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LA PROTECTI ON CATHODI QUE

ENSPM – MIC 28/10/2009

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Chapitre 1 GENERALITES SUR LA CORROSION Chapitre

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ANALYSE DES SOLS Chapitre 3 LA PROTECTION CATHODIQUE Chapitre

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SEUIL D'IMMUNITE Chapitre 5 MAINTENANCE ET SUIVI

ENSPM – MIC

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Chapitre 1 GENERALITES SUR LA CORROSION

La corrosion est le phénomène de dégradation des métaux et alliages par le milieu dans lequel il se trouve placé.

La corrosion est donc la détérioration d’un métal causée par une réaction avec son milieu environnant, qui entraîne un échange d’ions ou d’électrons entre le métal et le milieu conducteur comme par exemple le sol ou l'eau.

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La corrosion est l’oxydation électrochimique d'un métal suivant la réaction. Pour l'acier : Fe  Fe2+ + 2e-

Ces réactions sont couplées à une réaction de réduction (c'est le "moteur" de la corrosion) pour consommer les électrons. En milieu naturel ces moteurs sont l’eau et l’oxygène :

l'eau : 2H++ 2e-  H2 2H2 O + 2e-  H2 + 2OH-

en milieu acide en milieu alcalin

H2O

O2

 l'oxygène : O2 + 4H+ + 4e-  2H2 O ou O2 + 2H2O + 4e-  4OH-

O2 O2 O 2 O 2 O O2 O2 O 22 O + 2H O + 4e 4OHO 22 + 2H22O + 4e4OH O2

e+ e+

Fe

2+

O2 O2

e+ e+

Fe

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La quantité de courant qui traverse une pile est proportionnelle à la quantité de métal qui se corrode.

Electrolyte

 e F

F

e

2+

+

2

e-

O

2

Courant

+

2H

2

Ions

Ions

O

+

4e -



4O H

+

Anode Courant

Métal

-

Cathode

e-

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corrosion par piles galvaniques : (Hétérogénéité dans la constitution de l’ouvrage métallique enterrée ou immergée)

Hétérogénéité des métaux

Acier

Fonte

zone de corrosion

Exemple : si l’on établit un contact entre : - Acier et cuivre : il y a corrosion de l’acier - Acier et aluminium : il y a corrosion de l’aluminium - Acier et plomb : il y a corrosion de l’acier - Acier et acier galvanisé : il y a corrosion de l ‘acier galvanisé

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corrosion par piles galvaniques : (Hétérogénéité dans la constitution de l’ouvrage métallique enterrée ou immergée)

Hétérogénéité des métaux Acier

Fonte

zone de corrosion

Potentiel de différents matériaux dans le sol Charbon, coke, graphite Cuivre, laiton et bronze Fonte Acier doux rouillé Acier doux propre Aluminium Zinc Magnésium

+0.3 -0.2 -0.2 -0.2 à -0.5 -0.5 à -0.8 -1.0 -1.1 -1.6

Ces valeurs sont exprimées en volts par rapport à une électrode de référence Cu/CuSO4 ENSPM – MIC

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corrosion par piles galvaniques : (Hétérogénéité dans la constitution de l’ouvrage métallique enterrée ou immergée)

Hétérogénéité des surfaces

Vieux pipe

Pipe neuf

Vieux pipe

corrosion biologique : Certains milieux faiblement aérés comme les argiles, les vases… peuvent conduire à des corrosions dites bactériennes. Ces groupes de bactéries appelés bactéries sulfato-réductrices que l'on peut trouver dans les sols et eaux naturelles, actives seulement dans des conditions de pH proches de la neutralité et en l'absence d'oxygène. Elles réduisent les sulfates se trouvant dans leur environnement produisant des sulfures, et accélèrent la corrosion de la structure.

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corrosion par piles géologiques : (Hétérogénéité du milieu conducteur : électrolyte, sol)

Une pile peut également être constituée en immergeant deux échantillons d’un même métal, dans un électrolyte présentant des différences de concentration en sels.

Argile Acier

Sable Acier

zone de corrosion

Une canalisation enterrée peut donc être le siège d’une corrosion électrochimique par suite de la nature différente des sols ou de leurs aérations différentes. ENSPM – MIC

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corrosion par aération différentielle :

Surface du sol Sol bien aéré

Pipe

Sol humide peu ou pas aéré

La corrosion par aération différentielle se traduit par un accroissement de la corrosion dans les zones les moins aérées.

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Cas particuliers de corrosions électrochimiques par effets d'interactions

Effets électriques : Les courants industriels appelés communément courants vagabonds engendrent des phénomènes de corrosions électrochimiques dont les effets sont généralement très rapides. caténaire locomotive

sous-station SNCF courant de traction

+ -

rail

+++++

pipeline en acier zone de corrosion

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Protection contre les courants vagabonds par drainage de courant. Quelquefois le drainage de courant n’est pas suffisant pour obtenir le potentiel de protection cathodique de la canalisation. Dans ce cas il faut lui associer un dispositif de protection par soutirage de courant. caténaire locomotive

courant de traction

sous-station

+ -

rail

+++++++

pipeline en acier

----appareil de drainage polarisé

zone de corrosion lorsque le drainage polarisé n'est pas installé

PROTECTION PAR DRAINAGE DE COURANT ENSPM – MIC

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Chapitre

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ANALYSE DES SOLS

AGRESSIVITE DES TERRAINS

La conductivité du milieu ambiant joue un rôle déterminant dans le processus de corrosion. On sait que toute corrosion électrochimique met en jeu la circulation de courants électriques entre des zones anodiques et cathodiques plus ou moins grandes et rapprochées. Une forte conductivité augmente l’intensité de ces courants et favorise le processus électrochimique. L’agressivité d’un terrain est donc caractérisée par sa résistivité électrique moyenne en ohm/m.

En ce qui concerne les canalisations en acier, l’agressivité des sols est définie comme suit : - 0 à 20 Ohms/mètre : - 20 à 50 Ohms/mètre : - 50 à 100 Ohms/mètre : - au-dessus de 100 Ohms/mètre : ENSPM – MIC

importante mitigée douteuse négligeable 13

Chapitre 3 LA PROTECTION CATHODIQUE PRINCIPE GENERAUX

Au contact du sol, milieu électrolytique, l'acier peut être soumis à des phénomènes de corrosion électrochimique. Une première protection contre la corrosion est assurée par le revêtement externe du pipeline qui constitue une protection passive. Le revêtement externe ne pouvant être un isolant électrique parfait, il est nécessaire d'appliquer en plus une protection dite active, la protection cathodique, pour pallier les insuffisances du revêtement. La protection cathodique consiste à amener par des moyens extérieurs et artificiels l'ensemble de la surface du métal en contact avec le milieu environnant à un potentiel suffisamment négatif pour que la corrosion du métal devienne négligeable.

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Potentiel (V) par rapport à l'électrode à hydrogène

Diagramme de POURBAIX

-1.6

Comme valeur de potentiel, au-dessous duquel l'acier ne peut se corroder dans un milieu ayant un pH compris entre 4 et 9, on admet le critère de - 850mV, mesuré par rapport à l'électrode impolarisable au sulfate de cuivre en solution saturée (Cu/CuSO4) en contact avec le milieu situé au voisinage immédiat du métal.

-1.2 0.8

PASSIVATION

0.4 0 CORROSION -0.4 -0.8 IMMUNITE

-1.2 -1.6

Ce potentiel correspond à – 530 mV par rapport à une électrode à hydrogène.

0

2

4

6

8

10

12

14

Ph

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Deux solutions sont possibles : soit de constituer une pile à l'aide d'un métal plus électronégatif que l'acier (aluminium, magnésium ou zinc) : c'est la protection par anode sacrificielle.

soit l'on impose une tension entre la conduite et un autre métal qui va jouer le rôle d’anode. La tension imposée doit être suffisante pour placer l’acier dans son domaine de protection en tout point : c'est le soutirage de courant. protection par anode sacrificielle. Principe : on crée un couple galvanique dont la conduite sera la cathode de la pile et l'anode un métal choisi pour son potentiel plus électronégatif (magnésium, aluminium, zinc). La protection par anode sacrificielle se fait lorsque des courants relativement petits sont nécessaires. Les anodes sacrificielles employées pour protéger les conduites de faibles longueurs et disposant d’un revêtement de qualité.

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Le magnésium est le métal le plus utilisé dans les anodes sacrificielles car c'est celui qui a le potentiel le plus électronégatif (-1700 mV pour le haut potentiel). Son utilisation est courante dans les sols plus résistants. A l’opposé, le zinc est plutôt employé dans des sols peu résistifs (potentiel de – 1100 mV). V

voltmètre de contrôle du potentiel

+ -

anodes sacrificielles au magnésium

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électrode de référence à poste fixe

canalisations protégées cathodiquement

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Protection par anode sacrificielle: exemple de réalisation (Gaz de France) 80 kms de conduite acier revêtus - Diam 100 à 500 mm - S à protéger = 104.000m2 dont 1/3 en terrain marécageux Protection assurée par 20 anodes magnésium (347 kg): •2 anodes de 8kg •17 de 17,5kg •1 de 32,5 kg pour traversée de rivière Métal à –925 mv en moyenne (Cu/CuSO4)

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Protection par anode sacrificielle: applications classiques •Ouvrages immergés (plate-formes de forage, sea-lines) •Capacités enterrées (cuves d’HC des stations services,citernes fuel domestique,…) •Protection interne ou externe des réservoirs métalliques (pour assurer la protection les anodes doivent etre immergées dans un milieu conducteur homogène •Conduites enterrées de faible longueur •Protection de conduites offshore sur plusieurs kms

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Protection par soutirage de courant (ou courant imposé) Principe : La protection cathodique par courant imposé permet d'atteindre les mêmes résultats en employant une source externe de courant. Le câble positif est relié aux anodes et le câble négatif est relié à la conduite (cathode). - les anodes : il existe des anodes composées de toutes sortes de matériaux, graphite, ferro/silicium/chrome, fer, niobium/platine, etc... Les anodes drainent du courant vers la structure à protéger. Elles sont calculées pour une durée de vie de 20 à 50 ans.

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AC

GENERATEUR DE COURANT CONTINU

V

+

Déversoir

anodes

-

électrode de référence à poste fixe

voltmètre de contrôle du potentiel

+ -

canalisations protégées cathodiquement

L'avantage d'un système de protection cathodique par courant imposé c'est qu'il permet de suivre la demande de courant et d'apporter le courant suffisant et nécessaire à la conduite pour la protéger. ENSPM – MIC

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Protection par soutirage de courant Anodes dans cuvelage –Protection d’un réservoir

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Protection par soutirage de courant Domaines d’application

S’emploie chaque fois que l’intensité nécessaire à la protection est importante et que la portée demandée est élevée: •Conduites immergées ou enterrées revêtues de quelques kms : par exemple canalisation acier de 300 kms de diam 300mm, protégée par 6 postes de soutirage

•Casings de forage •Structures marines importantes (appontements, quais métalliques,plates-formes pétrolières, coques de navires,..) •Réservoirs de stockage de grandes dimensions •Ouvrages concentrés (stations de pompage ou de compression, terminaux,…) •…..

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Protection par drainage Courants vagabonds = courants électriques qui utilisent, pour revenir à leur source, des structures dans lesquelles ils ne devraient pas circuler. Se rencontre principalement dans le cas de V.F électrifiées. La protection par drainage qui consiste à canaliser ces courants vers leur source est la plus utilisée pour se protéger des effets corrosifs de ces courants Il est rarement possible d’intervenir sur les entrées de courants vagabonds dans une structure. C’est donc au niveau de la sortie de ces courants que l-on agit. Pour cela on établit une liaison polarisée (diode) entre la conduite et le rail, avec régulation 24

Cas particuliers de corrosions électrochimiques par effets d'interactions

Effets électriques : Les courants industriels appelés communément courants vagabonds engendrent des phénomènes de corrosions électrochimiques dont les effets sont généralement très rapides. caténaire locomotive

sous-station SNCF courant de traction

+ -

rail

+++++ Drainage

pipeline en acier zone de corrosion

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Les prises de potentiels Permettent d’assurer un contrôle périodique de l’installation protégée. Points choisis plusieurs critères: •Accessibilité (bordure de route) •Résistivité du sol (un sol peu résistant est + agressif et la conduite aura besoin d’une surveillance accrue •Traversées de rivière •Croisement avec d’autres conduites •Passage sous gaine métallique (1 prise sur la conduite + 1 sur la gaine) •Passage sous ouvrage béton, etc…. ENSPM – MIC

En l’absence de points particuliers: distance moyenne entre 2 26 prises de potentiel = 3 km

Dimensionnement d'un système de protection cathodique Le choix du système de protection cathodique dépend de plusieurs critères dont le premier est de connaître le besoin en courant de protection cathodique pour que le seuil de protection soit atteint. Une des solutions est de mesurer la quantité de courant nécessaire. Cette solution n'est possible qu'avec des structures déjà installées. Il suffit de réaliser un système de protection cathodique provisoire et d'en déduire le besoin en courant. L'autre solution consiste à estimer par le calcul les besoins en courant de protection cathodique des structures à protéger. Il y a lieu de connaître tous les paramètres des structures à protéger avec notamment les surfaces totales à protéger, la nature du revêtement, les milieux dans lesquels se trouvent les structures, les influences extérieures, l'environnement …

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Chapitre

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SEUIL D'IMMUNITE

Le contrôle de la protection cathodique est fondamental pour vérifier l'efficacité du système.

Le critère de protection, imposé par les normes, indique que la conduite doit avoir un : "potentiel inférieur à - 850 mV en OFF par rapport à une électrode de référence en cuivre/sulfate de cuivre". « Potentiel OFF » signifie que le potentiel pris en compte pour le critère de protection ne doit pas inclure la chute ohmique dans le circuit du au passage du courant dans le sol, qui a une certaine résistivité. La mesure consiste à prendre le potentiel juste après avoir coupé le courant (le courant I étant nul, la composante RxI = 0)

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Gradient de potentiel IR drop

Potentiel en mV Cu/CuSO4

-1200

Potentiel à la coupure

-1000 Dépolarisation

-800

PC en On

PC en Off

Coupure de la PC 0

500

1000

1500

2000

Temps en millisecondes

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Isolement des canalisations Un dispositif de PC est étudié pour un ouvrage précis. Il est donc nécessaire qu’il soit délimité électriquement pour conserver à la PC toute son efficacité. D’où : raccords isolants, supports isolants , … (cf cours ENSPM)

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Surveillance automatique de la PC Télétransmission : •par ligne PTT •par liaison radio directe •par liason radio à partir d’un avion ou hélicoptère •par utilisation de la conduite enterrée comme support de transmission •acoustique dans les milieux aquatiques Chaque poste de soutirage est doté d’un code et d’un émetteur. Il émet régulièrement .L’I du courant de soutirage ENSPM – MIC est surveillée par rapport à une consigne

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Chapitre 5 MAINTENANCE ET SUIVI

Contrôles et périodicités : suivant la norme EN 12954 : "Protection cathodique des structures métalliques enterrés ou immergées.

Contrôle de la protection cathodique (au moins 2 fois pas an), comprenant : • la visite des postes de soutirage, • la mesure des potentiels à tous les points de mesure, • le contrôle de l'efficacité des joints isolants, • l'enregistrement des courants vagabonds, • le contrôle des tensions alternatives, • la vérification des contacts tube / gaine. Contrôle des équipements électriques (annuel) : vérification des isolements, vérification de la conformité aux normes électriques.

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