O risco de corrosão a quente pode ser mitigado com sucesso aplicando uma combinação apropriada de medidas preventivas: seleção de materiais, revestimentos protetores, lavagem de componentes quentes, filtragem de ar e melhorias na qualidade do combustível.
As turbinas a gás são um equipamento extremamente crítico e importante usado em muitas indústrias, incluindo petróleo e gás, geração de energia elétrica e aviação. Infelizmente, as altas temperaturas encontradas dentro das turbinas a gás, juntamente com os contaminantes, aceleram rapidamente o processo de corrosão ainda mais rápido do que a oxidação normal. Quando o material é consumido, sua capacidade de carga é reduzida e, no pior dos casos, resulta em falha catastrófica.
turbinas a gás
Os motores de turbina a gás, comumente conhecidos como motores a jato, são usados como o motor principal para alimentar a maioria das aeronaves civis e militares modernas.
Durante o funcionamento, a admissão do motor direciona o ar externo para o compressor, conforme mostrado na Figura 1. O ar é então comprimido por meio de uma série de estatores e rotores (Figura 1, rotulado para). A pressão pode aumentar 24 vezes em 15 estágios em um compressor de fluxo axial moderno. Na câmara de combustão (Figura 1, etiqueta b), ar comprimido é misturado com combustível e queimado para produzir empuxo. Um bico de pulverização é usado para atomizar o combustível e um ignitor elétrico é usado para iniciar a combustão da mistura ar-combustível. O processo de combustão aumenta a temperatura para cerca de 1.930 ° C (3.506 ° F). No entanto, devido às atuais limitações de material, a temperatura máxima permitida para motores de turbina é de apenas cerca de 1100 °C (2012 °F). Portanto, apenas uma fração do ar é usada para manter a combustão, enquanto o restante é usado para resfriar a turbina.
Figura 1. Seção transversal de um motor de turbina a gás. (Fonte: Igor Dolgov / Dreamstime.com)
Após a câmara de combustão, a exaustão quente passa pela turbina (Figura 1, etiqueta C.). À medida que o gás se expande através de uma série de estatores e rotores, a pressão cai e a energia é convertida para girar o compressor através de um eixo central. Equipamentos de resfriamento e revestimentos são frequentemente usados para evitar que as pás das turbinas derretam. Os gases são finalmente acelerados na extremidade do escapamento para produzir empuxo (Figura 2).
Figura 2. Diagrama de um motor de turbina a gás. (Fonte: Jeff Dahl/Creative Commons)
Corrosão quente
A corrosão a quente é uma corrosão acelerada resultante da presença de contaminantes de sal que se combinam para formar depósitos fundidos que destroem a camada protetora de óxido encontrada na superfície de alguns metais. A corrosão a quente é classificada em dois tipos: Tipo I (corrosão a quente de alta temperatura) e Tipo II (corrosão a quente de baixa temperatura).
Corrosão quente de alta temperatura tipo I (HTHC)
A Corrosão Quente de Alta Temperatura Tipo I (HTHC) é comumente observada na faixa de temperatura de 850 a 950°C (1562 a 1742°F). O processo HTHC começa quando os sais de metais alcalinos condensados se formam na superfície dos componentes. Ocorre uma série de reações químicas que atacam a camada protetora de óxido e esgotam o elemento cromo do material. Com menos teor de cromo, o material de base oxida rapidamente e a incrustação porosa começa a se formar.
Corrosão quente de baixa temperatura tipo II (LTHC)
A corrosão a quente de baixa temperatura do tipo II (LTHC) é comumente observada na faixa de temperatura de 650 a 800 °C (1202 a 1472 °F). Um dos materiais comuns usados para construir pás de turbinas, ligas à base de cobalto, reagem com trióxido de enxofre (SO3) do gás de combustão para formar sulfato de cobalto (CoSO4). Uma mistura de sulfato de sódio (Na2ENTÃO4) e CoSO4 é responsável pelas picadas típicas encontradas no LTHC.
Mais perto da raiz das pás, a temperatura é normalmente mais baixa que a temperatura das outras partes. Portanto, essas regiões são propensas a serem afetadas pelo LTHC. Pode haver perda de material e espessura devido ao efeito combinado de HHTC e fadiga na ponta das pás da turbina. Há também presença de coloração verde que é uma característica macroscópica do HTHC. Além disso, pode haver mais danos, especialmente perto do bordo de fuga das pás, indicando que o enxofre no combustível pode ter reagido com a camada protetora de óxido e atacado o material de base.
Prevenção da corrosão a quente
Várias medidas de mitigação contra a corrosão a quente dos componentes da turbina a gás são apresentadas nas seções a seguir.
Seleção de Liga
A seleção do material determina a resistência mecânica e a resistência à corrosão em altas temperaturas. Infelizmente, muitas ligas têm uma correlação inversa em relação a esses dois perímetros. Por exemplo, o tungstênio e o molibdênio são excelentes para melhorar a resistência mecânica, mas são muito suscetíveis à corrosão a quente. Portanto, a melhor prática é fazer as compensações necessárias na seleção de materiais e aplicar revestimentos protetores para melhorar a resistência à corrosão.
O cromo é o elemento mais eficaz para melhorar a resistência à corrosão em ligas. Outros elementos testados incluem cério, lantânio, platina e titânio. A liga escolhida também deve ter boa adesão ao seu óxido protetor e microestrutura sem fases secundárias propensas ao ataque acelerado. (Certifique-se de verificar nosso Guia de Metais Resistentes à Corrosão.)
Revestimentos protectores
Existem três categorias de revestimentos protetores: difusão, sobreposição e revestimentos de barreira térmica. Os revestimentos de difusão são obtidos enriquecendo a superfície de uma liga com alumínio, cromo ou silício. As sobreposições são ligas resistentes à corrosão projetadas para proteção contra altas temperaturas. Revestimentos de barreira térmica são usados para isolar o substrato do calor do fluxo de gás. O sistema de revestimento consiste em uma cerâmica externa sobreposta a uma camada adesiva resistente à oxidação. (Para saber mais sobre ladrilhos de cerâmica, leia as 5 principais aplicações para ladrilhos de cerâmica.)
Lavagem de componentes quentes
A lavagem por dilúvio com água da torneira minimiza a corrosão por calor, dissolvendo e removendo o sal e outros contaminantes necessários para iniciar a corrosão por calor. O manual de manutenção do motor geralmente contém um procedimento de lavagem detalhado. A frequência da lavagem é determinada pela gravidade da corrosão. Uma lavagem pode ser necessária antes de cada voo ou uma vez por mês. Ele pode ser ajustado com base nos resultados de uma inspeção com boroscópio.
filtragem de ar
A instalação de um filtro de ar de alta eficiência é outra abordagem para proteger contra a corrosão por calor. A corrosão a quente não ocorre se o teor de Na no ar for inferior a 0,08 ppm.
composição do combustível
Para evitar o início e propagação da corrosão por calor, o conteúdo de metais alcalinos, vanádio e enxofre no combustível deve ser cuidadosamente controlado. O teor máximo permitido de impurezas no combustível é definido como 0,2 - 0,6 ppm (Na + K), 0,5 ppm V e 1% S.
Aditivos (por exemplo, Mg, Cr, Ca e Ba) são adicionados ao combustível para diminuir a taxa de corrosão. A adição de MgO pode aliviar o efeito do uso de um alto nível de vanádio no combustível. O resultado é que a magnésia reagirá preferencialmente com o pentóxido de vanádio (V2QUALQUER5) para formar Mg3V2QUALQUER8 com maior temperatura de fusão.
Conclusão
A corrosão a quente é uma preocupação em turbinas a gás que pode levar à falha. Para evitar falhas catastróficas, a corrosão a quente deve ser evitada e detectada em um estágio inicial. A causa da falha da pá da turbina pode ser devido ao efeito combinado de corrosão a quente e outros mecanismos, como fadiga.
A corrosão a quente de alta temperatura do Tipo I e a corrosão a quente de baixa temperatura do Tipo II têm características e mecanismos diferentes. Portanto, os dois tipos de corrosão a quente são identificáveis.
O risco de corrosão a quente pode ser mitigado com sucesso aplicando uma combinação apropriada de medidas preventivas, como seleção de liga, revestimentos protetores, lavagem de componentes a quente, filtragem de ar e melhorias na qualidade do combustível.