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MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France Corrosion et Protection Cath

MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France Corrosion et Protection Cathodique des Canalisations Enterrées : Etude, Simulation et Application de l’Energie Solaire. Brahim Laouna, Karima Nibouchab, Lazhar Serira a Unité de Recherche Appliquée en Energies Renouvelables, URAER / Zone Industrielle Gaar Taam B.P. 88 – 47001, Ghardaïa, Algérie, bralaoun@yahoo.fr, LSerir@hotmail.com b Centre de Recherche Scientifique et Technique en Soudage et Contrôle, CSC / Route de Dély Brahim B.P. 64 – 16000, Chéraga, Alger, Algérie, kariniboucha@yahoo.fr RESUME : La protection cathodique est employée intensivement sur les canalisations en acier dans les industries de pétrole et de gaz. C’est une technique de prévention contre la corrosion qui transforme la canalisation entière en cathode d'une cellule de corrosion, Deux types de systèmes de protection cathodiques sont couramment appliqués : Les systèmes de protection galvaniques utilisent les anodes galvaniques, également appelées les anodes sacrificielles, qui sont électrochimiquement plus électronégatives que la structure à protéger et les systèmes à courant imposé, par le biais d’un générateur de courant qui débitera un courant continu de l’anode vers la structure à protéger. L’objet de cette étude est de dimensionner un système de protection cathodique d’un pipeline par courant imposé avec appoint électrique d’énergie solaire. MOTS-CLES : Corrosion ; Protection cathodique ; Soutirage de courant ; Ouvrage enterré ; Photovoltaïque. 1. Phénomène de corrosion. La corrosion d'un métal M se traduit à l'échelle moléculaire par la destruction du réseau métallique suivant une réaction d'oxydation (perte d'électrons). Lorsqu'en plonge un métal dans un électrolyte adéquat (figure 1), les ions du réseau métallique tendent à passer en solution, les électrons restent dans le métal. Ce mouvement des ions s’effectue jusqu’à ce que la charge des électrons s’oppose à celles des ions positifs, thermodynamiquement il s’établit alors un équilibre réversible (théorique) entre le métal, ses ions et ses électrons selon deux processus bien connus ; l’oxydation et la réduction (éq.1) ( ) ( ) oxydation n réduction M s M aq n e + − ⎯⎯⎯⎯ → + ⋅ ←⎯⎯⎯ ⎯ (éq.1) ( ( )n Métal ion métallique ne + − → + ) Figure 1. Dissolution d’un métal dans un électrolyte. Figure 2. Pile de corrosion. MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 2. Facteurs influents sur la corrosion des ouvrages métalliques enterrés La cinétique de la corrosion est différente, selon la présence de facteurs, accélérateurs ou inhibiteurs. Les facteurs inhibiteurs permettent de protéger la structure, les facteurs accélérateurs favorisent la détérioration du métal. On présente les paramètres qui contribuent à la détérioration des ouvrages métalliques. 2.1. Destruction de l’équilibre par action du milieu extérieur 2.1.1. Agressivité du sol Le critère d’appréciation de l’agressivité du sol le plus fréquemment utilisé, est la mesure de la résistivité électrique. En effet, les valeurs mesurées sont conditionnées par la présence ou l’absence de composés agressifs, aussi la résistivité nous informe sur la conductibilité du sol, ce dernier est un facteur influent sur le processus de corrosion [2]. Pour l’acier, il est admis que lorsque la résistivité du sol est : • Supérieure à 100 Ω.m, le sol est peu agressif. • Entre 50 Ω.m et 100 Ω.m, l’agressivité est moyenne. • Inférieure à 50 Ω.m, le terrain est agressif 2.1.2. Piles de corrosion dues à l’électrolyte Les hétérogénéités du sol engendrent sur un ouvrage, des différences de potentiels locales donnant naissance à un courant qui conduit à l’oxydation de la partie du métal qui présente le potentiel électrique le plus faible [2]. Les hétérogénéités sont dues aux : • Phénomènes d’aération différentielle [2], les zones les moins aérées sont des zones anodiques par rapport au reste de l’ouvrage et se corrodent donc plus facilement. • Piles géologiques, une conduite de grande longueur, traversant des sols de natures différentes, lui conférant des potentiels locaux différents. 2.1.3. Corrosion bactérienne En milieu anaérobique, certaines eaux stagnantes, terrains argileux vaseux imperméables et riches en sulfates, certaines bactéries consomment l’hydrogène produit au niveau des microcathodes, permettant ainsi à la corrosion de se poursuivre, et transformant les sulfates en sulfure de fer 2.2. Destruction de l’équilibre par couplage d’électrodes métalliques 2.2.1. Piles dues à l’association de métaux différents (couplage galvanique) La liaison de deux métaux de natures différentes dans un même sol entraîne la corrosion de celui dont le potentiel est le plus négatif. Figure 3. Al Al 3+ + 3e - Figure 3. Exemple de corrosion galvanique pour un assemblage de tôles aluminium et cuivre. 2.2.2. Corrosion par les courants vagabonds Les lignes de transports à traction électriques sous courant continu (trains électriques, tramways, métro), propagent généralement dans le sol des courants dits vagabonds [1][2]. Ce courant au contact des ouvrages enterrés provoque un déséquilibre électrochimique responsable de la corrosion. 3. Protection des ouvrages enterrés 3.1. Principe de la protection cathodique Le principe de la protection cathodique repose sur l’idée d’inverser le rôle électrochimique de l’ouvrage à protéger, en favorisant une réduction cathodique à son niveau, et en reportant la réaction d’oxydation sur une autre structure, dont on accepte a priori la dégradation. On comprend facilement la méthode de protection cathodique par l’utilisation de courbe de polarisation [3]. On représente conventionnellement les courbes de polarisation, la densité de courant i (A/m²) en fonction du potentiel E(V) de la pile de corrosion (structure – milieu) mesuré par rapport à une électrode de référence,figure 4. MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France Figure 4. Courbe de polarisation théorique pour les réactions cathode - anodes. La courbe globale en trait gras est considérée comme étant la somme de deux courbes « élémentaires », l’une caractérise les réactions anodiques, l’autre les réactions cathodiques. Le point particulier noté (corr) est représentatif de la corrosion naturelle du métal. Si on impose au métal de la structure un potentiel Ep inférieure au potentiel anodique EA, le point ou le courant anodique est nul, il n’y a plus de réaction d’oxydation possibles. La structure est le siège seulement de réaction cathodique (réduction). C’est le principe même de la protection cathodique. En contre partie il est nécessaire de fournir des électrons en quantité suffisante, ceci se traduit par le courant de protection Ip Il existe deux manières de réaliser la protection cathodique. 3.2. Protection cathodique par courant galvanique (anode réactive) On relie une anode métallique plus électronégative, figure 5, dans la série galvanique, à la structure à protéger. Il se développe un courant de protection entrant qui s'oppose, surmonte, et empêche l'écoulement de n'importe quel courant de corrosion de la structure. Le courant protecteur alors retourne à l'anode sacrificielle par un conducteur métallique. Figure 5. Protection cathodique par anode sacrificielle. 3.3. Protection par courant imposé (soutirage de courant) En utilise une structure qui jouera le rôle d’anode déversoir, et un générateur qui débitera un courant continu de l’anode vers la structure à protéger. Figure 7 [4] Ecathode, EC Eanode, EA Ecorr ip, IP EP i(A/m²) E(V) MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 4. Etude de la protection cathodique par soutirage de courant avec appoint de l’énergie solaire Le dimensionnement du système de protection cathodique a été mis en œuvre pour un oléoduc dont les caractéristiques sont résumées au tableau 1 [5] Tableau 1. Caractéristiques du pipeline [5] Pipeline Matériau X60 Longueur [km] 292 Diamètre extérieur [m] 0.762 Epaisseur [mm] 10.31 Surface à protéger [m²] 699 020 Résistance d’isolement (20 ans/cahier des charges) [Ω.m] 8 000 Résistance d’isolement linéaire [Ω.m] 3 340 Résistance longitudinale [Ω/m] 7.49 10-6 Affaiblissement linéique [m-1] 47.35 10-6 Résistance caractéristique [Ω] 158.16 10-3 La résistivité du sol sur toute la longueur de la conduite a été mesurée par la méthode des quatre terres [6][7]. Le sol présente deux zones, figure 6, zone de résistivité élevée de l’ordre de 103 Ω.m, et une zone de résistivité faible 102 Ω.m. 0 50 100 150 200 250 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 sol agressif. Résistivité du sol (Ω.m) Point kilométrique (km) sol peu agressif. Figure 6. Résistivité du sol en fonction du point kilométrique. Les éléments qui constituent un système de protection cathodique par courant imposé avec appoint d’énergie solaire sont les suivants, figure 7 • Un système de soutirage, constitué d’un ou de plusieurs postes disposés dans un coffret comportant : compteur électrique, disjoncteur, redresseur de tension de sortie réglable, voltmètre, ampèremètre. Le pôle négatif du redresseur est raccordé électriquement à la canalisation à protéger, le pôle positif à une masse anodique (ou déversoir) enterrée ou immergée • Générateur photovoltaïque constitué des éléments suivants : • Un ou des modules de cellules photovoltaïques • Un système de régulation. • Un système de stockage. • Un onduleur pour les charges alternatives. MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France Figure 7. Système de protection cathodique par appoint solaire. 4.1. Calcul et dimensionnement La protection cathodique repose sur deux paramètres essentiels, l’évolution du potentiel et du courant de protection. Les formules utilisées pour le calcul du potentiel et du courant de protection cathodique sont celles dites « lois des télégraphistes »[8] Tableau 2. Lois des télégraphistes Formules générales Formules pratiques ( ) ( ) x s s E E ch uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-pc.pdf