Principes et avantages de la protection cathodique des pipelines
La protection cathodique (PC) est une technique utilisée pour contrôler la corrosion d’une surface métallique en la faisant passer du côté cathodique d’une cellule électrochimique. La méthode la plus simple pour appliquer la PC consiste à relier le métal à protéger à un autre métal plus facilement corrodable qui servira d’anode à la cellule électrochimique.
La protection cathodique peut, en principe, être appliquée à toute structure métallique en contact avec un électrolyte en vrac, bien qu’en pratique, elle soit principalement utilisée pour protéger les structures en acier enfouies dans le sol ou immergées dans l’eau.
À quoi sert la protection cathodique ?
Les systèmes de protection cathodique sont utilisés pour protéger un large éventail de structures métalliques dans divers environnements. Les applications les plus courantes sont les suivantes
- les conduites d’eau et de carburant
- Réservoirs de stockage
- Navires et bateaux
- Plateformes pétrolières offshore
- Tubes de puits de pétrole
Pour que la corrosion se produise, quatre éléments doivent être présents : un site hôte à partir duquel le courant circule, un site de destination où aucun courant ne circule, un milieu capable de conduire le courant (comme l’eau, le béton ou le sol) et un chemin métallique entre le site hôte et le site de destination.
La protection cathodique est souvent utilisée pour atténuer les dommages causés par la corrosion aux surfaces métalliques actives. Elle est utilisée dans le monde entier pour protéger les pipelines, les stations de traitement des eaux, les réservoirs de stockage aériens et sous-marins, les coques de navires et de bateaux, les plates-formes de production offshore, les barres de renfort dans les structures en béton et les piliers, etc.
Un système cathodique est souvent utilisé pour protéger l’acier contre la corrosion. La corrosion est provoquée lorsque deux métaux dissemblables sont immergés dans une substance électrolytique telle que l’eau, le sol ou le béton. Ce type de chemin conducteur métallique entre les deux métaux dissemblables permet un passage par lequel les électrons libres se déplacent du métal le plus actif (anode) vers le métal le moins actif (cathode). Si les électrons libres de l’anode n’atteignent pas les sites actifs de la cathode avant l’arrivée de l’oxygène, les ions des sites actifs peuvent alors se recombiner pour produire de l’hydroxyde ferreux, c’est-à-dire de la rouille.
Comment fonctionne la protection cathodique ?
En substance, la protection cathodique relie le métal de base à risque (l’acier) à un métal sacrificiel qui se corrode à la place du métal de base. La technique de protection cathodique de l’acier préserve le métal en fournissant un métal hautement actif qui peut agir comme une anode et fournir des électrons libres. En introduisant ces électrons libres, le métal actif sacrifie ses ions et empêche l’acier moins actif de se corroder.
Utilisation de la protection cathodique sur les pipelines
La protection cathodique est une méthode importante pour prévenir la corrosion des pipelines métalliques enterrés. Chaque exploitant de pipeline doit effectuer des mesures régulières de la PC – au niveau des redresseurs de transformateurs et des points d’essai (dans les systèmes à courant imposé) et au niveau des anodes sacrificielles (dans les systèmes galvaniques).
La collecte et l’analyse de ces mesures de PC demandent beaucoup de travail, sont très coûteuses et (surtout) ne peuvent être que réactives – les problèmes de PC peuvent rester non détectés pendant de longues périodes, pendant lesquelles le pipeline n’est pas suffisamment protégé.
Principes de la protection cathodique
La corrosion est l’action d’un métal extrait du minerai qui revient à son état primaire lorsqu’il est exposé à l’oxygène et à l’eau. L’exemple le plus courant est la rouille de l’acier. La corrosion est un processus électrochimique, qui se produit normalement à l’anode mais pas à la cathode.
Le principe de la protection cathodique consiste à connecter une anode externe au métal à protéger et à faire passer un courant continu entre elles afin que le métal devienne cathodique et ne se corrode pas.
Dans un système de canalisation, il y a deux façons de procéder :
- En utilisant une anode galvanique externe, où le courant continu provient de la différence de potentiel naturelle entre les métaux de l’anode (par exemple Zn, Al ou Mg) et la conduite (par exemple l’acier au carbone). L’anode est connectée électriquement à la canalisation, ce qui fait circuler un courant positif de l’anode vers la canalisation, de sorte que toute la surface de l’acier se charge négativement, c’est-à-dire la cathode.
- L’utilisation d’une source de courant continu externe (courant alternatif redressé) pour faire passer un courant à travers une anode externe (généralement inerte) sur la surface de la canalisation, qui devient la cathode.
Les systèmes galvaniques sont faciles à installer, ont de faibles coûts d’exploitation et des besoins d’entretien minimes, ne nécessitent pas d’alimentation électrique externe et interfèrent rarement avec les structures étrangères. Cependant, ils offrent une protection limitée des grandes structures et sont donc utilisés pour des applications de PC assez localisées.
Les systèmes à courant imposé sont plus fréquemment utilisés pour protéger les pipelines et les réservoirs de stockage souterrains. Leur courant de sortie élevé permet de protéger économiquement de grandes structures métalliques souterraines, est flexible pour faire face à des conditions variables et est moins sensible à la résistivité du sol. Cependant, ils dépendent de la continuité de leur source d’alimentation en courant alternatif et peuvent interférer avec d’autres structures enterrées à proximité.
Le niveau de courant continu appliqué par les systèmes à courant imposé est important. Un courant trop faible entraînera des dommages dus à la corrosion ; un courant excessif peut entraîner le décollement du revêtement et la fragilisation par l’hydrogène. Pour ces raisons, les systèmes à courant imposé nécessitent une surveillance régulière.