Análise de corrosão e erosão em equipamentos utilizando CFD
Todos nós já tivemos problemas de corrosão alguma vez na vida: desde aquela esponja de aço que ficou com uma coloração marrom-avermelhada após grande período de uso até um equipamento industrial, com peças enferrujadas.
Já a erosão, ao contrário do que muitos pensam, não se restringe apenas ao processo de desgaste do solo e das rochas por ação dos ventos e das chuvas. De maneira geral, podemos dizer que a erosão é um processo físico, no qual se tem o desgaste gradual de um sólido por meio de abrasão, como por exemplo, o carreamento de partículas de areia a alta velocidade no interior de tubulações.
Neste contexto, os processos de erosão e corrosão são uns dos principais desafios dos sistemas de produção da indústria de processos em geral. Tais fenômenos podem levar à redução do tempo de vida útil de sistemas de tubulações e equipamentos e, portanto, são vitais em estudos de gestão de riscos.
A) Exemplo de erosão por partículas em curva de tubulação | B) Exemplo de equipamento industrial com efeito de corrosão
A erosão é um processo complexo, influenciado por inúmeros fatores, sendo que pequenas mudanças nas condições operacionais podem afetar significativamente os danos causados. A erosão é conhecida como um dos principais problemas dos sistemas de produção de petróleo e gás. Os mecanismos potenciais que podem levar a danos significativos por erosão são: erosão por partículas, erosão por gotas de líquido, erosão-corrosão e erosão por cavitação. O primeiro citado é geralmente aceito como fonte mais comum de problemas de erosão em sistemas de produção, especialmente a erosão causada por partículas de areia.
A corrosão é um processo espontâneo e complexo, no qual um material (usualmente metais) é convertido, por meio de reações químicas de oxirredução, em uma forma mais estável. Esse tipo de processo é um problema grave em todos os tipos de indústrias, causando grande prejuízo em equipamentos, o que pode levar a perdas de eficiência dos mesmos ou, em casos extremos, a acidentes.
Existem diversas formas de corrosão, entre elas podemos citar: corrosão uniforme, corrosão galvânica, corrosão localizada e corrosão-erosão, sendo que a corrosão localizada é a mais difícil de detectar e, portanto, causa danos consideráveis nas indústrias.
Análise de Corrosão e Erosão utilizando CFD
A Fluidodinâmica Computacional (CFD) como ferramenta de projeto vem ganhando força com o aumento do poder computacional disponível e a eficiência dos códigos empregados. O uso de simulações numéricas permite a redução dos custos experimentais na construção de protótipos e realização de testes, assim como permite obter uma riqueza de detalhes da hidrodinâmica no interior dos dispositivos a qual seria impossível de ser obtida com métodos experimentais.
A) Modelagem do processo de erosão em tubulações utilizando CFD | B) Modelagem do processo de corrosão em tubulação de aço utilizando CFD
Utilizando os programas de CFD da Ansys (Fluent e CFX) é possível calcular as trajetórias das partículas utilizando modelos adequados. As interações partícula-parede são definidas por meio do coeficiente de restituições para as direções normal e tangencial. Quando partículas individuais sofrem impacto sobre uma parede, o dano causado é calculado utilizando um modelo de danos por impacto (Erosion Model). Dessa forma, pode-se dizer que CFD é uma ferramenta indicada para prever locais de erosão e as formas de desgaste causadas. É particularmente vantajosa para geometrias complexas, tais como válvulas, na qual as trajetórias das partículas são muito complicadas.
Já os processos de corrosão podem ser simulados por meio do modelo de reações eletroquímicas implementado na versão 17.0 do Ansys Fluent, com o qual é possível prever a taxa de corrosão em uma determinada superfície. O usuário precisa fornecer ao programa as espécies envolvidas nas reações com suas respectivas cargas, alguns parâmetros da cinética das reações, além de especificar quais reações ocorrem no cátodo e no ânodo.
Portanto, a Fluidodinâmica Computacional (CFD) tem grande potencial para ser utilizada em estudos de erosão e corrosão e apoiar a avaliação de soluções que possam mitigar e impedir tais problemas.
