corrosão por descarga atmosférica – É possível? , daniel
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INTERCORR2008_260
Copyright 2008 ABRACO Trabalho apresentado durante o INTERCORR 2008 em RecifePE no mecircs de maio de 2008 As informaccedilotildees e opiniotildees contidas neste trabalho satildeo de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es)
____________________________________________________________________________________________________ 1 Engenheiro de Equipamentos- PETROBRAS TRANSPORTE S A 2 Teacutecnico de Inspeccedilatildeo ndash PETROBRAS TRANSPORTE S A 3 Engenheiro Quiacutemico ndash Instituto de Pesquisa Tecnoloacutegica - IPT
Corrosatildeo por Descarga Atmosfeacuterica ndash Eacute possiacutevel
Joatildeo Hipolito L Oliver1 Daniel Alves Filho 2 Seacutergio Eduardo Abud Filho 3
Abstract This paper presents an unusual case of corrosion on a buried pipeline where apparently the cathodic protection (cp) criteria are met The localized corrosion was indicated by a smart pig survey This unique corrosion point was in a pit format requiring an immediate pipe repair The cp potential measurements coating survey (DCVGACVG) REDOX potentials as well the recently AC measurement techniques do not identify any possibility for a corrosion process on that particular point Trying to identify the causes for that defect some hypothesis was discussed including the lightning (electric spark discharge) Local coating inspection showed several small pinpoint holidays (1 mm diameter) closed to the metal loss defect very typical of a material dielectric rupture suggesting that a difference of potential (voltage) in the metal-soil interface higher than the coating material capacity happen sometimes On the other hand some papers about cloud to soil lightning describe that spark discharge can be of both polarities negative and positive defining according to the effective charge transfer from the cloud to the ground The negative lightning around 90 of the total cloud-ground sparks transfer negative charges from the cloud to the ground The positive lightning about 10 of the sparks transfers positive charges from the cloud to the ground in other words electrons are transported from the pipe (as a grounding system) interacting with the soil and then to the cloud A lightning last in average a quarter of a second but eventually it can take more than one second The electric current on a spark varies from a few hundreds of amperes to hundreds of kilo amperes Besides that the metal corrosion rate established by Faraday law computation applied with the positive lightning theory shows to be possible a localized metal loss to happen in a buried pipeline when an electric current is imposed by a positive spark For this particular defect 097 gram of metal was consumed according to the Faraday law computation it corresponds an electric charge of 3350 Coulombs Is that phenomenon possible
Resumo O presente trabalho mostra um caso de corrosatildeo onde aparentemente os criteacuterios de proteccedilatildeo estatildeo presentes Um ponto de corrosatildeo pontual foi indicado pelo PIG de corrosatildeo Esse ponto apresentou uma corrosatildeo alveolar resultando em reparo imediato para garantir a integridade estrutural do tubo As mediccedilotildees da proteccedilatildeo catoacutedica os resultados de inspeccedilatildeo de falhas do revestimento (DCVGACVG) o potencial REDOX (BRS) e as recentes teacutecnicas de mediccedilatildeo
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de corrente alternada natildeo identificaram qualquer possibilidade de ocorrecircncia de um processo corrosivo no local Para esclarecer o defeito surgiram algumas hipoacuteteses entre elas a possibilidade de descarga atmosfeacuterica Nesse local o revestimento apresentou diversas perfuraccedilotildees com cerca de 10 mm de diacircmetro tiacutepicas de rompimento da rigidez dieleacutetrica do revestimento o que sugere a presenccedila de uma diferenccedila de potencial (ddp) entre o solo e o accedilo superior agraves caracteriacutesticas dieleacutetricas do material Por outro lado estudos sobre descargas atmosfeacutericas descrevem que as descargas nuvem-solo podem ser divididas em dois tipos ou polaridades definidas em funccedilatildeo do sinal da carga efetiva transferida da nuvem ao solo negativas e positivas Os raios negativos cerca de 90 dos raios transferem cargas negativas (eleacutetrons) de uma regiatildeo carregada negativamente dentro da nuvem para o solo Os raios positivos cerca de 10 transferem cargas positivas de uma regiatildeo carregada positivamente dentro da nuvem para o solo em outras palavras eleacutetrons satildeo transportados do duto (interagindo com o solo para a nuvem como um sistema de aterramento) Os raios duram em meacutedia um quarto de segundo mas eventualmente podem chegar a dois segundos A corrente eleacutetrica sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes Por sua vez o caacutelculo da taxa de corrosatildeo segundo a Lei de Faraday aplicado junto com a teoria dos raios de carga positiva mostra ser possiacutevel ocorrer um consumo pontual do accedilo em um duto enterrado sobre a incidecircncia de uma corrente eleacutetrica equivalente a descarga positiva via o solo Nesse defeito foi consumido 097 grama de metal segundo a lei Faraday seria necessaacuteria uma carga eleacutetrica de 3350 Coulombs Eacute possiacutevel haver esse fenocircmeno Palavras-chave corrosatildeo descarga atmosfeacuterica raios positivos
1 Introduccedilatildeo Casos de corrosatildeo externa em dutos enterrados satildeo conhecidos assim como a grande parte de seus processos corrosivos Entre os processos corrosivos pelo solo mais frequumlentes se destacam as corrosotildees eletroquiacutemica eletroliacutetica (corrente contiacutenua de interferecircncia) bacteacuterias redutoras de sulfato (BRS) e mais recentemente corrosatildeo por corrente alternada (CA) Os meios de controle dos diversos processos corrosivos podem variar mas basicamente a aplicaccedilatildeo de um revestimento anticorrosivo em conjunto com um sistema de proteccedilatildeo catoacutedica adequado resolve quase todos os processos de corrosatildeo externa de dutos Poreacutem alguns casos raros de corrosatildeo tecircm surgidos onde aparentemente os criteacuterios de proteccedilatildeo e controle da corrosatildeo estatildeo presentes Esses casos levam os especialistas em corrosatildeo a pesquisar novos processos corrosivos onde as mediccedilotildees tradicionais natildeo conseguem identificaacute-los O presente trabalho mostra um desses casos onde um ponto de corrosatildeo pontual foi indicado pelo PIG de corrosatildeo (ferramenta de mediccedilatildeo de perda de espessura da parede de dutos) Esse ponto de corrosatildeo alveolar possuiacutea diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm resultando em reparo imediato para garantir a integridade estrutural do tubo As mediccedilotildees da proteccedilatildeo catoacutedica os resultados de inspeccedilatildeo de falhas do revestimento (CISDCVGACVG) potencial REDOX (BRS) e as recentes teacutecnicas de mediccedilatildeo de corrente alternada natildeo identificaram qualquer possibilidade de ocorrer um processo corrosivo no local Para esclarecer o defeito surgiram algumas hipoacuteteses entre elas a possibilidade de descarga atmosfeacuterica pois essa regiatildeo possui um histoacuterico de incidecircncia de raios Fato confirmado pela inspeccedilatildeo visual do revestimento antigo ao redor do ponto do defeito Nesse local o revestimento apresentou diversas perfuraccedilotildees com cerca de 10 mm de diacircmetro tiacutepicas de rompimento da rigidez dieleacutetrica do revestimento o que sugere a presenccedila de uma diferenccedila de potencial (ddp) entre o solo e o accedilo superior agraves caracteriacutesticas dieleacutetricas do material Por outro lado estudos sobre descargas atmosfeacutericas descrevem que as descargas nuvem-solo podem ser divididas em dois
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tipos ou polaridades definidas em funccedilatildeo do sinal da carga efetiva transferida da nuvem ao solo negativas e positivas Os raios negativos transferem cargas negativas (eleacutetrons) de uma regiatildeo carregada negativamente dentro da nuvem para o solo Os raios positivos transferem cargas positivas de uma regiatildeo carregada positivamente dentro da nuvem para o solo (na realidade eleacutetrons satildeo transportados do solo para a nuvem) Por sua vez a aplicaccedilatildeo da Lei de Faraday junto com a teoria dos raios de carga positiva mostra ser possiacutevel ocorrer um consumo pontual do accedilo em um duto enterrado sobre a incidecircncia de um uacutenico raio positivo pelo solo 2 Descriccedilatildeo do defeito O defeito localizado na posiccedilatildeo 4 horas do duto apresentou caracteriacutesticas de corrosatildeo eletroliacutetica forma circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51mm A Figura 1 mostra o defeito na parede do duto na regiatildeo de Barbacena MG
Figura 1 ndash Detalhes do defeito de corrosatildeo apontado pelo pig
O revestimento anticorrosivo apresentou no ponto do defeito uma falha de diacircmetro semelhante e coincidente ao defeito conforme Figura 2
Figura 2 ndash Furo no revestimento no ponto do defeito
A Figura 3 mostra a faixa de dutos (com trecircs dutos enterrados) onde o duto com o defeito estaacute instalado
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Figura 3 ndash Vista da faixa de dutos no local de defeito
3 Avaliaccedilotildees das possiacuteveis causas 31 Geral Para tentar compreender as causas da perda localizada de espessura da parede do duto foram consideradas as possibilidades abaixo bull corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo bull corrosatildeo eletroliacutetica por corrente CC de interferecircncia (tipo trem eleacutetrico) bull corrosatildeo por corrente alternada bull corrosatildeo por bacteacuteria bull fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda bull corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Uma seacuterie de mediccedilotildees de campo foi realizada para se obter dados visando identificar qual das hipoacuteteses acima seria a mais provaacutevel As seguintes avaliaccedilotildees e mediccedilotildees de campo foram realizadas no local do defeito
bull mediccedilotildees da proteccedilatildeo catoacutedica bull inspeccedilatildeo de falhas do revestimento (CISDCVGACVG) bull mediccedilotildees de potencial REDOX (BRS) e bull mediccedilatildeo de corrente alternada
As medidas foram realizadas no proacuteprio local onde foi identificado o defeito em vala aberta e no ponto de teste mais proacuteximo do defeito localizado a 700 m do local onde tambeacutem foram realizadas medidas eleacutetricas nos outros dois dutos da faixa jaacute que estes dutos estavam interligados 32 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo No ponto de teste PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico Todas as medidas
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de potencial no campo foram realizadas com uma semi-ceacutelula de CobreSulfato de Cobre (CSC) A tabela 1 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE
Ponto de mediccedilatildeo
EDC (VECSC)
EAC (VECSC)
EAC+DC (VECSC)
Epico (VECSC)
PM 84 -1745 0604 1849 -056 Tabela 1 ndash Resultados das medidas de potencial tubosolo
Pelas medidas de potencial tubosolo realizadas o duto estava protegido catodicamente pois medidas de potencial tubosolo indicaram valores de potencial EDC mais negativos que ndash085 VECSC A inspeccedilatildeo do potencial Passo a Passo realizada mostra o potencial ldquooffrdquo de -085V no ponto do defeito (linha vermelha vertical) Figura 4 considerado dentro do criteacuterio de proteccedilatildeo
Figura 4 ndash Resultado do ldquoCISrdquo Passo a Passo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrosatildeo eletroquiacutemica
33 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo eletroliacutetica por corrente CC de interferecircncia (trem eleacutetrico) A regiatildeo do defeito apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica A figura 5 apresenta o registro do potencial tubosolo no local
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Figura 5 ndash Registro de potencial tubosolo CC realizado no PTE 84
Conclusatildeo Pelo graacutefico apresentado natildeo haacute possibilidade de corrosatildeo por corrente de interferecircncia de trens eleacutetrico 34 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por bacteacuteria O potencial redox eacute usado para avaliar a possibilidade de ocorrecircncia de corrosatildeo por bacteacuterias em solo O potencial redox (EH) eacute obtido a partir da mediccedilatildeo de campo (potencial e pH) e calculado seguinte forma
EH = Ep + Er + 60 (pH ndash7) Onde EH = potencial redox Ep = potencial medido experimentalmente em relaccedilatildeo a um eletrodo de referecircncia Er = potencial do eletrodo de referecircncia A medida de Ep foi de 226 mVECSC e o pH do solo natural encontrava-se em 62 A Tabela 2 apresenta a classificaccedilatildeo dos solos em funccedilatildeo do potencial redox
Tabela 2 ndash Possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica em funccedilatildeo do potencial Redox
Dessa forma EH = 226 + 300 + 60 (62 ndash 7) = 478 mV Conclusatildeo O valor do potencial redox encontrado foi de 478 mV indica a ausecircncia de possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica
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35 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por corrente alternada Para a avaliaccedilatildeo do niacutevel de interferecircncia por corrente alternada (CA) foi utilizada a metodologia desenvolvida pelo IPTUSP e PETROBRASTRANSPETRO no projeto PROTRAN(6) sobre corrosatildeo por corrente alternada No ponto PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para avaliaccedilatildeo dos niacuteveis de interferecircncia de corrente CA medidas de potencial tubosolo e verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico A tabela 3 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE 84 e o conteuacutedo harmocircnico das formas de onda de potencial instantacircneo tubosolo (porcentagens normalizadas em relaccedilatildeo agrave componente fundamental 60 Hz)
Ponto de mediccedilatildeo Conteuacutedo harmocircnico ()
60 Hz 120 Hz 180 Hz PT 84 100 4 60
Tabela 3 ndash Resultados da anaacutelise espectral de harmocircnicas das medidas das formas de onda do potencial tubosolo
A Figura 7 mostra a medida de potencial tubosolo realizada no local do defeito em vala aberta (inexistecircncia de ponto de teste)
Figura 5 ndash Medida de potencial tubosolo realizada no duto em vala aberta
A medida de potencial tubosolo mostrada na Figura 5 indicou um potencial DC (EDC) de ndash1323 VECSC potencial eficaz CA (EAC) de 0368 VECSC e potencial eficaz CA+CC (EAC+DC) de 1377 VECSC A forma de onda do potencial indicou um potencial de pico (Epico) de ndash 068 VECSC A Figura 6 abaixo mostra a medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente
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Figura 6 ndash Medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise espectral de harmocircnicas A medida de corrente CA no duto indicou 13 mV (026 A) e densidade de corrente CA calculada de 17610-5 Acm2 O conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente CA foi normalizado em relaccedilatildeo a componente fundamental 60 Hz e apresentou 5 da componente 120 Hz (segunda harmocircnica) provavelmente oriunda do proacuteprio sistema de proteccedilatildeo catoacutedica e 35 da componente 180 Hz (terceira harmocircnica) provavelmente oriunda do sistema de distribuiccedilatildeo de energia eleacutetrica Com isso a regiatildeo apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica Os resultados das medidas de resistividade do solo encontram-se na tabela 4 abaixo
Tabela 4 ndash Resultados das medidas de resistividade do solo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrente alternada 36 Avaliaccedilatildeo de fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda Para ocorrer uma fusatildeo por eletrodo de corte as seguintes evidecircncias devem existir
bull Duto exposto para serviccedilos de montagem ou manutenccedilatildeo bull Abertura de arco eleacutetrico por maacutequina de solda com eletrodo de corte bull Resiacuteduo de material fundido e forma irregular do substrato
Como as inspeccedilotildees anteriores com pig instrumentado de perda de espessura natildeo indicaram existecircncia desse defeito e nem houve obra posterior assume-se que o defeito surgiu apoacutes a realizaccedilatildeo de qualquer obra no local Como tambeacutem a forma regular (esfeacuterica) do defeito natildeo caracteriza uma eventual fusatildeo causada por um eletrodo de corte aplicado localmente pois esse teria uma forma irregular com resiacuteduo de accedilo fundido concluiacute-se que Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por eletrodo de solda
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37 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Na inspeccedilatildeo do revestimento realizada com Holiday Detector foi verificado nas proximidades do defeito (um metro para cada lado) cerca de 30 pequenas perfuraccedilotildees no revestimento com diacircmetro meacutedio variando de 1 mm a 2 mm Cerca de 90 dos defeitos estavam localizados na geratriz inferior do duto A Figura 7 mostra a inspeccedilatildeo realizada com Holiday Detector
Figura 7 ndash Inspeccedilatildeo com Holiday
Detector
Figura 8 ndash Precipitaccedilatildeo de produto branco ao
redor da falha do revestimento
Ao redor de algumas falhas do revestimento foram verificados produtos brancos na forma de poacute Figura 8 que podem ser originaacuterios de reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo de carbonatos que ocorrem na vizinhanccedila da falha Estas reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo satildeo decorrentes da eficiecircncia do sistema de proteccedilatildeo catoacutedica naquela falha A Figura 9 mostra uma das falhas de revestimento (lados externo e interno) em que foi verificada precipitaccedilatildeo deste produto branco
Figura 9 ndash Revestimento Coal-tar retirado proacuteximo ao defeito (posiccedilatildeo 3 horas)
Portanto considerando as seguintes evidecircncias
bull Pequenas perfuraccedilotildees no revestimento bull Quanto maior a densidade de corrente i (ampegravere por metro quadrado) rarr maior a perda
localizada de material (Lei de Faraday) bull Perda de massa em tempo curto bull Histoacuterico de incidecircncia de raios na regiatildeo
Como tambeacutem a hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo com dezenas (ou centenas) de quilocircmetros de extensatildeo interligando regiotildees na terra com
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
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A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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de corrente alternada natildeo identificaram qualquer possibilidade de ocorrecircncia de um processo corrosivo no local Para esclarecer o defeito surgiram algumas hipoacuteteses entre elas a possibilidade de descarga atmosfeacuterica Nesse local o revestimento apresentou diversas perfuraccedilotildees com cerca de 10 mm de diacircmetro tiacutepicas de rompimento da rigidez dieleacutetrica do revestimento o que sugere a presenccedila de uma diferenccedila de potencial (ddp) entre o solo e o accedilo superior agraves caracteriacutesticas dieleacutetricas do material Por outro lado estudos sobre descargas atmosfeacutericas descrevem que as descargas nuvem-solo podem ser divididas em dois tipos ou polaridades definidas em funccedilatildeo do sinal da carga efetiva transferida da nuvem ao solo negativas e positivas Os raios negativos cerca de 90 dos raios transferem cargas negativas (eleacutetrons) de uma regiatildeo carregada negativamente dentro da nuvem para o solo Os raios positivos cerca de 10 transferem cargas positivas de uma regiatildeo carregada positivamente dentro da nuvem para o solo em outras palavras eleacutetrons satildeo transportados do duto (interagindo com o solo para a nuvem como um sistema de aterramento) Os raios duram em meacutedia um quarto de segundo mas eventualmente podem chegar a dois segundos A corrente eleacutetrica sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes Por sua vez o caacutelculo da taxa de corrosatildeo segundo a Lei de Faraday aplicado junto com a teoria dos raios de carga positiva mostra ser possiacutevel ocorrer um consumo pontual do accedilo em um duto enterrado sobre a incidecircncia de uma corrente eleacutetrica equivalente a descarga positiva via o solo Nesse defeito foi consumido 097 grama de metal segundo a lei Faraday seria necessaacuteria uma carga eleacutetrica de 3350 Coulombs Eacute possiacutevel haver esse fenocircmeno Palavras-chave corrosatildeo descarga atmosfeacuterica raios positivos
1 Introduccedilatildeo Casos de corrosatildeo externa em dutos enterrados satildeo conhecidos assim como a grande parte de seus processos corrosivos Entre os processos corrosivos pelo solo mais frequumlentes se destacam as corrosotildees eletroquiacutemica eletroliacutetica (corrente contiacutenua de interferecircncia) bacteacuterias redutoras de sulfato (BRS) e mais recentemente corrosatildeo por corrente alternada (CA) Os meios de controle dos diversos processos corrosivos podem variar mas basicamente a aplicaccedilatildeo de um revestimento anticorrosivo em conjunto com um sistema de proteccedilatildeo catoacutedica adequado resolve quase todos os processos de corrosatildeo externa de dutos Poreacutem alguns casos raros de corrosatildeo tecircm surgidos onde aparentemente os criteacuterios de proteccedilatildeo e controle da corrosatildeo estatildeo presentes Esses casos levam os especialistas em corrosatildeo a pesquisar novos processos corrosivos onde as mediccedilotildees tradicionais natildeo conseguem identificaacute-los O presente trabalho mostra um desses casos onde um ponto de corrosatildeo pontual foi indicado pelo PIG de corrosatildeo (ferramenta de mediccedilatildeo de perda de espessura da parede de dutos) Esse ponto de corrosatildeo alveolar possuiacutea diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm resultando em reparo imediato para garantir a integridade estrutural do tubo As mediccedilotildees da proteccedilatildeo catoacutedica os resultados de inspeccedilatildeo de falhas do revestimento (CISDCVGACVG) potencial REDOX (BRS) e as recentes teacutecnicas de mediccedilatildeo de corrente alternada natildeo identificaram qualquer possibilidade de ocorrer um processo corrosivo no local Para esclarecer o defeito surgiram algumas hipoacuteteses entre elas a possibilidade de descarga atmosfeacuterica pois essa regiatildeo possui um histoacuterico de incidecircncia de raios Fato confirmado pela inspeccedilatildeo visual do revestimento antigo ao redor do ponto do defeito Nesse local o revestimento apresentou diversas perfuraccedilotildees com cerca de 10 mm de diacircmetro tiacutepicas de rompimento da rigidez dieleacutetrica do revestimento o que sugere a presenccedila de uma diferenccedila de potencial (ddp) entre o solo e o accedilo superior agraves caracteriacutesticas dieleacutetricas do material Por outro lado estudos sobre descargas atmosfeacutericas descrevem que as descargas nuvem-solo podem ser divididas em dois
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tipos ou polaridades definidas em funccedilatildeo do sinal da carga efetiva transferida da nuvem ao solo negativas e positivas Os raios negativos transferem cargas negativas (eleacutetrons) de uma regiatildeo carregada negativamente dentro da nuvem para o solo Os raios positivos transferem cargas positivas de uma regiatildeo carregada positivamente dentro da nuvem para o solo (na realidade eleacutetrons satildeo transportados do solo para a nuvem) Por sua vez a aplicaccedilatildeo da Lei de Faraday junto com a teoria dos raios de carga positiva mostra ser possiacutevel ocorrer um consumo pontual do accedilo em um duto enterrado sobre a incidecircncia de um uacutenico raio positivo pelo solo 2 Descriccedilatildeo do defeito O defeito localizado na posiccedilatildeo 4 horas do duto apresentou caracteriacutesticas de corrosatildeo eletroliacutetica forma circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51mm A Figura 1 mostra o defeito na parede do duto na regiatildeo de Barbacena MG
Figura 1 ndash Detalhes do defeito de corrosatildeo apontado pelo pig
O revestimento anticorrosivo apresentou no ponto do defeito uma falha de diacircmetro semelhante e coincidente ao defeito conforme Figura 2
Figura 2 ndash Furo no revestimento no ponto do defeito
A Figura 3 mostra a faixa de dutos (com trecircs dutos enterrados) onde o duto com o defeito estaacute instalado
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Figura 3 ndash Vista da faixa de dutos no local de defeito
3 Avaliaccedilotildees das possiacuteveis causas 31 Geral Para tentar compreender as causas da perda localizada de espessura da parede do duto foram consideradas as possibilidades abaixo bull corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo bull corrosatildeo eletroliacutetica por corrente CC de interferecircncia (tipo trem eleacutetrico) bull corrosatildeo por corrente alternada bull corrosatildeo por bacteacuteria bull fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda bull corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Uma seacuterie de mediccedilotildees de campo foi realizada para se obter dados visando identificar qual das hipoacuteteses acima seria a mais provaacutevel As seguintes avaliaccedilotildees e mediccedilotildees de campo foram realizadas no local do defeito
bull mediccedilotildees da proteccedilatildeo catoacutedica bull inspeccedilatildeo de falhas do revestimento (CISDCVGACVG) bull mediccedilotildees de potencial REDOX (BRS) e bull mediccedilatildeo de corrente alternada
As medidas foram realizadas no proacuteprio local onde foi identificado o defeito em vala aberta e no ponto de teste mais proacuteximo do defeito localizado a 700 m do local onde tambeacutem foram realizadas medidas eleacutetricas nos outros dois dutos da faixa jaacute que estes dutos estavam interligados 32 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo No ponto de teste PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico Todas as medidas
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de potencial no campo foram realizadas com uma semi-ceacutelula de CobreSulfato de Cobre (CSC) A tabela 1 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE
Ponto de mediccedilatildeo
EDC (VECSC)
EAC (VECSC)
EAC+DC (VECSC)
Epico (VECSC)
PM 84 -1745 0604 1849 -056 Tabela 1 ndash Resultados das medidas de potencial tubosolo
Pelas medidas de potencial tubosolo realizadas o duto estava protegido catodicamente pois medidas de potencial tubosolo indicaram valores de potencial EDC mais negativos que ndash085 VECSC A inspeccedilatildeo do potencial Passo a Passo realizada mostra o potencial ldquooffrdquo de -085V no ponto do defeito (linha vermelha vertical) Figura 4 considerado dentro do criteacuterio de proteccedilatildeo
Figura 4 ndash Resultado do ldquoCISrdquo Passo a Passo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrosatildeo eletroquiacutemica
33 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo eletroliacutetica por corrente CC de interferecircncia (trem eleacutetrico) A regiatildeo do defeito apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica A figura 5 apresenta o registro do potencial tubosolo no local
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Figura 5 ndash Registro de potencial tubosolo CC realizado no PTE 84
Conclusatildeo Pelo graacutefico apresentado natildeo haacute possibilidade de corrosatildeo por corrente de interferecircncia de trens eleacutetrico 34 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por bacteacuteria O potencial redox eacute usado para avaliar a possibilidade de ocorrecircncia de corrosatildeo por bacteacuterias em solo O potencial redox (EH) eacute obtido a partir da mediccedilatildeo de campo (potencial e pH) e calculado seguinte forma
EH = Ep + Er + 60 (pH ndash7) Onde EH = potencial redox Ep = potencial medido experimentalmente em relaccedilatildeo a um eletrodo de referecircncia Er = potencial do eletrodo de referecircncia A medida de Ep foi de 226 mVECSC e o pH do solo natural encontrava-se em 62 A Tabela 2 apresenta a classificaccedilatildeo dos solos em funccedilatildeo do potencial redox
Tabela 2 ndash Possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica em funccedilatildeo do potencial Redox
Dessa forma EH = 226 + 300 + 60 (62 ndash 7) = 478 mV Conclusatildeo O valor do potencial redox encontrado foi de 478 mV indica a ausecircncia de possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica
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35 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por corrente alternada Para a avaliaccedilatildeo do niacutevel de interferecircncia por corrente alternada (CA) foi utilizada a metodologia desenvolvida pelo IPTUSP e PETROBRASTRANSPETRO no projeto PROTRAN(6) sobre corrosatildeo por corrente alternada No ponto PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para avaliaccedilatildeo dos niacuteveis de interferecircncia de corrente CA medidas de potencial tubosolo e verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico A tabela 3 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE 84 e o conteuacutedo harmocircnico das formas de onda de potencial instantacircneo tubosolo (porcentagens normalizadas em relaccedilatildeo agrave componente fundamental 60 Hz)
Ponto de mediccedilatildeo Conteuacutedo harmocircnico ()
60 Hz 120 Hz 180 Hz PT 84 100 4 60
Tabela 3 ndash Resultados da anaacutelise espectral de harmocircnicas das medidas das formas de onda do potencial tubosolo
A Figura 7 mostra a medida de potencial tubosolo realizada no local do defeito em vala aberta (inexistecircncia de ponto de teste)
Figura 5 ndash Medida de potencial tubosolo realizada no duto em vala aberta
A medida de potencial tubosolo mostrada na Figura 5 indicou um potencial DC (EDC) de ndash1323 VECSC potencial eficaz CA (EAC) de 0368 VECSC e potencial eficaz CA+CC (EAC+DC) de 1377 VECSC A forma de onda do potencial indicou um potencial de pico (Epico) de ndash 068 VECSC A Figura 6 abaixo mostra a medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente
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Figura 6 ndash Medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise espectral de harmocircnicas A medida de corrente CA no duto indicou 13 mV (026 A) e densidade de corrente CA calculada de 17610-5 Acm2 O conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente CA foi normalizado em relaccedilatildeo a componente fundamental 60 Hz e apresentou 5 da componente 120 Hz (segunda harmocircnica) provavelmente oriunda do proacuteprio sistema de proteccedilatildeo catoacutedica e 35 da componente 180 Hz (terceira harmocircnica) provavelmente oriunda do sistema de distribuiccedilatildeo de energia eleacutetrica Com isso a regiatildeo apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica Os resultados das medidas de resistividade do solo encontram-se na tabela 4 abaixo
Tabela 4 ndash Resultados das medidas de resistividade do solo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrente alternada 36 Avaliaccedilatildeo de fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda Para ocorrer uma fusatildeo por eletrodo de corte as seguintes evidecircncias devem existir
bull Duto exposto para serviccedilos de montagem ou manutenccedilatildeo bull Abertura de arco eleacutetrico por maacutequina de solda com eletrodo de corte bull Resiacuteduo de material fundido e forma irregular do substrato
Como as inspeccedilotildees anteriores com pig instrumentado de perda de espessura natildeo indicaram existecircncia desse defeito e nem houve obra posterior assume-se que o defeito surgiu apoacutes a realizaccedilatildeo de qualquer obra no local Como tambeacutem a forma regular (esfeacuterica) do defeito natildeo caracteriza uma eventual fusatildeo causada por um eletrodo de corte aplicado localmente pois esse teria uma forma irregular com resiacuteduo de accedilo fundido concluiacute-se que Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por eletrodo de solda
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37 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Na inspeccedilatildeo do revestimento realizada com Holiday Detector foi verificado nas proximidades do defeito (um metro para cada lado) cerca de 30 pequenas perfuraccedilotildees no revestimento com diacircmetro meacutedio variando de 1 mm a 2 mm Cerca de 90 dos defeitos estavam localizados na geratriz inferior do duto A Figura 7 mostra a inspeccedilatildeo realizada com Holiday Detector
Figura 7 ndash Inspeccedilatildeo com Holiday
Detector
Figura 8 ndash Precipitaccedilatildeo de produto branco ao
redor da falha do revestimento
Ao redor de algumas falhas do revestimento foram verificados produtos brancos na forma de poacute Figura 8 que podem ser originaacuterios de reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo de carbonatos que ocorrem na vizinhanccedila da falha Estas reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo satildeo decorrentes da eficiecircncia do sistema de proteccedilatildeo catoacutedica naquela falha A Figura 9 mostra uma das falhas de revestimento (lados externo e interno) em que foi verificada precipitaccedilatildeo deste produto branco
Figura 9 ndash Revestimento Coal-tar retirado proacuteximo ao defeito (posiccedilatildeo 3 horas)
Portanto considerando as seguintes evidecircncias
bull Pequenas perfuraccedilotildees no revestimento bull Quanto maior a densidade de corrente i (ampegravere por metro quadrado) rarr maior a perda
localizada de material (Lei de Faraday) bull Perda de massa em tempo curto bull Histoacuterico de incidecircncia de raios na regiatildeo
Como tambeacutem a hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo com dezenas (ou centenas) de quilocircmetros de extensatildeo interligando regiotildees na terra com
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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tipos ou polaridades definidas em funccedilatildeo do sinal da carga efetiva transferida da nuvem ao solo negativas e positivas Os raios negativos transferem cargas negativas (eleacutetrons) de uma regiatildeo carregada negativamente dentro da nuvem para o solo Os raios positivos transferem cargas positivas de uma regiatildeo carregada positivamente dentro da nuvem para o solo (na realidade eleacutetrons satildeo transportados do solo para a nuvem) Por sua vez a aplicaccedilatildeo da Lei de Faraday junto com a teoria dos raios de carga positiva mostra ser possiacutevel ocorrer um consumo pontual do accedilo em um duto enterrado sobre a incidecircncia de um uacutenico raio positivo pelo solo 2 Descriccedilatildeo do defeito O defeito localizado na posiccedilatildeo 4 horas do duto apresentou caracteriacutesticas de corrosatildeo eletroliacutetica forma circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51mm A Figura 1 mostra o defeito na parede do duto na regiatildeo de Barbacena MG
Figura 1 ndash Detalhes do defeito de corrosatildeo apontado pelo pig
O revestimento anticorrosivo apresentou no ponto do defeito uma falha de diacircmetro semelhante e coincidente ao defeito conforme Figura 2
Figura 2 ndash Furo no revestimento no ponto do defeito
A Figura 3 mostra a faixa de dutos (com trecircs dutos enterrados) onde o duto com o defeito estaacute instalado
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Figura 3 ndash Vista da faixa de dutos no local de defeito
3 Avaliaccedilotildees das possiacuteveis causas 31 Geral Para tentar compreender as causas da perda localizada de espessura da parede do duto foram consideradas as possibilidades abaixo bull corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo bull corrosatildeo eletroliacutetica por corrente CC de interferecircncia (tipo trem eleacutetrico) bull corrosatildeo por corrente alternada bull corrosatildeo por bacteacuteria bull fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda bull corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Uma seacuterie de mediccedilotildees de campo foi realizada para se obter dados visando identificar qual das hipoacuteteses acima seria a mais provaacutevel As seguintes avaliaccedilotildees e mediccedilotildees de campo foram realizadas no local do defeito
bull mediccedilotildees da proteccedilatildeo catoacutedica bull inspeccedilatildeo de falhas do revestimento (CISDCVGACVG) bull mediccedilotildees de potencial REDOX (BRS) e bull mediccedilatildeo de corrente alternada
As medidas foram realizadas no proacuteprio local onde foi identificado o defeito em vala aberta e no ponto de teste mais proacuteximo do defeito localizado a 700 m do local onde tambeacutem foram realizadas medidas eleacutetricas nos outros dois dutos da faixa jaacute que estes dutos estavam interligados 32 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo No ponto de teste PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico Todas as medidas
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de potencial no campo foram realizadas com uma semi-ceacutelula de CobreSulfato de Cobre (CSC) A tabela 1 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE
Ponto de mediccedilatildeo
EDC (VECSC)
EAC (VECSC)
EAC+DC (VECSC)
Epico (VECSC)
PM 84 -1745 0604 1849 -056 Tabela 1 ndash Resultados das medidas de potencial tubosolo
Pelas medidas de potencial tubosolo realizadas o duto estava protegido catodicamente pois medidas de potencial tubosolo indicaram valores de potencial EDC mais negativos que ndash085 VECSC A inspeccedilatildeo do potencial Passo a Passo realizada mostra o potencial ldquooffrdquo de -085V no ponto do defeito (linha vermelha vertical) Figura 4 considerado dentro do criteacuterio de proteccedilatildeo
Figura 4 ndash Resultado do ldquoCISrdquo Passo a Passo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrosatildeo eletroquiacutemica
33 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo eletroliacutetica por corrente CC de interferecircncia (trem eleacutetrico) A regiatildeo do defeito apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica A figura 5 apresenta o registro do potencial tubosolo no local
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Figura 5 ndash Registro de potencial tubosolo CC realizado no PTE 84
Conclusatildeo Pelo graacutefico apresentado natildeo haacute possibilidade de corrosatildeo por corrente de interferecircncia de trens eleacutetrico 34 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por bacteacuteria O potencial redox eacute usado para avaliar a possibilidade de ocorrecircncia de corrosatildeo por bacteacuterias em solo O potencial redox (EH) eacute obtido a partir da mediccedilatildeo de campo (potencial e pH) e calculado seguinte forma
EH = Ep + Er + 60 (pH ndash7) Onde EH = potencial redox Ep = potencial medido experimentalmente em relaccedilatildeo a um eletrodo de referecircncia Er = potencial do eletrodo de referecircncia A medida de Ep foi de 226 mVECSC e o pH do solo natural encontrava-se em 62 A Tabela 2 apresenta a classificaccedilatildeo dos solos em funccedilatildeo do potencial redox
Tabela 2 ndash Possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica em funccedilatildeo do potencial Redox
Dessa forma EH = 226 + 300 + 60 (62 ndash 7) = 478 mV Conclusatildeo O valor do potencial redox encontrado foi de 478 mV indica a ausecircncia de possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica
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35 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por corrente alternada Para a avaliaccedilatildeo do niacutevel de interferecircncia por corrente alternada (CA) foi utilizada a metodologia desenvolvida pelo IPTUSP e PETROBRASTRANSPETRO no projeto PROTRAN(6) sobre corrosatildeo por corrente alternada No ponto PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para avaliaccedilatildeo dos niacuteveis de interferecircncia de corrente CA medidas de potencial tubosolo e verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico A tabela 3 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE 84 e o conteuacutedo harmocircnico das formas de onda de potencial instantacircneo tubosolo (porcentagens normalizadas em relaccedilatildeo agrave componente fundamental 60 Hz)
Ponto de mediccedilatildeo Conteuacutedo harmocircnico ()
60 Hz 120 Hz 180 Hz PT 84 100 4 60
Tabela 3 ndash Resultados da anaacutelise espectral de harmocircnicas das medidas das formas de onda do potencial tubosolo
A Figura 7 mostra a medida de potencial tubosolo realizada no local do defeito em vala aberta (inexistecircncia de ponto de teste)
Figura 5 ndash Medida de potencial tubosolo realizada no duto em vala aberta
A medida de potencial tubosolo mostrada na Figura 5 indicou um potencial DC (EDC) de ndash1323 VECSC potencial eficaz CA (EAC) de 0368 VECSC e potencial eficaz CA+CC (EAC+DC) de 1377 VECSC A forma de onda do potencial indicou um potencial de pico (Epico) de ndash 068 VECSC A Figura 6 abaixo mostra a medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente
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Figura 6 ndash Medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise espectral de harmocircnicas A medida de corrente CA no duto indicou 13 mV (026 A) e densidade de corrente CA calculada de 17610-5 Acm2 O conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente CA foi normalizado em relaccedilatildeo a componente fundamental 60 Hz e apresentou 5 da componente 120 Hz (segunda harmocircnica) provavelmente oriunda do proacuteprio sistema de proteccedilatildeo catoacutedica e 35 da componente 180 Hz (terceira harmocircnica) provavelmente oriunda do sistema de distribuiccedilatildeo de energia eleacutetrica Com isso a regiatildeo apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica Os resultados das medidas de resistividade do solo encontram-se na tabela 4 abaixo
Tabela 4 ndash Resultados das medidas de resistividade do solo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrente alternada 36 Avaliaccedilatildeo de fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda Para ocorrer uma fusatildeo por eletrodo de corte as seguintes evidecircncias devem existir
bull Duto exposto para serviccedilos de montagem ou manutenccedilatildeo bull Abertura de arco eleacutetrico por maacutequina de solda com eletrodo de corte bull Resiacuteduo de material fundido e forma irregular do substrato
Como as inspeccedilotildees anteriores com pig instrumentado de perda de espessura natildeo indicaram existecircncia desse defeito e nem houve obra posterior assume-se que o defeito surgiu apoacutes a realizaccedilatildeo de qualquer obra no local Como tambeacutem a forma regular (esfeacuterica) do defeito natildeo caracteriza uma eventual fusatildeo causada por um eletrodo de corte aplicado localmente pois esse teria uma forma irregular com resiacuteduo de accedilo fundido concluiacute-se que Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por eletrodo de solda
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37 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Na inspeccedilatildeo do revestimento realizada com Holiday Detector foi verificado nas proximidades do defeito (um metro para cada lado) cerca de 30 pequenas perfuraccedilotildees no revestimento com diacircmetro meacutedio variando de 1 mm a 2 mm Cerca de 90 dos defeitos estavam localizados na geratriz inferior do duto A Figura 7 mostra a inspeccedilatildeo realizada com Holiday Detector
Figura 7 ndash Inspeccedilatildeo com Holiday
Detector
Figura 8 ndash Precipitaccedilatildeo de produto branco ao
redor da falha do revestimento
Ao redor de algumas falhas do revestimento foram verificados produtos brancos na forma de poacute Figura 8 que podem ser originaacuterios de reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo de carbonatos que ocorrem na vizinhanccedila da falha Estas reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo satildeo decorrentes da eficiecircncia do sistema de proteccedilatildeo catoacutedica naquela falha A Figura 9 mostra uma das falhas de revestimento (lados externo e interno) em que foi verificada precipitaccedilatildeo deste produto branco
Figura 9 ndash Revestimento Coal-tar retirado proacuteximo ao defeito (posiccedilatildeo 3 horas)
Portanto considerando as seguintes evidecircncias
bull Pequenas perfuraccedilotildees no revestimento bull Quanto maior a densidade de corrente i (ampegravere por metro quadrado) rarr maior a perda
localizada de material (Lei de Faraday) bull Perda de massa em tempo curto bull Histoacuterico de incidecircncia de raios na regiatildeo
Como tambeacutem a hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo com dezenas (ou centenas) de quilocircmetros de extensatildeo interligando regiotildees na terra com
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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Figura 3 ndash Vista da faixa de dutos no local de defeito
3 Avaliaccedilotildees das possiacuteveis causas 31 Geral Para tentar compreender as causas da perda localizada de espessura da parede do duto foram consideradas as possibilidades abaixo bull corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo bull corrosatildeo eletroliacutetica por corrente CC de interferecircncia (tipo trem eleacutetrico) bull corrosatildeo por corrente alternada bull corrosatildeo por bacteacuteria bull fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda bull corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Uma seacuterie de mediccedilotildees de campo foi realizada para se obter dados visando identificar qual das hipoacuteteses acima seria a mais provaacutevel As seguintes avaliaccedilotildees e mediccedilotildees de campo foram realizadas no local do defeito
bull mediccedilotildees da proteccedilatildeo catoacutedica bull inspeccedilatildeo de falhas do revestimento (CISDCVGACVG) bull mediccedilotildees de potencial REDOX (BRS) e bull mediccedilatildeo de corrente alternada
As medidas foram realizadas no proacuteprio local onde foi identificado o defeito em vala aberta e no ponto de teste mais proacuteximo do defeito localizado a 700 m do local onde tambeacutem foram realizadas medidas eleacutetricas nos outros dois dutos da faixa jaacute que estes dutos estavam interligados 32 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo No ponto de teste PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico Todas as medidas
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de potencial no campo foram realizadas com uma semi-ceacutelula de CobreSulfato de Cobre (CSC) A tabela 1 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE
Ponto de mediccedilatildeo
EDC (VECSC)
EAC (VECSC)
EAC+DC (VECSC)
Epico (VECSC)
PM 84 -1745 0604 1849 -056 Tabela 1 ndash Resultados das medidas de potencial tubosolo
Pelas medidas de potencial tubosolo realizadas o duto estava protegido catodicamente pois medidas de potencial tubosolo indicaram valores de potencial EDC mais negativos que ndash085 VECSC A inspeccedilatildeo do potencial Passo a Passo realizada mostra o potencial ldquooffrdquo de -085V no ponto do defeito (linha vermelha vertical) Figura 4 considerado dentro do criteacuterio de proteccedilatildeo
Figura 4 ndash Resultado do ldquoCISrdquo Passo a Passo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrosatildeo eletroquiacutemica
33 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo eletroliacutetica por corrente CC de interferecircncia (trem eleacutetrico) A regiatildeo do defeito apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica A figura 5 apresenta o registro do potencial tubosolo no local
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Figura 5 ndash Registro de potencial tubosolo CC realizado no PTE 84
Conclusatildeo Pelo graacutefico apresentado natildeo haacute possibilidade de corrosatildeo por corrente de interferecircncia de trens eleacutetrico 34 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por bacteacuteria O potencial redox eacute usado para avaliar a possibilidade de ocorrecircncia de corrosatildeo por bacteacuterias em solo O potencial redox (EH) eacute obtido a partir da mediccedilatildeo de campo (potencial e pH) e calculado seguinte forma
EH = Ep + Er + 60 (pH ndash7) Onde EH = potencial redox Ep = potencial medido experimentalmente em relaccedilatildeo a um eletrodo de referecircncia Er = potencial do eletrodo de referecircncia A medida de Ep foi de 226 mVECSC e o pH do solo natural encontrava-se em 62 A Tabela 2 apresenta a classificaccedilatildeo dos solos em funccedilatildeo do potencial redox
Tabela 2 ndash Possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica em funccedilatildeo do potencial Redox
Dessa forma EH = 226 + 300 + 60 (62 ndash 7) = 478 mV Conclusatildeo O valor do potencial redox encontrado foi de 478 mV indica a ausecircncia de possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica
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35 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por corrente alternada Para a avaliaccedilatildeo do niacutevel de interferecircncia por corrente alternada (CA) foi utilizada a metodologia desenvolvida pelo IPTUSP e PETROBRASTRANSPETRO no projeto PROTRAN(6) sobre corrosatildeo por corrente alternada No ponto PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para avaliaccedilatildeo dos niacuteveis de interferecircncia de corrente CA medidas de potencial tubosolo e verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico A tabela 3 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE 84 e o conteuacutedo harmocircnico das formas de onda de potencial instantacircneo tubosolo (porcentagens normalizadas em relaccedilatildeo agrave componente fundamental 60 Hz)
Ponto de mediccedilatildeo Conteuacutedo harmocircnico ()
60 Hz 120 Hz 180 Hz PT 84 100 4 60
Tabela 3 ndash Resultados da anaacutelise espectral de harmocircnicas das medidas das formas de onda do potencial tubosolo
A Figura 7 mostra a medida de potencial tubosolo realizada no local do defeito em vala aberta (inexistecircncia de ponto de teste)
Figura 5 ndash Medida de potencial tubosolo realizada no duto em vala aberta
A medida de potencial tubosolo mostrada na Figura 5 indicou um potencial DC (EDC) de ndash1323 VECSC potencial eficaz CA (EAC) de 0368 VECSC e potencial eficaz CA+CC (EAC+DC) de 1377 VECSC A forma de onda do potencial indicou um potencial de pico (Epico) de ndash 068 VECSC A Figura 6 abaixo mostra a medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente
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Figura 6 ndash Medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise espectral de harmocircnicas A medida de corrente CA no duto indicou 13 mV (026 A) e densidade de corrente CA calculada de 17610-5 Acm2 O conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente CA foi normalizado em relaccedilatildeo a componente fundamental 60 Hz e apresentou 5 da componente 120 Hz (segunda harmocircnica) provavelmente oriunda do proacuteprio sistema de proteccedilatildeo catoacutedica e 35 da componente 180 Hz (terceira harmocircnica) provavelmente oriunda do sistema de distribuiccedilatildeo de energia eleacutetrica Com isso a regiatildeo apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica Os resultados das medidas de resistividade do solo encontram-se na tabela 4 abaixo
Tabela 4 ndash Resultados das medidas de resistividade do solo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrente alternada 36 Avaliaccedilatildeo de fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda Para ocorrer uma fusatildeo por eletrodo de corte as seguintes evidecircncias devem existir
bull Duto exposto para serviccedilos de montagem ou manutenccedilatildeo bull Abertura de arco eleacutetrico por maacutequina de solda com eletrodo de corte bull Resiacuteduo de material fundido e forma irregular do substrato
Como as inspeccedilotildees anteriores com pig instrumentado de perda de espessura natildeo indicaram existecircncia desse defeito e nem houve obra posterior assume-se que o defeito surgiu apoacutes a realizaccedilatildeo de qualquer obra no local Como tambeacutem a forma regular (esfeacuterica) do defeito natildeo caracteriza uma eventual fusatildeo causada por um eletrodo de corte aplicado localmente pois esse teria uma forma irregular com resiacuteduo de accedilo fundido concluiacute-se que Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por eletrodo de solda
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37 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Na inspeccedilatildeo do revestimento realizada com Holiday Detector foi verificado nas proximidades do defeito (um metro para cada lado) cerca de 30 pequenas perfuraccedilotildees no revestimento com diacircmetro meacutedio variando de 1 mm a 2 mm Cerca de 90 dos defeitos estavam localizados na geratriz inferior do duto A Figura 7 mostra a inspeccedilatildeo realizada com Holiday Detector
Figura 7 ndash Inspeccedilatildeo com Holiday
Detector
Figura 8 ndash Precipitaccedilatildeo de produto branco ao
redor da falha do revestimento
Ao redor de algumas falhas do revestimento foram verificados produtos brancos na forma de poacute Figura 8 que podem ser originaacuterios de reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo de carbonatos que ocorrem na vizinhanccedila da falha Estas reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo satildeo decorrentes da eficiecircncia do sistema de proteccedilatildeo catoacutedica naquela falha A Figura 9 mostra uma das falhas de revestimento (lados externo e interno) em que foi verificada precipitaccedilatildeo deste produto branco
Figura 9 ndash Revestimento Coal-tar retirado proacuteximo ao defeito (posiccedilatildeo 3 horas)
Portanto considerando as seguintes evidecircncias
bull Pequenas perfuraccedilotildees no revestimento bull Quanto maior a densidade de corrente i (ampegravere por metro quadrado) rarr maior a perda
localizada de material (Lei de Faraday) bull Perda de massa em tempo curto bull Histoacuterico de incidecircncia de raios na regiatildeo
Como tambeacutem a hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo com dezenas (ou centenas) de quilocircmetros de extensatildeo interligando regiotildees na terra com
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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de potencial no campo foram realizadas com uma semi-ceacutelula de CobreSulfato de Cobre (CSC) A tabela 1 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE
Ponto de mediccedilatildeo
EDC (VECSC)
EAC (VECSC)
EAC+DC (VECSC)
Epico (VECSC)
PM 84 -1745 0604 1849 -056 Tabela 1 ndash Resultados das medidas de potencial tubosolo
Pelas medidas de potencial tubosolo realizadas o duto estava protegido catodicamente pois medidas de potencial tubosolo indicaram valores de potencial EDC mais negativos que ndash085 VECSC A inspeccedilatildeo do potencial Passo a Passo realizada mostra o potencial ldquooffrdquo de -085V no ponto do defeito (linha vermelha vertical) Figura 4 considerado dentro do criteacuterio de proteccedilatildeo
Figura 4 ndash Resultado do ldquoCISrdquo Passo a Passo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrosatildeo eletroquiacutemica
33 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo eletroliacutetica por corrente CC de interferecircncia (trem eleacutetrico) A regiatildeo do defeito apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica A figura 5 apresenta o registro do potencial tubosolo no local
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Figura 5 ndash Registro de potencial tubosolo CC realizado no PTE 84
Conclusatildeo Pelo graacutefico apresentado natildeo haacute possibilidade de corrosatildeo por corrente de interferecircncia de trens eleacutetrico 34 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por bacteacuteria O potencial redox eacute usado para avaliar a possibilidade de ocorrecircncia de corrosatildeo por bacteacuterias em solo O potencial redox (EH) eacute obtido a partir da mediccedilatildeo de campo (potencial e pH) e calculado seguinte forma
EH = Ep + Er + 60 (pH ndash7) Onde EH = potencial redox Ep = potencial medido experimentalmente em relaccedilatildeo a um eletrodo de referecircncia Er = potencial do eletrodo de referecircncia A medida de Ep foi de 226 mVECSC e o pH do solo natural encontrava-se em 62 A Tabela 2 apresenta a classificaccedilatildeo dos solos em funccedilatildeo do potencial redox
Tabela 2 ndash Possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica em funccedilatildeo do potencial Redox
Dessa forma EH = 226 + 300 + 60 (62 ndash 7) = 478 mV Conclusatildeo O valor do potencial redox encontrado foi de 478 mV indica a ausecircncia de possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica
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35 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por corrente alternada Para a avaliaccedilatildeo do niacutevel de interferecircncia por corrente alternada (CA) foi utilizada a metodologia desenvolvida pelo IPTUSP e PETROBRASTRANSPETRO no projeto PROTRAN(6) sobre corrosatildeo por corrente alternada No ponto PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para avaliaccedilatildeo dos niacuteveis de interferecircncia de corrente CA medidas de potencial tubosolo e verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico A tabela 3 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE 84 e o conteuacutedo harmocircnico das formas de onda de potencial instantacircneo tubosolo (porcentagens normalizadas em relaccedilatildeo agrave componente fundamental 60 Hz)
Ponto de mediccedilatildeo Conteuacutedo harmocircnico ()
60 Hz 120 Hz 180 Hz PT 84 100 4 60
Tabela 3 ndash Resultados da anaacutelise espectral de harmocircnicas das medidas das formas de onda do potencial tubosolo
A Figura 7 mostra a medida de potencial tubosolo realizada no local do defeito em vala aberta (inexistecircncia de ponto de teste)
Figura 5 ndash Medida de potencial tubosolo realizada no duto em vala aberta
A medida de potencial tubosolo mostrada na Figura 5 indicou um potencial DC (EDC) de ndash1323 VECSC potencial eficaz CA (EAC) de 0368 VECSC e potencial eficaz CA+CC (EAC+DC) de 1377 VECSC A forma de onda do potencial indicou um potencial de pico (Epico) de ndash 068 VECSC A Figura 6 abaixo mostra a medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente
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Figura 6 ndash Medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise espectral de harmocircnicas A medida de corrente CA no duto indicou 13 mV (026 A) e densidade de corrente CA calculada de 17610-5 Acm2 O conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente CA foi normalizado em relaccedilatildeo a componente fundamental 60 Hz e apresentou 5 da componente 120 Hz (segunda harmocircnica) provavelmente oriunda do proacuteprio sistema de proteccedilatildeo catoacutedica e 35 da componente 180 Hz (terceira harmocircnica) provavelmente oriunda do sistema de distribuiccedilatildeo de energia eleacutetrica Com isso a regiatildeo apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica Os resultados das medidas de resistividade do solo encontram-se na tabela 4 abaixo
Tabela 4 ndash Resultados das medidas de resistividade do solo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrente alternada 36 Avaliaccedilatildeo de fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda Para ocorrer uma fusatildeo por eletrodo de corte as seguintes evidecircncias devem existir
bull Duto exposto para serviccedilos de montagem ou manutenccedilatildeo bull Abertura de arco eleacutetrico por maacutequina de solda com eletrodo de corte bull Resiacuteduo de material fundido e forma irregular do substrato
Como as inspeccedilotildees anteriores com pig instrumentado de perda de espessura natildeo indicaram existecircncia desse defeito e nem houve obra posterior assume-se que o defeito surgiu apoacutes a realizaccedilatildeo de qualquer obra no local Como tambeacutem a forma regular (esfeacuterica) do defeito natildeo caracteriza uma eventual fusatildeo causada por um eletrodo de corte aplicado localmente pois esse teria uma forma irregular com resiacuteduo de accedilo fundido concluiacute-se que Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por eletrodo de solda
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37 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Na inspeccedilatildeo do revestimento realizada com Holiday Detector foi verificado nas proximidades do defeito (um metro para cada lado) cerca de 30 pequenas perfuraccedilotildees no revestimento com diacircmetro meacutedio variando de 1 mm a 2 mm Cerca de 90 dos defeitos estavam localizados na geratriz inferior do duto A Figura 7 mostra a inspeccedilatildeo realizada com Holiday Detector
Figura 7 ndash Inspeccedilatildeo com Holiday
Detector
Figura 8 ndash Precipitaccedilatildeo de produto branco ao
redor da falha do revestimento
Ao redor de algumas falhas do revestimento foram verificados produtos brancos na forma de poacute Figura 8 que podem ser originaacuterios de reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo de carbonatos que ocorrem na vizinhanccedila da falha Estas reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo satildeo decorrentes da eficiecircncia do sistema de proteccedilatildeo catoacutedica naquela falha A Figura 9 mostra uma das falhas de revestimento (lados externo e interno) em que foi verificada precipitaccedilatildeo deste produto branco
Figura 9 ndash Revestimento Coal-tar retirado proacuteximo ao defeito (posiccedilatildeo 3 horas)
Portanto considerando as seguintes evidecircncias
bull Pequenas perfuraccedilotildees no revestimento bull Quanto maior a densidade de corrente i (ampegravere por metro quadrado) rarr maior a perda
localizada de material (Lei de Faraday) bull Perda de massa em tempo curto bull Histoacuterico de incidecircncia de raios na regiatildeo
Como tambeacutem a hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo com dezenas (ou centenas) de quilocircmetros de extensatildeo interligando regiotildees na terra com
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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Figura 5 ndash Registro de potencial tubosolo CC realizado no PTE 84
Conclusatildeo Pelo graacutefico apresentado natildeo haacute possibilidade de corrosatildeo por corrente de interferecircncia de trens eleacutetrico 34 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por bacteacuteria O potencial redox eacute usado para avaliar a possibilidade de ocorrecircncia de corrosatildeo por bacteacuterias em solo O potencial redox (EH) eacute obtido a partir da mediccedilatildeo de campo (potencial e pH) e calculado seguinte forma
EH = Ep + Er + 60 (pH ndash7) Onde EH = potencial redox Ep = potencial medido experimentalmente em relaccedilatildeo a um eletrodo de referecircncia Er = potencial do eletrodo de referecircncia A medida de Ep foi de 226 mVECSC e o pH do solo natural encontrava-se em 62 A Tabela 2 apresenta a classificaccedilatildeo dos solos em funccedilatildeo do potencial redox
Tabela 2 ndash Possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica em funccedilatildeo do potencial Redox
Dessa forma EH = 226 + 300 + 60 (62 ndash 7) = 478 mV Conclusatildeo O valor do potencial redox encontrado foi de 478 mV indica a ausecircncia de possibilidade de corrosatildeo bacterioloacutegica
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35 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por corrente alternada Para a avaliaccedilatildeo do niacutevel de interferecircncia por corrente alternada (CA) foi utilizada a metodologia desenvolvida pelo IPTUSP e PETROBRASTRANSPETRO no projeto PROTRAN(6) sobre corrosatildeo por corrente alternada No ponto PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para avaliaccedilatildeo dos niacuteveis de interferecircncia de corrente CA medidas de potencial tubosolo e verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico A tabela 3 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE 84 e o conteuacutedo harmocircnico das formas de onda de potencial instantacircneo tubosolo (porcentagens normalizadas em relaccedilatildeo agrave componente fundamental 60 Hz)
Ponto de mediccedilatildeo Conteuacutedo harmocircnico ()
60 Hz 120 Hz 180 Hz PT 84 100 4 60
Tabela 3 ndash Resultados da anaacutelise espectral de harmocircnicas das medidas das formas de onda do potencial tubosolo
A Figura 7 mostra a medida de potencial tubosolo realizada no local do defeito em vala aberta (inexistecircncia de ponto de teste)
Figura 5 ndash Medida de potencial tubosolo realizada no duto em vala aberta
A medida de potencial tubosolo mostrada na Figura 5 indicou um potencial DC (EDC) de ndash1323 VECSC potencial eficaz CA (EAC) de 0368 VECSC e potencial eficaz CA+CC (EAC+DC) de 1377 VECSC A forma de onda do potencial indicou um potencial de pico (Epico) de ndash 068 VECSC A Figura 6 abaixo mostra a medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente
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Figura 6 ndash Medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise espectral de harmocircnicas A medida de corrente CA no duto indicou 13 mV (026 A) e densidade de corrente CA calculada de 17610-5 Acm2 O conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente CA foi normalizado em relaccedilatildeo a componente fundamental 60 Hz e apresentou 5 da componente 120 Hz (segunda harmocircnica) provavelmente oriunda do proacuteprio sistema de proteccedilatildeo catoacutedica e 35 da componente 180 Hz (terceira harmocircnica) provavelmente oriunda do sistema de distribuiccedilatildeo de energia eleacutetrica Com isso a regiatildeo apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica Os resultados das medidas de resistividade do solo encontram-se na tabela 4 abaixo
Tabela 4 ndash Resultados das medidas de resistividade do solo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrente alternada 36 Avaliaccedilatildeo de fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda Para ocorrer uma fusatildeo por eletrodo de corte as seguintes evidecircncias devem existir
bull Duto exposto para serviccedilos de montagem ou manutenccedilatildeo bull Abertura de arco eleacutetrico por maacutequina de solda com eletrodo de corte bull Resiacuteduo de material fundido e forma irregular do substrato
Como as inspeccedilotildees anteriores com pig instrumentado de perda de espessura natildeo indicaram existecircncia desse defeito e nem houve obra posterior assume-se que o defeito surgiu apoacutes a realizaccedilatildeo de qualquer obra no local Como tambeacutem a forma regular (esfeacuterica) do defeito natildeo caracteriza uma eventual fusatildeo causada por um eletrodo de corte aplicado localmente pois esse teria uma forma irregular com resiacuteduo de accedilo fundido concluiacute-se que Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por eletrodo de solda
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37 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Na inspeccedilatildeo do revestimento realizada com Holiday Detector foi verificado nas proximidades do defeito (um metro para cada lado) cerca de 30 pequenas perfuraccedilotildees no revestimento com diacircmetro meacutedio variando de 1 mm a 2 mm Cerca de 90 dos defeitos estavam localizados na geratriz inferior do duto A Figura 7 mostra a inspeccedilatildeo realizada com Holiday Detector
Figura 7 ndash Inspeccedilatildeo com Holiday
Detector
Figura 8 ndash Precipitaccedilatildeo de produto branco ao
redor da falha do revestimento
Ao redor de algumas falhas do revestimento foram verificados produtos brancos na forma de poacute Figura 8 que podem ser originaacuterios de reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo de carbonatos que ocorrem na vizinhanccedila da falha Estas reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo satildeo decorrentes da eficiecircncia do sistema de proteccedilatildeo catoacutedica naquela falha A Figura 9 mostra uma das falhas de revestimento (lados externo e interno) em que foi verificada precipitaccedilatildeo deste produto branco
Figura 9 ndash Revestimento Coal-tar retirado proacuteximo ao defeito (posiccedilatildeo 3 horas)
Portanto considerando as seguintes evidecircncias
bull Pequenas perfuraccedilotildees no revestimento bull Quanto maior a densidade de corrente i (ampegravere por metro quadrado) rarr maior a perda
localizada de material (Lei de Faraday) bull Perda de massa em tempo curto bull Histoacuterico de incidecircncia de raios na regiatildeo
Como tambeacutem a hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo com dezenas (ou centenas) de quilocircmetros de extensatildeo interligando regiotildees na terra com
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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35 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por corrente alternada Para a avaliaccedilatildeo do niacutevel de interferecircncia por corrente alternada (CA) foi utilizada a metodologia desenvolvida pelo IPTUSP e PETROBRASTRANSPETRO no projeto PROTRAN(6) sobre corrosatildeo por corrente alternada No ponto PTE 84 foram realizadas as seguintes medidas para avaliaccedilatildeo dos niacuteveis de interferecircncia de corrente CA medidas de potencial tubosolo e verificaccedilatildeo dos valores de potencial CC (EDC) potencial CA eficaz (EAC) potencial CA+CC eficaz (EAC+DC) Tambeacutem foram obtidas as formas de onda do potencial tubosolo resultantes do acoplamento dos potenciais EDC e EAC para posterior anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico A tabela 3 mostra os resultados das medidas de potencial tubosolo realizadas no PTE 84 e o conteuacutedo harmocircnico das formas de onda de potencial instantacircneo tubosolo (porcentagens normalizadas em relaccedilatildeo agrave componente fundamental 60 Hz)
Ponto de mediccedilatildeo Conteuacutedo harmocircnico ()
60 Hz 120 Hz 180 Hz PT 84 100 4 60
Tabela 3 ndash Resultados da anaacutelise espectral de harmocircnicas das medidas das formas de onda do potencial tubosolo
A Figura 7 mostra a medida de potencial tubosolo realizada no local do defeito em vala aberta (inexistecircncia de ponto de teste)
Figura 5 ndash Medida de potencial tubosolo realizada no duto em vala aberta
A medida de potencial tubosolo mostrada na Figura 5 indicou um potencial DC (EDC) de ndash1323 VECSC potencial eficaz CA (EAC) de 0368 VECSC e potencial eficaz CA+CC (EAC+DC) de 1377 VECSC A forma de onda do potencial indicou um potencial de pico (Epico) de ndash 068 VECSC A Figura 6 abaixo mostra a medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise do conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente
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Figura 6 ndash Medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise espectral de harmocircnicas A medida de corrente CA no duto indicou 13 mV (026 A) e densidade de corrente CA calculada de 17610-5 Acm2 O conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente CA foi normalizado em relaccedilatildeo a componente fundamental 60 Hz e apresentou 5 da componente 120 Hz (segunda harmocircnica) provavelmente oriunda do proacuteprio sistema de proteccedilatildeo catoacutedica e 35 da componente 180 Hz (terceira harmocircnica) provavelmente oriunda do sistema de distribuiccedilatildeo de energia eleacutetrica Com isso a regiatildeo apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica Os resultados das medidas de resistividade do solo encontram-se na tabela 4 abaixo
Tabela 4 ndash Resultados das medidas de resistividade do solo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrente alternada 36 Avaliaccedilatildeo de fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda Para ocorrer uma fusatildeo por eletrodo de corte as seguintes evidecircncias devem existir
bull Duto exposto para serviccedilos de montagem ou manutenccedilatildeo bull Abertura de arco eleacutetrico por maacutequina de solda com eletrodo de corte bull Resiacuteduo de material fundido e forma irregular do substrato
Como as inspeccedilotildees anteriores com pig instrumentado de perda de espessura natildeo indicaram existecircncia desse defeito e nem houve obra posterior assume-se que o defeito surgiu apoacutes a realizaccedilatildeo de qualquer obra no local Como tambeacutem a forma regular (esfeacuterica) do defeito natildeo caracteriza uma eventual fusatildeo causada por um eletrodo de corte aplicado localmente pois esse teria uma forma irregular com resiacuteduo de accedilo fundido concluiacute-se que Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por eletrodo de solda
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37 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Na inspeccedilatildeo do revestimento realizada com Holiday Detector foi verificado nas proximidades do defeito (um metro para cada lado) cerca de 30 pequenas perfuraccedilotildees no revestimento com diacircmetro meacutedio variando de 1 mm a 2 mm Cerca de 90 dos defeitos estavam localizados na geratriz inferior do duto A Figura 7 mostra a inspeccedilatildeo realizada com Holiday Detector
Figura 7 ndash Inspeccedilatildeo com Holiday
Detector
Figura 8 ndash Precipitaccedilatildeo de produto branco ao
redor da falha do revestimento
Ao redor de algumas falhas do revestimento foram verificados produtos brancos na forma de poacute Figura 8 que podem ser originaacuterios de reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo de carbonatos que ocorrem na vizinhanccedila da falha Estas reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo satildeo decorrentes da eficiecircncia do sistema de proteccedilatildeo catoacutedica naquela falha A Figura 9 mostra uma das falhas de revestimento (lados externo e interno) em que foi verificada precipitaccedilatildeo deste produto branco
Figura 9 ndash Revestimento Coal-tar retirado proacuteximo ao defeito (posiccedilatildeo 3 horas)
Portanto considerando as seguintes evidecircncias
bull Pequenas perfuraccedilotildees no revestimento bull Quanto maior a densidade de corrente i (ampegravere por metro quadrado) rarr maior a perda
localizada de material (Lei de Faraday) bull Perda de massa em tempo curto bull Histoacuterico de incidecircncia de raios na regiatildeo
Como tambeacutem a hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo com dezenas (ou centenas) de quilocircmetros de extensatildeo interligando regiotildees na terra com
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
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A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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Figura 6 ndash Medida de corrente CA circulante no duto e anaacutelise espectral de harmocircnicas A medida de corrente CA no duto indicou 13 mV (026 A) e densidade de corrente CA calculada de 17610-5 Acm2 O conteuacutedo harmocircnico da forma de onda da corrente CA foi normalizado em relaccedilatildeo a componente fundamental 60 Hz e apresentou 5 da componente 120 Hz (segunda harmocircnica) provavelmente oriunda do proacuteprio sistema de proteccedilatildeo catoacutedica e 35 da componente 180 Hz (terceira harmocircnica) provavelmente oriunda do sistema de distribuiccedilatildeo de energia eleacutetrica Com isso a regiatildeo apresenta baixos niacuteveis de interferecircncia de corrente de natureza contiacutenua e alternada situa-se a uma distacircncia aproximada de 7 km de uma linha de transmissatildeo de alta tensatildeo e a 5 km do retificador de proteccedilatildeo catoacutedica Os resultados das medidas de resistividade do solo encontram-se na tabela 4 abaixo
Tabela 4 ndash Resultados das medidas de resistividade do solo
Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por corrente alternada 36 Avaliaccedilatildeo de fusatildeo do accedilo por eletrodo de solda Para ocorrer uma fusatildeo por eletrodo de corte as seguintes evidecircncias devem existir
bull Duto exposto para serviccedilos de montagem ou manutenccedilatildeo bull Abertura de arco eleacutetrico por maacutequina de solda com eletrodo de corte bull Resiacuteduo de material fundido e forma irregular do substrato
Como as inspeccedilotildees anteriores com pig instrumentado de perda de espessura natildeo indicaram existecircncia desse defeito e nem houve obra posterior assume-se que o defeito surgiu apoacutes a realizaccedilatildeo de qualquer obra no local Como tambeacutem a forma regular (esfeacuterica) do defeito natildeo caracteriza uma eventual fusatildeo causada por um eletrodo de corte aplicado localmente pois esse teria uma forma irregular com resiacuteduo de accedilo fundido concluiacute-se que Conclusatildeo Natildeo parece possiacutevel o defeito ser causado por eletrodo de solda
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37 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Na inspeccedilatildeo do revestimento realizada com Holiday Detector foi verificado nas proximidades do defeito (um metro para cada lado) cerca de 30 pequenas perfuraccedilotildees no revestimento com diacircmetro meacutedio variando de 1 mm a 2 mm Cerca de 90 dos defeitos estavam localizados na geratriz inferior do duto A Figura 7 mostra a inspeccedilatildeo realizada com Holiday Detector
Figura 7 ndash Inspeccedilatildeo com Holiday
Detector
Figura 8 ndash Precipitaccedilatildeo de produto branco ao
redor da falha do revestimento
Ao redor de algumas falhas do revestimento foram verificados produtos brancos na forma de poacute Figura 8 que podem ser originaacuterios de reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo de carbonatos que ocorrem na vizinhanccedila da falha Estas reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo satildeo decorrentes da eficiecircncia do sistema de proteccedilatildeo catoacutedica naquela falha A Figura 9 mostra uma das falhas de revestimento (lados externo e interno) em que foi verificada precipitaccedilatildeo deste produto branco
Figura 9 ndash Revestimento Coal-tar retirado proacuteximo ao defeito (posiccedilatildeo 3 horas)
Portanto considerando as seguintes evidecircncias
bull Pequenas perfuraccedilotildees no revestimento bull Quanto maior a densidade de corrente i (ampegravere por metro quadrado) rarr maior a perda
localizada de material (Lei de Faraday) bull Perda de massa em tempo curto bull Histoacuterico de incidecircncia de raios na regiatildeo
Como tambeacutem a hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo com dezenas (ou centenas) de quilocircmetros de extensatildeo interligando regiotildees na terra com
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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37 Avaliaccedilatildeo de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Na inspeccedilatildeo do revestimento realizada com Holiday Detector foi verificado nas proximidades do defeito (um metro para cada lado) cerca de 30 pequenas perfuraccedilotildees no revestimento com diacircmetro meacutedio variando de 1 mm a 2 mm Cerca de 90 dos defeitos estavam localizados na geratriz inferior do duto A Figura 7 mostra a inspeccedilatildeo realizada com Holiday Detector
Figura 7 ndash Inspeccedilatildeo com Holiday
Detector
Figura 8 ndash Precipitaccedilatildeo de produto branco ao
redor da falha do revestimento
Ao redor de algumas falhas do revestimento foram verificados produtos brancos na forma de poacute Figura 8 que podem ser originaacuterios de reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo de carbonatos que ocorrem na vizinhanccedila da falha Estas reaccedilotildees de precipitaccedilatildeo satildeo decorrentes da eficiecircncia do sistema de proteccedilatildeo catoacutedica naquela falha A Figura 9 mostra uma das falhas de revestimento (lados externo e interno) em que foi verificada precipitaccedilatildeo deste produto branco
Figura 9 ndash Revestimento Coal-tar retirado proacuteximo ao defeito (posiccedilatildeo 3 horas)
Portanto considerando as seguintes evidecircncias
bull Pequenas perfuraccedilotildees no revestimento bull Quanto maior a densidade de corrente i (ampegravere por metro quadrado) rarr maior a perda
localizada de material (Lei de Faraday) bull Perda de massa em tempo curto bull Histoacuterico de incidecircncia de raios na regiatildeo
Como tambeacutem a hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo com dezenas (ou centenas) de quilocircmetros de extensatildeo interligando regiotildees na terra com
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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diferentes cargas eleacutetricas assim como a teoria das tempestades positivas (ver item 5 a seguir) a seguinte conclusatildeo eacute obtida Conclusatildeo Parece possiacutevel o defeito ser causado por descarga atmosfeacuterica
Tendo em vista a conclusatildeo acima a seguir nos itens 4 e 5 deste trabalho satildeo feitas revisotildees das literaturas sobre corrosatildeo e descarga atmosfeacutericas abordando as tempestades (raios) positivas e possiacuteveis consequumlecircncias agraves instalaccedilotildees terrestres 4 Corrosatildeo e a lei de Faraday A corrosatildeo eacute a destruiccedilatildeo de um metal pelas reaccedilotildees quiacutemicas ou eletroquiacutemicas entre o metal e o seu ambiente ou seja onde ocorrem duas reaccedilotildees simultacircneas envolvendo transferecircncia de eleacutetrons Esta definiccedilatildeo e demais informaccedilotildees relacionadas ao processo corrosivo citados a seguir estatildeo na literatura The Electrochemistry of Corrosion (1) No processo de corrosatildeo o metal e soluccedilotildees iocircnicas satildeo importantes ambos conduzem eletricidade No metal o transporte de carga eleacutetrica eacute efetuado pelo fluxo de eleacutetrons e na soluccedilatildeo pelo deslocamento de iacuteons A corrosatildeo depende de reaccedilotildees e sua velocidade eacute influenciada pela condutividade da soluccedilatildeo e tambeacutem por qualquer imposiccedilatildeo de corrente Duas reaccedilotildees ocorrem no processo de corrosatildeo eletroquiacutemica pelo solo oxidaccedilatildeo do ferro
Fe rarr Fe++ + 2e- e reduccedilatildeo do hidrogecircnio em meio aacutecido
2H+ + 2e- rarr H2eou reduccedilatildeo do oxigecircnio em meio aerado
frac12 O2 + H2O + 2e- rarr 2OH -
Mobilidade iocircnica O fluxo de corrente eleacutetrica em um eletroacutelito eacute devido ao deslocamento de iacuteons presentes na soluccedilatildeo A natureza e concentraccedilatildeo desses iacuteons determinam a condutividade de uma soluccedilatildeo especiacutefica Sob a influecircncia de um campo eleacutetrico (Vcm) os iacuteons se movem a uma velocidade (cms) que eacute determinada pela natureza da partiacutecula (seu tamanho e carga eleacutetrica) a intensidade do campo e a viscosidade da soluccedilatildeo Migraccedilatildeo eacute o deslocamento de iacuteons em uma soluccedilatildeo sob o efeito de um campo eleacutetrico A velocidade de um iacuteon sob um campo eleacutetrico de um 1 Vcm eacute chamada mobilidade Lei de Faraday Essa lei foi descoberta em 1836 por Faraday Ela expressa a relaccedilatildeo de proporcionalidade entre a magnitude de uma carga eleacutetrica (o produto da corrente e o tempo) e a quantidade de mateacuteria que reage na interface do eletrodo Os eleacutetrons que transportam eletricidade em metais tecircm em nuacutemeros especiacuteficos que reagirem com uma quantidade definida de iacuteons na interface do eletrodo Como cada eleacutetron transporta uma quantidade especiacutefica de eletricidade pode ser dito que a reaccedilatildeo de uma quantidade definida de espeacutecie quiacutemica (Fe++ ou Cu++ por exemplo) libera uma quantidade definida de eletricidade A quantidade de reagentes eacute sempre tomada em equivalentes quiacutemicos O peso equivalente Peq eacute definido como peso atocircmico (ou molecular) dividido pelo nuacutemero de eleacutetrons (n) na reaccedilatildeo
Peq = peso atocircmicon
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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Caacutelculo da massa dissolvida (corroiacuteda) A quantidade de eletricidade requerida para a reaccedilatildeo de um equivalente eletroquiacutemico eacute 96500 coulombs (C) ou 1 Faraday (F) Um ampere fluindo por uma hora representa 3600 C ou 1 Ah = 3600 C Consequumlentemente 1 F pode ser expresso em Ah
1 F = 96500 C = 268 Ah Quando uma reaccedilatildeo eletroquiacutemica ocorre sem perda de eletricidade 1 F (268 Ah) eacute quantidade de eletricidade requerida para produzir um equivalente A lei de Faraday entatildeo eacute um meio de calcular a quantidade de metal depositado ou dissolvido quando toda a corrente serve para obter o produto desejado
Lei de Faraday aplicada ao caacutelculo da massa corroiacuteda M (g) = Eq (gC) x I (A) x t (s) (1)
Onde M = Massa corroiacuteda em gramas Eq = Equivalente Eletroquiacutemico = Peso atocircmico (num de eleacutetrons reagentes x Cte Faraday) I = Corrente circulante na interface metal-solo em agravempere t = Tempo da circulaccedilatildeo da corrente em segundos Para o accedilo temos que Eq = (5582) 96500 = 00002893 gC Da expressatildeo (1) obtemos
t (s) = M (g)(Eq x I) (2) Sabendo que a corrente eleacutetrica (em agravempere) eacute o quociente da carga (em Coulomb) pelo tempo (em segundos) temos que
Carga (C) = I (A) x t (s) (3)
Caacutelculo da massa corroiacuteda no defeito medido no campo Considerando as dimensotildees do defeito circular com diacircmetro de 6 mm e profundidade de 51 mm podemos calcular a massa consumida (corroiacuteda) pela expressatildeo
Massa do accedilo (kg) = peso especiacutefico do accedilo (kgcm3) x volume (cm3) ou
M (g) = 00078 (gmm3) x volume (mm3) = 097 g (4)
Considerando as expressotildees (2) (3) e (4) a cima podemos calcular o tempo e a respectiva carga para corroer uma massa de 097 g de ferro A tabela 5 abaixo apresenta os resultados de 8 simulaccedilotildees realizadas
Caacutelculo do tempo e da carga para corroer uma massa de ferro
Simulaccedilatildeo Equivalente
Eletroquiacutemico Ferro (gC)
Massa consumida
(g)
Corrente (A) Tempo (s)
Carga eleacutetrica
(Coulomb) 1 00002893 097 100 3353 33529 2 00002893 097 200 1676 33529 3 00002893 097 500 671 335292 4 00002893 097 1000 335 33529 5 00002893 097 2300 146 335292 6 00002893 097 5000 067 33529 7 00002893 097 13500 025 33529 8 00002893 097 40000 008 33529
Tabela 5 ndash Caacutelculo do tempo e da carga para correr 097g de ferro
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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Da tabela a cima vemos que as diversas combinaccedilotildees tempocorrente correspondem a uma carga aproximada de 3350 Coulombs para consumir 097 g de ferro Esse consumo do accedilo pode ser caracterizado como corrosatildeo eletroliacutetica A corrosatildeo eletroliacutetica eacute definida no livro Proteccedilatildeo Catoacutedica ndash Teacutecnica de Combate agrave Corrosatildeo (2) como um processo corrosivo de natureza eletroquiacutemica ocasionada em estrutura metaacutelica enterrada ou submersa como resultado de fluxo indesejaacutevel de corrente contiacutenua dispersa no eletroacutelito
5 Descargas atmosfeacutericas Existem diversos trabalhos publicados sobre Descargas Atmosfeacutericas Em especial o site da Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas (RINDAT) (httpwwwrindatcombr) (3) de onde foram obtidas as definiccedilotildees e informaccedilotildees abaixo A RINDAT eacute uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosfeacutericas nuvem-solo isto eacute a maior parte das descargas que atingem o solo em parte do territoacuterio brasileiro
Definiccedilatildeo de Descargas atmosfeacutericas
Descargas atmosfeacutericas satildeo descargas eleacutetricas de grande extensatildeo (alguns quilocircmetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloagravempere) que ocorrem devido ao acuacutemulo de cargas eleacutetricas em regiotildees localizadas da atmosfera em geral dentro de tempestades A descarga inicia quando o campo eleacutetrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante tambeacutem conhecida como rigidez dieleacutetrica do ar em um dado local na atmosfera que pode ser dentro da nuvem ou proacuteximo ao solo Quebrada a rigidez tem iniacutecio um raacutepido movimento de eleacutetrons de uma regiatildeo de cargas negativas para uma regiatildeo de cargas positivas Existem diversos tipos de descargas classificadas em funccedilatildeo do local onde se originam e do local onde terminam
Descargas atmosfeacutericas podem ocorrer da nuvem para o solo do solo para a nuvem dentro da nuvem da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera denominados descargas no ar ou ainda entre nuvens
Descargas nuvem-solo
As descargas nuvem-solo tambeacutem denominados raios satildeo as mais estudadas devido ao seu caraacuteter destrutivo Os raios duram em meacutedia em torno de um quarto de segundo embora valores variando desde um deacutecimo de segundo a dois segundos tecircm sido registrados Durante este periacuteodo percorrem na atmosfera trajetoacuterias com comprimentos desde alguns quilocircmetros ateacute algumas dezenas de quilocircmetros
A corrente eleacutetrica por sua vez sofre grandes variaccedilotildees desde algumas centenas de agravemperes ateacute centenas de quiloagravemperes A corrente flui em um canal com um diacircmetro de uns poucos centiacutemetros denominado canal do relacircmpago onde a temperatura atinge valores maacuteximos tatildeo elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressatildeo valores de dezenas de atmosferas Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contiacutenua na verdade em geral ele eacute formado de muacuteltiplas descargas denominadas descargas de retorno que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos Ao nuacutemero destas descargas daacute-se o nome de
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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multiplicidade do raio Durante o intervalo entre as descargas variaccedilotildees lentas e raacutepidas de corrente podem ocorrer
Liacuteder Escalonado
No processo de quebra de rigidez do ar uma fraca descarga luminosa geralmente natildeo visiacutevel denominada liacuteder escalonado ocorre Ao todo o liacuteder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em meacutedia em 20 ms A corrente meacutedia do liacuteder escalonado eacute de algumas centenas de agravemperes com pulsos de ao menos um quiloagravempere (kA) correspondentes a cada etapa Geralmente o liacuteder escalonado ramifica-se ao longo de vaacuterios caminhos embora na grande maioria das vezes um soacute ramo atinja o solo
Quando o liacuteder escalonado aproxima-se do solo a uma distacircncia de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros as cargas eleacutetricas no canal produzem um campo eleacutetrico intenso entre a extremidade do liacuteder e o solo correspondente a um potencial eleacutetrico da ordem de 100 milhotildees de volts Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais liacutederes ascendentes positivos denominados liacutederes conectantes saiam do solo propagando-se de forma similar ao liacuteder escalonado
Conforme o trabalho Tempestades Positivas ndash Surpresas Nos Ceacuteus Brasileiros as descargas atmosfeacutericas tambeacutem conhecidas como relacircmpagos podem ser definidas de modo simplificado como transferecircncias de cargas eleacutetricas entre as nuvens e entre essas e o solo mas a origem dessas cargas e muitos fatores envolvidos na liberaccedilatildeo das faiacutescas satildeo pouco conhecidos Esta aacuterea portanto ainda reserva surpresas Estudos feitos em diversos paiacuteses inclusive no Brasil indicam que a maioria dos relacircmpagos traz carga eleacutetrica negativa para o solo Entretanto pesquisadores brasileiros descobriram que o Sudeste do paiacutes de vez em quando eacute assolado por tempestades nas quais os raios positivos satildeo mais numerosos Tempestades positivas como essas tambeacutem foram identificadas recentemente nos Estados Unidos Como esses raios satildeo mais destrutivos que os de carga negativa eacute importante conhecer melhor as lsquotempestades positivasrsquo
(4)
A estrutura eleacutetrica da nuvem Em geral a carga eleacutetrica da nuvem eacute da ordem de 30 coulombs Dentro de uma nuvem de tempestade o campo eleacutetrico pode atingir valores da ordem de centena de milhares de volts por metro No solo abaixo dessas nuvens e por influecircncia delas o campo pode atingir cerca de 10 mil volts por metro valor 100 vezes maior que de aacutereas sem nuvens Nuvens de tempestade geram vaacuterios tipos de relacircmpagos Os mais estudados por seu poder de destruiccedilatildeo satildeo os da nuvem para o solo divididos em trecircs tipos com base no sinal da carga transferida negativos positivos e bipolares Nos primeiros (figura 10) as cargas partem da regiatildeo de cargas negativas da nuvem Nos positivos (figura 11) partem da regiatildeo de cargas positivas em geral da mais proacutexima do topo da nuvem Jaacute os bipolares (figura 12) que apresentam cargas de ambos os sinais nascem em regiotildees de separaccedilatildeo de cargas dentro da nuvem A maior parte dos relacircmpagos da nuvem para o solo eacute negativo 90 em meacutedia Os restantes satildeo quase sempre positivos jaacute que os bipolares natildeo passam de 1 No entanto a frequumlecircncia dos relacircmpagos positivos parece ser bastante variaacutevel e em alguns casos ateacute superior a dos negativos Os relacircmpagos positivos podem predominar no topo de montanhas muito altas em regiotildees natildeo-tropicais Nesses casos a carga negativa pode estar em contato direto com o solo fluindo para este
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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Figura 10 Relacircmpago nuvem-solo negativo
Figura 11 Relacircmpago nuvem-solo positivo
Figura 12 Relacircmpago
nuvem-solo bipolar
A hipoacutetese para a origem das tempestades positivas no Sudeste do Brasil eacute baseada no tamanho das nuvens Os relacircmpagos positivos da nuvem para o solo satildeo considerados mais destrutivos que os negativos Figuras 13 e 14
Figura 13 A hipoacutetese para a origem das
tempestades positivas no Sudeste do Brasil
Figura 14 Os relacircmpagos positivos
Os dados obtidos nas pesquisas do INPE e da Cemig mostram que no Sudeste brasileiro a meacutedia de intensidade dos relacircmpagos negativos eacute de 40 quiloamperes (kA) ou seja cerca de mil vezes maior que a corrente de um chuveiro eleacutetrico Para os positivos eacute de apenas 20 kA Em outras partes do mundo como os Estados Unidos e a Europa a intensidade dos relacircmpagos positivos eacute maior que 40 kA Eacute importante salientar que embora no Sudeste brasileiro os relacircmpagos positivos sejam menos intensos permanecem mais destrutivos pois em geral duram mais tempo transferindo mais energia ao objeto atingido Para verificar se a hipoacutetese eacute vaacutelida mais medidas de relacircmpagos satildeo necessaacuterias se possiacutevel complementadas com dados de radares meteoroloacutegicos que permitem avaliar com maior precisatildeo a estrutura e a dinacircmica das tempestades positivas Mas outras questotildees ainda precisam ser respondidas Natildeo se sabe por exemplo se as tempestades positivas ocorrem em todas as estaccedilotildees do ano e em todos os anos ou se existem locais que satildeo mais frequumlentes
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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Eacute provaacutevel que nos proacuteximos anos outras descobertas inesperadas aconteccedilam jaacute que os estudos sobre relacircmpagos foram iniciados recentemente no Brasil No entanto apropria existecircncia dessas tempestades positivas podem ter diversas consequumlecircncias como o aprimoramento dos atuais sistemas de proteccedilatildeo e o aumento da eficiecircncia na produccedilatildeo agriacutecola Conhecer mais esse tipo de tempestade tambeacutem eacute importante por seus possiacuteveis efeitos sobre os processos climaacuteticos globais tema que desperta grande interesse na comunidade cientiacutefica atual Levando-se em conta que o Brasil eacute um dos paiacuteses coma maior incidecircncia de relacircmpagos em todo o mundo tais tempestades talvez influenciem a atmosfera sobre o Brasil tanto em termos eleacutetricos como em termos quiacutemicos o que poderia ter consequumlecircncias para a atmosfera de todo o planeta 6 Hipoacutetese da corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica Considerando as avaliaccedilotildees descritas nesse trabalho a hipoacutetese de corrosatildeo poderia ser da seguinte forma
a) O duto atuaria como sistema de aterramento levando cargas negativas de um local remoto (mais negativo) a um ponto mais proacuteximo da formaccedilatildeo da tempestade (ponto positivo) isto eacute equumlalizando os potenciais no solo
b) O alto campo eleacutetrico formado pela polarizaccedilatildeo positiva das nuvens geraria uma ddp da ordem de 100 milhotildees de volts entre a extremidade do liacuteder escalonado (raio) e o solo (duto)
c) Ocorreria o rompimento da rigidez dieleacutetrica do ar e tambeacutem do revestimento (maior que 5 kV) causando as pequenas perfuraccedilotildees
d) O movimento de cargas eleacutetricas se inicia (descarga atmosfeacuterica) interligando as nuvens (positivas) ateacute a terra remota passando pela ionizaccedilatildeo do ar ionizaccedilatildeo do solo fluxo de eleacutetrons no duto e descarga do duto para o solo (local mais negativo)
e) Na interface solo ionizado e duto local da pequena falha do revestimento haveria a reaccedilatildeo de oxidaccedilatildeo do accedilo Fe rarr Fe++ + 2e- imposta pela alta densidade de corrente provocada pela descarga positiva e a consequumlente corrosatildeo
7 Conclusotildees
1 A hipoacutetese do duto ldquoatuarrdquo como um sistema de aterramento eleacutetrico contiacutenuo assim como a literatura sobre tempestades positivas e a lei de Faraday indicam uma possibilidade de causarem corrosatildeo em dutos enterrados e justificam realizar um trabalho de pesquisa especiacutefico para avaliar a possibilidade de corrosatildeo por descarga atmosfeacuterica
2 Essa pesquisa deve envolver especialistas nas aacutereas de ciecircncias espaciais e atmosfeacutericas
e de corrosatildeo considerando bull simulaccedilotildees em laboratoacuterio com diferentes tempos correntes de descarga e tipos de solos bull estudos sobre descargas atmosfeacutericas e as cargas de nuvens e bull accedilotildees mitigadoras para proteccedilatildeo contra a corrosatildeo em duto enterrado 3 Embora a carga eleacutetrica para corroer 097 g de ferro (3350 coulombs pela de Faraday )
representa 110 vezes o valor da literatura sobre cargas eleacutetricas(3) de nuvens tal literatura
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INTERCORR2008_260
reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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reconhece a necessidade de mais pesquisas para um entendimento mais profundo sobre as tempestades positivas e seu poder de dano agraves instalaccedilotildees terrestres
4 Aleacutem dos aspectos eleacutetricos e quiacutemicos relacionados agraves tempestades positivas
sugerimos incluir o aspecto eletroquiacutemico o que abre uma nova linha de estudo relacionada agrave corrosatildeo de estruturas enterradas
8 Referecircncias bibliograacuteficas 1 PIRON DL The Electrochemistry of Corrosion NACE International c1994 2 DUTRA A C NUNES Laerce P Proteccedilatildeo Catoacutedica teacutecnica de combate agrave corrosatildeo 4 ed Rio de Janeiro Interciecircncia 2006 3 RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecccedilatildeo de Descargas Atmosfeacutericas Disponiacutevel em httpwwwrindatcombr acesso em 19 fev 2008 4 PINTO JR Osmar PINTO Iara R C A DINIZ Joseacute H CARVALHO Andreacute M Tempestades positivas surpresas nos ceacuteus brasileiros Ciecircncia Hoje v22 n 132 5 PANOSSIAN Z NEUSVALDO Almeida Maacuterio L P Filho Seacutergio E A Filho
ALMEIDA Maacutercio B LAURINO Eduardo Estudo de corrosatildeo por corrente alternada em dutos instalados em corredores com linhas de transmissatildeo eleacutetrica PETROBRASIPT (Relatoacuterio teacutecnico n 98 200-205)
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