4 conception protection cathodique

Cours de protection cathodique

4. ConceptionMarcel ROCHE

Cours protection cathodique M.Roche 2

Généralités et critères de choix

Anode galvanique Système à courant imposéInstallation simple complexe

Source d’énergie non nécessaire indispensableDistribution du courant sur la

structureHomogène compte tenu du champ

d'action d'une anodesouvent hétérogène

Dimension de la struc ture à protéger importante surcharge en poids pour des structures de grandes dimensions, inadapté pour des grandes longueurs

Grandes dimensions, grandeslongueurs

Influence de la résistivité du milieu non envisageable si résistivité trop grande

aucune dif ficulté

Débit par anodes faible élevéNombre d’anodes important faible

Flexibilité dans les conditions de fonctionnement en particulier

variation de la demande en courant

aucune grande

Risque de surprotection quasi nul sauf dans le cas d’anodes de magn ésium

possible

Interférences avec d’autresstructures

faible Influence forte possible

Risques humains non possibleSurveillance / maintenance faible surveillance régulière et

nécessitant des techniciensspécialisés


Systèmes énergisés par courant imposé

Transformateur -Redresseuralimentation 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 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 mAsol < 50 Ohm.m

distance anode/canalisation > 3 m


Dimensionnement de la protection cathodique

• La conception du système de protection cathodique définissant le nombre, la masse, les dimensions et la répartition des anodes doit être faite pour assurer le respect du critère de potentiel retenu en tout point pendant la duré de vie de calcul

• La conception est faite de façon générale à l'aide d'une méthode simplifiée facilement mise en œuvre



Le courant de protection à fournir peut se déterminer :- par un essai sur site

- en adoptant les valeurs de densités de courant suivantes Protection par soutirage : Canalisation acier revêtue PE ou Epoxy : 0,1 mA/m²

Canalisation acier à revêtement bitumineux : 0,4 mA/m²

Protection par anodes sacrificielles: Canalisation acier revêtue PE ou Epoxy : 0,05 mA/m²

Canalisation acier à revêtement bitumineux : 0,1 mA/m²

La différence de densité suivant la nature des sources s’explique par la meilleure répartition des courants avec les anodes sacrificielles.

- par logiciel de calcul ( PROCOR)



La durée de vie souhaitée du système est à calculer (vérifier si elle convient aux objectifs fixés) :Déversoir de soutirage

Sa durée de vie est calculée sur la base des données de consommation du matériau et en prenant un coefficient de sécurité ( généralement égal à 2), pour une durée de 15 à 20 ans

Anodes sacrificielles

Elle est calculée sur la base de l’intensité fournie par l’anode, combiné avec le rendement électrochimique.

Connaissant la masse d’une anode, on en déduit le nombre minimumd’anodes.


La géométrie de l’ensemble masse anodique – backfill est à définir :La résistance de la masse anodique va dépendre :

- de sa forme- du nombre et de l’espacement de ses différents éléments- de la résistivité du milieu

Son calcul est toujours plus ou moins empirique. Il se base sur des formules de calcul de résistance de prise de terre pour des masses anodiques de géométrie et de position donnée

•Application de formules de calcul (exemple : formule de DWIGHT)

Pour un rondin posé horizontalement

Pour n rondins...)

²16²

224ln4(ln

..4+−+−+=

Lh

Lh

hL

aL

LRt

πρ

nRtKRo .=

K : facteur de couplage

n : nombre de rails




• Exemple de la conception en offshore :- estimation du "besoin en courant initial" I0 de

chacune des surfaces S à protéger à partir de la densité de courant de protection initiale j0 et éventuellement du coefficient de dégradation initial du revêtement x0 :

I0 = j0.S.x0

- idem pour les conditions de "maintien" de la protection après obtention du niveau de polarisation d'équilibre (effet du dépôt calco-magnésien) :

Im = jm.S.xm


Mise en œuvre des systèmes de protection

• Courant imposé :- type et caractéristiques (I, V) de la source de courant- type des anodes (Ti ou Nb platiné)- dimensions, nombre et répartition des anodes- dimensions des câbles électriques

• Anodes sacrificielles :- type d’alliage sacrificiel- dimensions, nombre et répartition des anodes

• Installation• Monitoring • Contrôles périodiques


Choix des alliages sacrificiels

• 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- léger- actif à chaud (mais faible rendement)


Protection par anodes galvaniques

Caractéristiques d’anodes galvaniques typiques à température ambiante

Nature de l'alliage

Energie massique pratique

Ah/kg

Potentiel mV vs

Ag/AgCl/eau de mer

Taux de consommation

kg/A.an

Al-In 2660 -1100 3,3 Zn 760 à 780 -950 à -1030 11,2 à -11,5 Mg 1230 -1500 7,1


Coût comparatif des anodes (fourniture)

Matériau Al Zn MgCoût (€/kg) 3 2,3 7,6

Consommation(Kg /A.an)

3,5 11,2 7,7

Coût de revient

(€/A.an)10,5 25,8 58,5

Ratio coûts 1 2,5 5,6



• calcul de la masse totale d'anodes Mt à installer à partir du courant de "maintien", de la durée de vie de calcul D, de la consommation massique pratique du matériau des anodes m et du facteur d'utilisation de celles-ci : u : Mt = D. Im . m /u

• calcul du nombre n, de la masse unitaire M (Mt= nM) et des dimensions des anodes (à partir des conditions initiales, généralement déterminantes), par l'intermédiaire de la notion de "résistance d'anode" et de la loi d'Ohm



• Ce type de calcul considère que la résistance de l'électrolyte entre une anode et la structure protégée dépend uniquement des dimensions de l'anode, la cathode étant considérée à l'infini et la densité de courant anodique étant prédominante.

• Des formules semi-empiriques, comprenant la résistivité ρ du milieu, sont utilisées pour calculer la "résistance d'anode"; Pour les anodes longiformes (longueur L, rayon équivalent r) utilisées sur structures tubulaires, on utilise une des formules de Dwight :

R = ρ /2πL [ln(4L/r)-1]



• On doit vérifier que le potentiel Ec de l'ouvrage est toujours plus négatif que le seuil de protection accepté, ceci notamment pour les conditions initiales :

Ec = Ea + Riavec i = Im /n et Ea potentiel "en charge" de l'anode.

• L'optimisation de cette conception est un souci permanent pour réduire les coûts sans prendre de risque au niveau de la maintenance en service

• Elle est essentiellement basée sur le retour d'expérience et la mise à profit des échecs



• Il s'est avéré néanmoins utile de chercher à mieux se rapprocher de la réalité pour les cas les plus complexes en se basant sur l'équation de Laplace qui régit le champ électrique dans l'électrolyte :

∇ϕ(x) = ∑[∂2ϕ / ∂x2] (x) = 0• Des logiciels de modélisation tridimensionnelle

basés sur les éléments finis ou les équations intégrales de surface se sont développés au début des années 80 sur ce principe



• PROCOR a été développé par le CETIM à partir de son logiciel de thermique CASTOR-TH3D, en collaboration avec IFREMER, Elf Aquitaine, DGA

• Utilisation des équations intégrales de surfaceavec algorithme reconnu efficace

• Modélisation surfacique ou tubulaire, prise en compte éventuelle de la chute ohmique dans ouvrages longilignes, électrolyte hétérogène

• Introduction de tout type de courbe de polarisation



• Entrée des données géométriques par pré-processeur graphique (CASTOR PRE3d)

• Sorties de calcul par cartographie en couleurs des potentiels et des densités de courant

• Prise en compte possible de l'évolution de la courbe de polarisation en fonction du temps par application de la méthode de Nisancioglu(SINTEF)- Algorithme utilisant paramètres électro-chimiques

(réduction de l'eau, de 02 dissous, d'oxydation du fer) et de formation du dépôt calco-magnésien



Temps (jours)

Nœud à -56 m

-900

-850

-800

-750

-700

-650

-600

-550

-500

0 50 100 150 200 250

Pot

entie

l (m

V/A

gAgC

l/eau

de

mer

)

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