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LES UTILITÉS



PROTECTION CATHODIQUE










MANUEL DE FORMATION
COURS EXP-PR-UT120-FR

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La Protection Cathodique



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UTILITÉS


PROTECTION CATHODIQUE


SOMMAIRE


1. OBJECTIFS .....................................................................................................................4
2. PRÉAMBULE...................................................................................................................5
3. MÉCANISMES DE CORROSION....................................................................................6

3.1. APPROCHE ÉLECTROCHIMIQUE DE LA CORROSION........................................6
3.1.1. Réactions de corrosion......................................................................................6
3.1.2. Piles de corrosion..............................................................................................8

3.1.2.1. Que se passe-t-il ? .......................................................................................9
3.1.2.2. Réaction galvanique...................................................................................11

3.2. ÉCHELLES DE POTENTIEL...................................................................................14
3.2.1. Échelles de potentiel d’oxydoréduction ...........................................................14
3.2.2. Échelle de potentiel libre .................................................................................17

3.3. PHÉNOMÈNE DE PASSIVATION, RUPTURE DE PASSIVITÉ..............................18
3.3.1. Formation d’une couche protectrice ou d’un film passif...................................18

3.3.1.1. Corrosion de l’acier dans de l’eau saturée en CO2 ....................................18
3.3.1.2. Corrosion du cuivre dans de l’eau de mer..................................................18
3.3.1.3. Corrosion de l’acier dans l’eau aérée.........................................................19
3.3.1.4. Aciers inoxydables .....................................................................................21

3.3.2. Rupture de passivité........................................................................................22
3.4. LA PILE ÉLECTROCHIMIQUE SUR SITE..............................................................23

3.4.1. Analogie entre pile électrochimique et tuyau ...................................................23
3.4.2. La corrosion galvanique sur site......................................................................24

3.4.2.1. La pile électrochimique acier......................................................................24
3.4.2.2. Pile chimique entre 2 métaux différents .....................................................25

3.5. CORROSION BIMÉTALLIQUE ...............................................................................28
3.5.1. Conditions nécessaires pour la corrosion bimétallique....................................28

3.5.1.1. Électrolyte ..................................................................................................28
3.5.1.2. Connexion électrique .................................................................................28
3.5.1.3. Différence de potentiel ...............................................................................28
3.5.1.4. Réaction cathodique ..................................................................................28

3.5.2. Facteurs qui affectent la vitesse de corrosion .................................................29
3.5.2.1. Potentiel d’électrode...................................................................................29
3.5.2.2. Rendement des électrodes ........................................................................31
3.5.2.3. Potentiel variable........................................................................................31
3.5.2.4. Électrolyte ..................................................................................................32
3.5.2.5. Rapport de surface.....................................................................................33

4. SOLUTION À LA CORROSION GALVANIQUE ............................................................36
4.1. PROTECTION MÉCANIQUE ..................................................................................36
4.2. PRINCIPE DE LA PROTECTION CATHODIQUE...................................................36

4.2.1. Les grands principes de la protection cathodique (P.C.) .................................36
4.2.2. Critère d’évaluation ou de détermination de l’efficacité de la P.C....................37

4.2.2.1. Tensions de référence ...............................................................................38
4.2.2.2. Densité de courant .....................................................................................38

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d’où


−− +⇔+ eClHgClHg 222
)8(22


qui est le couple redox : HgClHg /

)8(22

Le potentiel d’électrode ne dépend que de la concentration en ions chlorure (concentration
en K Cl)

Le potentiel de l’électrode saturée de Calomel (comparée à l’hydrogène) est E = 0,246V

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4.3. LES DIFFÉRENTES CONFIGURATIONS SUR SITE

Il existe 2 méthodes assez différentes pour mener à bien la protection cathodique, que l’on
appelle systèmes à anode consommable et à courant imposé. Ces méthodes peuvent
être employées à terre et en mer.


4.3.1. Protection en mer





Figure 22 : Schéma de protection cathodique de plate-forme en mer

Chaque méthode peut être employée sur une installation en mer et sur tous types de
plates-formes, à enveloppe d’acier ou de béton, les supports de forage et leurs structures
guide-tube étant alors également à protéger. Les 2 méthodes sont présentées ci-dessus :

La figure (a) présente une structure en mer sans protection. Des myriades de piles
marines se forment à la surface de la structure, créant des boucles de courant qui circule
dans l’eau de mer de la zone positive anodique, à la zone cathodique négative.

La figure (b) présente le principe des anodes solubles

La figure (c) présente la méthode du courant imposé.

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16. Le besoin total en courant


I = (500 x 0,090) + (10000 x 0,060) + (400 x 0,030) I = 657 A



17. La masse d'anode à installer pour assurer la protection pendant la durée de vie prévue


Masse consommée pendant 20 ans = (657 x 3,4 x 20) / 0,9 = 49640 kg
Masse anodique à installer = 49640 / 0,85 = 58400 kg


18. Le nombre d'anodes


N = 58400 / 90 soit 649 anodes.

Remarque Le calcul complet nécessite ensuite de vérifier que le débit de chaque
anode, compte tenu de la résistance de celle-ci dans le milieu (ici eau de mer de
résistivité ρ = 30 Ω.cm) permet d'abaisser effectivement le potentiel de la structure
sous le seuil d'immunité, soit -0,8 V / Ag-Ag-Cl.

Résistance d'anode : R= (ρ/2πL)[ln(4L/r) - 1] avec :
L : longueur de l'anode = 2,50 m
r : rayon extérieur de l'anode = 7 cm (en début de vie)

On trouve ici R = 0,076 Ω

Débit individuel de chaque anode : i = 657 / 649 = 1,012 A

Dans le circuit électrique structure - anode - électrolyte, le potentiel de la structure
Es après polarisation peut être évalué par la formule : Es = Ea + Ri avec Ea =
potentiel de l'anode, ici -1,05 V/Ag-AgCl (on néglige la résistance de la connexion
structure - anode).

Donc : Es = -1,05 + 0,076 x 1,012 = -0,973 V

Es est inférieur au seuil de -0,8 V/Ag-AgCl, le dimensionnement est satisfaisant.

Note : le même calcul, effectué en fin de vie des anodes (r = 3 cm), conduit à Es = -
0,957 V


19. Le besoin total en courant


Surface à protéger = 0,3239 x 3.14 x 60000 = 61023 m2
Besoin total en courant = 61023 x 0,05.10

-3
= 3,05 A

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20. La tension nécessaire à chaque poste pour fournir le courant de protection, en
considérant que la résistance du circuit structure - électrolyte - déversoir est de 5 Ω


Intensité débitée I = 3,05 / 2 = 1,52 A
Résistance du circuit = 5 ohms
Tension : U = 5 x 1,52 = 7,6 V




21. La puissance délivrée par chaque poste de soutirage


P = U x I = 7,6 x 1,52 = 11,6 watts

22. La masse anodique à installer pour assurer une durée de vie de 25 ans


M = 0,5 x 1,52 x 25 = 19 kg

Ce qui, si on utilise des anodes cylindriques de 13 kg (L = 150 cm, D = 4 cm),
correspondrait à la mise en place de 2 anodes.

En fait, on installera plus d'anodes (montage en parallèle) afin d'obtenir une
résistance du déversoir anodique / sol la plus faible possible, afin de limiter pour
une intensité donnée, la puissance du poste de soutirage.


23. Le besoin total en courant


61023 x 0,030 = 1830 A soit 915 A par poste


24. La tension nécessaire à chaque poste pour fournir le courant de protection, en
considérant que la résistance du circuit structure - électrolyte - déversoir est de 5 Ω


U = 915 x 5 = 4575 v


25. La puissance délivrée par chaque poste de soutirage


P = 4575 x 915 = 4186125 watts

Ces chiffres démesurés montrent l'impossibilité de réaliser la protection

cathodique d'un tel pipeline.

La présence d'un revêtement est donc indispensable

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