Resistência à corrosão do titânio grau 2: limites, compatibilidade química e seleção de materiais

Embora a resistência à corrosão do titânio grau 2 seja, em geral, excelente, dizer que um material é “resistente à corrosão” não constitui uma especificação completa de serviço. A pergunta de engenharia mais útil é mais específica: qual é a composição do fluido? Qual é a temperatura e a velocidade do fluido? Qual é o nível de oxigênio? Em que pontos o projeto cria frestas com estagnação? O termo corrosivo abrange muitos fluidos diferentes; por isso, a avaliação das condições de serviço distingue ambientes oxidantes e redutores, além de condições com cloretos e fluoretos, antes de definir o grau. Ao selecionar uma liga de titânio, descreva as condições com a maior precisão possível. O titânio grau 2 é um dos graus de titânio comercialmente puro; os graus 1, 3, 4, 7, 9, 12 e 23 apresentam combinações diferentes de composição química e propriedades mecânicas. Ligas de titânio também são usadas em processamento químico, aplicações industriais, indústria aeroespacial e implantes médicos. A resistência ao escoamento, a resistência à tração, a soldabilidade e o ambiente de serviço necessários variam conforme a aplicação e afetam a durabilidade das peças de titânio. Este guia aborda essas diferenças como uma questão de seleção de ligas de titânio e as descreve qualitativamente de acordo com as condições de serviço.

Este guia explica o mecanismo do filme passivo no titânio grau 2 comercialmente puro, identifica os ambientes em que ele apresenta bom desempenho e indica quando convém considerar outro grau ou liga. Ao final, apresenta uma lista de verificação das condições de serviço para consulta rápida e elaboração de cotação, além dos documentos que o comprador deve solicitar.

O que confere resistência à corrosão ao titânio grau 2?

O grau 2 é um grau de titânio comercialmente puro. Sua proteção vem de um filme fino e aderente de óxido de titânio, principalmente dióxido de titânio. Esse filme se forma rapidamente em uma superfície limpa quando ela entra em contato com o ar ou com água que contenha oxigênio dissolvido. Se apenas uma pequena área for afetada, o filme pode se formar novamente, desde que a química ainda favoreça a passivação. Por isso, o grau 2 costuma superar o aço-carbono e muitos aços inoxidáveis em ambientes úmidos com cloretos ou em aplicações marítimas.

Verificação das evidências: As afirmações desta seção têm como base uma referência sobre filmes passivos de titânio: referência sobre o filme passivo de titânio.

O filme é uma condição superficial, não uma garantia de que o metal como um todo esteja imune a todas as formas de ataque, incluindo trincas e corrosão em frestas. Um ambiente redutor, a presença de fluoreto livre, a redução de oxigênio, a contaminação ou uma geometria estreita com fluido estagnado podem impedir a repassivação. Portanto, a resistência à corrosão do titânio depende do sistema completo de material e projeto: grau, superfície, condição da solda, fluido, temperatura, velocidade e controle de frestas.

O que forma o filme passivo no titânio grau 2?

Um filme de óxido estável se forma no titânio na maioria dos ambientes aquosos oxidantes. Por isso, as taxas de corrosão geral podem ser extremamente baixas, mas é preciso respeitar os limites dessa barreira. O filme pode se dissolver mais rápido do que se forma novamente. Use o filme como ponto de partida para a seleção e depois verifique as condições reais de serviço.

Desempenho do titânio grau 2 em água do mar e serviços com cloretos

Água do mar, atmosferas marinhas e muitas soluções neutras de cloreto são motivos frequentes para engenheiros considerarem o grau 2 quando é necessária alta resistência à corrosão. Em condições limpas e com fluxo, o filme passivo costuma permanecer estável, e o titânio é valorizado por sua resistência à corrosão geral, à corrosão por pites e à corrosão sob tensão por cloretos. Tubos para trocadores de calor, componentes de condensadores, equipamentos de dessalinização e tubulações para água do mar são aplicações típicas.

O estado redox e o oxigênio dissolvido devem fazer parte das condições de serviço. A desaeração, a química redutora ou a redução de oxigênio podem alterar a passividade, mesmo quando o fluido em massa é descrito simplesmente como água do mar ou água com cloretos.

Verificação das evidências: A discussão da Total Materia sobre água do mar e frestas fornece o contexto usado como fonte nesta seção.

Não aplique a conclusão sobre água do mar a todos os processos com cloretos. Um fluxo limpo, aerado e contínuo se comporta de maneira diferente de uma salmoura quente retida sob uma junta. A mesma porcentagem nominal de cloretos pode representar um risco diferente quando há variações de pH, oxigênio, depósitos ou temperatura.

Ambientes químicos: onde o titânio grau 2 apresenta bom desempenho e onde não apresenta

Uma avaliação prática de compatibilidade distingue os ambientes que favorecem a passivação daqueles que atacam o filme. A matriz abaixo é uma ferramenta inicial para discutir especificações, não substitui um ensaio de corrosão nem um manual de ligas qualificado.

Verificação das evidências: A referência sobre limitações na seleção de materiais de titânio fornece o contexto usado como fonte nesta seção. Para os limites de avaliação dos ácidos, consulte o manual de corrosão da TIMET.

Material para compradores: matriz de compatibilidade química e limites

Algumas referências podem indicar um único valor como limite de concentração ou temperatura. Considere esses valores indicadores de triagem específicos da fonte. O fato de um limite ter sido usado em uma configuração de ensaio não significa que ele possa ser aplicado a outro vaso de pressão, espelho de tubos, solda ou ciclo de limpeza sem determinar a química e a geometria relevantes.

Limites relacionados a falhas por frestas, corrosão galvânica, erosão e hidrogênio

Embora o grau 2 tenha alta resistência geral ao ataque, há riscos localizados. Por exemplo, uma junta aparafusada, uma junta sobreposta ou um espelho de tubos pode consumir o oxigênio e concentrar cloretos em uma pequena fresta. O ambiente local pode se tornar mais ácido e redutor do que o fluido em massa. Por isso, o projeto das frestas merece a mesma atenção que o projeto da liga.

Limitações na transferência de calor, depósitos, regiões estagnadas e frestas podem gerar uma química localizada diferente daquela do fluido em massa. Considere a aeração diferencial, os gradientes de temperatura e a contaminação após a fabricação, em vez de usar um valor de “manual” como limite de projeto.

Verificação das evidências: a referência sobre corrosão do titânio da TIMET, hospedada pelo NRC, descreve as condições relacionadas às seções deste artigo.

• Corrosão em frestas: elimine zonas estagnadas com geometrias fáceis de limpar ou que retenham pouco fluido por natureza e avalie separadamente os serviços com haletos e salmoura quente.
• Corrosão galvânica: avalie o contato com metais diferentes, as proporções entre áreas, o isolamento e a condutividade do eletrólito.
• Erosão ou erosão-corrosão: verifique a velocidade do fluxo, os sólidos em suspensão, o impacto e as mudanças bruscas na direção do fluxo.
• Absorção de hidrogênio: avalie a proteção catódica, os fluxos redutores em alta temperatura e qualquer processo que possa carregar o titânio com hidrogênio.
• Contaminação da solda: especifique o tipo de proteção gasosa, a qualidade da purga, os limites de coloração térmica e a condição da superfície após a soldagem; uma solda contaminada não equivale a uma superfície limpa do metal de base.

Titânio grau 2 versus grau 5: diferenças entre corrosão, resistência e fabricação

O titânio grau 5 (Ti-6Al-4V) costuma ser a melhor opção quando a resistência mecânica é prioridade, embora o grau 2 seja comercialmente puro e possa ser mais fácil de conformar e soldar. Se o projeto for determinado pela carga, pela fadiga ou pela espessura da seção, o grau 5 pode ser considerado primeiro. Se a prioridade for a resistência à corrosão e a boa ductilidade, conformabilidade ou fabricação soldada em um ambiente químico compatível, o grau 2 costuma ser a melhor opção entre os graus de titânio amplamente usados.

A comparação é limitada pela química e pela temperatura: a resposta à corrosão, a soldabilidade, a resistência mecânica e o comportamento em frestas podem mudar conforme a condição de fabricação e as condições locais de serviço.

É mais produtivo começar a comparação pela aplicação. O grau 2 é escolhido por sua excelente resistência à corrosão em serviços úmidos, enquanto o grau 5 sacrifica parte da conformabilidade em favor da resistência mecânica para outras condições de projeto. Sistemas de tubulação e equipamentos da indústria química exigem uma superfície com alta resistência, fácil de limpar. O teor de titânio, a disponibilidade de oxigênio e o filme passivo determinam a estabilidade do material. Em comparação com o aço inoxidável, o titânio pode oferecer maior resistência à corrosão em serviços com cloretos, mas dizer que “o titânio é o mais resistente” não é um critério de seleção, e o grau mais macio de titânio não é necessariamente o correto. O grau 5 favorece a resistência mecânica, enquanto o grau 2 mantém o perfil de resistência à corrosão e ductilidade que costuma influenciar a conformação e o serviço químico. Compare os graus de titânio com a química real, em vez de presumir que uma liga de titânio é sempre melhor do que outra. Verificação das evidências: A visão geral sobre corrosão e fabricação do grau 2 fornece o contexto usado como fonte nesta seção.

Titânio grau 2 versus aço inoxidável 316 e ligas de níquel

Compare os materiais com o modo real de falha, em vez de classificá-los em abstrato. O grau 2 é uma opção atraente quando importam a água do mar, a exposição a cloretos, o baixo peso e a longa vida útil. O aço inoxidável 316 pode ser vantajoso pelo custo de compra, pela disponibilidade local, pela dureza ou em serviços secos menos agressivos. As ligas de níquel ganham relevância quando o fluxo é fortemente redutor, quente ou tem uma mistura química que ameaça o filme passivo do titânio.

Verificação das evidências: Referência da AZoM sobre materiais de titânio fornece o contexto usado como fonte nesta seção.

Material para compradores: tabela de seleção de grau 2, grau 5, aço inoxidável e níquel

Lista de verificação das condições de serviço do titânio grau 2 para compradores

Material para compradores: lista de verificação das condições de serviço

Antes de solicitar uma cotação, prepare uma lista de verificação dos fatores que determinam se a passivação é estável. Assim, uma questão ampla sobre corrosão se transforma em uma decisão sobre materiais que pode ser auditada.

1. Composição completa de todos os fluidos de processo, incluindo cloretos, fluoretos, agentes oxidantes, espécies redutoras, compostos de enxofre, impurezas e umidade.
2. Temperaturas normais, mínimas e máximas, durante a partida, a parada, a limpeza, condições anormais e transientes.
3. Faixas de concentração, pH, oxigênio dissolvido, aeração ou desgaseificação e quaisquer ciclos de cloração.
4. Velocidade dos fluidos, turbulência, sólidos em suspensão, impacto, trechos sem circulação, depósitos e risco de erosão admissível.
5. Tipo de componente e forma do produto: placa, chapa fina, tubo, tubulação, barra, peça forjada, revestimento, construção revestida por união metalúrgica ou conjunto soldado.
6. Fatores como cargas, pressão, vácuo, fadiga, vibração, espessura de parede, ciclos térmicos, limites dimensionais etc.
7. Geometria das frestas, materiais das juntas, contato entre metais diferentes, proteção da solda, purga, acabamento superficial e controles de contaminação.
8. Requisitos aplicáveis de ASTM, ASME ou EN, tratamento térmico, escopo dos ensaios, pontos de inspeção e critérios de aceitação.
9. Documentos necessários: certificado de ensaio do material, rastreabilidade da corrida ou do lote, relatório dimensional, inspeção superficial, PMI, ensaio ultrassônico e qualquer ensaio de corrosão específico do projeto.

Torne a consulta mensurável sem tratar estes campos como limites de projeto. Registre 4 valores de temperatura em °C, 2 valores de concentração em %, 2 velocidades de fluxo em m/s, 2 valores de pressão em bar, 2 valores de espessura de parede em mm, 2 valores de acabamento superficial em μm, 1 pressão de ensaio em MPa, 1 tempo de permanência da limpeza em hr e 2 tempos de parada em min. Estes campos servem para documentar as condições de serviço; não são limites universais de aceitação para o grau 2.

A cadeia de fornecimento da TiAlloy abrange titânio e ligas de titânio nas formas de placa/chapa fina, tubulação/tubo e barra, além de registros de inspeção, verificações dimensionais, avaliações superficiais, rastreabilidade de lotes e embalagem para exportação conforme o pedido do cliente. Consulte a especificação do produto de titânio grau 2 e informe as condições de serviço na consulta.

Solicite uma cotação de titânio grau 2 e informe a química, a temperatura, a forma do produto, a norma e os requisitos de documentação.

Formas, normas, ensaios e rastreabilidade a especificar

“Titânio grau 2” é apenas uma linha do pedido de compra. A forma do produto e a norma aplicável determinam quais ensaios e dimensões devem ser informados. Uma solicitação bem elaborada identifica a forma do produto, a revisão da especificação, as dimensões e tolerâncias, a condição de tratamento térmico, a qualidade superficial e quaisquer ensaios adicionais. Verificação das evidências: Para contexto, consulte a especificação ASTM para peças fundidas de titânio. Para produtos planos recozidos, consulte a ASTM B265 para tiras, chapas finas e placas de titânio.

• Forma do produto: pode incluir placa/chapa fina, tubo, tubulação, barra, haste, peça forjada ou conjunto de componentes fabricados. ASTM B338 trata de tubos de titânio para condensadores, evaporadores e trocadores de calor.
• Normas: requisito aplicável para o produto e revisão de ASTM, ASME ou EN indicados no pedido.
• Certificados: podem incluir MTC/MTR e, quando necessário, EN 10204 3.1 ou uma inspeção independente acordada.
• Verificação: composição química, propriedades mecânicas, verificações dimensionais, avaliação superficial, PMI, UT e ensaio de corrosão, quando justificado.
• Rastreabilidade: associe o número da corrida ou do lote no material à documentação de embalagem e expedição.

Um certificado pode confirmar a composição química e os resultados mecânicos do grau 2, enquanto o projeto do processo ainda pode criar uma fresta quente com pouco oxigênio.

Perguntas frequentes: resistência à corrosão do titânio grau 2

O que confere resistência à corrosão ao titânio grau 2?

O titânio forma rapidamente um filme passivo no ar e pode refazê-lo após pequenos danos. A estabilidade depende da química, da temperatura, da velocidade, da condição superficial, da geometria e da presença de agentes redutores. Sempre avalie o grau em função da química e das condições reais. Verificação das evidências: As perguntas frequentes técnicas sobre o grau 2 fornecem o contexto usado nesta seção.

O titânio grau 2 é adequado para água do mar e serviços com cloretos?

É uma boa opção para muitos serviços com cloretos neutros e ambientes marinhos, especialmente quando o fluido está em movimento e é aerado. Avalie as frestas com juntas, os trechos sem circulação e os depósitos. Uma tubulação de água do mar não deve ser considerada automaticamente segura em condições de fresta. Avalie todas as condições de serviço.

O titânio grau 2 resiste a todos os ácidos?

Não. Em geral, os ácidos oxidantes são aceitáveis, enquanto os ácidos redutores e as soluções com fluoretos são condições de alerta. O ácido fluorídrico e o fluoreto livre atacam diretamente o filme de óxido. O ataque do ácido clorídrico e do ácido sulfúrico depende de fatores como concentração, temperatura, oxigênio dissolvido, inibidores e contaminantes. Os limites exatos dependem da fonte e da geometria; portanto, não aplique um valor-limite publicado a um processo diferente sem avaliação. Serviços com ácidos agressivos frequentemente exigem avaliações de corrosão.

Como o titânio grau 2 se compara ao grau 5?

O grau 5 oferece maior resistência mecânica; em geral, o grau 2 é mais conformável e mais fácil de soldar. Ambos exigem uma avaliação de corrosão específica para o ambiente. Escolha o grau 2 quando as condições de serviço e fabricação favorecerem o titânio comercialmente puro e a resistência adicional do grau 5 não for necessária. Escolha o grau 5 quando cargas, fadiga, espessura da seção ou redução de peso forem determinantes. Compare os graus considerando a mesma química, temperatura e forma do produto.

Quais documentos o comprador deve solicitar?

Informe a forma do produto e o requisito aplicável de ASTM, ASME ou EN. Em seguida, solicite um MTC/MTR com os resultados de composição química e propriedades mecânicas, rastreabilidade da corrida ou do lote, verificações dimensionais e superficiais e qualquer ensaio PMI ou ultrassônico acordado. Inclua um ensaio de corrosão específico do projeto quando o serviço for agressivo ou a química for incomum. O conjunto de documentos comprova o que foi entregue; não substitui a avaliação das condições operacionais e do projeto do componente.

Referências e fontes

Este artigo reúne as páginas públicas da empresa e dos produtos do cliente com referências técnicas públicas, incluindo a referência de resistência à corrosão do TIMET, a visão geral do grau 2 da Corrosion Materials e a discussão sobre corrosão da Total Materia. Ele inclui a referência sobre corrosão do TIMET, disponibilizada pela Comissão Reguladora Nuclear; um artigo da Corrosion Materials sobre o grau 2; e uma discussão sobre corrosão da Total Materia. As fontes públicas descrevem o comportamento geral; elas não representam um ensaio de corrosão específico de um lote da TiAlloy.