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Cours de protection
cathodique
2. Définitions - critères
Marcel ROCHE
Cours protection cathodique M.Roche 2
Principes de la protection cathodique
• Cela concerne la corrosion humide (processus
électrochimique)
• économique en milieux électrolytiques
faiblement corrosifs : eaux, sols, béton
• protection cathodique potentiellement efficace
sur tous types de corrosion électrochimique, y
compris corrosion galvanique, bactérienne,
fatigue-corrosion, corrosions sous tension, ...
Cours protection cathodique M.Roche 3
Principes de la protection cathodique
L'abaissement du potentiel métal- électrolyte
- réduit la vitesse de réaction anodique
d’oxydation du métal
• Fe ---> Fe 2+ + 2e-
- augmente celle de la ou des réactions
cathodiques de réduction d’espèces
oxydantes du milieu
• ½ O2 + H2O + 2e- ---> 2 OH-
• 2 H+ + 2e- ---> 2H
• 2 H2O + 2e- ---> 2 OH- + 2H
Cours protection cathodique M.Roche 4
Principe de la protection cathodique
Cours protection cathodique M.Roche 5
Définitions
D'après la norme ISO 8044 " Corrosion des
métaux et alliages – Termes principaux et
définitions " :
• Protection électrochimique : technique de
protection contre la corrosion par contrôle
électrique du potentiel de corrosion.
- Protection cathodique : protection
électrochimique par diminution du potentiel de
corrosion à un niveau pour lequel la vitesse de
corrosion du métal est réduite de façon
significative.
Cours protection cathodique M.Roche 6
Définitions
- Protection anodique : protection électrochimique
par augmentation du potentiel de corrosion
jusqu'à une valeur correspondant à l'état passif.
- Protection galvanique : protection électrochimique
avec courant fourni par pile de corrosion obtenue
en reliant une électrode auxiliaire au métal à
protéger ("anodes sacrificielles" si protection
cathodique).
Cours protection cathodique M.Roche 7
Définitions
- Protection par courant imposé : protection
électrochimique avec courant fourni par une
source extérieure d'énergie électrique (en
courant continu). On parle aussi de protection
par systèmes énergisés. (anodes dites
"déversoirs, ou "lits d'anodes" si protection
cathodique)
- Protection par drainage électrique : protection
électrochimique contre la corrosion par
courants vagabonds réalisée par drainage de
ces courants hors de l'objet métallique.
Cours protection cathodique M.Roche 8
Principes de la protection cathodique
• L’abaissement du potentiel à un niveau
suffisant est obtenu par le passage d’un
courant continu ("cathodique") du milieu
aqueux (électrolytique) vers le métal à protéger
• Ce courant est créé par l'une des méthodes:
- couplage galvanique avec un alliage moins
noble : Systèmes galvaniques à anodes
sacrificielles
- injection d’un courant continu à l’aide d’une
source extérieure : Systèmes énergisés à
courant imposé avec anodes consommables,
semi-inertes ou inertes
Cours protection cathodique M.Roche 9
Protection par anodes galvaniques
Cours protection cathodique M.Roche 10
Protection par anodes galvaniques
Anodes magnésium avec régulateur
Cours protection cathodique M.Roche 11
Systèmes énergisés par courant imposé
Cours protection cathodique M.Roche 12
Protection cathodique à courant imposé
Transfo-rédresseur
Poste photo-voltaïque
Cours protection cathodique M.Roche 13
Protection cathodique à courant imposé
Anodes Ferro-Silicium
Cours protection cathodique M.Roche 14
Protection cathodique à courant imposé
Anodes graphite
Cours protection cathodique M.Roche 15
Principes de la protection cathodique
La protection cathodique provoque :
• une alcalinisation du milieu à la surface du
métal
- effets favorables : précipitation de dépôts calco-
magnésiens protecteurs, prévention des colonies de
bactéries sulfato-réductrices à la surface de l'acier
- effets défavorables : cloquage des peintures
saponifiables, corrosion des métaux amphotères
• la formation d’hydrogène atomique
- effets défavorables : fragilisation des alliages
sensibles, problèmes de sécurité dans les capacités
Cours protection cathodique M.Roche 16
Les revêtements associés à la protection cathodique
Objectifs des revêtements associés :
• protection complémentaire à la protection cathodique
afin de remplir l’un des rôles suivants :
- limiter la consommation de courant,
- assurer une polarisation plus rapide,
- assurer une portée de la protection cathodique dans des zones
à géométrie complexe,
- assurer une meilleure répartition du courant sur la structure,
- réduire le coût global de la protection.
• protection principale (passive) contre la corrosion
secondée par une protection cathodique (active) pour
les zones où le revêtement est endommagé
• Le système de revêtements doit être compatible avec la
protection cathodique.
Cours protection cathodique M.Roche 17
Critères de protection cathodique
• Les critères de protection sont fondés sur la
théorie (thermodynamique et cinétique) mais
adaptés à partir de l’expérience pratique du
terrain
• Critère de base pour l’acier non ou peu allié :
- dans les sols : < -0,85 V / Cu-CuSO4 saturé
(limité à > -1,2 V)
- dans l’eau de mer et les eaux salées : < -0,80
V / Ag-AgCl-eau de mer (limité à > -1,1V)
Cours protection cathodique M.Roche 18
Critères de protection cathodique
Cu-CuSO4 saturé
+ 0,32
POTENTIEL
V/ENH
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ECS ou Ag-AgCl-eau de mer
ENH (officielle)
0
- 0,53
Seuil de protection
Zn - eau de mer
- 0,80
- 0,53
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- 0,78 - 0,85
- 1,05
Cours protection cathodique M.Roche 19
Critères de protection cathodique
Aspect thermodynamique
du critère de protection
cathodique
(Diagramme de Pourbaix)
Cours protection cathodique M.Roche 20
Critères de protection cathodique
Corrosion sur un nœud de plate-forme offshore
à potentiel plus positif que le critère
Cours protection cathodique M.Roche 21
Critères de protection cathodique
• Modulations autour de ce seuil :
- en cas de forte activité bactérienne (BSR) en
milieux anaérobies :
< -0,95 V / Cu-CuSO4 saturé ou -0,90 V / Ag-AgCl-
eau de mer
- dans les sols très résistants : < -0,75 V entre
100 et 1000 Ohm.m et < -0,65 V / Cu-CuSO4 sat.
au delà de 1000 Ohm.m (EN 12954, ISO 13623 et
ISO 15589-1)
• Critères alternatifs ou palliatifs :
- dépolarisation ou polarisation supérieure à 100
mV (NACE, ISO 15589-1)
Cours protection cathodique M.Roche 22
Critère 100 mV
Cours protection cathodique M.Roche 23
Densité de courant de protection cathodique
Pour l’acier non allié non revêtu :
- dans les sols : 10 (sols secs) à 20 (sols
humides) mA/m2
- en eau de mer : 60 (mers chaudes) à 220 mA
/m2 (mers froides agitées)
- dans les fonds marins : 20 à 25 mA/m2
- dans les eaux douces : 20 (eau froide
stagnante) à 150 (eau chaude en mouvement)
mA/m2
- dans le béton : < 1 (préventif) à 10 (curatif)
mA/m2
Cours protection cathodique M.Roche 24
Densité de courant de protection cathodique
La formation d'un dépôt calcomagnésien en
eau de mer réduit la densité de courant :
-
-
- 2
3
2
3 CO
O
H
OH
HCO +
→
+
3
3
2
CaCO
CO
Ca →
+
+ -
2
2
2
)
(
2 OH
Mg
OH
Mg →
+ −
+
3
3
2
3
2
2
.
2 MgCO
CaCO
CO
Mg
Ca →
+
+ −
+
+
Cours protection cathodique M.Roche 25
Densité de courant de protection cathodique
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50
Temps (jours)
Densité
de
courant
(mA/m
2
)
Evolution de la densité de courant en un point d’une structure
(nœud en K) protégée cathodiquement en fonction du temps
d’immersion - Effet du dépôt calcomagnésien
Cours protection cathodique M.Roche 26
Densité de courant de protection cathodique
Réduction de la densité de courant à
appliquer au pro rata de l’efficacité du
revêtement éventuel (initiale et après
vieillissement) : notion de coefficient de
dégradation ou de résistance d’isolement
- canalisations enterrées ou immergées : 2 à 5%,
voire plus pour revêtements époxy poudre
- systèmes de peintures : de 2 à 50 %
Cours protection cathodique M.Roche 27
Coefficients de dégradation des revêtements de
pipelines offshore (Total)
Plant coating Concrete Field joint coating Infill Mean Final
No 9 13
Bituminous
Tapes
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  • 1. Cours de protection cathodique 2. Définitions - critères Marcel ROCHE
  • 2. Cours protection cathodique M.Roche 2 Principes de la protection cathodique • Cela concerne la corrosion humide (processus électrochimique) • économique en milieux électrolytiques faiblement corrosifs : eaux, sols, béton • protection cathodique potentiellement efficace sur tous types de corrosion électrochimique, y compris corrosion galvanique, bactérienne, fatigue-corrosion, corrosions sous tension, ...
  • 3. Cours protection cathodique M.Roche 3 Principes de la protection cathodique L'abaissement du potentiel métal- électrolyte - réduit la vitesse de réaction anodique d’oxydation du métal • Fe ---> Fe 2+ + 2e- - augmente celle de la ou des réactions cathodiques de réduction d’espèces oxydantes du milieu • ½ O2 + H2O + 2e- ---> 2 OH- • 2 H+ + 2e- ---> 2H • 2 H2O + 2e- ---> 2 OH- + 2H
  • 4. Cours protection cathodique M.Roche 4 Principe de la protection cathodique
  • 5. Cours protection cathodique M.Roche 5 Définitions D'après la norme ISO 8044 " Corrosion des métaux et alliages – Termes principaux et définitions " : • Protection électrochimique : technique de protection contre la corrosion par contrôle électrique du potentiel de corrosion. - Protection cathodique : protection électrochimique par diminution du potentiel de corrosion à un niveau pour lequel la vitesse de corrosion du métal est réduite de façon significative.
  • 6. Cours protection cathodique M.Roche 6 Définitions - Protection anodique : protection électrochimique par augmentation du potentiel de corrosion jusqu'à une valeur correspondant à l'état passif. - Protection galvanique : protection électrochimique avec courant fourni par pile de corrosion obtenue en reliant une électrode auxiliaire au métal à protéger ("anodes sacrificielles" si protection cathodique).
  • 7. Cours protection cathodique M.Roche 7 Définitions - Protection par courant imposé : protection électrochimique avec courant fourni par une source extérieure d'énergie électrique (en courant continu). On parle aussi de protection par systèmes énergisés. (anodes dites "déversoirs, ou "lits d'anodes" si protection cathodique) - Protection par drainage électrique : protection électrochimique contre la corrosion par courants vagabonds réalisée par drainage de ces courants hors de l'objet métallique.
  • 8. Cours protection cathodique M.Roche 8 Principes de la protection cathodique • L’abaissement du potentiel à un niveau suffisant est obtenu par le passage d’un courant continu ("cathodique") du milieu aqueux (électrolytique) vers le métal à protéger • Ce courant est créé par l'une des méthodes: - couplage galvanique avec un alliage moins noble : Systèmes galvaniques à anodes sacrificielles - injection d’un courant continu à l’aide d’une source extérieure : Systèmes énergisés à courant imposé avec anodes consommables, semi-inertes ou inertes
  • 9. Cours protection cathodique M.Roche 9 Protection par anodes galvaniques
  • 10. Cours protection cathodique M.Roche 10 Protection par anodes galvaniques Anodes magnésium avec régulateur
  • 11. Cours protection cathodique M.Roche 11 Systèmes énergisés par courant imposé
  • 12. Cours protection cathodique M.Roche 12 Protection cathodique à courant imposé Transfo-rédresseur Poste photo-voltaïque
  • 13. Cours protection cathodique M.Roche 13 Protection cathodique à courant imposé Anodes Ferro-Silicium
  • 14. Cours protection cathodique M.Roche 14 Protection cathodique à courant imposé Anodes graphite
  • 15. Cours protection cathodique M.Roche 15 Principes de la protection cathodique La protection cathodique provoque : • une alcalinisation du milieu à la surface du métal - effets favorables : précipitation de dépôts calco- magnésiens protecteurs, prévention des colonies de bactéries sulfato-réductrices à la surface de l'acier - effets défavorables : cloquage des peintures saponifiables, corrosion des métaux amphotères • la formation d’hydrogène atomique - effets défavorables : fragilisation des alliages sensibles, problèmes de sécurité dans les capacités
  • 16. Cours protection cathodique M.Roche 16 Les revêtements associés à la protection cathodique Objectifs des revêtements associés : • protection complémentaire à la protection cathodique afin de remplir l’un des rôles suivants : - limiter la consommation de courant, - assurer une polarisation plus rapide, - assurer une portée de la protection cathodique dans des zones à géométrie complexe, - assurer une meilleure répartition du courant sur la structure, - réduire le coût global de la protection. • protection principale (passive) contre la corrosion secondée par une protection cathodique (active) pour les zones où le revêtement est endommagé • Le système de revêtements doit être compatible avec la protection cathodique.
  • 17. Cours protection cathodique M.Roche 17 Critères de protection cathodique • Les critères de protection sont fondés sur la théorie (thermodynamique et cinétique) mais adaptés à partir de l’expérience pratique du terrain • Critère de base pour l’acier non ou peu allié : - dans les sols : < -0,85 V / Cu-CuSO4 saturé (limité à > -1,2 V) - dans l’eau de mer et les eaux salées : < -0,80 V / Ag-AgCl-eau de mer (limité à > -1,1V)
  • 18. Cours protection cathodique M.Roche 18 Critères de protection cathodique Cu-CuSO4 saturé + 0,32 POTENTIEL V/ENH + 0,25 ECS ou Ag-AgCl-eau de mer ENH (officielle) 0 - 0,53 Seuil de protection Zn - eau de mer - 0,80 - 0,53 + 0,27 - 0,78 - 0,85 - 1,05
  • 19. Cours protection cathodique M.Roche 19 Critères de protection cathodique Aspect thermodynamique du critère de protection cathodique (Diagramme de Pourbaix)
  • 20. Cours protection cathodique M.Roche 20 Critères de protection cathodique Corrosion sur un nœud de plate-forme offshore à potentiel plus positif que le critère
  • 21. Cours protection cathodique M.Roche 21 Critères de protection cathodique • Modulations autour de ce seuil : - en cas de forte activité bactérienne (BSR) en milieux anaérobies : < -0,95 V / Cu-CuSO4 saturé ou -0,90 V / Ag-AgCl- eau de mer - dans les sols très résistants : < -0,75 V entre 100 et 1000 Ohm.m et < -0,65 V / Cu-CuSO4 sat. au delà de 1000 Ohm.m (EN 12954, ISO 13623 et ISO 15589-1) • Critères alternatifs ou palliatifs : - dépolarisation ou polarisation supérieure à 100 mV (NACE, ISO 15589-1)
  • 22. Cours protection cathodique M.Roche 22 Critère 100 mV
  • 23. Cours protection cathodique M.Roche 23 Densité de courant de protection cathodique Pour l’acier non allié non revêtu : - dans les sols : 10 (sols secs) à 20 (sols humides) mA/m2 - en eau de mer : 60 (mers chaudes) à 220 mA /m2 (mers froides agitées) - dans les fonds marins : 20 à 25 mA/m2 - dans les eaux douces : 20 (eau froide stagnante) à 150 (eau chaude en mouvement) mA/m2 - dans le béton : < 1 (préventif) à 10 (curatif) mA/m2
  • 24. Cours protection cathodique M.Roche 24 Densité de courant de protection cathodique La formation d'un dépôt calcomagnésien en eau de mer réduit la densité de courant : - - - 2 3 2 3 CO O H OH HCO + → + 3 3 2 CaCO CO Ca → + + - 2 2 2 ) ( 2 OH Mg OH Mg → + − + 3 3 2 3 2 2 . 2 MgCO CaCO CO Mg Ca → + + − + +
  • 25. Cours protection cathodique M.Roche 25 Densité de courant de protection cathodique 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 50 Temps (jours) Densité de courant (mA/m 2 ) Evolution de la densité de courant en un point d’une structure (nœud en K) protégée cathodiquement en fonction du temps d’immersion - Effet du dépôt calcomagnésien
  • 26. Cours protection cathodique M.Roche 26 Densité de courant de protection cathodique Réduction de la densité de courant à appliquer au pro rata de l’efficacité du revêtement éventuel (initiale et après vieillissement) : notion de coefficient de dégradation ou de résistance d’isolement - canalisations enterrées ou immergées : 2 à 5%, voire plus pour revêtements époxy poudre - systèmes de peintures : de 2 à 50 %
  • 27. Cours protection cathodique M.Roche 27 Coefficients de dégradation des revêtements de pipelines offshore (Total) Plant coating Concrete Field joint coating Infill Mean Final No 9 13 Bituminous Tapes Yes 7 10 Heat-shrink sleeves No 8 11 Yes Yes 6 9 Tapes NA 6 9 No Heat-shrink sleeves NA 4 7 PE reconstituted NA 3 5 Tapes No 4 6 3LPE Yes 3 4 Yes Heat-shrink sleeves No 3 5 Yes 2 3 No 2 3 PE reconstituted Yes 1 2 Tapes NA 5 8 No Heat-shrink sleeves NA 3 5 PP reconstituted NA 2 4 Tapes No 4 6 3LPP Yes 2 3 Yes Heat-shrink sleeves No 3 5 Yes 2 3 PP reconstituted No 2 3 Yes 1 2 Tapes NA 15 30 Heat-shrink sleeves NA 13 28 No FBE NA 12 26 Tapes No 8 12 Yes 6 10 Heat-shrink sleeves No 7 10 Yes 5 8 No 6 8 FBE Yes FBE Yes 4 7