Seus vasos de pressão em serviço de hidrogênio estão realmente seguros ou sofrendo uma degradação irreversível e invisível?
Na engenharia de integridade e segurança de processo, lidamos com muitas ameaças visíveis, como corrosão externa ou vazamentos. No entanto, existe um fenômeno insidioso que ataca a microestrutura do aço carbono em nível atômico, sem dar sinais externos até que seja tarde demais. Estamos falando do Ataque por Hidrogênio em Alta Temperatura (HTHA).
Diferente da fragilização por hidrogênio comum, o HTHA é uma degradação cumulativa e irreversível que pode levar a falhas catastróficas em refinarias e plantas petroquímicas,. Neste artigo, detalhamos o mecanismo químico dessa falha, como utilizar corretamente as Curvas de Nelson (API RP 941) e por que os métodos de inspeção convencionais podem estar deixando sua planta vulnerável.
O Mecanismo da “Bomba de Metano” Microscópica
Para entender o risco, precisamos olhar para dentro da estrutura cristalina do metal. O HTHA ocorre em aços carbono e de baixa liga que operam sob duas condições críticas simultâneas: temperaturas elevadas (geralmente acima de 204°C) e altas pressões parciais de hidrogênio (acima de 50 psia),.
Sob essas condições, o hidrogênio atômico é adsorvido e penetra na microestrutura do aço. Uma vez lá dentro, ele reage com o carbono dissolvido ou com os carbonetos do metal. A reação química resultante forma moléculas de metano (CH4).
O problema crítico de engenharia é físico: a molécula de metano é grande demais para difundir para fora da estrutura do aço. Ela fica presa, acumulando-se em vazios e contornos de grão. Com o tempo, essa pressão interna cria microfissuras que coalescem, levando à fissuração macroscópica e eventual falha do equipamento.
Atenção Técnica: O HTHA se manifesta de duas formas. Em altas temperaturas e baixas pressões parciais, ocorre descaretação superficial (perda de resistência). Em temperaturas mais baixas e altas pressões parciais, formam-se fissuras internas, que são muito mais difíceis de detectar.
Navegando pelas Curvas de Nelson (API RP 941)
A principal ferramenta de defesa do engenheiro contra o HTHA são as Curvas de Nelson, publicadas na prática recomendada API RP 941. Este gráfico plota a temperatura de operação versus a pressão parcial de hidrogênio para definir limites operacionais práticos para diferentes metalurgias,.
Como Interpretar as Curvas
- Abaixo da Curva: Teoricamente, a operação é considerada segura para aquela metalurgia específica e o HTHA não deve ocorrer,.
- Acima da Curva: A operação indica susceptibilidade ao ataque e risco de falha na microestrutura,.
No entanto, as Curvas de Nelson não são uma garantia absoluta “à prova de falhas”. Elas são baseadas em dados empíricos de falhas passadas e testes experimentais. Engenheiros devem aplicar conservadorismo, pois operar “logo abaixo” da curva ainda pode apresentar riscos. Além disso, as curvas atuais ainda não contabilizam a variável tempo de exposição, embora futuras edições da norma possam vir a incluir esse fator.
O Desafio da Pressão Parcial em Líquidos
Um erro comum de cálculo ocorre em correntes que contêm hidrocarbonetos líquidos. Muitos engenheiros subestimam a quantidade de hidrogênio dissolvido. A pressão parcial correta deve ser calculada usando a pressão de vapor do gás em equilíbrio com a corrente líquida, conforme citado na API RP 941. Ignorar isso pode levar a uma subestimação perigosa da pressão parcial real.
Detecção: Por que o Ultrassom Comum Falha?
O aspecto mais assustador do HTHA é que o dano é difícil de diagnosticar nos estágios iniciais. As microfissuras são tão pequenas que técnicas de Ensaios Não Destrutivos (END/NDT) padrão frequentemente não as registram.
Quando o dano se torna detectável por métodos comuns, a integridade do equipamento já pode estar comprometida. Para uma inspeção eficaz, é necessário o uso de técnicas avançadas validadas, tais como:
- TOFD: Time of Flight Diffraction (Difração do Tempo de Percurso).
- PAUT: Phased Array Ultrasonic Testing.
- AUBT: Advanced Ultrasonic Backscatter Technique.
- Análise de Frequência (FFT) e Razão de Velocidade (AVR).
Seleção de Materiais: A Hierarquia de Resistência
A prevenção definitiva começa na fase de projeto, através da seleção correta de materiais. A resistência ao HTHA varia significativamente entre as ligas ferríticas.
A suscetibilidade é maior em aços carbono comuns (especialmente se não tratados termicamente). Para aumentar a resistência, utilizam-se ligas com Cromo e Molibdênio (como 1.25Cr-0.5Mo ou 2.25Cr-1Mo).
Para aplicações críticas onde se busca evitar qualquer risco, os aços inoxidáveis austeníticos (Grupo 8.1 da EN ISO 15608) são a solução recomendada. Eles não sofrem descaretação ou fissuração por metano nessas temperaturas e pressões, sendo considerados adequados para serviços severos de hidrogênio.
Sendo assim, a classificação de suscetibilidade para aços ferríticos — ordenada do mais suscetível (menor resistência) para o menos suscetível (maior resistência) — é a seguinte:
1. Aço Carbono sem PWHT (Não submetido a Tratamento Térmico Pós-Soldagem) – Maior Risco
2. Aço Carbono Não-Soldado ou com PWHT
3. C-0.5Mo (Carbono-Molibdênio)
4. Mn-0.5Mo (Manganês-Molibdênio)
5. 1Cr-0.5Mo
6. 1.25Cr-0.5Mo (Grau P/T11)
7. 2.25Cr-1Mo (Grau P/T22)
8. 2.25Cr-1Mo-V (Com adição de Vanádio)
9. 3Cr-1Mo (Grau P/T21)
10. 5Cr-0.5Mo – Menor Risco entre os listados
Conclusão
O Ataque por Hidrogênio em Alta Temperatura é uma ameaça que não perdoa negligência. O dano é cumulativo e irreversível. Para garantir a segurança da planta, engenheiros devem manter um inventário rigoroso dos equipamentos em serviço de hidrogênio, calcular as pressões parciais com precisão e utilizar técnicas de inspeção avançadas se operarem próximos às Curvas de Nelson.
Sistemas existentes em risco devem ser submetidos a escrutínio elevado, enquanto novos projetos devem utilizar as curvas para selecionar metalurgias que eliminem o risco desde o início.
Referências
Site: High Temperature Hydrogen Attack (HTHA) for steels. Acesso em 25/01/2026.