecimento de corrosão eletroquímica e de
proteção catódica. A inspeção é realizada a partir de um equipamento
desenvolvido para o ensaio, por meio de um procedimento que descreve a
execução da medição de potencial eletroquímico das partes submersas de
instalações marítimas, através do inspetor submarino ou medição remota,
garantindo assim treinamento e orientação técnica que geram relatórios e o
acompanhamento do estado da proteção catódica, os quais analisados de forma
adequada geram ações que minimizam e corrigem eventuais problemas. Com
base no exposto, este estudo apresenta como se dá o ensaio não destrutivo de
medição de potencial eletroquímico diante das normas estabelecidas pela
Petrobras e o procedimento de inspeção submarina, de acordo com os padrões
de classificação. Conclui-se que a medição deve ser capaz de identificar se a
proteção está agindo de forma correta, podendo assim determinar se a superfície
da estrutura está protegida ou se está sofrendo algum processo corrosivo. Sendo
este tipo de ensaio um dos métodos mais empregados para a proteção de
estruturas de aço e outros metais em ambiente marítimo, submersas parcial ou
totalmente.
Palavras-chave: potencial eletroquímico, inspeção submarina, proteção
catódica, ensaio não destrutivo.
ABSTRACT
Electrochemical potential measurement is a non-destructive testing technique
used to monitor the level of cathodic protection of submerged structures,
indicating the possibility of corrosion or the level of protection of a structure.
Through this, it is possible to carry out the inspection of submerged marine
structures as long as one has knowledge of electrochemical corrosion and
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cathodic protection. The inspection is carried out using equipment developed for
the test, through a procedure that describes the measurement of the
electrochemical potential of the submerged parts of marine installations, through
the underwater inspector or remote measurement, thus guaranteeing training and
technical guidance that generate reports and monitor the status of cathodic
protection, which, when properly analyzed, generate actions that minimize and
correct any problems. Based on the above, this study presents how the nondestructible test for measuring the electrochemical potential takes place in view
of the standards established by Petrobras and the underwater inspection
procedure, in accordance with the classification standards. It is concluded that
the measurement must be able to identify whether the protection is acting
correctly, thus being able to determine whether the surface of the structure is
protected or if it is undergoing a corrosive process. This type of test is one of the
most used methods for the protection of steel structures and other metals in a
marine environment, partially or totally submerged.
Keywords: electrochemical potential, submarine inspection, cathodic protection,
non-destructive testing.
1 INTRODUÇÃO
A corrosão refere-se à deterioração de materiais devido à ação do meio,
sendo a "corrosão metálica" o termo associado à deterioração de metais por
processos químicos ou eletroquímicos. A utilização industrial de metais é
possível devido à capacidade de retardar a corrosão por meio de processos
como polarização e passivação, permitindo o uso desses materiais (Duarte et al,
2000). A medição de potencial eletroquímico é uma técnica não destrutiva usada
para avaliar a proteção catódica de estruturas submersas, indicando o nível de
corrosão ou proteção. Ela envolve a medição do potencial do eletrodo de
trabalho usando um eletrodo de referência estável (Sardella, 2007).
Inspeções de estruturas marinhas submersas requerem conhecimento de
corrosão e proteção catódica. A execução dessas inspeções é facilitada pelo uso
de equipamentos específicos e procedimentos bem definidos, garantindo
treinamento técnico, relatórios de acompanhamento e ações corretivas quando
necessário (Duarte et al, 2000). Com base no exposto, este estudo objetiva
ressaltar a prática de um ensaio não destrutivo de medição de potencial
eletroquímico, seguindo as normas Petrobras e procedimentos de inspeção
submarina, de tal forma que seja possível melhorar as práticas de inspeção na
indústria naval e atender aos requisitos em constante evolução.
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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 CORROSÃO
A maioria dos metais não é adequada para uso industrial, e sua utilização
só se torna viável graças aos processos de polarização, passivação e proteção.
Esse aspecto é de grande relevância, especialmente em termos econômicos,
devido aos custos astronômicos associados à corrosão, conservação de recursos minerais e consumo de energia (Gentil, 1996). A aplicação da proteção catódica, que requer a presença de uma estrutura em contato com um eletrólito
onde os ânodos fornecem a corrente necessária, é ampla (Nunes, 2007).
A corrosão, em contraste com os processos metalúrgicos, envolve a estabilidade de compostos de baixa energia interna. A obtenção de um metal por
processos metalúrgicos aumenta sua energia, tornando-o suscetível à corrosão
em condições adequadas, revertendo-o ao seu composto original e liberando
energia (Duarte et al, 2000). Isso contribui para o aumento do consumo de energia, e para prevenir a corrosão, são utilizados métodos como revestimentos protetores, inibidores de corrosão, proteção catódica e proteção anódica (Gentil,
1996). Além disso, existem várias formas de corrosão, como a uniforme, por placas, alveolar, por pites, intergranular ou intercristalina, e transgranular ou transcristalina (Gentil, 2007). A avaliação das taxas de corrosão é essencial para determinar a vida útil de equipamentos e instalações, geralmente expressa em mdd
(miligramas por decímetro quadrado de área exposta por dia) (Gentil, 2007).
2.2 MECANISMOS ELETROQUÍMICOS DA CORROSÃO
A corrosão é frequentemente causada por reações eletroquímicas entre
metais e eletrólitos, geralmente compostos por substâncias químicas e água,
formando pilhas que geram corrente elétrica (Gomes, 1991). Esse mecanismo
ocorre na presença de um eletrólito, muitas vezes em meio aquoso, como água
contendo sais, ácidos ou bases, tornando-se conhecido como corrosão
eletroquímica (Gentil, 2007). As reações envolvem processos de oxidação na
área anódica, levando o metal do estado reduzido para o estado iônico, sendo
representado por equações iônicas gerais. Pode-se escrever a equação iônica
geral de oxidação dos metais da seguinte forma:
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𝑀 → 𝑀𝑛 + ne
(1)
Sendo M um metal qualquer que age como redutor e n o número de
elétrons cedidos pelo metal quando se transforma em íon. Na área catódica que
é uma área protegida (não ocorre desgaste) as reações são de redução de íons
do meio corrosivo onde as principais reações são:
Em meios aerados – caso normal de água do mar e naturais.
𝐻2 𝑂 +
1
𝑂 + 2𝑂𝐻 −
2 2
(2)
Em meios desaerados – caso comum em águas doces industriais.
2𝐻2 𝑂 + 2𝑒 → 𝐻2 + 2𝑂𝐻
(3)
A reação anódica tem como consequência a dissolução do metal,
portanto, corrosão e a reação catódica conduzem à redução de espécies
presentes no meio, sem a participação do metal sobre o qual tem lugar. O
mecanismo se traduz no funcionamento de uma pilha de corrosão que requer
quatro elementos imprescindíveis, a saber: o anodo (eletrodo em que há
oxidação (corrosão) e onde a corrente elétrica, na forma de íons metálicos
positivos, entra no eletrólito); eletrólito que é condutor (usualmente um líquido)
contendo íons que transportam a corrente elétrica do anodo para o catodo;
catodo: eletrodo onde a corrente elétrica sai do eletrólito ou o eletrodo no qual
as cargas negativas (elétrons) provocam reações de redução; e circuito metálico
que refere-se a ligação metálica entre o anodo e o Catodo por onde escoam os
elétrons no sentido anodo-catodo. Retirando-se um desses componentes
elimina-se a pilha e, consequentemente, diminui a possibilidade de corrosão
(Gentil, 2007).
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2.3 POTENCIAL DO ELETRODO
Sempre que se tem um metal em contato com um eletrólito, desenvolvese no metal e no eletrodo uma diferença de potencial entre as duas fases, a
sólida e a líquida, observado na figura 1.
Figura 1 - Estágio inicial da reação anódica
Fonte: ABRACO 2022
A diferença de potencial eletroquímico é uma característica complexa que
depende de vários fatores, incluindo o metal, a composição do eletrólito e outras
variáveis. Quando um metal é colocado em uma solução eletrolítica, ocorre uma
diferença de potencial entre o metal e o meio circundante. Essa diferença de
potencial é de natureza elétrica e química e é conhecida como diferença de
potencial eletroquímico. À medida que a reação continua e o eletrólito se satura
com íons metálicos na interface metal/meio, a entrada de um íon adicional na
solução provoca a redução de outro íon que se deposita no próprio metal,
mantendo o equilíbrio das cargas. Essa reação torna-se reversível, resultando
em uma diferença de potencial com cargas elétricas de polaridade oposta no
eletrólito e no metal. (Gentil, 2007).
O potencial eletroquímico, que pode variar dependendo de diversos
fatores, incluindo o tipo de metal e as características do eletrólito, como tipo,
concentração, temperatura, grau de aeração e agitação (Gentil, 2007), é uma
propriedade intrínseca de cada metal quando as variáveis ligadas ao eletrólito
são fixadas. Essa relação entre um metal e um eletrólito é chamada de meia
pilha, meia célula, semicélula ou eletrodo. A fim de comparar os potenciais entre
diferentes elementos, utiliza-se um eletrodo de hidrogênio padrão como
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referência, com seu potencial arbitrariamente definido como zero. O potencial
padrão de um elemento é a diferença de potencial, em volts, entre o elemento e
uma solução contendo 1 mol de seus íons em relação ao eletrodo de hidrogênio
(Gentil, 2007).
Figura 2 - Medição do potencial padrão
Fonte: PETROBRAS, 2022
∆v se:
Positivo = se os elétrons se deslocam do eletrodo do Hidrogênio;
Negativo = se os elétrons se deslocam do metal considerado para o
eletrodo de hidrogênio.
Desse modo, compara-se com ele o potencial de cada metal, em
condições padronizadas, ou seja: Eletrólito constituído de uma solução molar de
íons do metal considerado, à temperatura de 25º Nesse caso, têm-se as
seguintes reações em equilíbrio:
𝐻2 ↔ 2𝐻 + + 2𝑒, ∆𝑉 = 0
𝑀 ↔ 𝑀𝑛+ 2𝑒, ∆𝑉 ≠ 0
(5)
(6)
A medição direta do potencial é materialmente impraticável, por isso foi
desenvolvido um eletrodo de referência conhecido como eletrodo normal de
hidrogênio, onde seu potencial é zero em qualquer temperatura.
2.4 ELETRODO PADRÃO DE HIDROGÊNIO
O equilíbrio entre íons de hidrogênio e hidrogênio gasoso pode ser dado
como:
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2𝐻 + + 2𝑒 ↔ 𝐻2
(7)
O hidrogênio é um gás, e por isso, se utiliza um eletrodo inerte, ou seja,
um material não reativo que conduz corrente elétrica; normalmente esse eletrodo
é a platina. O gás H2 é borbulhado em torno do eletrodo de platina que está
mergulhado numa solução que contém íons H+. O eletrodo de hidrogênio
consiste em um eletrodo de platina imerso em uma solução de íons hidrogênio
na qual hidrogênio gasoso H2, a 1 atm., é borbulhado.
O eletrodo de hidrogênio é difícil de ser construído e usado, outros
eletrodos de referência são frequentemente preferidos na prática, além do
eletrodo de hidrogênio existe um grande número de outros eletrodos de
referência, embora não são de utilização comum, mas que são construídos e
usados para aplicações específicas, por exemplo, calomelano, prata-cloreto de
prata e cobre-sulfato de cobre. Os eletrodos de calomelano e prata-cloreto de
prata são considerados de segunda espécie, isto é constituído por um metal em
contato com um sal pouco solúvel desse metal, estando o conjunto imerso numa
solução contendo ânions do sal. (Gentil, 2007).
𝐶𝑢/𝑆𝑂4 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜, 𝑑𝑒 𝐴𝑔/𝐴𝑔𝐶𝑙 𝑒 𝑜 𝑑𝑒 𝑍𝑛
(8)
O eletrodo de cobre-sulfato de cobre saturado consiste em cobre metálico
imerso em sulfato de cobre (CuSO4) saturado. A reação de equilíbrio é:
−2 −
𝐶𝑢𝑎𝑞
𝑒 ↔ 𝐶𝑢𝑠𝑜𝑙
(9)
O potencial do eletrodo varia com a concentração de Cu2+, e sua precisão,
embora adequada para a maioria das pesquisas em corrosão, é inferior à dos
eletrodos de calomelano saturado e de prata-cloreto de prata. É utilizado,
principalmente, em medidas de campo.
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2.5 ELETRODO DE CALOMELANO SATURADO (ECS)
Este eletrodo consiste em mercúrio em equilíbrio com Hg2, cuja atividade
é determinada pela solubilidade (Figura 3) Hg2 Cl2 e suas semi-reações são:
−
2𝐻𝑔𝑙 + 2𝐶𝑙(𝑎𝑞)
→ 𝐻𝑔2 𝐶𝑙2(𝑠) + 2𝑒
(10)
Figura 3 - Eletrodo de calomelano saturado
Fonte: UFSC, 2022
E° = + 0.241 V
No eletrodo de calomelano, o fio de platina encontra-se recoberto por
mercúrio puro, o qual, por sua vez, é recoberto por Hg2Cl2 sólido (calomelano),
que é ligeiramente solúvel em KCl, o último preenchendo a célula e provendo
contato eletrolítico.
Nota: O potencial do eletrodo de calomelano (ECS) em relação ao EPH
varia de acordo com a concentração de cloreto, a qual depende da concentração
de KCl.
2.6 ELETRODO DE PRATA- CLORETO DE PRATA
Este eletrodo consiste de um fio de platina revestido de prata, que é por
sua vez convertido parcialmente em AgCl imergindo-o em solução de ácido
clorídrico diluído. O eletrodo é então imerso em solução de cloreto de potássio
(KCl)). Este eletrodo, é representado por AgCl(sol.) e KCl(aq.) (Figura 4). Apresenta
a reação equilíbrio (Gentil, 2007).
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Figura 4 - Eletrodo de prata cloreto de prata
Fonte: UFSC, 2022
E° = + 0,222V
Nota: O potencial desse eletrodo varia com a concentração de Cl solução.
Quando se ligam dois eletrodos através de um circuito metálico externo
obtém-se uma pilha eletroquímica. Os eletrodos podem estar em recipientes
separados ou não. No primeiro caso, para estabelecer a condutância iônica usase uma ponte salina unindo os dois eletrólitos. No segundo caso usa-se uma
parede porosa separando os dois eletrólitos (Gentil, 1996).
3 AS PILHAS ELETROQUÍMICAS
Conforme Gentil (2007), uma pilha eletrolítica converte energia elétrica em
energia química, desencadeando reações nos eletrodos. O ânodo é onde ocorre
a oxidação, e o cátodo é onde ocorre a redução.
No ânodo, há aumento de elétrons livres na fase metálica, concentração
de íons metálicos na solução (anólito), íons em estado de oxidação mais elevado
na solução e diminuição da massa do eletrodo, associada à corrosão. No cátodo,
ocorre o oposto.
Os metais têm tendência à oxidação e corrosão devido à perda de
elétrons. Portanto, uma tabela, chamada "Tabela Padrão de Potenciais de
Metais a 25ºC" (Gentil, 2007)., que indica a ordem de oxidação preferencial dos
metais, é valiosa. Ela é adotada e recomendada pela IUAPAC.
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4 POTENCIAL PADRÃO DE METAIS A 25 º C. PARA A REAÇÃO
Reação de eletrodo
Tabela 1- Potencial padrão de redução a 25°C.
Potencial Eo (Volt)
Reação de Eletrodo
-3,045
Potencial Eo (Volt)
-0,25
-2,925
-0,2
-2,906
-0,14
-2,866
-0,13
-2,714
0
-2,363
+0,15
-1,662
+0,34
-1,628
+0,401(*)
-1,529
+0,771
-1,180
+0,788
-1,100
+0,799
-,744
+0,987
0,440
+1,190
-0,403
+1,228(*)
-0,277
+1,498
Fonte: OCEÂNICA, 1994.
(*) Reações inseridas por serem reações importantes
Os metais que estão acima do hidrogênio na tabela, à medida que se sobe
na tabela, são, com maior tendência a oxidação, mais anódicos e menos nobres.
Os metais que estão abaixo do hidrogênio na referida tabela e à medida que
desce na mesma, são ditos menos reativos, com menor tendência a oxidação,
ditos mais reativos menos anódicos e mais nobres, a forma reduzida de um metal
superior pode reduzir a forma oxidada de um metal inferior (Duarte et al, 2000).
5 PRINCIPAIS CAUSAS DAS PILHAS DE CORROSÃO
5.1 PILHAS DE ELETRODOS DIFERENTES
5.1.1 Pilhas Galvânicas
Surgem sempre entre dois metais ou ligas metálicas diferentes, colocados
em contato elétrico na presença de um eletrólito. A diferença de potencial da
pilha será tão mais acentuada, quanto mais distantes estiverem os materiais na
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tabela de potenciais no eletrólito considerado. O metal mais ativo na tabela de
potencial de eletrodo é o que funciona como ânodo da pilha, isto é, cede elétrons
sendo, portanto corroído (Gentil, 2007).
5.1.2 Pilhas de Ação Local
Essas pilhas, conhecidas como pilhas de ação local, são as mais comuns
na natureza. Elas ocorrem quando diferentes partes do mesmo metal, atuando
como anodos e catodos, entram em contato direto em presença de um eletrólito.
Isso ocorre devido a várias heterogeneidades, resultantes de fatores como
composição química, textura do material, tensões internas e outros. As principais
causas que determinam a formação das pilhas de ação local incluem a presença
de inclusões, segregações, bolhas e trincas, variações nas tensões e
deformações, diferenças no acabamento superficial, variações no tamanho e
contornos de grão, tratamentos térmicos diversos, materiais de diferentes
épocas de fabricação e gradientes de temperatura.
5.1.3 Pilha Ativa-Passiva:
Em materiais que formam películas protetoras, como o cromo, alumínio,
aços inoxidáveis e titânio, a película protetora consiste em uma camada do
produto de corrosão que torna a superfície metálica passiva, agindo como áreas
catódicas. No entanto, íons halogenetos, como cloreto, brometo e iodeto, podem
prejudicar essa passivação. Danos na película, especialmente causados pelo
cloreto, podem criar uma área anódica em meio a uma grande área catódica,
formando uma pilha ativa-passiva com uma diferença de potencial de cerca de
0,5V (Gentil, 2007). Além disso, a pilha de concentração iônica ocorre em
materiais metálicos da mesma natureza expostos a concentrações diferentes de
seus próprios íons. Quando a concentração de íons no eletrólito diminui, o
eletrodo se torna mais ativo. Essa pilha é comum em frestas quando o meio
corrosivo é líquido, onde a área interna da fresta, com maior concentração de
íons metálicos, atua como área catódica, enquanto a parte externa, menos
concentrada, funciona como área anódica, resultando na corrosão das bordas
da fresta. A natureza elétrica dos eletrodos é determinada pela concentração
iônica (Gentil, 2007).
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5.1.4 Pilha de Aeração (Oxigenação) Diferencial:
A pilha de aeração diferencial envolve eletrodos do mesmo material
metálico em contato com um eletrólito, mas em regiões com diferentes teores de
gases dissolvidos, geralmente encontradas em locais com aeração variada. Isso
cria uma diferença de concentração de oxigênio, onde o eletrodo mais aerado
age como catodo e o menos aerado como anodo, embora o raciocínio inverso
seja válido. Essa pilha é comum em frestas, com as áreas anódicas e catódicas
invertidas em relação à pilha de concentração iônica diferencial (Gentil, 2007).
5.1.5 Pilha Eletrolítica
Diferente das pilhas espontâneas vistas anteriormente, na pilha
eletrolítica, sua diferença de potencial é gerada por uma fonte de energia
externa, sem a necessidade de eletrodos de natureza química distinta. Nesse
tipo de pilha, um dos eletrodos funciona como anodo ativo, perdendo elétrons e
oxidando-se (Gentil, 2007).
Os principais meios corrosivos incluem a atmosfera, solos, águas naturais
e água do mar. Na atmosfera, o eletrólito se forma quando a água condensa na
superfície metálica, na presença de sais ou gases no ambiente, podendo ser
acelerado por poeira e poluentes. Nos solos, a umidade, sais minerais e
bactérias compõem o eletrólito, podendo variar em acidez ou basicidade. Águas
naturais, como rios, lagos e águas subterrâneas, podem conter sais minerais,
ácidos ou bases, resíduos industriais, bactérias, poluentes e gases dissolvidos.
A água do mar, por sua vez, é corrosiva devido à salinidade e à composição
química única, caracterizada por uma alta concentração de solutos com pouca
variação geográfica. Embora a salinidade possa variar, as relações entre os íons
principais permanecem constantes, seguindo o princípio de Marchet ou regra
das proporções constantes. A Tabela 2 apresenta a composição média de uma
amostra de água do mar (LIBES, 2009).
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Íon
Cloreto
Sódio
Sulfato
Magnésio
Cálcio
Potássio
Bicarbonato
Brometo
Carbonato
Borato
Fluoreto
Tabela 2 - Composição média da água do mar
Símbolo
Concentração(g/kg)
Cl–
19,35
Na+
10,78
SO42–
2,71
Mg2+
1,28
Ca2+
0,41
K+
0,4
HCO3–
0,11
Br–
0,07
CO32–
0,02
B(OH)40,01
F–
0
total
35,15
Proporção (%)
55,06
30,68
7,72
3,65
1,17
1,14
0,3
0,19
0,05
0,02
0
100
Fonte: Wikipédia 2022
6 PROCESSOS DE CONTROLE DE CORROSÃO
6.1 VELOCIDADE DE CORROSÃO
A velocidade com que se processa a corrosão é dada pela massa de
material desgastado em uma determinada área durante determinado tempo, ou
seja, pela taxa de corrosão, da massa desgastada por unidade de área na
unidade de tempo. A massa deteriorada pode ser calculada pela Lei de Faraday
(Nunes, 2007; (Gentil, 2007).
6.2 PROTEÇÃO CATÓDICA
A proteção catódica é um processo que controla a corrosão em superfícies
metálicas enterradas ou submersas. Funciona como uma célula eletroquímica
em que a superfície a ser protegida atua como o catodo. A proteção catódica é
baseada na corrosão eletroquímica, onde existem áreas anódicas e catódicas
no metal. A corrosão ocorre quando a corrente flui das áreas anódicas para as
áreas catódicas através do eletrólito circundante, resultando no desgaste das
áreas anódicas e na proteção das áreas catódicas. Para evitar a corrosão, todo
o objeto a ser protegido é transformado em uma área catódica, transferindo as
áreas anódicas para outro material de menor desgaste ou com desgaste
controlado (Duarte et al, 2000).
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6.3 INFLUÊNCIA DOS REVESTIMENTOS PROTETORES
O controle da corrosão por proteção catódica é frequentemente
combinado com o uso de revestimentos protetores. A aplicação de revestimentos
reduz significativamente a superfície exposta à corrosão, o que resulta em uma
redução na quantidade de corrente necessária para proteger a estrutura. O uso
de revestimentos anticorrosivos torna a proteção catódica mais econômica. Os
revestimentos utilizados podem variar de tintas de baixa espessura a materiais
mais espessos, como piche de carvão, massa epóxi, fibra de vidro e outros
(Duarte et al, 2000).
A criação de uma célula eletroquímica ou eletrolítica artificial como
resultado desse processo faz com que o potencial do metal seja reduzido,
tornando todas as áreas catódicas. Isso implica que em uma superfície catódica,
apenas reações de redução ocorrem, evitando assim a dissolução do material
metálico. Além disso, a área ao redor do catodo tem seu pH elevado, o que
favorece a imunidade do metal à corrosão. Esse processo também envolve a
polarização da superfície metálica, que ocorre por meio da polarização por
ativação devido à sobretensão do hidrogênio, que é liberado e parcialmente
adsorvido no catodo, e da polarização ôhmica, causada pela precipitação de
compostos insolúveis, como CaCO3 e Mg (OH)2.
6.4 TIPOS DE PROTEÇÃO
A Proteção Catódica é uma técnica usada para controlar a corrosão de
uma superfície metálica, tornando-a o cátodo de uma célula eletroquímica. Um
método simples de proteção conecta o metal a ser protegido a um “metal de
sacrifício” mais facilmente corrosivo para atuar como o ânodo, quando se aplica
proteção catódica a uma estrutura, é extremamente importante para o técnico
em corrosão saber se a estrutura encontra-se realmente protegida contra a
corrosão em toda sua extensão (Duarte et al, 2000)
São dois os processos para proteção catódica de estruturas metálicas, os
quais se fundamentam no mesmo princípio, ou seja, por injeção de corrente na
estrutura através do eletrólito.
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6.4.1 Proteção Catódica Galvânica
A corrente elétrica origina-se da força eletromotriz (f.e.m) existente entre
o metal a proteger e um outro escolhido como ânodo, e que ocupa uma posição
mais elevada na tabela de potenciais eletroquímicos. Na prática os materiais
mais utilizados como ânodos são: Mg, e de Al, por apresentarem a maior
diferença de potencial em relação aos metais comumente usados em estruturas,
principalmente o aço. A diferença de potenciais galvânicos muito pequenas, não
superior a 1,2 Volts dependendo do par galvânico, considerado para que tenha
uma injeção de corrente capaz de proteger a estrutura, é necessário que a
resistência global do circuito seja baixa.
Desse fato resulta que a proteção galvânica só é eficaz em eletrólitos de
baixa resistividade, exemplo, água do mar e em solo de até 3.000 ohms/cm. de
resistividade.
6.4.2 Proteção Catódica por Corrente Impressa
Neste sistema a corrente elétrica origina-se da força eletromotriz (f.e.m)
de uma fonte geradora de corrente contínua (retificador, bateria ou gerador)
utilizando um dispersor de corrente no eletrólito constituído de ânodos inertes
(leito de ânodos) a fonte geradora poderá ter a corrente que se deseja, bem
como a força eletromotriz pretendida em função de resistividade do eletrólito e
se aplica a todos os eletrólitos de baixa, média, alta e altíssima resistividade
(Duarte et al, 2000).
Os ânodos mais utilizados em corrente impressa (Quadro 1), e os diversos
tipos de ânodos empregados de acordo com o eletrólito considerando a menor
perda de massa por amperes/ano.
Quadro 1 - Anodos mais utilizados em corrente impressa
Material do Anodo
Tipo de Eletrólito
Grafite
Solo e água doce
Ferro-Silício
Solo e água doce
Ferro-Silício- Cromo
Solo, água do mar e água doce
Chumbo-Prata-Antimônio
Água do mar
Titânio Platinizado
Água do mar
Fonte: USP, /2020.
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7 MEDIÇÃO DE POTENCIAL ELETROQUÍMICO
O ensaio tem como objetivo monitorar a integridade das partes submersas
de estruturas marítimas, garantindo que a proteção catódica esteja funcionando
eficazmente e evitando a corrosão indesejável. A medição do potencial
eletroquímico
da
estrutura
desempenha
um
papel
crucial
nesse
acompanhamento, permitindo a detecção precoce de problemas e reduzindo os
custos de correção. A medição de potencial eletroquímico é fundamental para
verificar o desempenho da proteção catódica, que visa criar um potencial elétrico
para proteger a estrutura contra a corrosão do ambiente marinho ou reduzir seus
efeitos.
A Norma N-1814 estabelece as condições necessárias para medir o
potencial eletroquímico das partes submersas de instalações marítimas, seja por
meio de inspeção subaquática ou medição remota. Ela se aplica a partir da data
de sua edição e fornece requisitos técnicos e práticas recomendadas. Além
disso, documentos complementares, como a Norma N-1732 sobre nodos de Liga
de Zinco e a Norma N-1793 sobre Qualificação de Pessoal em Inspeção
Subaquática, são referenciados e contêm diretrizes relevantes para esta Norma.
7.1 APARELHAGEM PARA MEDIÇÃO DE POTENCIAL ELETROQUÍMICO
O aparelho de medição deve conter um voltímetro e um eletrodo de
referência, ambos com certificado de calibração. A distância entre a semicélula
de Ag/AgCl e a ponta do aparelho deve ser de 50 mm quando acoplados. Caso
contrário, é necessário realizar um ensaio de laboratório para aprovação.
Quando o voltímetro e o eletrodo de referência estão fisicamente separados,
devem estar a 50 mm de distância entre si e do ponto a ser medido, conforme
definido no procedimento aprovado. Um multímetro digital de alta impedância
com especificações mínimas, incluindo 3 3/4 dígitos, 4000 contagens, resolução
de ± 1 mV e precisão de 0,3%, com escala de 200 mV e certificado de calibração,
é necessário para testar a aparelhagem no campo.
O eletrodo de referência a ser usado é a semicélula prata/cloreto de prata
(Ag/AgCl). A aparelhagem também deve incluir um bloco-padrão de zinco em
conformidade com a norma PETROBRAS N-1732, com número de identificação
marcado de forma indelével e um certificado de análise química rastreável ao
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bloco. Quando não acoplado ao voltímetro, o eletrodo de prata/cloreto de prata
deve ser armazenado em um frasco escuro contendo uma solução de cloreto de
potássio (KCL) 3 mols, com adição de 10 g/L de cloreto de prata.
7.2 ELETRODO DE CALOMELANO SATURADO (ECS)
Para verificar a aparelhagem no campo, é necessário utilizar três ECS
calibrados previamente em laboratório. O ECS deve ser armazenado e
manuseado da seguinte forma:
●
Antes de usar, verifique se o eletrodo está completo com a solução
saturada de cloreto de potássio (KCl a 3 mol). É recomendável que a solução saturada contenha cristais visíveis de KCl, e não deve conter bolhas
de ar em seu interior.
●
Utilize um recipiente não metálico com dimensões que permitam o
manuseio do medidor de potencial e que possibilite um giro de 360º em
torno de seu eixo. O recipiente deve ser mantido submerso.
●
Utilize um equipamento portátil com voltímetro e eletrodo de refe-
rência acoplados, calibrados e identificados.
Algumas observações importantes a serem consideradas incluem a
necessidade de que todos os certificados de calibração estejam devidamente
rastreados aos instrumentos, identificados, e que estejam dentro do prazo de
validade, que é de 6 meses. Além disso, é fundamental que o multímetro seja
submetido à calibração por um laboratório devidamente credenciado pela Rede
Brasileira de Calibração (RBC) para garantir a precisão e confiabilidade das
medições.
7.3 CONDIÇÕES GERAIS
O Inspetor Subaquático responsável pela execução das medições deve
atender aos requisitos de qualificação estabelecidos na norma PETROBRAS N1793.
Quanto ao procedimento de inspeção, este deve ser emitido pelo órgão
da PETROBRAS ou pela firma executante, apresentando um nome identificador,
numeração, indicação da revisão e data de emissão.
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A inspeção do potencial eletroquímico realizada pelo mergulhador pode
ser efetuada por meio de duas técnicas distintas:
1. Utilizando uma unidade portátil encapsulada.
2. Empregando um voltímetro na superfície, com cabos de ligação elétrica
e um eletrodo para medição.
7.4 O BATHYCORROMETER
O
Bathycorrometer,
desenvolvido
pela
ROXBY
ENGINEERING
INTERNATIONAL em 1971 para inspeção submarina, é uma unidade portátil
avançada operada por mergulhadores, projetada para determinar a corrosão de
estruturas submersas. Equipado com um visor digital de fácil leitura e baterias
recarregáveis, o modelo atual é baseado na unidade original que está em serviço
desde 1971. O aparelho fornece leituras diretas do potencial de corrosão no
ponto de aplicação, sendo operado pelo contato da ponta probe com a estrutura
a ser medida. A bateria normalmente proporciona 50 horas de uso contínuo
antes de requerer uma recarga de 10 minutos por hora de utilização.
Figura 5 - Visor de cristal líquido
Fonte: END SUB, 2022
7.5 TESTE DA APARELHAGEM NO CAMPO
Com Voltímetro e Eletrodo de Referência Acoplados, efetuar a limpeza da
superfície do bloco-padrão de Zn utilizando escova com cerdas de nylon e fazer
a imersão em recipiente não metálico contendo água do mar, por, no mínimo, 1
hora. Conectar o bloco-padrão de Zn ao polo positivo do voltímetro ver (Figura
6).
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Figura 6 - Voltímetro e eletrodo de referência
Fonte: OCEÂNICA, 2000.
Conectar o ECS, selecionar conforme o polo negativo do voltímetro.
Mergulhar sua ponteira no recipiente que contém o bloco de Zn, aproximandoos até 50 mm, o tempo suficiente para a estabilização e realização da leitura no
multímetro da diferença de potencial entre ECS e o bloco de Zn.
Registrar a leitura no registro de medição de potencial eletroquímico.
Desconectar o bloco-padrão de Zn do pólo positivo do voltímetro e do
eletrodo de calomelano saturado.
Efetuar a leitura do potencial do bloco-padrão de Zn diretamente com o
equipamento portátil, Bathycorrometer, que também deve ter permanecido
imerso, no mínimo, por 1 hora antes do teste e registrar o valor.
Figura 7 - Bathycorrometer bloco de zinco
Fonte: OCEÂNICA, 2000.
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Subtrair o valor do potencial lido com o ECS, do valor do potencial lido
com o equipamento portátil, considerando-se aceitável a diferença de (-8 ± 5)
mV.
Diferença = - {Leitura Equipamento/Zn} - {Leitura ECS/Zn} = (-8 ± 5) mV
(De -13 mV a -3 mV)
Nota: A leitura, descrita, deve ser efetuada com os polos do bloco-padrão
de Zn e do ECS, desconectados do voltímetro. Durante todo o tempo de uso, o
aparelho e o bloco de Zn devem ficar imersos.
Equipamento com Voltímetro e Eletrodo de Referência Não Acoplados
Após 1 hora de imersão em água do mar, em recipiente não metálico, conectar
o bloco de Zn ao polo positivo do voltímetro.
Conectar o ECS, selecionado conforme o item 4.6.2, ao polo negativo do
voltímetro e efetuar a leitura. O ECS deve ser mantido no recipiente o tempo
suficiente para a estabilização e realização da leitura, considerando-se
aceitáveis valores de (-8 ± 5) mV.
Nota: No teste de campo deve ser mantida à distância de 50 mm entre o
bloco de Zn e o ECS.
7.6 OCASIÃO DO TESTE
O teste de aparelhagem no campo deve ser executado no início, nas
interrupções, término da jornada de trabalho e em casos de suspeita de mau
funcionamento do sistema.
Preparação de Superfícies
As medições do potencial eletroquímico devem ser tomadas antes de
qualquer limpeza de superfície.
Recomenda-se a limpeza dos pontos selecionados para medição, apenas
o suficiente para garantir o perfeito contato elétrico com a ponta de contato
(“probe”) do aparelho (Prática Recomendada).
7.7 EXECUÇÃO DO ENSAIO
O procedimento de execução do ensaio deve ser abrangente e minucioso,
abrangendo todas as etapas, desde a preparação da superfície até o registro
dos resultados. Antes de iniciar as medições, o aparelho de medição de potencial
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eletroquímico deve ser submerso em água do mar por no mínimo 1 hora e deve
permanecer submerso durante todo o trabalho. Caso o voltímetro esteja
fisicamente afastado do eletrodo de referência, ele deve ser posicionado a uma
distância de 50 mm do ponto a ser medido.
Cada
medição
deve
ser
realizada
duas
vezes,
afastando
e
restabelecendo o contato elétrico, e o valor de menor magnitude deve ser
registrado como o potencial eletroquímico do ponto. Se houver uma diferença
maior que 10 mV entre as medições, o teste deve ser repetido no campo e as
medições no ponto devem ser refeitas. Registre as leituras somente quando
estiverem estabilizadas, e um período de 15 segundos é recomendado para
considerar a leitura como estabilizada conforme a Prática Recomendada.
7.8 REGISTRO DOS RESULTADOS
As medidas do potencial eletroquímico devem ser registradas em um
formulário contendo, no mínimo, as seguintes informações*;
●
Identificação da firma executante e título do formulário;
●
Identificação da instalação, data e especificação da inspeção;
●
Identificação do inspetor;
●
Tipo do equipamento utilizado e sua identificação;
●
Identificação dos pontos de medição;
●
Registro dos valores medidos em “volts” (V);
●
Registro do teste da aparelhagem no campo;
●
Identificação da fiscalização;
Identificação do procedimento de inspeção e número da revisão
8 AVALIAÇÃO DAS MEDIÇÕES DE POTENCIAL ELETROQUÍMICO
8.1 PROTEÇÃO CATÓDICA POR SISTEMA GALVÂNICO
●
Qualquer medição de potencial eletroquímico mais positivo que –
0800V, em relação ao eletrodo de medição de AgAg/Cl, é indicativo de
proteção Catódica deficiente e consequentemente risco de dano por corrosão.
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●
Potenciais eletroquímicos entre – 0800V à 1,100 V, em relação ao
eletrodo de Ag/AgCl, é a faixa de potencial eletroquímico em que o aço se
encontra protegido catódicamente.
●
O potencial eletroquímico medido no anodo de liga de Alumínio,
deverá apresentar valores prováveis entre – 1,050V até –1,100V em relação ao eletrodo de Ag/AgCl.
●
O potencial eletroquímico medido no anodo de liga de Zinco, de-
verá apresentar valores prováveis entre – 0800V até – 1,050V em relação
ao eletrodo de Ag/AgCl.
8.2 PROTEÇÃO CATÓDICA POR SISTEMA DE CORRENTE IMPRESSA
●
Estruturas de aço carbono encontram-se protegidas catodicamente
para valores mais negativos que – 0800V, em relação ao eletrodo de
Ag/AgCl.
●
Os valores de potenciais mais adequados para estruturas de aço
carbono situam-se entre – 0800V até – 1,100V, em relação ao eletrodo
de Ag/AgCl.
Medições de potenciais muito próximas aos anodos de corrente impressa
poderão apresentar valores bem superiores ao mencionado no item anterior
9 CONCLUSÕES
Os sistemas de proteção catódica são de fundamental importância para
garantir a integridade e a segurança das estruturas marítimas nas partes
submersas. O ambiente marinho salino e outros efeitos fazem com que
estruturas marítimas sejam expostas a fadiga, degradação e processo corrosivo.
A fim de assegurar a integridade estrutural, minimizando o risco para o meio
ambiente e para os trabalhadores, e para as unidades marítimas, as partes
submersas dessas estruturas, devem ser periodicamente inspecionadas a fim de
assegurar sua integridade estrutural, evitando assim, paradas indesejáveis das
operações e da produção. As inspeções realizadas nas estruturas marítimas são
feitas para acompanhar o grau de corrosão dos equipamentos, como
manutenções preventivas que são essenciais para manter a proteção dos
equipamentos e para avaliar a manutenção corretiva, caso seja necessária.
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A medição de potencial eletroquímico é um ensaio não destrutivo. Por
meio desse ensaio é que se determina o potencial da estrutura em relação ao
meio corrosivo, com a finalidade de avaliar a condição do material metálico, se
está protegido ou se sofre algum processo corrosivo. A medição é feita para
verificar a eficiência da corrente de proteção catódica gerada.
Nesse contexto, a medição deve ser capaz de identificar se a proteção
está agindo de forma eficiente e, onde não está, podendo assim determinar se a
superfície da estrutura está protegida ou se está sofrendo algum processo
corrosivo.
A proteção contra corrosão, a utilização da proteção catódica galvânica,
o uso do ânodo de zinco, em estruturas metálicas submersas, a corrosão em
ambiente marinho e seus principais fatores, foram analisadas apenas em
estruturas navais, pois a área de aplicação da proteção catódica é muito vasta,
sendo um dos métodos mais empregados para a proteção de estruturas de aço
e outros metais em ambiente marítimo, submersas parcial ou totalmente. A
limitação deste ensaio deve-se ao fato, de que o equipamento de medição e a
estrutura devem estar imersos em um eletrólito.
Para futuros trabalhos, recomenda-se o desenvolvimento de ligas
alternativas que retardem processos corrosivos bem como o desenvolvimento
de ligas de materiais constituinte dos anodos de sacrifícios, fontes de energia
mais baratas que prolonguem a vida útil destes metais, de tal forma que possa
auxiliar a sociedade e a academia por meio de avanço tecnológico, uma vez que
os custos da corrosão evidentemente se elevam, tornando-se um fator de grande
importância a ser considerado já na fase de projeto de grandes instalações
industriais para evitar ou minimizar futuros processos corrosivos. Somas
milionárias poderiam ser economizadas se todas as medidas econômicas viáveis
fossem usadas para a prevenção contra a corrosão.
AGRADECIMENTOS
The authors acknowledge the financial support from the Brazilian National
Council for Scientific and Technological Development – CNPq and National Fund
for Scientific and Technological Development – FNDCT/Ministry of Science,
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Technology and Innovations – MCTI, Research Projects 405503/2022-9, and the
Universidade Estadual do Rio de Janeiro (Prodocência Program).
APOIO FINANCEIRO
CNPq - Projeto de Desenvolvimento de CT&I para os Setores de Transporte
Aquaviário e Construção Naval - processo 405503/2022-9 e PR2 UERJ.
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