BAC Corrosion Mars 2022 Principe de la protection cathodique et adéquation avec les revêtements
1. Protection cathodique des
structures enterrées ou
immergées
164 avenue Joseph Kessel
78960 Voisins le Bretonneux
' : 01 30 57 45 67 / 06 84 33 46 56
6 : 01 30 57 50 70
Jérôme CROUZILLAC
j.crouzillac@bacfrance.com
2. Programme
• Principe de la protection cathodique et adéquation avec les revêtements
• Techniques de mise en œuvre et méthode de sélection :
o Par anode sacrificielle ou galvanique
o Par courant imposé
• Influence de la protection cathodique sur les phénomènes de corrosion
• Les différentes techniques de mesures en protection cathodique
o Prise en compte de la chute ohmique et Eoff
o Mesure de la résis vité́ des sols (Wenner, Schlumberger) o Prise en compte des
influences extérieures
• Critères de PC - Les principales normes et textes règlementaires rela fs à la PC
• Dimensionnement et conception des installations de protection cathodique
o Structures simples
o Structures complexes
• Mesures électriques sur site :
o Mesures de résis vité́
o Mesures de potentiels ON/OFF
o Mesure sur coupon
4. • Elle s’applique pour lutter contre la corrosion humide
(milieu contenant de l’eau liquide, processus
électrochimique de corrosion)
• Elle est applicable en milieux électrolytiques continus
• Economique en milieux électrolytiques faiblement
corrosifs : eaux (de mer surtout), sols, béton
• Indispensable pour la durabilité d’ouvrages tels que les
pipelines, bateaux, ouvrages côtiers et offshore
• La protection cathodique est potentiellement efficace sur
tous types de corrosion électrochimique, y compris
corrosion galvanique, corrosion bactérienne, fatigue-
corrosion, corrosions sous tension, ...
Protection cathodique
5. Diagramme de Pourbaix
du fer dans l’eau aérée
Principe :
Abaisser cathodiquement le
potentiel de l’acier jusqu’à son
domaine d’immunité où la
vitesse de corrosion résultante
de l’acier est acceptable pour
l’ouvrage
Protection cathodique
7. Deux techniques peuvent êtres utilisées pour appliquer et ajuster le potentiel des structures.
La technique par anodes sacrificielles, qui consiste à relier la
structure à protéger à une masse métallique moins noble que l’acier
(magnésium, aluminium, zinc…), afin de créer ainsi un couplage
galvanique favorable à la dissolution de celle-ci, au profit de la
structure à protéger.
Les anodes sélectionnées
doivent être des d’alliages
spécifiques qui ont été
préalablement qualifiés par
des mesures permettant de
connaître leurs
caractéristiques
électrochimiques, notamment
leur réactivité et leur
polarisabilité, sur le long
terme
Potentiel standard E° (V/ESH)
- Fe
- Zn (-0,8)
- Al (-1,7)
- Mg (-2,3)
PC par anodes sacrificielles
8. Couplage électrique entre, a minima, 2 systèmes de corrosion simples distincts (Ecor différents) è
création d’une pile de corrosion générant un courant électrique :
Système de corrosion simple 1 Ecor(1) < Ecor(2) Système de corrosion simple 2
Polarisation anodique du SCS1 Polarisation cathodique du SCS2
Série galvanique
des métaux
dans l’eau de mer
PC par anodes sacrificielles
9. • Les anodes de Zinc ont été introduites pour les coques de bateaux à partir
des essais de Sir H. Davy au 19ème siècle
• Les anodes de Magnésium ont été introduites pour les pipelines enterrés
dans les années 1930 puis pour les premières plates-formes offshore
• A partir des années 1940, l’importance de la pureté du zinc (teneur en Fe), a
été démontrée, conduisant au développement d’alliages spécifiques de Zn
• Les anodes d’Aluminium ont remplacé progressivement Mg et Zn dans les
milieux contenant des chlorures comme l’eau de mer où la dépassivation “de
l’intérieur” a été rendue possible (économie) : Al-Zn puis Al-Zn-Sn depuis
1945, développement de Al-Zn-Hg aux USA (1956) et en France (1959), Al-Zn-
In a remplacé Al-Zn-Hg à partir des années 1970. Al-Ga développé pour une
« protection cathodique douce” des matériaux très sensibles à l’hydrogène
Les anodes galvaniques sont constituées d’alliages très
spécifiques ayant démontré des caractéristiques
électrochimiques intéressantes (potentiel et rendement)
PC par anodes sacrificielles
10. • 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 en enterré,
en faible débit initial, sur structures revêtues)
– peu fiable à température élevée
• Aluminium
– le moins coûteux
– non actif dans les sols, adapté aux milieux chlorurés
– actif à chaud (mais faible rendement)
PC par anodes sacrificielles
11. Caractéristiques d’anodes galvaniques typiques à
température ambiante en eau de mer
Nature de
l'alliage
Potentiel
mV vs
Ag/AgCl/eau
de mer
Rendement
electrochimique
(%)
Energie
massique
pratique
Ah/kg
Consommation
massique
pratique
kg/A.an
Al-Zn-In -1100 88 2500 - 2660 3,3 – 3,5
Zn -950 à -1030 95 760 à 780 11,2 à -11,5
Mg -1500 50 1230 7,1
PC par anodes sacrificielles
12. Le montage par courant imposé, qui utilise un générateur de courant continu placé entre la
structure à protéger et un jeu d’une ou plusieurs électrodes montées en parallèle, appelé
« déversoir ». Ces anodes sont le plus souvent en matériau relativement noble (graphite, oxyde de
métaux, alliage ferrosilicium, polymères conducteurs), mais parfois, aussi en acier (typiquement
des rails de chemins de fer) (Attention à la pollution résultante).
Le montage par courant imposé est généralement utilisé en milieu sol, du à la résistivité élevée,
fluctuante dans le temps (pluviométrie variable), et variable géographiquement (argile vs. sable) du
sol.
PC par courant imposé
13. Cathode (borne -)
Les réactions
dominantes sont
cathodiques
Iglobal < 0 (entrant)
Anode (borne + )
Les réactions
dominantes sont
anodiques
Iglobal > 0 (sortant)
iglobal
iglobal
Défaut de
revêtement
Phénomène de
corrosion plus ou
moins important selon
le niveau de
polarisation, mais
toujours présent
PC par courant imposé
14. Système galvanique Système à courant imposé
Installation simple complexe
Source d’énergie non nécessaire indispensable
Distribution du courant sur la
structure
Homogène, compte tenu du champ
d'action d'une anode
peut être hétérogène
Dimension de la structure à protéger
importante surcharge en poids pour
des structures de grandes dimensions,
inadapté pour de grandes longueurs
bien adapté pour grandes
dimensions de structures revêtues
Influence de la résistivité du milieu non envisageable si résistivité trop
grande
aucune dif ficulté
Débit par anodes faible élevé
Nombre d’anodes important faible
Flexibilité dans les conditions de
fonctionnement en particulier
variation de la demande en courant
faible (auto-régulation) mais possibilité
de réglage par introduction de résistance
grande
Risque de surprotection quasi nul ,sauf dans le cas d’anodes de
magn ésium
possible
Interférences avec d’autres
structures faibles influence forte possible
Risques humains non possible
Surveillance / maintenance faible surveillance régulière et spécialisée
Association des 2 systèmes possible et parfois utile (complémentarité, par exemple anodes
galvaniques dans zones difficilement atteintes par courant imposé)
Critères de choix
15. Revêtement et protection cathodique
La protection contre la corrosion des ouvrages est souvent réalisée par la
mise en place d’un revêtement adapté (protection passive) associé à une
protection cathodique (protection active).
Un bon revêtement externe diminue la quantité de courant de protection
nécessaire, améliore la distribution du courant, et réduit les influences sur les
autres structures étrangères.
Une estimation de la taille des défauts ouverts et des décollements de
revêtement est nécessaire pour ajuster la quantité de courant à imposer.
Facteur de dégradation du revêtement fc tel que DDCacier revêtu=fc x DDCacier nu
• Coefficient initial fc
• fc=0 si le revêtement est parfaitement isolant
• fc=1 pour une structure nue
• Taux annuel de dégradation
16. Influence de la PC sur les phénomènes de corrosion
Augmentation locale du pH : Alcalinisation accentuée par la PC
La PC active les réactions cathodiques de réduction à la surface de l’acier favorisant la libération
d’ions OH- ou la consommation d’ions H+. Le pH augmente.
Dégradation des liaisons entre le revêtement et l’acier
Perte d’adhérence (délamination cathodique) au niveau des défauts de revêtement ouverts ou
perméables à l’eau et l’oxygène.
Précipitation de sels
Formation d’un dépôt insoluble pouvant être protecteur (les limites de solubilité y sont
facilement atteintes)
Déplacement des ions dans l’électrolyte
La génération d’un courant entraine le déplacement des ions dans l’électrolyte, les anions (SO4
2-,
Cl-, OH-, HCO3
-…) vont vers la zone anodique (libération d’ions Fe2+) et les cations (H+, Na+, Ca2+,
Mg2+, …) vont vers la zone cathodique (libération d’ions OH-)
17. Délamination cathodique des revêtements
Délamination autour du
défaut artificiel de
revêtement due à OH-
Conditions classiques d'essai
:
-Eau à 3 % NaCl
-Potentiel de l'acier imposé à
– 1,5 V/ECS
-Durée 28 jours
-Température ambiante (ou
maximale de service)
18. L'effet d'écran sous revêtement décollé
Corrosion sous revêtement
hydrocarboné décollé
20. Influence de la PC sur les phénomènes de corrosion
è Dissolution résiduelle de l’acier plus marquée (en théorie car peu étudié mais déjà
observé)
Une PC excessive peut entrainer un pH très élevé à l’interface acier/environnement (> 12) et
placer l’acier dans le domaine où les composés stables du fer sont les hydroxy-anions, comme
Fe(OH)3
- ou HFeO2
-, qui favorisent la dissolution de l’acier en ne permettant pas la formation de
dépôts protecteurs. (Voir les diagrammes de Pourbaix)
è Fragilisation par l’hydrogène : adsorption, diffusion et piégeage de l’hydrogène dissous H
dans la microstructure conduisant à de la fissuration
Une PC trop forte (libération d’H2) peut conduire à un chargement en hydrogène dissous H des
acier protégés, et pour certains, à leur fragilisation (acier à haute caractéristique mécanique,
aciers inoxydables non entièrement austénitiques…).
+ + e-
L’hydrogène diffuse dans le métal et interagit avec les
défauts de la microstructure.
Des atomes d’hydrogène peuvent aussi se recombiner dans
les microcavités de l’acier pour former un composé gazeux
qui créé de la pression au sein de la microcavité. La pression
créée à partir de l'accumulation peut augmenter, conduisant
à une diminution de la ténacité et de la résistance à la
traction de l’acier, et pouvant atteindre le point de
fissuration.
21. A
K
a
k
I
i
+ -
Corrosion par traversée de paroi
métallique
Corrosion d'un bracing de jacket par
mauvais design d'anodes à courant imposé
23. Critères de PC - Les principales
normes et textes réglementaires
relatifs à la PC
24. A 05-610
« Protection cathodique externe – Canalisations en acier pour le
transport d’hydrocarbures ou de fluides combustibles et d’eau »
NF EN 12954 et ISO 15589
« Protection cathodique des structures métalliques enterrées ou
immergées – Principe généraux et application pour les canalisations »
NF EN 12696
« Protection cathodique de l’acier dans le béton »
NF EN 13509
« Techniques de mesures en protection cathodique externe des
ouvrages en acier »
INSTALLATIONS à TERRE
Normes et recommandations
25. NF EN 12495
« protection cathodique des structures en acier fixes en mer »
NF EN 13173
« protection cathodique des structures en acier flottant en mer »
NF EN 13174 (Mai 2001)
« Protection cathodique des installations portuaires »
DNV-RP-B401 (janvier 2005)
« Cathodic protection design »
INSTALLATIONS MARINES
Normes et recommandations
26. • Critère de base pour l’acier non ou peu allié :
– dans les sols : < -0,85 V / Cu-CuSO4 saturé (limité à > -1,2 V pour
éviter effets défavorables sur revêtements et fragilisation H)
– dans l’eau de mer et les eaux salées : < -0,80 V / Ag-AgCl-eau de
mer (limité à > -1,1V pour éviter l'augmentation de la vitesse de
propagation des fissures de fatigue)
• 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 / Cu-CuSO4 sat. entre 100 et
1000 Ohm.m et < -0,65 V au delà de 1000 Ohm.m (EN 12954, ISO
13623 et ISO 15589-1)
• Critère alternatif :
– dépolarisation ou polarisation supérieure à 100 mV (NACE RP
0169, ISO 15589-1)
27. Critères en potentiel de l’ouvrage à protéger censés assurer une vitesse de
corrosion résiduelle < à 10 μm/an.
Dans les milieux électrolytiques naturels comme les sols ou les eaux :
• – 850 mV /Cu/CuSO4 ≤ Ecathode ≤ – 1200 mV /Cu/CuSO4
• – 800 mV /Ag/AgCl/eau de mer ≤ Ecathode ≤ – 1100 mV /Ag/AgCl/eau de mer
En présence de bactéries sulfato-réductrices et thiosulfato-réductrices :
• – 950 mV /Cu/CuSO4 ≤ Ecathode ≤ – 1200 mV /Cu/CuSO4
• – 900 mV /Ag/AgCl/eau de mer ≤ Ecathode ≤ – 1100 mV /Ag/AgCl/eau de mer
Dans les sols sableux très peu conducteurs :
• – 750 mV /Cu/CuSO4 ≤ Ecathode ≤ – 1200 mV /Cu/CuSO4 lorsque 100 < ρ < 1000 Ω.m
• – 650 mV /Cu/CuSO4 ≤ Ecathode ≤ – 1200 mV /Cu/CuSO4 lorsque ρ > 1000 Ω.m
Critères de protection cathodique
28. Matériau soumis
à la corrosion
V
Xx
Electrode de référence
+ -
(réactions
électrochimiques
à la surface)
électrolyte
Le potentiel d’électrode et sa mesure
Le pôle + du voltmètre doit être branché au matériau à
contrôler pour que le signe du potentiel mesuré soit correct
29. Electrode de référence
Une électrode de référence est électrode sur laquelle les réactions
électrochimiques sont connues, contrôlées et reproductibles
Ceci signifie un métal pur en équilibre avec une concentration
parfaitement définie de son cation dans un électrolyte non
contaminé par d'autres ions perturbant cette concentration
M ↔ Mn+ + ne-
[Mn+] = constante
Façon la plus pratique : solution saturée en cation [Mn+]
Electrode de référence usuelle pour les milieux ne contenant pas de
fortes concentrations en ions chlorure (sols, béton) : Cu-CuSO4
saturé
Cu Cu2+ + 2e-
31. • Electrode de référence officielle
(E = 0): Origine des potentiels
– Electrode Normale à Hydrogène (ENH)
H2 Û 2H+ + 2e
• Electrodes de référence de
laboratoire :
– Electrode au calomel au KCl saturé (ECS)
Hg Û Hg2+ + 2e-
Hg2+ + 2Cl- ↔ Hg2Cl2↓
Ks = [Hg2+] . [Cl- ]2 (produit de solubilité)
– Electrodes Ag-AgCl-KCl
(différentes concentrations, notamment KCl
saturé)
Ag Û Ag+ + e-
Ag+ + Cl- Û AgCl↓
KCl saturé fixe [Cl- ]
Electrode de référence
32. • « électrodes de mesure » usuelles sur le terrain en milieux
chlorurés (eau de mer, …)
• Electrode Argent- chlorure d’argent - eau de mer (durée
courte à moyenne)
Ag ↔ Ag+ + e- et Ag+ + Cl- ↔ AgCl↓
Le potentiel dépend de [Cl-], donc du milieu réel
(pas d'électrolyte dans l'électrode)
• Electrode Zinc - eau de mer (longue durée)
Zn ↔ Zn++ + 2e-
Le potentiel dépend de [Zn++], peu défini
(pas d'électrolyte dans l'électrode)
Electrode de référence
33. POTENTIEL
V/ENH
Cu-CuSO4 saturé
+ 0,32
+ 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 arrondi à -0,80 - 0,85
- 1,05
Electrode de référence
35. • plates-formes fixes et installations de production
sous-marine offshore :
– systématique, anodes sacrificielles (surtout alliages Al)
essentiellement, très généralement sans revêtement pour les
"jackets"
• ouvrages portuaires, bouées :
– non systématique, se développe fortement
• Ouvrages flottants : tankers, bateaux, plates-
formes mobiles, FPSO :
– systématique, courant imposé ou anodes sacrificielles suivant
taille et usage
Structure métallique marine
37. •canalisations côtières (dépôts, terminaux de
chargement) : systématique, courant imposé à
partir de la côte ou bracelets d’anodes sacrificielles
•canalisations offshore : systématique, surtout
bracelets d’anodes sacrificielles (Al a remplacé Zn).
Anodes tous les 150 à 300 m. Adaptées à présence
ou non de revêtement de lestage en béton armé
(biseaux)
Structure métallique marine
38. Supports de type
"stand-off" à préférer,
avec coudes externes,
pour éviter coincement
des ombilicaux de
plongeurs et de ROV
Structure métallique marine
42. La continuité électrique doit être
assurée entre coque et arbre de
l'hélice et coque et safran
Il est généralement nécessaire d’ajouter des anodes
galvaniques (généralement Zn par habitude) dans des
zones difficilement accessibles par courant imposé
Structure métallique marine
44. • ballasts eau de mer et citernes de
tankers : pratiquement systématique,
uniquement Zn et Al (au fond) pour
éviter risque d'étincelle notamment
par choc en cas de chute d'anode
(citernes à atmosphères explosibles et
ballasts contigüs)
• séparateurs ou dessaleurs d’effluents
pétroliers : Al
• boites à eau d’échangeurs et filtres en
eau de mer : fréquent (galvanique)
• Courant imposé pour les gros
échangeurs (centrales électriques
côtières)
Structure métallique marine
45. Rideau de palplanches avec enrochements
Protection contre la corrosion d’un rideau de
palplanches avec enrochements
46. 3 meter
Methodes pour protéger les palplanches :
1. Installation d’anodes galvaniques sur les palplanches
2. Installation d’un ICCP système
Rideau de palplanches avec enrochements
55. 55
Intérêt quand prise de masse en surface
difficile voire impossible (ouvrages sous-
marins) et/ou manque de continuité de
l'ouvrage (ex. chaînes)
Contrôles sur ouvrages en milieu marin
56. Mise en place de points de contrôle
Mesures du potentiel
Mesures tous les
mètres de la surface
jusqu'au fond
Cables de
connexion
Multimètre
numérique
Electrode de
référence
Ag/AgCl
Structure métallique
Pieux ou palplanches
Contrôles sur ouvrages en milieu marin
58. •Employée systématiquement pour les canalisations enterrées de
transport de produits pétroliers, gaziers et chimiques (en complément
d’un revêtement de protection passive)
• Généralement par courant imposé, parfois complétée par un
système de drainage des courants vagabonds
•En France, obligatoire :
•pour les réseaux de distribution de gaz combustible (arrêté du 13
juillet 2000)
•pour les conduites de transport (arrêté du 4 août 2006) via les
normes NF EN
Structure métallique enterrée
60. Fer / acier : 10 kg/A.an
Structure métallique enterrée
61. Transformateur - Redresseur
alimentation en 220V
Câbles
de cuivre
16 mm²
D > 50 m
Le backfill diminue la
résistivité du milieu autour
de l’anode
Déversoir composé de
- vieux rails
- ferro silicium
- graphite
- magnétite
- titane + métaux précieux
Protection par courant imposé
63. Protection par anodes galvaniques
Point de
mesure
Câbles de
cuivre
16 mm² Anode en magnésium ou en
zinc
Le backfill diminue la
résistivité du milieu
autour de l’anode
5 mA < I < 20 mA
sol < 50 Ohm.m
distance anode/canalisation > 3 m
64. Anodes magnésium avec régulateur (backfill)
Ne pas oublier d'ôter le sac plastique
à l'installation !!!
Protection par anodes galvaniques
66. Courants vagabonds, courants telluriques
• Les "courants vagabonds" désignent des courants
électriques, variables dans leur intensité, leur direction
et le trajet qu’ils parcourent, qui circulent dans le sol et
proviennent le plus souvent de réseaux de traction
électrique
• Les "courants telluriques" désignent des courants
électriques variables dus au géomagnétisme, constatés
dans certaines régions et conduisant à des fluctuations
de potentiel sur les pipelines enterrés parallèles. On peut
les réduire par joints isolants et minimiser leurs
conséquences par installation d'anodes galvaniques aux
bons endroits.
67. courants vagabonds d’origine traction dc
Sous
Station
+
- - - -
- -
Sous
Station
+
CORROSIONS
L
I
+
+
Corrosion par courants vagabonds
68. Sous
Station
+
- - - -
- -
Sous
Station
+
CORROSIONS
+
+
DRAINAGES
Drainage de courants vagabonds
69. Protection cathodique des usines
•Tuyauteries enterrées:
–non systématique (ex. circuits incendie)
•protection intégrale des usines:
–tuyauteries, fonds de bacs, fondations en béton armé, réseaux de mise à
la terre. Utilisation de puits d'anodes.
•Tendance à installer des anodes longilignes pour
protection rapprochée locale dans les centres
complexes (pour concentrer la protection et éviter
les interférences avec d'autres structures
consommant du courant tels les réseaux de mise à
la terre et les structures en béton armé)
70. Ouvrages au contact du sol : Réservoirs
• en France et autres pays,
obligatoire pour les
réservoirs de GPL et
autres gaz inflammables
sous talus
• Idem pour citernes de
GPL"petit vrac" enterrés
chez les clients
utilisateurs et dispensés
de visites décennales
71. Protection cathodique des bacs de stockage
• Protection cathodique du dessous des fonds de bacs non
systématique (dépend de la nature de la fondation)
• Souvent difficile à assurer : court-circuitage du courant de
PC par les réseaux de mise à la terre en cuivre nu. Il faut
préférer l'utilisation d'acier galvanisé et/ou de câbles Cu
isolés près des bacs
• Pas toujours efficace à 100 % (contact imparfait entre
l'acier du fond et le sol par piégeage d'air pendant les
phases de vidange)
• Plus efficace si pris en compte dès le design pour les
nouveaux bacs
73. Réservoir
Support
en béton
Courant de
protection
Pas de perte vers la mise à la terre
Membrane (diélectrique)
Sable
Sable
Mises à la terre
Anode
éloignée
Ruban anodique
Passage du courant bloqué par la membrane
Perte de courant vers les mises à la terre
Sol naturel
Tendance à installer une membrane étanche en PEHD sous le fond du bac pour
prévenir les risques de pollution: installation d'un grillage de Ti (MMO) entre le
fond et la membrane
Protection cathodique des bacs de stockage
74. Protection cathodique des casings de puits
• non systématique pour les puits onshore
– Surtout quand risque de corrosion identifié
– Ou pour une longue durée de vie de design (> 20 ans)
– Critères spécifiques à utiliser
– Efficacité à vérifier dans la mesure du possible à partir de l'intérieur par CPT
(Casing Profile Tool)
• toujours pour les puits offshore (via le contact
électrique avec la plate-forme support ou le template
sous-marin)
• 3 à 20 A (ou plus) sont nécessaires pour protéger un
puits
75. Etude et note de calcul
Calcul du nombre d’anodes : 2ème méthode
T/R
Ra dispositif anodique
Rc structure
+
-
Schéma électrique équivalent
Ra dépend de la forme du
déversoir, de la résistivité
Rc dépend de valeur
d’isolement de la
structure, de la résistivité
du milieu
Nb anodes =
Ra
x r
Rc
ρ = Résistivité de l’électrolyte
Structure métallique enterrée
76. Contrôle du dispositif
Mesures de potentiel sur ouvrages et témoins métalliques
Tous les ans par un spécialiste de la protection cathodique
• Electrode Cu/CuSO4
• Multimètre à haute impédance d’entrée
• Utilisation des prises de potentiel
Structure
Multimètre
Electrode de
référence
Prise de
potentiel
Structure métallique enterrée