Cours de protectioncathodique4. ConceptionMarcel ROCHE
Cours protection cathodique M.Roche 2Généralités et critères de choixAnode galvanique Système à courant imposéInstallation...
Cours protection cathodique M.Roche 3Systèmes énergisés par courant imposéTransformateur -Redresseuralimentation en 220VCâ...
Cours protection cathodique M.Roche 4Protection par anodes galvaniquesPointdemesureCâblesdecuivre16 mm²Anode en magnésiumo...
Cours protection cathodique M.Roche 5Dimensionnement de la protection cathodique• La conception du système de protectionca...
Cours protection cathodique M.Roche 6Dimensionnement de la protection cathodiqueLe courant de protection à fournir peut se...
Cours protection cathodique M.Roche 7Dimensionnement de la protection cathodiqueLa durée de vie souhaitée du système est à...
Cours protection cathodique M.Roche 8La géométrie de l’ensemble masse anodique – backfill està définir :La résistance de l...
Cours protection cathodique M.Roche 9Dimensionnement de la protection cathodique• Exemple de la conception en offshore :- ...
Cours protection cathodique M.Roche 10Mise en œuvre des systèmes de protection• Courant imposé :- type et caractéristiques...
Cours protection cathodique M.Roche 11Choix des alliages sacrificiels• Magnésium- potentiel très négatif (polarisation rap...
Cours protection cathodique M.Roche 12Protection par anodes galvaniquesCaractéristiques d’anodes galvaniques typiques àtem...
Cours protection cathodique M.Roche 13Coût comparatif des anodes (fourniture)Matériau Al Zn MgCoût (€/kg) 3 2,3 7,6Consomm...
Cours protection cathodique M.Roche 14Dimensionnement de la protection cathodique• calcul de la masse totale danodes Mt à ...
Cours protection cathodique M.Roche 15Dimensionnement de la protection cathodique• Ce type de calcul considère que la rési...
Cours protection cathodique M.Roche 16Dimensionnement de la protection cathodique• On doit vérifier que le potentiel Ec de...
Cours protection cathodique M.Roche 17Dimensionnement de la protection cathodique
Cours protection cathodique M.Roche 18Dimensionnement de la protection cathodique• Il sest avéré néanmoins utile de cherch...
Cours protection cathodique M.Roche 19Dimensionnement de la protection cathodique• PROCOR a été développé par le CETIM à p...
Cours protection cathodique M.Roche 20Dimensionnement de la protection cathodique• Entrée des données géométriques par pré...
Cours protection cathodique M.Roche 21Dimensionnement de la protection cathodique
Cours protection cathodique M.Roche 22Dimensionnement de la protection cathodiqueTemps (jours)Nœud à -56 m-900-850-800-750...
Cours protection cathodique M.Roche 23Dimensionnement de la protection cathodique
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  1. 1. Cours de protectioncathodique4. ConceptionMarcel ROCHE
  2. 2. Cours protection cathodique M.Roche 2Généralités et critères de choixAnode galvanique Système à courant imposéInstallation simple complexeSource d’énergie non nécessaire indispensableDistribution du courant sur lastructureHomogène compte tenu du champdaction dune anodesouvent hétérogèneDimension de la struc ture à protéger importante surcharge en poids pourdes structures de grandes dimensions,inadapté pour des grandes longueursGrandes dimensions, grandeslongueursInfluence de la résistivité du milieu non envisageable si résistivité tropgrandeaucune dif ficultéDébit par anodes faible élevéNombre d’anodes important faibleFlexibilité dans les conditions defonctionnement en particuliervariation de la demande en courantaucune grandeRisque de surprotection quasi nul sauf dans le cas d’anodes demagn ésiumpossibleInterférences avec d’autresstructuresfaible Influence forte possibleRisques humains non possibleSurveillance / maintenance faible surveillance régulière etnécessitant des techniciensspécialisés
  3. 3. Cours protection cathodique M.Roche 3Systèmes énergisés par courant imposéTransformateur -Redresseuralimentation en 220VCâblesdecuivre16 mm²D > 50mLe backfill diminue larésistivité du milieuautour de l’anodeDéversoir composé de- vieux rails- ferro silicium- graphite- magnétite- titane + métaux précieux
  4. 4. Cours protection cathodique M.Roche 4Protection par anodes galvaniquesPointdemesureCâblesdecuivre16 mm²Anode en magnésiumou en zincLe backfill diminue larésistivité du milieuautour de l’anode5 mA < I < 20 mAsol < 50 Ohm.mdistance anode/canalisation >3 m
  5. 5. Cours protection cathodique M.Roche 5Dimensionnement de la protection cathodique• La conception du système de protectioncathodique définissant le nombre, lamasse, les dimensions et la répartitiondes anodes doit être faite pour assurer lerespect du critère de potentiel retenu entout point pendant la duré de vie de calcul• La conception est faite de façon généraleà laide dune méthode simplifiéefacilement mise en œuvre
  6. 6. Cours protection cathodique M.Roche 6Dimensionnement de la protection cathodiqueLe courant de protection à fournir peut se déterminer :- par un essai sur site- en adoptant les valeurs de densités de courant suivantesProtection par soutirage : Canalisation acier revêtue PE ou Epoxy :0,1 mA/m²Canalisation acier à revêtement bitumineux : 0,4mA/m²Protection par anodes sacrificielles: Canalisation acier revêtue PE ou Epoxy :0,05 mA/m²Canalisation acier à revêtement bitumineux : 0,1mA/m²La différence de densité suivant la nature des sources s’explique par lameilleure répartition des courants avec les anodes sacrificielles.- par logiciel de calcul ( PROCOR)
  7. 7. Cours protection cathodique M.Roche 7Dimensionnement de la protection cathodiqueLa durée de vie souhaitée du système est à calculer(vérifier si elle convient aux objectifs fixés) :Déversoir de soutirageSa durée de vie est calculée sur la base des données deconsommation du matériau et en prenant un coefficient de sécurité (généralement égal à 2), pour une durée de 15 à 20 ansAnodes sacrificiellesElle est calculée sur la base de l’intensité fournie par l’anode, combinéavec le rendement électrochimique.Connaissant la masse d’une anode, on en déduit le nombre minimumd’anodes.
  8. 8. Cours protection cathodique M.Roche 8La géométrie de l’ensemble masse anodique – backfill està définir :La résistance de la masse anodique va dépendre :- de sa forme- du nombre et de l’espacement de ses différents éléments- de la résistivité du milieuSon calcul est toujours plus ou moins empirique. Il se base sur des formulesde calcul de résistance de prise de terre pour des masses anodiques degéométrie et de position donnée•Application de formules de calcul (exemple : formule de DWIGHT)Pour un rondin posé horizontalementPour n rondins...)²16²224ln4(ln..4+−+−+=LhLhhLaLLRtπρnRtKRo .=K : facteur de couplagen : nombre de railsDimensionnement de la protection cathodique
  9. 9. Cours protection cathodique M.Roche 9Dimensionnement de la protection cathodique• Exemple de la conception en offshore :- estimation du "besoin en courant initial" I0 dechacune des surfaces S à protéger à partir de ladensité de courant de protection initiale j0 etéventuellement du coefficient de dégradation initialdu revêtement x0 :I0 = j0.S.x0- idem pour les conditions de "maintien" de laprotection après obtention du niveau de polarisationdéquilibre (effet du dépôt calco-magnésien) :Im = jm.S.xm
  10. 10. Cours protection cathodique M.Roche 10Mise en œuvre des systèmes de protection• Courant imposé :- type et caractéristiques (I, V) de la source de courant- type des anodes (Ti ou Nb platiné)- dimensions, nombre et répartition des anodes- dimensions des câbles électriques• Anodes sacrificielles :- type d’alliage sacrificiel- dimensions, nombre et répartition des anodes• Installation• Monitoring• Contrôles périodiques
  11. 11. Cours protection cathodique M.Roche 11Choix des alliages sacrificiels• Magnésium- potentiel très négatif (polarisation rapide, forte portée)- faible durée de vie (protection temporaire)- le plus coûteux• Zinc- fiable en toutes conditions jusqu’à 60°C (très sûr enenterré, en faible débit initial, sur structures revêtues)- peu fiable à température élevée• Aluminium- le moins coûteux- léger- actif à chaud (mais faible rendement)
  12. 12. Cours protection cathodique M.Roche 12Protection par anodes galvaniquesCaractéristiques d’anodes galvaniques typiques àtempérature ambianteNature delalliageEnergiemassiquepratiqueAh/kgPotentielmV vsAg/AgCl/eaude merTaux deconsommationkg/A.anAl-In 2660 -1100 3,3Zn 760 à 780 -950 à -1030 11,2 à -11,5Mg 1230 -1500 7,1
  13. 13. Cours protection cathodique M.Roche 13Coût comparatif des anodes (fourniture)Matériau Al Zn MgCoût (€/kg) 3 2,3 7,6Consommation(Kg /A.an)3,5 11,2 7,7Coût de revient(€/A.an)10,5 25,8 58,5Ratio coûts 1 2,5 5,6
  14. 14. Cours protection cathodique M.Roche 14Dimensionnement de la protection cathodique• calcul de la masse totale danodes Mt à installerà partir du courant de "maintien", de la duréede vie de calcul D, de la consommationmassique pratique du matériau des anodes met du facteur dutilisation de celles-ci : u : Mt =D. Im . m /u• calcul du nombre n, de la masse unitaire M (Mt= nM) et des dimensions des anodes (à partirdes conditions initiales, généralementdéterminantes), par lintermédiaire de la notionde "résistance danode" et de la loi dOhm
  15. 15. Cours protection cathodique M.Roche 15Dimensionnement de la protection cathodique• Ce type de calcul considère que la résistance delélectrolyte entre une anode et la structureprotégée dépend uniquement des dimensions delanode, la cathode étant considérée à linfini et ladensité de courant anodique étant prédominante.• Des formules semi-empiriques, comprenant larésistivité ρ du milieu, sont utilisées pour calculerla "résistance danode"; Pour les anodeslongiformes (longueur L, rayon équivalent r)utilisées sur structures tubulaires, on utilise unedes formules de Dwight :R = ρ /2πL [ln(4L/r)-1]
  16. 16. Cours protection cathodique M.Roche 16Dimensionnement de la protection cathodique• On doit vérifier que le potentiel Ec de louvrage esttoujours plus négatif que le seuil de protectionaccepté, ceci notamment pour les conditionsinitiales :Ec = Ea + Riavec i = Im /n et Ea potentiel "en charge" de lanode.• Loptimisation de cette conception est un soucipermanent pour réduire les coûts sans prendre derisque au niveau de la maintenance en service• Elle est essentiellement basée sur le retourdexpérience et la mise à profit des échecs
  17. 17. Cours protection cathodique M.Roche 17Dimensionnement de la protection cathodique
  18. 18. Cours protection cathodique M.Roche 18Dimensionnement de la protection cathodique• Il sest avéré néanmoins utile de chercher àmieux se rapprocher de la réalité pour les casles plus complexes en se basant sur léquationde Laplace qui régit le champ électrique danslélectrolyte :∇ϕ(x) = ∑[∂2ϕ / ∂x2] (x) = 0• Des logiciels de modélisation tridimensionnellebasés sur les éléments finis ou les équationsintégrales de surface se sont développés audébut des années 80 sur ce principe
  19. 19. Cours protection cathodique M.Roche 19Dimensionnement de la protection cathodique• PROCOR a été développé par le CETIM à partir deson logiciel de thermique CASTOR-TH3D, encollaboration avec IFREMER, Elf Aquitaine, DGA• Utilisation des équations intégrales de surfaceavec algorithme reconnu efficace• Modélisation surfacique ou tubulaire, prise encompte éventuelle de la chute ohmique dansouvrages longilignes, électrolyte hétérogène• Introduction de tout type de courbe depolarisation
  20. 20. Cours protection cathodique M.Roche 20Dimensionnement de la protection cathodique• Entrée des données géométriques par pré-processeur graphique (CASTOR PRE3d)• Sorties de calcul par cartographie en couleursdes potentiels et des densités de courant• Prise en compte possible de lévolution de lacourbe de polarisation en fonction du temps parapplication de la méthode de Nisancioglu(SINTEF)- Algorithme utilisant paramètres électro-chimiques(réduction de leau, de 02 dissous, doxydation du fer)et de formation du dépôt calco-magnésien
  21. 21. Cours protection cathodique M.Roche 21Dimensionnement de la protection cathodique
  22. 22. Cours protection cathodique M.Roche 22Dimensionnement de la protection cathodiqueTemps (jours)Nœud à -56 m-900-850-800-750-700-650-600-550-5000 50 100 150 200 250Potentiel(mV/AgAgCl/eaudemer)SiteVit 0,17Site 210j
  23. 23. Cours protection cathodique M.Roche 23Dimensionnement de la protection cathodique
  24. 24. Cours protection cathodique M.Roche 24Dimensionnement de la protection cathodique

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