TRABALHO TANQUES CRIOGÊNICOS

1. INTRODUÇÃO

1. CRIOGENIA

Criogenia é um ramo da físico-química que estuda a produção de temperaturas muito baixas, abaixo de -150°C, de -238°F ou de 123 K, especialmente a temperatura de ebulição do nitrogênio líquido (-195,8°C) ou ainda mais baixas, e também o comportamento dos elementos e materiais nessas temperaturas. Quando liquefeitos, gases como o nitrogênio e o hélio são usados em muitas aplicações criogênicas. O nitrogênio líquido é o mais empregado para esse fim, e é legalmente comprado em todo o mundo. Já o hélio líquido apresenta maiores dificuldades de obtenção, embora baixe a temperatura ainda mais que o nitrogênio líquido.

O congelamento criogênico diferencia-se do congelamento por imersão, pois enquanto naquele o fluido refrigerante não muda seu estado, trocando apenas calor sensível, neste processo existe uma mudança de estado, com a troca de calor latente. Isto explica as altíssimas taxas de troca térmica, responsáveis pelo congelamento quase que instantâneo.

O congelamento criogênico é utilizado para temperar vários produtos de metal e outros produtos industriais diversos. A utilização de criogenia parece melhorar a resistência e desempenho de tais artigos, e pode ser usada para tarefas que variam desde a criação de artigos extrafortes, como outros modelos que terão sua durabilidade aumentada.

 Outro uso da criogenia é nos combustíveis criogênicos, estes, principalmente compostos de oxigênio e hidrogênio, que são usados como combustíveis para foguetes.

Porém, frequentemente esse ramo da ciência é associado à criobiologia, que é o estudo de baixas temperaturas em organismos. Através desses estudos, surgiu a preservação criogênica, que é a prática de conservar corpos humanos em temperaturas extremamente baixas com a esperança de revivê-los no futuro. Considerando que após que o coração humano para de bater, ainda restam algumas funções cerebrais, é com o intuito de reviver estas funções que cadáveres são congelados até que seja descoberta a forma para ressuscitar tais humanos.

1. TANQUES CRIOGÊNICOS

Como o próprio nome sugere, tanques criogênicos são tanques de armazenamento e/ou transporte de líquidos criogênicos, construídos com materiais específicos para se conseguir a melhor isolação térmica possível, como será demonstrado na sequência, evitando trocas de calor com o ambiente. Seu tamanho e capacidade dependem da sua aplicação.

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Figura 1: Tanque criogênico vertical

Os materiais utilizados para sua fabricação são: Aço inox tipo 304, Aço carbono ASTM A-36 e como isolante térmico perlita expandida.

1. SELEÇÃO DOS MATERIAIS

1.  Aços Inoxidáveis

Os aços inoxidáveis são ligas de ferro (Fe), carbono (C) e cromo (Cr) com um mínimo de 10,50% de Cr. Outros elementos metálicos também integram estas ligas, mas o Cr é considerado o elemento mais importante porque é o que dá aos aços inoxidáveis uma elevada resistência à corrosão.

Em atmosferas rurais, com baixos índices de contaminação, observa-se uma grande diminuição da velocidade de oxidação destas ligas na medida em que aumenta a quantidade de Cr presente nas mesmas. Com 10,50 % de Cr constata-se que a liga não sofre corrosão atmosférica nessas condições e este é o critério utilizado para sustentar a definição dada no início deste texto para os aços inoxidáveis.

Os aços inoxidáveis surgiram de estudos realizados em 1912, tanto na Inglaterra como na Alemanha. O aço estudado na Inglaterra era uma liga Fe-Cr , com cerca de 13% de Cr. Na Alemanha, tratou-se de uma liga que, além de Fe e Cr, continha também níquel (Ni). No primeiro caso, era um aço inoxidável muito próximo ao que hoje chamamos de 420 e, no segundo, outro aço inoxidável bastante parecido com o que hoje conhecemos como 302.

Anteriormente, na primeira metade do século XIX, foram feitas ligas Fe-Cr. Nessa época, o conceito predominante considerava que um material era resistente à corrosão se resistia ao mais popular e conhecido dos ácidos inorgânicos: o ácido sulfúrico. Esse fato e a incapacidade das aciarias daquela época de reduzir a quantidade de carbono (C) fizeram abandonar, durante muitos anos, o estudo destas ligas.

1. Os diferentes tipos de aços inoxidáveis

1. Martensíticos: Nos aços inoxidáveis martensíticos (figura 6) o carbono está em uma determinada concentração que permite a transformação de ferrita em austenita em altas temperaturas. Durante o resfriamento, a austenita se transforma em martensita.

A martensita é uma fase rica em carbono, frágil e muito dura. Esses aços são fabricados e vendidos pela indústria siderúrgica no estado recozido, com estrutura ferrítica, baixa dureza e boa ductilidade. Somente depois de um tratamento térmico de têmpera, terão uma estrutura martensítica sendo muito duros e pouco dúcteis. Mas nestas condições (temperados) é que serão resistentes à corrosão. Entre os aços inoxidáveis martensíticos, o mais conhecido é o aço 420, com pouco mais de 12% de Cr e aproximadamente 0,35% de C.

1. Os ferríticos: os aços inoxidáveis ferríticos (também na figura 6) contêm, em geral, uma quantidade de cromo superior a dos martensíticos. Isso melhora a resistência à corrosão, mas em parte sacrifica outras propriedades, como a resistência ao impacto. O mais popular dos aços ferríticos é o 430. Com cromo superior a 16%, é um material com ótima resistência à corrosão. Sua capacidade de estampagem também é boa, mas estampagens muito profundas não podem ser conseguidas com esse tipo de aço.

A adição de níquel como elemento de liga, em determinadas quantidades, permite transformar a estrutura ferrítica em austenítica e isso tem como conseqüência uma grande mudança em muitas propriedades.

1. Os austeníticos: dos quais o 304 (18%Cr-8%Ni) é o mais popular, têm excelente resistência à corrosão, excelente ductilidade (existe aqui uma grande mudança nas propriedades mecânicas se os comparamos com os ferríticos) e excelente soldabilidade.

Os inoxidáveis austeníticos são utilizados em aplicações em temperatura ambiente, em altas temperaturas (até 1.150º C) e em baixíssimas temperaturas (condições criogênicas), uma série de alternativas que dificilmente são conseguidas com outros materiais.

1. O aço inox 304: O aço 304 é um material com grandes possibilidades em suas aplicações, a tal ponto que podemos encontrá-lo em nossas casas (em um garfo ou em uma panela, por exemplo) e também na indústria, em aplicações de grande responsabilidade. Dependendo do meio ambiente, o 304 não é o austenítico mais utilizado. Um dos problemas enfrentado pelo 304 (e o mesmo ocorre com outros aços inoxidáveis) é o da ação corrosiva provocada pelo ânion cloreto, Cl(-). Dependendo da concentração de cloretos no meio, da temperatura e do pH, três formas de corrosão podem ocorrer: por pites, por frestas e sob tensão. Dessas três formas de corrosão, os ferríticos também são propensos às duas primeiras e podemos dizer que, em geral, os austeníticos possuem melhor resistência que os ferríticos às corrosões por pites e em frestas (devido à ação do níquel, que favorece a repassivação do material nas regiões onde o filme passivo foi quebrado por estas formas de corrosão). A adição de molibdênio (cerca de 2%) transforma o 304 no aço inoxidável 316, um material muito mais resistente à corrosão por pites e por frestas. Podemos mencionar, como exemplo, que o 304 é recomendado para trabalhar, em temperatura ambiente, com águas que contêm, no máximo, 200 ppm (partes por milhão) de cloreto.

O 316, nas mesmas condições, é recomendado em águas que contenham até 800 ppm de cloreto. Se a quantidade de cloreto é mais alta (ou mesmo sendo mais baixa, se a temperatura é mais elevada ou se o meio possui características ácidas), adições maiores de molibdênio são necessárias, como é o caso do aço 317.