La protection cathodique des pipelines grâce au carbone
La protection cathodique est une technique utilisée pour contrôler la corrosion d’une surface métallique. Les systèmes de protection cathodique protègent un large éventail de structures métalliques dans divers environnements. Une de ses applications courantes est la protection des plates-formes pétrolières offshore et les carters de puits de pétrole à terre. Les pipelines qui les relient en bénéficient bien sûr de la même façon, qu’ils soient en mer ou bien enterrés.
Principe de base
La protection cathodique (CP) est un processus électrochimique dans lequel un courant continu est appliqué à un métal pour ralentir ou arrêter les courants de corrosion. Lorsqu’elle est correctement appliquée, la PC empêche la réaction de corrosion de se produire. La protection cathodique fonctionne en plaçant une ou plusieurs anodes (dispositifs externes) dans un électrolyte pour créer un circuit. Le courant circule de l’anode à travers l’électrolyte jusqu’à la surface de la structure. La corrosion se déplace vers l’anode pour arrêter la corrosion de la structure. La protection cathodique des pipelines s’effectue en faisant de ceux-ci la cathode d’une cellule électrochimique. Une méthode simple de protection relie le métal à protéger à un « métal sacrificiel ». Il est plus facilement corrodé et peut donc servir d’anode. Le métal sacrificiel se corrode alors à la place du métal protégé. Pour les structures telles que les pipelines, où la protection galvanique cathodique passive n’est pas adéquate, une source d’énergie électrique externe à courant continu est utilisée pour fournir un courant suffisant.
Une protection cathodique par courant imposé
Dans de nombreuses applications, la différence de potentiel entre l’anode galvanique/sacrificielle et la structure en acier n’est pas suffisante pour générer un courant suffisant pour assurer la protection. L’utilisation du carbone en tant qu’anode pour la protection cathodique des pipelines requiert l’utilisation d’une protection cathodique par courant imposé (ICCP). Le processus consiste à connecter des anodes à une source d’alimentation en courant continu, souvent un transformateur-redresseur, connecté à une alimentation en courant alternatif. En l’absence d’une alimentation en courant alternatif, d’autres sources d’énergie peuvent être utilisées, telles que des panneaux solaires ou des éoliennes. Les anodes les plus courantes sont en forme de tiges tubulaires et solides ou de rubans continus de divers matériaux. Elles peuvent être constituées en partie de carbone. Suivant la taille du pipeline et la qualité de son revêtement, la sortie en courant continu peut aller jusqu’à 50 ampères et 50 volts.
Une méthode de protection des aciers très efficace
L’acier au carbone est couramment utilisé dans le transport de gaz et de liquides par pipeline en raison de son faible prix alors qu’il possède des propriétés mécaniques acceptées dans la plupart des applications industrielles. Toutefois, il est sensible à la corrosion lorsqu’il est exposé à diverses conditions de sol. La protection cathodique est la meilleure technique mise en œuvre pour protéger de la corrosion l’acier au carbone enterré. Pour les pipelines, les anodes sont disposées dans des couches de terre soit distribuées, soit dans un trou vertical profond, en fonction de plusieurs facteurs de conception et de conditions de terrain. Dans l’eau de mer, de nombreux paramètres peuvent influencer la demande de courant de protection cathodique, tels que le potentiel, la température et la teneur en oxygène dissous. Il ne faut pas négliger l’activité du biofilm, l’encrassement et la formation de dépôts calcaires. Dans un tel environnement l’efficacité de la protection cathodique est plus complexe à établir.
L’anode sacrificielle carbone
Une anode sacrificielle peut être produite par coulée en sable en ajoutant, à un pourcentage constant, de la fonte grise de charbon et du ferrosilicium en poids variable. La dureté des anodes produites peut être évaluée à l’aide d’un appareil de test de dureté. La microstructure des anodes est observable au moyen d’un microscope électronique à balayage et d’une spectroscopie à dispersion d’énergie. La diffraction des rayons X permet d’étudier les phases présentes. Un potentiostat est utilisé pour évaluer le comportement à la corrosion des anodes produites et de l’acier doux dans une solution de NaCl à 3,5 % en poids.
On a pu constater que certaines anodes présentaient une formation de graphite interdendritique, tandis que d’autres avaient des écailles de graphite prononcées. L’analyse EDS a montré que le carbone et le fer étaient les éléments prédominants dans l’anode. Les anodes produites peuvent donc être utilisées pour protéger l’acier doux dans le même environnement en raison de leurs valeurs Ecorr (mesure de corrosion) plus faibles que celles de l’acier doux. Cet alliage, à base de carbone en ajoutant du charbon naturel et du ferrosilicium à la fonte grise, peut être utilisé pour améliorer l’efficacité des anodes sacrificielles et pour atténuer ses inconvénients. Il s’avère particulièrement utile pour les fers doux exposés au milieu marin.