corrosion et protection cathodique
TRANSCRIPT
CORROSION ET PROTECTION CATHODIQUE
6.1
Rédacteur : Monsieur MARECRévision : 2 de 1996TRAN 96.2
Ce document n’est diffusable qu’en accompagnement d’une action de formation
2/147
ECOLE D'APPLICATION DES TECHNIQUES GAZIERES
PROTECTION CONTRE LA CORROSION
PARTIE 1Notions concernant la corrosion métallique en milieu humideet principe de la protection cathodique des métaux................................................ 6
1 RAPPELS - METAUX ET ELECTROLYTES....................................................... 6
1.1 L'ELECTRODE METALLIQUE................................................................................. 6
1.2 L'ELECTROLYTE....................................................................................................... 6
1.3 LA CONDUCTION ..................................................................................................... 7
2 PROCESSUS ELECTROCHIMIQUES DEVELOPPESSUR UNE ELECTRODE METALLIQUE EN CONTACTAVEC UN ELECTROLYTE .................................................................................... 8
2.1 EQUILIBRE DUN METAL DANS UNE SOLUTION .............................................. 82.1.1 Couche double à l'interface métal-solution. ................................................................. 82.1.2 Potentiel du métal dans la solution............................................................................... 82.1.3 Electrode de référence ................................................................................................ 10
2.2 PROCESSUS DE LA CORROSION......................................................................... 122.2.1 Destruction de l'équilibre par réaction du milieu ....................................................... 122.2.2 Destruction de l'équilibre par couplage d'électrodes métalliques............................... 122.2.3 Remarques .................................................................................................................. 15
2.3 PROCESSUS SECONDAIRES AUX ELECTRODES -DIAGRAMMES PH - TENSION............................................................................... 17
2.3.1 Influence des réactions secondaires............................................................................ 172.3.2 Etablissement des diagrammes de Pourbaix (pH - tension). ...................................... 17
3 APPLICATION DE LA THEORIE DE LA CORROSION AUX METAUXPLONGES DANS UN ELECTROLYTE QUELCONQUE(OUVRAGES METALLIQUES DANS LE SOL OU DANS L'EAU)................. 20
3.1 POTENTIEL DE CORROSION, OU POTENTIEL SPONTANE,D'UN METAL DANS UNE SOLUTION QUELCONQUE ..................................... 20
3.2 MESURE DU POTENTIEL DUN METAL DANS UNE SOLUTION.................... 20
3.3 CLASSIFICATION DES METAUX......................................................................... 21
3/147
3.4 FACTEURS AGISSANT SUR LA CORROSIONDES OUVRAGES METALLIQUES ENTERRES ................................................... 22
3.4.1 Le sol comme électrolyte ........................................................................................... 223.4.2 Piles dues à l'électrolyte ............................................................................................. 233.4.3 Piles dues à l'association de métaux différents (couplage galvanique) ...................... 253.4.4 Corrosion bactérienne................................................................................................. 253.4.5 Corrosion par les courants vagabonds........................................................................ 253.4.6 Taux de corrosion de l'acier dans les sols,
agressivité absolue et agressivité relative................................................................... 27
4 PROTECTION CATHODIQUE ............................................................................ 28
4.1 PRINCIPE DE LA PROTECTION CATHODIQUE ................................................ 284.1.1 Protection cathodique par courant imposé ................................................................. 284.1.2 Protection cathodique par anode galvanique.............................................................. 28
4.2 CRITERE DE PROTECTION CATHODIQUE :LE POTENTIEL METAL/SOLUTION..................................................................... 28
4.3 CRITERE DE PROTECTION CATHODIQUE : LE COURANT............................ 30
PARTIE 2 Réalisation pratique de la protection cathodique des ouvrages enterrés....... 31
5 LA PROTECTION DES OUVRAGES ENTERRES............................................ 31
5.1 GENERALITES......................................................................................................... 31
5.2 LA PROTECTION PASSIVE.................................................................................... 325.2.1 Réalisation de l'isolement du métal par rapport au milieu ......................................... 325.2.2 Réalisation de l'isolement des différents métaux constitutifs d'un réseau.................. 335.2.3 Délimitation de l'ouvrage à protéger cathodiquement................................................ 335.2.4 Isolation du réseau des autres structures étrangères enterrées.................................... 35
5.3 PROTECTION CATHODIQUE................................................................................ 355.3.1 Protection par anodes sacrificielles ............................................................................ 355.3.2 Protection cathodique par courant imposé ................................................................. 395.3.3 Protection cathodique en présence de courants vagabonds........................................ 47
6 ETUDE DES INSTALLATIONS DE PROTECTION CATHODIQUE ............ 53
6.1 ETUDE MATHEMATIQUE ..................................................................................... 53
6.2 CONSIDERATIONS PRATIQUES .......................................................................... 576.2.1 Valeur d'isolement...................................................................................................... 576.2.2 Résistance de terre d'une conduite.............................................................................. 586.2.3 Représentation graphique du potentiel d'une conduite............................................... 59
4/147
7 CONTROLE DE L'EFFICACITE DE LA PROTECTIONCONTRE LA CORROSION................................................................................... 61
7.1 MESURE DES POTENTIELS .................................................................................. 61
7.2 MESURE DES COURANTS..................................................................................... 63
7.3 VERIFICATION DE LA PROTECTION PASSIVE ................................................ 647.3.1 Détermination de la valeur globale d'isolement ......................................................... 647.3.2. Valeur d'isolement de tronçons .................................................................................. 657.3.3 Méthodes mathématiques ........................................................................................... 65
7.4 VERIFICATION DE L'ISOLEMENT DE LA CONDUITEPAR RAPPORT A D'AUTRES OUVRAGES .......................................................... 66
7.4.1 Cas général ................................................................................................................. 667.4.2 Fourreaux et tubages métalliques ............................................................................... 66
8 INFLUENCES ELECTRIQUES ............................................................................ 71
8.1 INFLUENCES DUES A LA PROTECTION CATHODIQUE................................. 71
8.2 INFLUENCES DUES AUX LIGNES AERIENNES DE TRANSPORTD'ENERGIE LORS DE DEFAUTS D'ORIGINE ELECTRIQUE..................... 74
8.2.1 Risque dû à l'induction de forces électromotrices dans la conduitelorsque celle-ci est approximativement parallèle à la ligne d'énergie ........................ 75
8.2.2 Risque dû à la conduction de courant par le pied de pylône ...................................... 758.2.3 Principes à mettre en œuvre ....................................................................................... 76
9 PROTECTION CATHODIQUE D'OUVRAGES GAZIERS.............................. 79
9.1 PROTECTION GLOBALE DE STATIONS............................................................. 79
9.2 PROTECTION CATHODIQUE D'UN SAUMODUC.............................................. 79
9.3 PROTECTION CATHODIQUE DES PUITSDE STOCKAGES SOUTERRAINS.......................................................................... 80
9.4 STATION DE FILTRATION D'EAU DE MER - THERMINAL METHANIERDE MONTOIR DE BRETAGNE .............................................................................. 83
9.5 PROTECTION CATHODIQUE DE CONDUITES DE FONTE.............................. 85
BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................... 87
5/147
PREAMBULE
La corrosion est le processus qui conduit les éléments naturels à défaire ce que l'hommea élaboré par son travail et à grands frais d'énergie, à partir des matériaux que la terre luioffre.
La corrosion métallique ramène, ainsi, métaux et alliages à leur état naturel d'oxydes oude minerais.
La corrosion engendre, aussi bien pour les particuliers que pour les sociétés industrielleset les états, des coûts de renouvellement très importants, des conséquences techniquesfâcheuses, et des risques pour l'homme lui-même.
La corrosion sévit dans tous les domaines d'activité, mais c'est peut-être dans lesindustries gazière et pétrolière qu'elle montre le plus son caractère pernicieux :généralement enterrés, inaccessibles à l'examen, assurant leur fonction de production, detransport et de distribution, se faisant même oublier, les ouvrages gaziers baignent dansun milieu particulièrement agressif du fait de son hétérogénéité et du grand nombred'impuretés qu'il contient. Ce milieu très varié ne se prête pas facilement à lamodélisation et aux études scientifiques, tant en laboratoire que sur site. C'est pourquoi,les chercheurs en sont encore au stade de la compréhension des mécanismes de lacorrosion et les ingénieurs au perfectionnement des techniques destinées à prémunir lesouvrages des effets de cette dégradation.
Le réseau du GAZ DE FRANCE est constitué, en 1989, d'environ 137 000 kilomètresde conduites pour le transport et la distribution du gaz. Il comporte, également,25 stations de compression, onze réservoirs souterrains comportant plus de 350 puits,des centaines de postes et autres installations gazières.
Dès 1947, le GAZ DE FRANCE s'est doté d'un organisme chargé d'étudier lesphénomènes de corrosion, et de définir les moyens les mieux adaptés à la protection deses ouvrages métalliques enterrés.
Aujourd'hui c'est le Centre Technique Opérationnel (C.T.O.) de la Direction ProductionTransport à COMPIEGNE, qui est chargé, pour le G.D.F., de l'étude des systèmes etdispositifs de protection à mettre en place sur les ouvrages, et de l'établissement despécifications et modes opératoires concernant la surveillance et la maintenance de cessystèmes.
6/147
PARTIE 1Notions concernant la corrosion métallique en milieu humide et principe
de la protection cathodique des métaux
1 RAPPELS - METAUX ET ELECTROLYTESLa corrosion est le résultat de la présence simultanée de deux acteurs, le métal et lemilieu corrosif.
L'environnement est un milieu corrosif, à partir du moment où il contient de l'eau ; cemilieu, c'est, bien entendu, l'eau elle-même, milieu complexe contenant quantitéd'espèces chimiques dissoutes ou en suspension, mais aussi les sols qui contiennent tousplus ou moins d'humidité, et encore les gaz amenant des condensations d'eau. Cetenvironnement c'est aussi la plupart des milieux industriels liquides.
La corrosion humide est le résultat d'une réaction électrochimique, (une réaction est unéchange - gain ou perte - de particules) dont les particules proviennent d'une électrodemétallique et d'un électrolyte qui réagissent au contact l'un de l'autre. Ces réactions, àl'interface d'une phase métallique et d'une phase aqueuse, mettent en jeu à la fois lesélectrons du métal et certains éléments chimiques, neutres ou ionisés, contenus dans lasolution.
1.1 L'ELECTRODE METALLIQUE
Un métal M est constitué par un édifice cristallin d'ions positifs Mn+ dans lequelcirculent des électrons libres. On sait que ce nuage électronique est responsable de laconductibilité des métaux.
La mise en mouvement de ces électrons sous l'effet d'un champ électrique crée unecirculation de courant dans le métal.
La particularité d'un conducteur métallique est de laisser passer le courant électriquesans subir de modification chimique.
1.2 L'ELECTROLYTE
Un électrolyte est un système qui renferme des particules ionisées. Ces particulespeuvent être des atomes ionisés, ou des ions complexes constitués de plusieurs atomes.
Les ions positifs ou cations proviennent d'atomes qui ont perdu un ou plusieursélectrons. C'est le cas des atomes métalliques.
H+, Na+, K+ : sont des cations univalents.
Ca+2, Mg+2, Cu+2 (ion ferreux) : sont des cations divalents.
A1+3, Fe+3 (ion ferrique) : sont des cations trivalents.
7/147
Les ions négatifs ou anions proviennent d'atomes qui ont gagné un ou plusieursélectrons. C'est en général le cas des métalloïdes.
Br-, Cl- (l'ion chlore) : sont univalents.
S2- : sont divalents.
Les ions complexes pourvus d'une charge positive ou négative.
ion oxhydrile OH-, HCO3-
ion sulfate SO42-
ion peroxosulfate S2O82-
ion ferryle FeO++, Fe (OH)2+, NH4
+
Si l'on exclut le cas des électrolytes fondus, ces particules ionisées de l'électrolyte sontdissoutes, en plus ou moins grande quantité, dans un solvant.
L'eau est un solvant très dissociant, dit ionisant. Ce n'est pas un solvant inerte car lamolécule d'eau a la propriété, par action électrostatique, de se combiner avec desparticules du soluté pour former des ions hydratés (ions solvatés).
1.3 LA CONDUCTION
La conduction sous l'action d'un champ électrique est due, dans le cas de l'électrolyte, audéplacement des ions.
Les cations (ions +) se déplacent dans le sens du champ et se dirigent vers la cathode.Les anions (ions -) se dirigent vers l'anode.
Plus la concentration en espèces ionisées est grande, meilleure sera la conductibilitéélectrique de l'électrolyte.
La particularité du conducteur électrolytique est d'être décomposé par le passage ducourant électrique. Les électrodes qui apportent le courant dans l'électrolyte sont le siègede réactions d'oxydoréduction ou phénomènes d'électrolyse.
En résumé, la distinction entre métal et électrolyte, en ce qui concerne la conduction ducourant, s'établit comme suit :
le métal conduit le courant par ses électrons. Le métal est un conducteur électronique.La tension appliquée aux bornes du métal est proportionnelle au courant qui le traverse,c'est un conducteur ohmique auquel s'applique la loi d'Ohm U = RI.
l'électrolyte conduit le courant par ses particules ionisées, il s'agit d'une conductionionique. L'application d'une tension minimale d'électrolyse est nécessaire ici pourassurer la circulation d'un courant dans l'électrolyte.
Il y a existence d'une force contre-électromotrice, dépendant de l'électrolyte mais aussides conditions d'expérience, qui retarde l'apparition du courant.
L'électrolyte est un conducteur ionique auquel s'applique la loi d'Ohm généralisée :
U = E + RI
8/147
2 PROCESSUS ELECTROCHIMIQUES DEVELOPPES SUR UNEELECTRODE METALLIQUE EN CONTACT AVEC UNELECTROLYTE
2.1 EQUILIBRE DUN METAL DANS UNE SOLUTION
2.1.1 Couche double à l'interface métal-solution.
Plongeons un métal dans un électrolyte ionisant inerte.
Les ions du réseau métallique tendent à passer en solution et laissent le métal chargénégativement par ses électrons (voir figure n° 1).
Ce passage s'effectue jusqu'à ce que la charge des électrons s'oppose à celles des ionspositifs.
Il s'établit alors un équilibre réversible entre le métal, ses ions et ses électrons. Lesréactions 1 et 2 ont lieu simultanément.
M1→←2
M++ +2e-
Ce phénomène se traduit par la création à l'interface métal/solution d'une double coucheélectrochimique responsable de l'existence d'un potentiel du métal dans l'électrolyte.
2.1.2 Potentiel du métal dans la solution.
Dans le cas où le métal est plongé dans une solution normale d'un de ses ions, on peut,en utilisant les lois de la thermodynamique, calculer ce potentiel. Ce potentiel a unevaleur déterminée pour un métal donné et permet le classement des métaux suivant leuraptitude à s'ioniser. L'échelle de Nernst permet ainsi le classement des métaux du pointde vue de leur noblesse.
Un métal noble s'ionise peu, parce qu'il existe des forces de cohésion importantes entreles atomes.
Plus son potentiel est élevé, plus le métal considéré est noble, à l'inverse d'un métalclassé vil, de potentiel plus faible.
L'or, le platine, dont les potentiels normaux d'oxydoréduction sont les plus élevés, sonttrès nobles, donc peu ionisables et peu corrodables. Le cuivre est plus noble que le fer,son potentiel étant plus élevé que celui du fer. Le magnésium est un des métaux les plusvils.
9/147
Equilibre de deux métaux différents dans une solution
Equilibre d'un métal dans une solution
Mesure du potentiel d'un métal dans une solutionavec une électrode de référence
10/147
2.1.3 Electrode de référence
Une électrode métallique plongée dans un électrolyte est assimilable à une demi-pile.Son potentiel ne peut se mesurer physiquement.
En effet on ne peut mesurer que la différence de potentiel d'une pile. Dans notre cas,cette pile sera constituée par la chaîne électrochimique constituée de l'électrodemétallique à étudier, plongée dans l'électrolyte, et d'une électrode de référenceégalement au contact de l'électrolyte.
L'électrode de référence est constituée elle aussi par une demi-pile soumise à unprocessus réversible d'oxydoréduction c'est à dire métal/solution normale d'un sel dumétal. Elle possède son propre potentiel normal.
L'électrode standard à hydrogène a été choisie arbitrairement comme zéro de l'échelledes potentiels, mais dans la pratique on utilise des électrodes de référence plus simples,telles l'électrode Cu/Cu SO4, Ag/Ag Cl, au calomel (Hg - Hg2 C12 - KCl), dont onconnaît les potentiels respectifs (voir tableau n° 2 et figure n° 2).
11/147
POTENTIELS RESPECTIFS DES DIFFERENTES ELECTRODES
Zinc en eau Hydrogène Calomel Chlorure Electrodede mer saturé d'argent Cu/Cu SO4
12/147
2.2 PROCESSUS DE LA CORROSION
Nous avons vu qu'une électrode métallique plongée dans un électrolyte était le sièged'un équilibre :
Si par un moyen quelconque, on absorbe les électrons participant au maintien de lacouche double, on conçoit que l'équilibre des charges étant détruit, les ions métalliquesM++ puissent passer en solution.
La réaction 1 d'oxydation se développera tant que l'on absorbera les électrons.
Le processus de corrosion est établi.
2.2.1 Destruction de l'équilibre par réaction du milieu
(voir figure n°3)
Tout système chimique, contenu dans l'électrolyte, capable de fixer au contact del'électrode métallique les électrons du métal (ce qui est le cas des oxydants de lasolution) provoquera une oxydation du métal.
Les oxydants de la solution sont réduits (gain d'électrons).
Le métal, qui est dit réducteur, est, lui, oxydé (perte d'électrons).
C'est le cas par exemple :
- de l'ion hydrogène en milieu acide : 2H+ + 2e- → H2
- de l'oxygène en milieu acide : O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
- de l'oxygène en milieu basique : O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
- d'un ion métallique contenudans la solution qui peut être réduit : Mm+ + électron → Mn+ avec m > n
Les sites anodiques et cathodiques se formant au hasard sur l'électrode, ce processusconduit à une corrosion de type généralisé. Avec le temps, l'électrode voit sa masse etson épaisseur diminuer régulièrement.
2.2.2 Destruction de l'équilibre par couplage d'électrodes métalliques
(voir figure n°4)
Soit deux électrodes métalliques Ml et M2 en équilibre dans un même électrolyte. Cesdeux électrodes ont établi chacune leur couche double électrochimique et présentent despotentiels El et E2 dans la solution.
13/147
DESTRUCTION DE L'EQUILIBRE D'UN METAL DANS UNE SOLUTIONPAR ACTION DU MILIEU
1 - EQUILIBRE DU METAL DANS LA SOLUTION
2 – EXEMPLES DE DESTRUCTION DE L'EQUILIBRE
3 – IDENTIFICATION DU COURANTIl y a circulation d'un courant entre les zones anodique et cathodique
Figure n° 3
14/147
DESTRUCTION DE L'EQUILIBRE D'UN METAL DANS UNE SOLUTIONPAR COUPLAGE ELECTRIQUE (OU GALVANIQUE)
1 - METAUX EN EQUILIBRE DANS LA SOLUTION
2 – DESTRUCTION DE L'EQUILIBRE PAR COUPLAGE GALVANIQUE
3 – IDENTIFICATION DU COURANT
Figure n° 4
15/147
Supposons que les métaux soient tels que le potentiel du métal M2 soit supérieur à celui dumétal M1. Ce pourrait être le cas du fer comme métal M1 avec un potentiel El de - 650 mVet du cuivre comme métal M2 avec un potentiel E2 de - 200 mV ; tous potentiels mesuréspar rapport à une électrode au cuivre/sulfate de cuivre.
On est bien dans la condition E2 > E1.
Si l'on fait une liaison électrique entre les 2 électrodes, comme il ne peut y avoiraccumulation de charges à l'intérieur d'un conducteur électrique, il va y avoir migrationpar l'intermédiaire de la liaison établie, des électrons vers le métal dont le potentiel estle plus élevé (dans notre cas de Ml → M2).
A l'anode Ml, l'équilibre est détruit, de la matière métallique (M++) passe en solution. Ily a corrosion. L'anode est l'électrode, ou la partie de l'électrode, sur laquelle sedéveloppe une réaction d'oxydation. L'anode est sujette à dissolution.
A la cathode M2, l'afflux des électrons permet à l'équilibre de se renforcer, des réactionscathodiques se développent à l'interface métal/solution. La cathode est l'électrode, ou lapartie d'électrode, sur laquelle se développe une réaction de réduction.
2.2.3 Remarques
Remarque 1
Pour les deux cas de destruction de l'équilibre métal/solution que nous venons d'établir,nous appellerons :
Anode : l'électrode, ou la partie de l'électrode, sur laquelle se développe une réactiond'oxydation du métal. L'anode est en général sujette à dissolution.
Cathode : l'électrode, ou la partie de l'électrode, sur laquelle se développe une réactionde réduction d'une espèce contenue dans l'électrolyte (dégagement d'hydrogène,formation d'ion OH- donc alcalinisation du milieu, dépôt de métal, ...).
Remarque 2
Les deux cas de destruction d'équilibre étudiés correspondent à un déplacementd'électrons dans les conducteurs métalliques, donc à la circulation d'un courantélectrique. Rappelons que par convention, le sens du courant électrique a été choisiinverse de celui des électrons dans les conducteurs. Par contre, dans l'électrolyte, il aurapour sens celui du déplacement des charges positives.
Quelle que soit l'origine de la destruction de l'équilibre, on constate que :
l'anode qui émet des charges positives (les ions métalliques) vers la solution est le sièged'une sortie de courant (du métal vers l'électrolyte),
la cathode qui rassemble des électrons participant à une réduction est le siège d'uneentrée de courant (de l'électrolyte vers le métal).
Remarque 3
L'expérience du couplage de matériaux différents, appelé couplage galvanique, a montréque :
- l'anode est le métal dont le potentiel est le plus bas,
- la cathode est le métal dont le potentiel est le plus élevé.
16/147
La mesure du potentiel d'un métal, avec une électrode de référence, donne une valeurnégative pour la plupart des métaux usuels. Sera anode d'un couplage galvanique, toutmétal plus négatif qu'un autre.
Remarque 4
La synthèse des remarques précédentes fait ressortir que sur une même électrode, ou surun système bimétallique de couplage galvanique, existent des zones anodiques et deszones cathodiques, dont les potentiels sont différents.
Ce sont ces différences de potentiel qui sont génératrices de courants et responsablesdes corrosions.
Le point B est l'anode principaledu système.
Figure n°5 :Schéma des circulations de courants sur une électrode
Remarque 5
Les réactions d'oxydoréduction suivent les lois quantitatives de l'électrolyse.
La masse de métal déposé sur une cathode, ou la masse de métal consommé à l'anodeest proportionnelle à la quantité de courant traversant les électrodes et à la masseatomique M du métal, et inversement proportionnelle à sa valence n (Loi de Faraday).
Calculée pour les métaux usuels, cette loi montre qu'une réaction d'oxydation mise enjeu par un courant amène des consommations dont l'ordre de grandeur est le suivant :
10 g de fer par mA. an 10,4 kg de cuivre par A. an
10 kg de fer par A. an 10,7 kg de zinc par A. an
1 g de fer par A. h 34 kg de plomb par A. an
Ces chiffres sont déjà éloquents par eux-mêmes et laissent présager de l'importance desdégâts auxquels une anode est soumise.
Mais si l'on fait intervenir la notion de densité de courant (A/m2), on comprend qu'àperte de poids égale, le danger se présentera plus rapidement sur les petites surfacessoumises à de fortes densités, que sur les grandes surfaces où la densité de courant peutêtre très faible ; la perte de poids se répartissant sur tout l'ouvrage.
17/147
2.3 PROCESSUS SECONDAIRES AUX ELECTRODES -DIAGRAMMES PH - TENSION
2.3.1 Influence des réactions secondaires
Des processus ou des réactions secondaires peuvent apparaître au niveau des électrodes,pour ralentir ou augmenter la vitesse des réactions anodiques ou cathodiques.
- Ainsi, par exemple, dans les sols, la raréfaction de l'oxygène diminue la corrosion del'acier en ralentissant la réaction cathodique, mais il n'en est plus de même si unapport constant d'oxygène est produit par les fluctuations d'une nappe phréatique oud'un écoulement d'eau. Dans ce cas, il y aura entretien de la corrosion.
- En milieu neutre ou basique, l'hydrogène formé aux cathodes reste adsorbé et ne sedégage pas ; la vitesse de corrosion diminue dans de fortes proportions.
Les produits primaires de la corrosion peuvent aussi, en réagissant avec la solution (soitpar transformation, soit par dissolution), jouer ou non le rôle de barrières à la diffusionde l'oxygène et ainsi ralentir ou même réduire à zéro le taux de corrosion, ou bien aucontraire, par une remise à nu du métal, favoriser la poursuite de la corrosion.
Il en est ainsi, par exemple, de l'hydroxyde ferreux, produit de la corrosion du fer, quien solution très acide est dissous et ne protège pas le métal, mais qui en milieu neutre enprésence d'oxygène se transforme en hydroxyde ferrique (la rouille) assurant unebarrière à la diffusion de l'oxygène.
2.3.2 Etablissement des diagrammes de Pourbaix (pH - tension).
Le professeur, Marcel POURBAIX a établi pour la plupart des métaux des diagrammespH - potentiel d'équilibre des réactions, qui décrivent les différentes réactions théoriquespossibles entre un métal et ses ions en présence d'eau. Selon la solubilité des corpsformés, il en a déduit des domaines théoriques de situation du métal. Ainsi pour le feron trouve :
- un domaine de corrosion où le fer se dissout dans la solution et forme des sels et deshydroxydes solubles,
- un domaine de passivation où le fer est protégé par un film superficiel qui l'isole dumilieu ambiant. C'est un domaine où le métal est protégé contre la solution, si le filma pu se former d'une manière uniforme, s'il reste adhérent et si, mécaniquement, rienne vient le détruire.
- un domaine d'immunité où le fer reste à l'état métallique et ne peut donc se corroder,les réactions d'oxydation n'étant plus possibles. C'est le domaine de la protectioncathodique.
Ces trois domaines et les circonstances (pH et tension) qui les définissent peuvent êtreétablis pour tous les métaux purs, et en particulier pour le plomb et le cuivre.
Voir figures (n°6, n°7 et n°8) : les diagrammes du fer, de l'aluminium, du plomb et ducuivre.
18/147
19/147
20/147
3 APPLICATION DE LA THEORIE DE LA CORROSIONAUX METAUX PLONGES DANS UN ELECTROLYTEQUELCONQUE (OUVRAGES METALLIQUES DANS LE SOLOU DANS L'EAU).
3.1 POTENTIEL DE CORROSION, OU POTENTIEL SPONTANE, D'UN METALDANS UNE SOLUTION QUELCONQUE
Jusqu'à présent, nous avions considéré le cas d'un métal pur plongé dans un électrolytecontenant un de ses sels dissous dans l'eau.
Ce métal avait un potentiel dans la solution qui pouvait être calculé à partir des lois dela thermodynamique et dépendait, entre autres facteurs, de la concentration des ionsmétalliques dans la solution.
Si l'on considère maintenant un métal ou un alliage quelconque dans un électrolytequelconque, il ne s'établit plus d'équilibre au sens thermodynamique et le potentiel prispar le métal n'est plus calculable.
Ce potentiel appelé potentiel de corrosion reste néanmoins mesurable commeprécédemment, à partir d'une électrode de mesure.
Le potentiel du métal dans une solution dépend de très nombreux paramètres relatifs à lafois au métal et à la solution. Il dépend, entre autres, de la nature du métal, de son étatmétallurgique et de son état de surface (présence d'oxydes, de calamines, ...), de lanature de l'électrolyte et de ses constituants solides, liquides et gazeux (présence de selsdissous, taux d'aération, granulométrie), de l'agitation du milieu (mouvement des nappesphréatiques, marées, ...).
Chaque expertise d'un cas de corrosion nécessite, avant même d'établir un diagnostic oude rechercher une solution, la mesure du potentiel du métal dans la solution où il baigne.Cela permet, dans beaucoup de cas, de mieux appréhender les conditions ou lesparamètres qui influent sur l'équilibre métal/solution.
3.2 MESURE DU POTENTIEL DUN METAL DANS UNE SOLUTION
Il s'agit de faire la mesure du potentiel du métal plongé dans l'électrolyte qui est dansson voisinage immédiat.
En effet, le véritable milieu baignant la surface du métal est celui qui contient lesproduits des réactions d'oxydoréduction - solides, tels les oxydes, ou gazeux, commel'hydrogène adsorbé au niveau des cathodes ou l'oxygène au niveau des anodes - et dontle pH est différent de celui du reste de l'électrolyte (plus alcalin s'il s'agit d'une cathode,plus acide près d'une anode). La sonde qui contient l'électrode de référence doit doncêtre placée dans le milieu ambiant, le plus près possible du métal, car c'est ce milieuambiant qui lui fixe son potentiel et son état.
On peut déjà comprendre les difficultés rencontrées pour faire des mesures correctes dupotentiel d'un ouvrage enterré ou immergé.
L'électrode de référence est rarement positionnée à proximité du métal ; placée en généralau niveau du sol au droit de la conduite, elle ne reflétera pas le potentiel exact du métal. Onverra, plus avant, que l'éloignement de l'électrode par rapport au métal introduit une erreursupplémentaire en intégrant, dans la mesure du potentiel, des chutes de tension existant ausein de l'électrolyte lorsque celui-ci est parcouru par des courants électriques.
21/147
La mesure de ce potentiel se fait à l'aide d'un millivoltmètre de forte résistance interne,de façon à éviter le passage d'un courant dans le circuit de mesure, et fausser la valeurde la tension par la polarisation de l'électrode métallique ou de l'électrode de référence.
En laboratoire, les résistances de l'appareillage sont couramment de plusieurs mégohms. Surle terrain, on se contente, pour éviter des inconvénients liés à l'existence de capacitésparasites ou à l'humidité, d'appareils moins performants de 20.000 à 100.000 Ω par volt.
3.3 CLASSIFICATION DES METAUX.
Potentiels spontanés des matériaux conducteurs dans divers électrolytes(mesurés en mV avec différentes électrodes)
22/147
3.4 FACTEURS AGISSANT SUR LA CORROSION DES OUVRAGESMETALLIQUES ENTERRES
Nous venons d'établir les principes fondamentaux de la corrosion des métaux, enmontrant qu'elle résultait de la destruction de l'équilibre métal/solution. Examinonsmaintenant ce que deviennent les circonstances de destruction de l'équilibre lorsque l'ona affaire dans la pratique à une canalisation de gaz et à un électrolyte qui est le sol.
3.4.1 Le sol comme électrolyte
Le sol est un amalgame complexe de solides, liquides et gaz,, qui font qu'il est parfoisagressif, ce qui conduit à des corrosions extrêmement rapides, mais qu'il est, danscertains cas, parfaitement inerte et n'a qu'une action tout à fait négligeable.
L'agressivité absolue du sol pour un métal découle de ses propriétés physiques etchimiques.
3.4.1.1 Propriétés physiques des sols
Le sol contient de grandes quantités de minéraux différents de granulométrie variableselon leur provenance. Les sables contiennent des particules pouvant atteindre 2 mm, lesparticules constitutives de l'argile n'ont que quelques microns de diamètre.
Les sols contiennent de l'eau
- une eau libre amenée par les mouvements de la nappe phréatique à profondeurvariable (1 à 100 m), qui joue un rôle important surtout pour les structures enterréesverticales, comme les puits.
- une eau libre qui s'infiltre depuis la surface du sol ; eaux de pluie, d'irrigation etd'inondation.
- une eau interstitielle qui migre par capillarité, dont la quantité dépend de la nature dela terre et fixe le taux d'humidité d'un sol.
Les sols contiennent des gaz
A la profondeur des conduites, il y a presque toujours de l'air, donc de l'oxygène,beaucoup dans les sols sableux ou poreux, moins dans les sols compacts argileux.
3.4.1.2 Propriétés chimiques des sols
Elles sont mises en évidence par la mesure du pH. La plupart des sols ont un pHcompris entre 5 et 8.
Les sols contiennent des sels dissous à des concentrations de 100 à 1500 ppm.
La teneur en sel est fonction des précipitations. Des pluies abondantes lavent les terrainset leur salinité est faible. Dans les régions arides, au contraire, où l'eau remonte du solpour s'évaporer, la concentration en sels peut devenir très importante.
Les cations les plus répandus, cause d'agressivité, sont les ions potassium, sodium,magnésium et calcium.
23/147
Les anions présents, chlorures et sulfates, augmentent la conductibilité de l'électrolyte etfacilitent donc les transferts électriques causant les corrosions.
3.4.1.3 Mesure de l'agressivité du sol
La mesure de l'agressivité des sols pour les métaux peut être déduite de la mesure deleur résistivité électrique. C'est le critère d'appréciation le plus fréquemment utilisé.
Pour l'acier dans le sol, il est admis que lorsque la résistivité du sol :
- est supérieure à 100 Ω.m, le sol est peu agressif. On mesure des résistivités de 200 à500 Ω.m et plus dans des terrains pierreux, calcaires ou sables secs.
- est comprise entre 50 et 100 Ω.m, l'agressivité est moyenne. C'est souvent le cas desterrains agricoles, limoneux, légèrement sableux.
- est inférieure à 50 Ω.m, le terrain est agressif. Des terrains argileux et lourds ont desrésistivités variant de 15 à 40 Ω.m. Des terrains salés ont des résistivités de quelquesΩ.m.
Si l'on s'intéresse à la résistivité de l'eau, on constate que l'eau de mer a une résistivitéde 0,3 Ω.m ce qui en fait un électrolyte très conducteur et très agressif. Une eau douce,une eau de ville ainsi que des eaux de rivières chargées de limons, ont des résistivités del'ordre de 25 Ω.m.
Par contre, certaines eaux de ruisseaux et torrents qui n'ont pu encore dissoudresuffisamment de minéraux, ont des résistivités élevées de plusieurs centaines d'ohmsmètre et ne sont pas, de ce fait, très agressives.
Cependant il ne suffit pas de savoir si la résistivité est grande ou faible, mais plutôtd'essayer de savoir pourquoi elle est grande ou faible.
Comme l'ont précisé MM. GIRARD et POIRIER, la résistivité ne représente pas tousles phénomènes qui entraînent la corrosion du métal. "Ce n'est pas un critère formel dedécision, mais plutôt un critère certain d'orientation, car si tous les ions présents dans lesol sont équivalents du point de vue résistivité électrique, ils n'ont pas tous la mêmeinfluence sur l'effet corrosif du sol".
Aussi actuellement cherche t'on à modéliser l'action de chacun des facteurs susceptiblesde jouer un rôle et à juger ensuite de la corrosivité du sol d'après le résultat d'uneformule empirique.
3.4.2 Piles dues à- l'électrolyte
Ce sont les piles créées par les hétérogénéités du sol qui engendrent sur un ouvragemétallique pourtant parfaitement homogène, des différences de potentiel locales,donnant naissance à un courant qui conduit à l'oxydation de la partie la plus négative dumétal (figure n° 10).
- Les phénomènes d'aération différentielle sont à ranger dans ce chapitre. Les zones lesmoins aérées sont des zones anodiques par rapport au reste de l'ouvrage et secorrodent donc plus facilement.
24/147
25/147
C'est ainsi que s'expliquent les corrosions des pieux métalliques sous la ligne d'eau,le creusement jusqu'au percement, de cavités mal aérées, ou bien la corrosion d'unouvrage recouvert de façon discontinue par des oxydes, de la calamine, ou d'autresdépôts. Ce phénomène est responsable des corrosions situées sur la génératriceinférieure des tubes en fond de fouille, là où l'oxygène de l'air diffuse le moins, ainsique des corrosions qui apparaissent au niveau des sols dont l'aération n'est pas lamême en tous points (sable ou cailloux et argile par exemple).
- Les piles géologiques sont caractéristiques des actions qui peuvent se développer surune conduite, ouvrage de grande longueur, traversant des sols de compositions trèsdifférentes, lui conférant des potentiels locaux différents.
En général, les sols argileux, marécageux et les terrains humides constituent deszones anodiques vis à vis des autres terrains.
3.4.3 Piles dues à l'association de métaux différents (couplage galvanique)
On a vu que la liaison électrique de 2 métaux différents dans un même sol entraînait lacorrosion de celui dont le potentiel est le plus négatif. Il est donc possible de prévoir lesens des réactions galvaniques en mesurant et en comparant les potentiels des métaux.En se reportant au classement établi précédemment (fig. n°9), examinons le cas d'uneconduite enterrée.
La liaison électrique entre une conduite en acier et des métaux tels que le cuivre, leplomb, la fonte et même l'acier oxydé, entraîne une corrosion de l'ouvrage en acier. Lespiquages directs sur les conduites de gaz, réalisés en cuivre ou en fonte sont néfastespour la conduite acier, de même que son raccordement, au niveau d'une installationgazière, à un réseau de terres électriques en cuivre.
Ces phénomènes de couplage décrits pour une conduite, existent bien entenduégalement à l'échelle macroscopique au niveau d'une soudure, en raison, par exemple,des disparités entre le métal de base et le métal d'apport, et même à l'échellemicroscopique au niveau des inclusions ou hétérogénéités du métal.
3.4.4 Corrosion bactérienne
En milieu anaérobique, ce qui est le cas de certaines eaux stagnantes, ou de terrainsargileux, vaseux imperméables et riches en sulfates, certaines bactéries consommentl'hydrogène produit au niveau des microcathodes, permettant ainsi à la corrosion de sepoursuivre, et transformant les sulfates en sulfure de fer.
3.4.5 Corrosion par les courants vagabonds
Les lignes de transport à traction électrique sous courant continu (S.N.C.F. - tramways,métro), propagent généralement dans le sol des courants dits vagabonds (figure n° 11).En effet, le courant amené par la caténaire, qui peut pour certains trains être de plusieursmilliers d'ampères, retourne à la sous-station émettrice par le rail de roulement. Ce railplus ou moins bien éclissé, plus ou moins bien isolé du sol selon l'état du ballast, laisses'échapper une partie importante du courant qui peut alors emprunter, sur des parcoursde dizaines de kilomètres, des circuits peu résistants électriquement, tels que lesconduites, avant de regagner le rail et le générateur à proximité de la sous-station.
26/147
27/147
A l'endroit où les courants vagabonds quitteront la conduite pour retourner au rail, unecorrosion du métal se produira inévitablement.
L'importance de la corrosion est directement proportionnelle aux intensités mises en jeu(la Loi de Faraday donne pour l'acier une consommation d'environ 10 kg par ampère etpar an).
Or il n'est pas rare de voir transiter des courants de plusieurs dizaines d'ampères dans lesconduites. Les pertes de métal se chiffrent alors en grammes par heure, et despercements de conduites peuvent alors se produire en quelques semaines. On pourraitciter des cas ou ce phénomène s'est produit avant même que la conduite ne soit enservice et que les moyens de lutte contre la corrosion n'aient été mis en œuvre.
3.4.6 Taux de corrosion de l'acier dans les sols, agressivité absolue et agressivité relative
Des essais réalisés, en particulier en Angleterre, ont permis de mesurer des taux decorrosion moyens de l'acier dans le sol de 0,05 mm/an. La corrosion généralisée absoluedans le sol ne présente donc pas un caractère très brutal, surtout si l'on rapproche ce tauxde celui généralement retenu pour l'acier exposé aux atmosphères industrielles, qui estde 0,1 mm/an.
Par contre :
1) Sous certaines conditions des corrosions locales du type piqûre (pitting) sedéveloppent dans le sol ou l'eau, avec des vitesses de corrosion de 0,3 mm/an, quidiminuent considérablement la durée de vie des ouvrages enterrés concernés.
2) Les piles géologiques créent des circulations de courant de plusieurs dizaines de mAqui, s'exerçant sur la conduite à la frontière des deux natures de sol, provoquent desdégradations locales rapides.
3) Localement des conditions variables de température, d'aération, de la vitessed'écoulement d'un fluide, amplifient les phénomènes de corrosion.
C'est ainsi qu'immergé dans une eau de mer statique, l'acier présente une corrosion de0,125 mm/an. Mais ce taux passe à 0,5 et 0,8 mm/an si la vitesse de l'eau est de 2 ou5 m/s.
Si à cette mise en mouvement se rajoutent des phénomènes d'immersion et d'émersionalternés (marées, vagues) le taux de corrosion est encore multiplié par un facteur de 2 à5.
En conclusion, à côté de l'agressivité absolue d'un sol, il importe de déterminer sonagressivité relative, par l'examen de tous les facteurs de corrosion.
28/147
4 PROTECTION CATHODIQUE
4.1 PRINCIPE DE LA PROTECTION CATHODIQUE
A partir des constatations établies ci-avant, on peut imaginer la possibilité de créer lacirculation d'un courant électrique entre un métal et la solution qui l'entoure, circulationtelle que le sens du courant passe de la solution vers le métal, et de favoriser ainsi laréaction cathodique au niveau de ce métal que l'on veut protéger contre la corrosion, enreportant la réaction d'oxydation sur une autre structure, dont on accepte a priori ladégradation.
C'est le principe de la protection cathodique.
D'après ce qui vient d'être dit, il existe deux manières de réaliser la protectioncathodique.
4.1.1 Protection cathodique par courant imposé
La première consiste à utiliser un générateur extérieur au système métal/solution quidébitera un courant continu, de sens tel que dans la solution il "sortira" d'une pièceanodique appelée déversoir pour pénétrer dans le métal à protéger et le rendrecathodique.
On a réalisé ainsi une protection cathodique par courant imposé.
4.1.2 Protection cathodique par anode galvanique
Dans le second cas, le métal est relié électriquement avec un autre métal moins nobleque lui, c'est-à-dire dont le potentiel dans la solution est plus négatif. Ce métal moinsnoble va se dissoudre par oxydation en émettant dans le sol un courant qui viendraprotéger la structure.
On a réalisé ainsi une protection cathodique dite par anode galvanique ou sacrificielle.
Les figures n° 12 et n° 13 décrivent ces deux méthodes.
4.2 CRITERE DE PROTECTION CATHODIQUE :LE POTENTIEL METAL/SOLUTION
Reprenons le diagramme de Pourbaix (diagramme pH - tension métal/solution) établipour le fer. Il apparaît dans ce diagramme un domaine d'immunité où le fer reste à l'étatmétallique parce qu'il se trouve dans des conditions où seules des réactions cathodiquespeuvent se développer.
C'est le domaine de la protection cathodique.
On admet que toute structure en acier enterrée dont le potentiel aura été rendu plus négatifque - 850 mV par rapport à l'électrode Cu/Cu SO4, sera protégée cathodiquement.
29/147
30/147
Remarque 1
On ne passe pas brutalement d'un état de corrosion à un état d'immunité par le simplefranchissement de ce critère de protection de - 850 mV.
L'expérience prouve qu'à cette valeur de - 850 mV, le taux de corrosion est suffisammentfaible pour que ce potentiel soit considéré comme frontière du domaine d'immunité (laconcentration théorique d'ions métalliques dans l'eau est alors de 10-6 mol/1 ce quicorrespond à 56 µg de fer par litre).
Pour un potentiel plus positif de 60 mV, à - 790 mV par rapport au Cu/Cu SO4, laconcentration en fer est de 5,6 mg par litre. Bien que 100 fois plus grande qu'avec lecritère choisi, elle n'en reste pas moins encore très réduite et conduit à une corrosiongénéralisée faible.
Remarque 2
On a admis comme critère de protection du fer dans l'eau et le sol, et pour des pH nedépassant 10, la valeur de - 850 mV avec l'électrode Cu/Cu SO4. Ce critère doit êtreporté à - 950 mV si le sol est particulièrement compact et contient des bactériessulfatoréductrices.
En pratique, pour des raisons de sécurité on cherchera plutôt à atteindre un seuil deprotection fixé empiriquement pour l'acier à - 1000 mV par rapport à l'électrodeCu/Cu SO4.
Remarque 3
On constate dans le diagramme de Pourbaix pour les pH d'électrolytes très alcalins,l'existence d'un domaine de corrosion du fer pour des potentiels compris entre - 1100 et- 1300 mV. C'est le cas du fer dans le béton qui se corrode par formation de ferrates decalcium. Ces circonstances de potentiel seront donc à éviter dans un tel milieu.
4.3 CRITERE DE PROTECTION CATHODIQUE : LE COURANT
Dans certaines circonstances si la mesure du potentiel n'est pas réalisable, il peut êtreutile de contrôler le courant assurant la protection cathodique.
Des expériences établies par UHLIG donnent pour l'acier nu les critères suivants :
0,7 mA/m2 pour acier dans ciment
5 mA/m2 acier dans sol anaérobie sans bactérie
35 mA/m2 dans sol aéré
60 mA/m2 dans eau douce agitée
100 mA/m2 dans eau de mer calme
à
500 mA/m2 à plus dans eau de mer mise en mouvement.
Ces valeurs sont des moyennes et doivent toujours, au moment de projets, être ajustéesen fonction des caractéristiques réelles du métal mais surtout de la nature del'électrolyte.
31/147
PARTIE 2Réalisation pratique de la protection cathodique des ouvrages enterrés
5 LA PROTECTION DES OUVRAGES ENTERRES
5.1 GENERALITES
Nous avons vu que la protection contre la corrosion d'un ouvrage enterré pouvait êtreréalisée par application de la protection cathodique. Cette protection est dite activeparce qu'elle agit directement sur le processus de corrosion.
Une autre méthode dite de protection passive peut être utilisée. Elle consiste à soustrairel'ouvrage à protéger du milieu agressif dans lequel il baigne, par utilisation d'isolementsou de revêtements adéquats. Elle nécessite aussi d'isoler cet ouvrage des autres métauxqui pourraient amener des couplages galvaniques.
Malheureusement, toute solution de protection, quelle qu'elle soit, n'est jamaiscomplètement efficace, soit parce que la définition des principes et leur application nesont pas techniquement idéales, soit parce que, avec le temps, les caractéristiques desouvrages se modifient, et que certains paramètres évoluent.
Ainsi, pour être efficace, la protection cathodique nécessite de porter l'ouvrage àprotéger en-dessous d'un certain seuil de potentiel. Ce seuil doit être effectivementatteint en tous les points de l'ouvrage.
Cette condition est d'autant plus difficile à vérifier que les ouvrages de gaz sont enterrés,donc peu accessibles aux mesures de potentiel du métal, et qu'il est impossible des'assurer de cette condition en tous les points du métal. Seule l'étude des projets deprotection cathodique et l'analyse des mesures sur le terrain pourront apporter lacertitude de l'efficacité de cette protection.
De même, la protection passive ne constitue pas un remède totalement idéal et définitif.Aucun revêtement ne confère à un ouvrage un isolement infini. Malgré les contrôleseffectués lors de la pose de l'ouvrage, il reste toujours des micropores qui mettent lemétal en contact avec le sol. Quels que soient les soins apportés au remblaiement del'ouvrage, des blessures sont provoquées par les éléments constitutifs du terrain quiendommagent cette protection. Et enfin le temps, en vieillissant les matériaux, contribuelui aussi à détériorer petit à petit les qualités initiales de barrière à la corrosion queconstitue le revêtement.
Une politique réaliste en matière de protection contre la corrosion des ouvrages de gaz,consiste donc à mettre en œuvre complémentairement les deux types de protectiondécrits ci-dessus.
Les ouvrages de gaz seront isolés du sol par des revêtements protecteurs diminuant leplus possible les surfaces de métal nu en contact avec le sol. La protection cathodiqueviendra compléter cette protection passive, avec efficacité, d'autant que son action ne vaporter maintenant que sur de plus petites surfaces de métal en contact avec le sol.
32/147
5.2 LA PROTECTION PASSIVE
Elle a 4 rôles :
5.2.1 Réalisation de l'isolement du métal par rapport au milieu
C'est le but du revêtement pour les conduites enterrées, ou des peintures pour certainsouvrages enterrés ou immergés. Toute imperfection, tout défaut de cet isolement, qu'ilssoient d'origine, à la pose de l'ouvrage, ou qu'ils apparaissent au cours de la vie del'ouvrage, mettent le métal en contact avec le sol et nécessiteront l'application de laprotection active.
a) Les critères techniques pris en compte par la C.A.R.E.V. (Commission d'agrémentdes revêtements) pour la sélection des revêtements de conduites au GAZ DEFRANCE sont liés aux contraintes que subissent les ouvrages gaziers lors de la poseet une fois en terre.
• Contraintes mécaniques
Lors des manipulations et du transport des tubes le revêtement subit des efforts detension et de fluage.
Au remblai, il est poinçonné par des pierres et matériaux rejetés dans les fouilles enparticulier lors des épreuves hydrauliques.
• Contraintes thermiques
Ces contraintes apparaissent au moment du stockage des tubes, et au cours del'exploitation. Le revêtement doit supporter parfois des températures élevées del'ordre de 80°C au sortir des stations de compression.
• Contraintes physico-chimiques
Dans le sol, les matériaux constituant le revêtement absorbent l'eau et les gaz dissoustels l'oxygène et le gaz carbonique.
L'absorption d'eau se fait d'abord rapidement dans les premiers mois de la pose àtravers fissures, capillaires et pores du revêtement, et en deuxième stade, beaucoupplus lentement après dix ans pour les films plastique - à travers le matériau isolantlui-même.
Les exigences demandées pour les revêtements qui sont associés à une protectionactive sont surtout d'avoir une adhérence parfaite avec le métal pour éviter lamigration et le renouvellement d'électrolyte sous l'isolation, ainsi qu'une résistanceélectrique suffisante dont la qualité ne s'affaiblisse pas trop au cours des temps afinde minimiser la puissance des installations de protection cathodique.
Nota : Remarquons qu'un revêtement décollé peut constituer un véritable écranélectrique au passage du courant de protection cathodique si l'isolementélectrique du matériau est important (cas du polyéthylène par exemple). Bienque présentant des tendances au décollement, les revêtements à base de brai quiétaient très poreux ne présentaient pas, par contre, d'inconvénients de cettesorte.
33/147
b) Catégories de revêtements
On distingue trois grandes catégories de revêtements pour les conduites enterrées :
• Revêtements à base de produits hydrocarbonés
Le revêtement est constitué d'un primaire synthétique ou hydrocarboné et d'unearmature en toile de verre imprégnée d'un liant hydrocarboné. Les brais de houille etles bitumes de pétrole, ainsi appliqués, présentent des épaisseurs d'environ 3 mm.
• Revêtements thermoplastiques
- Revêtement en polyéthylène extrudé, avec primaire d'accrochage à base decaoutchouc butyl d'épaisseur 3 mm environ.
- Bandes adhésives minces, à support PVC, ou polyéthylène, appliquées surprimaire, et recouvertes d'une bande de protection mécanique supplémentaire.
• Revêtements à base de produits thermodurcissables
Ce sont des revêtements constitués par des résines époxydes, en épaisseur de 500 µmenviron, ou par des polyuréthannes ou des produits composites tels les brai-polyuréthannes et les brai-époxydes.
Bibliographie
La bibliographie jointe en annexe précise les références de documents susceptiblesde fournir des développements complémentaires concernant les caractéristiques desrevêtements, ainsi que la liste et la définition des systèmes actuellement agréés auGAZ DE FRANCE.
5.2.2 Réalisation de l'isolement des différents métaux constitutifs d'un réseau
Pour éviter les couples galvaniques entre métaux de nature différente et ainsi éviter lacorrosion du métal le moins noble, il est nécessaire d'intercaler à la jonctionbimétallique un raccord isolant organe dont le rôle est de couper le circuit électrique etd'empêcher la circulation de courant entre anodes et cathodes (figure n° 14).
C'est le cas des branchements d'abonnés sur les réseaux de gaz de distribution (raccordsisolants acier-cuivre des branchements).
5.2.3 Délimitation de l'ouvrage à protéger cathodiquement
La protection cathodique est étudiée pour assurer la protection d'un ouvrage précis, et nepeut prendre en compte des structures annexes qui pour des raisons mécaniques, setrouveraient reliées électriquement à l'ouvrage.
Là encore, ce rôle de délimitation "électrique" du réseau sera réalisé par le raccordisolant.
34/147
35/147
• Sur un réseau de distribution, c'est le cas par exemple des postes de détente dont latuyauterie de sortie est en fonte nue, ou qui pour des problèmes d'électricité statique,sont mis à la terre par des masses en cuivre.
• C'est aussi le cas du branchement gaz des abonnés qui est relié directement par lesinstallations intérieures à des conduites du réseau d'eau.
• C'est le cas sur les ouvrages de transport de gaz, des stations de compression, ainsique des postes de livraison aux industriels.
En ce qui concerne les raccords isolants de transport leurs caractéristiques ont étédéfinies par la CARIT (Commission d'Agrément des Raccords Isolants de Transport).
5.2.4 Isolation du réseau des autres structures étrangères enterrées
La protection passive c'est aussi d'éviter le contact électrique de l'ouvrage à protégeravec des conduites ou ouvrages appartenant à des tiers et qui par l'importance des misesà la terre qu'il créerait, mettrait en péril la protection cathodique du réseau de gaz.
C'est pour ces raisons que l'isolement de l'ouvrage doit être étudié au passage de ponts,dans les gaines métalliques, aux traversées de structures en béton armé.
5.3 PROTECTION CATHODIQUE
5.3.1 Protection par anodes sacrificielles
Nous avons vu au chapitre 4.1.2. que la protection cathodique d'une canalisation enacier pouvait être obtenue par liaison électrique à une masse métallique, appelée anodesacrificielle ou anode soluble, faite d'un métal moins noble que l'acier, de façon àbaisser le potentiel de la conduite en dessous du seuil de protection (- 850 mV avecl'électrode Cu/Cu SO4).
En examinant la série des potentiels de corrosion des métaux établie au paragraphe 3.3,on constate que trois métaux (le zinc, l'aluminium et le magnésium) ont des potentielsplus négatifs que celui de l'acier et peuvent, de ce fait, servir d'anodes.
En ce qui concerne les conduites enterrées, les anodes utilisées sont à base de zinc ou demagnésium. En milieu marin, on utilise aussi des anodes à base d'aluminium.
5.3.1.1 Différents types d'anodes sacrificielles
a) Anodes à base de zinc :
Le zinc utilisé dans la fabrication des anodes est un zinc de haute pureté (Zn = 99,99 %)additionné en faible quantité d'éléments comme l'aluminium et le cadmium, et dont lepourcentage de fer ne dépasse pas 0,0014 % afin d'éviter la passivation du matériau debase.
- consommation massique pratique : environ 11,9 kg/A. an
- potentiel dans le sol : - 1 100 mV (électrode Cu/Cu SO4)
- écart de potentiel par rapport au critère de protection : 250 mV.
36/147
Les anodes en zinc présentent une très grande fiabilité de fonctionnement, et ont de cefait une très grande durée de vie, avec consommation presque totale du matériau.
Leur domaine d'utilisation est très varié car elles peuvent être employées aussi bien enterrains acides qu'alcalins, en eau douce ou en eau de mer.
Cependant, avec la faible tension de travail qu'elles proposent, on ne les emploie quedans les électrolytes très peu résistants et pour de faibles débits de courant.
b) Anodes en magnésium :
Le type d'anodes utilisé au G.D.F. correspond à un alliage à 90 % de magnésiumcontenant 6 % d'aluminium, et environ 3 % de zinc.
- consommation massique pratique : environ 7 kg/ A.an
- potentiel dans le sol : - 1600 mV (électrode Cu/Cu SO4)
- écart de potentiel par rapport au critère de protection : 750 mV.
Les produits de corrosion qui se forment autour de l'anode modèrent leur efficacitéaprès quelques années de service : pour diminuer cet inconvénient, l'anode est toujoursposée dans une boue, mélange de gypse et d'argile colloïdale bentonitique, dont le butest de constituer un milieu assurant une corrosion uniforme de l'anode, tout enaméliorant son rendement.
L'anode en magnésium présente, sur celle en zinc, l'avantage d'offrir une tension plusimportante, et donc de permettre son utilisation sur des ouvrages plus importants, dansdes terrains de forte résistivité ou en eau douce. Cet avantage général peut, dans certainscas, être un inconvénient, car il se traduit par une durée de vie plus faible, des débits decourant plus importants qui, en milieu marin, peuvent être incompatibles avec la tenuede certaines peintures.
c) Anodes en aluminium
Les anodes en aluminium ne sont pas adaptées à la protection cathodique dans les sols,mais plutôt au milieu marin très conducteur et renouvelé.
Les alliages utilisés nécessitent d'être activés par des éléments tel l'indium (0,02 %) oule mercure (0,04 %) et contiennent de 1 à 5 % de zinc.
Le rôle de ces éléments est de supprimer la couche de passivation par l'alumine, derendre plus électronégatif le potentiel de l'anode et d'en améliorer le rendement.
La consommation massique pratique est d'environ 3,2 à 3,5 kg/A.an. pour un rendementélectrochimique de 95 %.
Le potentiel en eau de mer (Ag/AgCl) est de - 1050 mV (sans activateur, ce potentielserait de - 775 mV et donc insuffisant pour assurer une protection cathodique).
37/147
5.3.1.2 Installation des anodes galvaniques pour la protection des conduites
Au GAZ de FRANCE, on utilise uniquement les anodes en zinc et magnésium.
Ces anodes de forme parallélépipédique ont un poids de 20 kg pour une longueur de600 mm pour le zinc, et 360 mm pour le magnésium.
Elles sont livrées dans un sac de jute contenant des produits pour réguler la corrosion dumétal et diminuer la résistivité du sol autour de l'anode.
L'anode est implantée à une distance d'environ 3 m de la conduite à protéger au niveaude la génératrice inférieure de la conduite (voir fig. n° 15).
L'anode est posée horizontalement dans la tranchée. Avant de la remblayer, on remplitcelle-ci d'eau, de façon à ce que le milieu entourant l'anode devienne une boue épaisse.On termine le remblaiement.
Les anodes doivent être posées dans des terrains de faible résistivité électrique,inférieure à 30 Ω.m en ce qui concerne le zinc, et inférieure à 50 Ω.m pour lemagnésium. Le terrain doit être le plus humide possible : aussi, en ville, faudra-t-ilveiller à ne pas poser des anodes sous les chaussées, trottoirs recouverts de matériauxétanches en béton ou en bitume...).
5.3.1.3 Performances
Les précautions prises, les débits attendus pour la protection d'ouvrages sont de l'ordrede :
1 à 10 mA avec une anode en zinc,
5 à 20 mA avec une anode en magnésium.
En réalité, le débit délivré par les anodes est fonction de la résistance électrique ducircuit, principalement due aux résistances de terre de l'anode et de la conduite.
- La résistance de terre de l'anode, fonction de ses dimensions, dépend de la résistivitédu sol (ρ en Ω.m).
anode
R=
100
80 ρ Pour une anode type GAZ de FRANCE
- La résistance de terre d'une conduite, fonction de ses caractéristiques en longueur,diamètre, dépend en grande partie de la valeur d'isolement du revêtement. Elle peutvarier de quelques Ω pour des réseaux mal isolés à 1 000 Ω pour des conduites, defaible longueur, bien isolées.
5.3.1.4 Domaine d'utilisation de la protection par anodes sacrificielles
Les anodes galvaniques ne sont utilisées à GAZ de FRANCE que pour assurer laprotection de réseaux dont l'isolement est correct, de petite envergure (1 à 2 km deconduites) et pour lesquels on peut être sûr que des extensions importantes ne seront pasréalisées dans les années à venir. C'est souvent le cas des conduites revêtuespolyéthylène reliant un poste de livraison d'une Région à de petites distributionspubliques dont le réseau a été entièrement établi avec des tubes en polyéthylène.
38/147
39/147
Les anodes galvaniques sont parfois utilisées au niveau des installations du transport degaz pour assurer la protection des conduites enterrées, de faible longueur, dans certainesstations de compression, dont les sols se révèlent agressifs.
Elles peuvent aussi être installées pour jouer un rôle de mise à la terre électrique d'unouvrage, tout en assurant la protection cathodique de l'ouvrage, et en évitant, de ce fait,les couples galvaniques acier/cuivre qui peuvent se développer lors de l'utilisation deterres en cuivre dans des terrains très conducteurs.
Dans les domaines autres que gaziers, les anodes galvaniques sont utilisées avec succèssur des structures complexes, compactes ou longilignes, baignant en eau de mer. L'eaude mer, électrolyte peu résistant (0,3 Ω.m), permet alors des débits de l'ordre del'ampère.
C'est le cas :
à E.D.F. : dans les centrales nucléaires en bord de mer pour la protection des maillonsde chaînes des filtres des prises d'eau, ainsi que des grilles d'arrêt en acier, ou même enacier inoxydable.
dans le domaine offshore : pour la protection de plates-formes de forage, ainsi que descanalisations immergées de très grande longueur.
5.3.2 Protection cathodique par courant imposé
Ce mode de protection est appelé, plus communément, protection par soutirage.
Le principe de cette protection, selon le paragraphe 4.1.1, consiste à relier au pôlenégatif d'une source à courant continu, l'ouvrage à protéger, tandis que le pôle positif estrelié à une pièce conductrice (en métal ou en graphite) enterrée à une certaine distance.
Le courant partant de cette pièce appelée déversoir, traverse le sol, est capté par lacanalisation et retourne au générateur par circulation dans le métal de la conduite.
La canalisation est alors rendue négative par rapport au sol. Si le critère de potentiel estatteint en tous points, la conduite est protégée cathodiquement.
Remarque :
Le déversoir est l'anode, soumise à corrosion, du système électrochimique conduite-sol-déversoir. Le déversoir est relié à la borne positive du générateur, et la valeur mesuréede son potentiel dans le sol, donne souvent une indication positive.
Dans le cas des anodes sacrificielles, la "pièce anodique" du système électrochimiqueest l'anode galvanique, dont le potentiel est négatif par rapport au sol.
Par contre, dans les deux cas (déversoir ou anode sacrificielle), l'électrode dont lepotentiel est rendu plus positif, soit à la mise en service du générateur, soit lorsque laliaison électrique des deux métaux est réalisée, doit être considérée comme l'anode dusystème.
Ces considérations montrent qu'il faut éviter de désigner l'anode d'un système à partir dusigne d'un potentiel.
40/147
5.3.2.1 Générateur de courant continu : Le poste de soutirage est un générateurde courant continu.
Habituellement il est constitué par un transformateur-redresseur alimenté à partir duréseau électrique basse tension 220 V.
Les calibres utilisés pour la protection cathodique des conduites enterrées du GAZ deFRANCE ont été normalisés aux valeurs de :
1 A sous 48 volts ) appareils destinés plus particulièrement
3 A sous 48 volts ) aux réseaux de Distribution
6 A sous 48 volts ) appareils destinés plus particulièrement
15 A/30 A sous 48/24 volts ) aux canalisations de Transport.
Les réglages de la tension et du courant de sortie se font à partir d'un roto-transformateur. Tous les appareils sont munis d'indicateurs pour le contrôle de leurfonctionnement, et de systèmes de protection par fusibles.
Des appareils de plus forte puissance ont été utilisés pour des applications particulièresdans les stockages souterrains ou terminaux méthaniers. (Armoire à 7 modules de 20 A-60 V ; redresseur 2 fois 150 A sous 15 volts...).
Dans certaines situations où l'énergie électrique basse tension n'est pas disponible, il estnécessaire d'avoir recours à d'autres sources d'énergie autonomes.
a) Accumulateurs et piles
Pour des installations de protection cathodique nécessitant des puissances faibles, onpeut utiliser des batteries au plomb ou au cadmium-nickel, d'une capacité d'environ50 A.h. Ce système ne doit être employé que pour assurer des protections provisoirescar il nécessite le rechargement fréquent des batteries.
Pour certains réseaux nécessitant des intensités inférieures à 100 mA, on peut utiliserdes piles ou couplage de piles de capacité 1000 Ah sous 1,2 volt, la durée de vie del'installation est alors de 1 à 2 ans.
b) Energie solaire
Il existe des installations de protection cathodique fonctionnant dans le Sud de laFrance, avec un panneau de cellules solaires de 0,8 m², délivrant des puissances crêtede 864 Watt sous 2 x 6 volts ; une batterie tampon au plomb permet une utilisation encontinu de 5 A sous 12 volts.
c) Groupes électrogènes
En général deux groupes électrogènes montés en parallèle, entraînent un alternateur.Le redressement se fait d'une façon classique, une batterie cadmium-nickel étantmontée en parallèle aux bornes du redresseur.
d) Les thermogénérateurs
Ces générateurs utilisent le principe de la conversion d'énergie thermique en énergieélectrique (principe du thermocouple) et permettent de disposer d'une forceélectromotrice aux bornes d'un module thermoélectrique à base de tellure de plomb,ou d'éléments semi-conducteurs.
La source chaude est fournie par la combustion, avec flammes (1000°C) oucatalytique (250°C), de produits gazeux ou pétroliers.
41/147
La source froide est assurée par l'air ambiant d'un convecteur.
Ce générateur, par association en série ou en parallèle d'éléments, permet d'obtenirdes puissances électriques de 100 à 200 Watt, avec des résistances de circuit de 1 à50 Ω compatibles avec les installations de protection cathodique.
La protection cathodique de certains puits de contrôle de stockages souterrains(stockage de St Illiers) a été assurée par ce type de générateur.
e) Des générateurs du type éolienne ou turbogénérateur ont déjà été expérimentés pourdes applications de protection cathodique.
5.3.2.2 Le déversoir
Le déversoir sert à injecter le courant de protection cathodique dans le sol. Il doit doncêtre constitué de matériaux conducteurs de courant. Se comportant comme une anode, ilest soumis aux phénomènes d'oxydation. La masse du matériau constituant le déversoirdevra être déterminée pour que l'installation ait une durée de vie de l'ordre de 15 à20 ans.
A) Les matériaux utilisés pour la réalisation de déversoir sont :
a) L'acier sous la forme de rails de rebut S.N.C.F., type lourd (50 kg au mètre) ou sousla forme de tubes épais utilisés pour les forages.
La consommation du déversoir est ici de 10 kg par A.an. Compte tenu des risques decoupure prématurée du déversoir par corrosion, il est préférable de prendre uncoefficient de sécurité de 2 dans le calcul de la masse ou de la longueur du déversoir.
Utilisation : dans tous les types de sols, eau douce et eau de mer.
b) Le graphite
Il se présente sous forme de rondins de 7 cm de diamètre et de 1,5 mètres delongueur, en poudre de graphite agglomérée par un liant.
La consommation de l'anode est de l'ordre de 1 kg par A.an, à condition de ne pasdépasser des intensités supérieures à 2 A par rondin.
Le rondin proposé actuellement est conditionné dans un cylindre de tôle mince,agrafé, contenant une poudre de graphite. Après corrosion du container dans le sol, lerondin est en contact avec le sol par l'intermédiaire de ce poussier. Ce mélangeconducteur, poreux, favorise l'évacuation des gaz formés au niveau de l'anode,responsables en milieux trop étanches de désagrégations du matériau de base.
Les rondins en graphite sont utilisables dans tous les sols, mais sont à éviter enmilieu liquide.
c) Le ferrosilicium
Il se présente sous la forme de rondins de diamètre 7 cm, de longueur 1,5 mètre, enfonte à 16 % environ de silicium et 4,5 % de molybdène ou de chrome.
La consommation du matériau est d'environ 0,5 kg par A.an avec pour densité limite10 A/m2.
Les rondins de ferrosilicium à 4 % de chrome sont utilisables dans tous les types desols et de milieux liquides chlorurés.
42/147
d) La magnétite
Elle se présente sous forme d'un cylindre creux, en oxyde de fer Fe3O4 fondu, de0,8 mètre de longueur.
La connexion du câble d'alimentation à l'intérieur du cylindre est assurée parl'intermédiaire d'une couche de cuivre qui améliore la conductibilité du matériau.
La consommation du matériau de base varie de 1,5 g par A.an, en eau de mer à 10 gpar A.an dans les sols. Les intensités maximales supportées par une telle anode sontde 4 A en utilisation dans les sols, à 10 A en utilisation dans l'eau de mer.
e) Le titane platiné
Il se présente sous forme d'un, support en titane, d'une forme appropriée recouvertd'une fine couche de platine.
La consommation du platine est d'environ 10 mg par A.an avec des densités decourant de l'ordre de 500 à 1000 A au m2.
Ce matériau n'est utilisé que dans les électrolytes de très faible résistivité, enparticulier l'eau de mer, à la condition toutefois d'éviter des montées en tensionsupérieures à 9 volts aux bornes du support pour ne pas corroder le titane parclaquage du film d'oxyde TiO2 protecteur.
B) Différents types de déversoirs
La réalisation d'un déversoir à partir de rails S.N.C.F. se fait comme indiqué sur lafigure n° 16.
Les points importants à contrôler, lors de l'installation, concernent les soudures, bout àbout et à cœur, des éléments de rails et la liaison du câble électrique.
Ces soudures peuvent être réalisées par des procédés aluminothermiques. On veillera enparticulier à créer un isolement parfait de ces points avec le sol, pour éviter descoupures prématurées du rail et la corrosion de la connexion du câble.
La réalisation d'un déversoir à partir de rondins en graphite ou en ferrosilicium se faitcomme il est indiqué sur la figure n° 17.
Les rondins sont disposés en peigne, en position horizontale ou verticale.
Chaque rondin est distant de 5 à 6 mètres du suivant ; un rapprochement trop importantcrée un couplage néfaste entre les rondins, qui réduit son rendement et augmente larésistance de terre du déversoir.
Pour des applications particulières (installations à gros débit dans des terrainsrésistants), ou pour des commodités d'emplacement en surface, on peut être amené àcréer des déversoirs verticaux de grande longueur.
Ainsi pour la protection des cuvelages de puits dans les stockages souterrains deTersanne et du Vexin, il a été créé plusieurs forages verticaux de 250 mètres deprofondeur, à partir de tubes de forages déclassés.
Pareillement, sur certains réseaux de distribution en zone urbaine, il a été battuverticalement des longueurs de rails S.N.C.F. de 10 mètres reliés en parallèle, pourminimiser l'emprise au sol du déversoir.
43/147
44/147
45/147
C) L'anolyte
L'anolyte est le milieu encaissant, de remplissage, qui entoure le déversoir.
Le terme "backfill" est parfois employé.
Lorsque le sol entourant le déversoir est par trop résistant, pour des résistivité du solsupérieures à 90 Ω.m en ce qui concerne les rails, et 50 Ω.m pour les rondins, il peutêtre nécessaire, pour favoriser l'émission du courant, de créer un milieu conducteurautour de l'anode. Ce milieu homogène permettra, de plus, une corrosion plus uniformedu déversoir et prolongera ainsi sa durée de vie. Dans certains milieux très compacts,vases ou argiles, le rôle du backfill de granulométrie appropriée est aussi de favoriserl'émission du gaz, ainsi que d'éviter la formation d'une gangue qui bloque le déversoir.
Le phénomène d'électro-osmose (migration de l'eau sous l'effet d'un champ électriquede l'anode vers la cathode) est responsable de l'assèchement de l'anolyte qui conduit aublocage des déversoirs. La diminution de la résistivité du milieu, ainsi que l'utilisationde matériaux rétenteurs d'eau permettent d'éviter ce phénomène.
Principaux "backfill" utilisés
A base d'argile
Avec 150 litres d'eau on constitue une boue épaisse d'une argile colloïdale (30 kg debentonite), additionnée de 10 kg de gypse en poudre (ou plâtre gaché) et de 2 kg de seldénaturé pour améliorer la conductibilité du mélange.
Ce backfill peut être employé avec les déversoirs du type "rail" et avec les rondins enferrosilicium mais en aucun cas avec les rondins de graphite.
A base de graphite
Il s'agit de poudre de graphite ou de poussier de coke ou de charbon de bois pillé,mélangé avec de la chaux.
Ce "backfill" est utilisable avec tout type de déversoir, à la dose d'environ 40 kg parmètre de longueur (30 kg de poussier, 10 kg de chaux).
Cette dose peut être augmentée si la résistivité du milieu est très importante, ou si lesterrains sont très compacts.
D) Résistance de terre des déversoirs
La résistance de terre d'un déversoir doit être estimée lors des études, pour êtrecompatible avec les possibilités du générateur de courant continu, et fournir le courantnécessaire ou à prévoir, pour la protection du réseau, compte tenu des extensionsprévisibles.
Cette résistance dépend de la forme du déversoir, de ses dimensions, de la résistivité dusol et peut être calculée à partir de formules empiriques.
Les courbes de la figure n° 18 permettent le calcul des résistances de terre des différentstypes de déversoirs utilisés au GAZ de FRANCE.
E) Implantation du déversoir
Le déversoir devra être installé à environ 50 mètres de la canalisation, de façon àfavoriser son rayonnement et augmenter ainsi la portée du poste de protection. En règlegénérale, il faudra veiller impérativement à s'écarter d'au moins 50 mètres de toutouvrage métallique enterré susceptible de capter les courants déversés (voir paragraphe8.1. influences).
46/147
47/147
5.3.3 Protection cathodique en présence de courants vagabonds
Comme il a été présenté au chapitre 3.4.4, il y a corrosion de la conduite soumise à unecirculation de courants vagabonds, là où ces courants quittent l'ouvrage pour rejoindre,par le sol, la sous-station émettrice.
Lorsque, par des mesures du potentiel de l'ouvrage, on a pu repérer l'emplacement de lazone de "sortie de courant" on établit une liaison électrique par câble entre la conduite etla sous-station. L'écoulement des courants de traction se fait alors par l'intermédiaired'un conducteur métallique (conduction ohmique) et n'entraîne plus de corrosions de laconduite.
Pour des raisons liées au trafic, au nombre de voies et au nombre de motrices, et à larépartition des sous-stations en service ou non, les courants dans cette liaison peuvents'inverser. La liaison par câble a donc été munie d'une diode (au silicium ou augermanium) qui assure le seul passage d'un courant de la conduite vers la voie.L'appareil créé s'appelle un drainage de courant polarisé (figure n° 19).
L'installation de ce type d'appareil nécessite cependant que la conduite passe àproximité de la sous-station pour que la liaison par câble électrique ne devienne pas troprésistante à cause de sa longueur, et que les courants vagabonds n'empruntent pas unautre cheminement moins résistant. En général les longueurs de câbles de drainages sontau maximum de quelques centaines de mètres et leur section peut atteindre 100 mm²,surtout si les intensités drainées sont importantes (100 à 200 A).
On est amené, dans certaines circonstances de trafic, à augmenter la résistance de laliaison conduite-rail pour éviter de capter par la conduite au niveau des zones d'entrée,des courants trop importants. Cette résistance est obtenue par l'association adéquate d'uncertain nombre de lampes 32 ou 62 V de 200 à 900 watt dont la caractéristique tension-courant n'est pas linéaire.
La figure n° 20 montre le schéma de principe d'un drainage type GAZ de FRANCE -100 A.
La figure n° 21 présente les enregistrements de potentiel effectués sur la voie S.N.C.F.(potentiel du rail par rapport au sol), sur la conduite et l'intensité circulant dans ledrainage.
Lorsque l'éloignement conduite/sous station est trop important pour qu'une liaison soitétablie, il faut recourir à l'installation d'un soutirage de courant, dont l'emplacement,judicieusement choisi, permet de contrecarrer les sorties de courants vagabonds.
L'installation de l'appareil à la voie est réalisée par les exploitants des lignes de tractionferroviaire, qui seuls peuvent déterminer les consignes de montage à appliquer pour quele drainage ne perturbe pas les systèmes de signalisation ou les alarmes de sécuritéutilisant les voies comme conducteur.
Procédures administratives
L'Arrêté interministériel du 26 Mai 1978 "Conditions techniques auxquelles doiventsatisfaire les distributions d'énergie électrique" fait état dans son chapitre III deprescriptions techniques qui doivent être appliquées aux ouvrages étrangers installés àproximité.
En particulier, en ce qui concerne les problèmes de corrosion électrolytique, l'article 93autorise, après accord, la liaison électrique de l'ouvrage influencé aux rails deroulement.
48/147
49/147
50/147
51/147
52/147
La procédure complète pour l'installation d'un drainage comprend :
- des essais préliminaires avec l'exploitant du réseau de traction.
- la consultation, par le canal de la Direction Régionale de l'Industrie et de laRecherche, des propriétaires des structures voisines.
- après installation, l'étude et la suppression des répercussions, par influenceélectrique, constatées sur les ouvrages voisins.
En ce qui concerne le GAZ de FRANCE, le déroulement de cette procédure est duressort, au niveau national, pour toutes les installations de gaz de transport comme dedistribution, du Service Protection Cathodique des Ouvrages du Centre TechniqueOpérationnel.
Cette procédure pouvant être longue, des mesures conservatoires provisoires sontparfois prises, pour éviter la détérioration de la structure pendant cette période.
53/147
6 ETUDE DES INSTALLATIONS DE PROTECTION CATHODIQUE
6.1 ETUDE MATHEMATIQUE
L'intensité du courant de protection Is émis dans le sol par le déversoir, se répartit dansle sol et retourne à la conduite. Le passage du courant détermine dans la conduite unabaissement de potentiel.
Supposons une conduite de longueur l et de caractéristiques suivantes :
r = résistance longitudinale ohmique d'un mètre de conduite (r en Ohm par mètre delongueur)
R = résistance transversale d'isolement donnée par le revêtement de la conduite pour1 mètre de conduite. (R en Ohm par mètre de longueur).
Chaque élément AB de longueur dx de conduite, situé à la distance x du point desoutirage est représenté par le schéma ci-contre :
54/147
Pour une conduite de longueur finie 1 dont l'abaissement de potentiel en extrémité estEo
Remarque : Le potentiel E(x) ainsi calculé estle gain (en protection cathodique il s'agit d'ungain négatif ou abaissement) de potentielamené par le soutirage.
Le potentiel du métal dans le sol est lasomme du potentiel de corrosion du métalsans soutirage et du gain apporté par la miseen service du soutirage.
Ainsi, sans protection cathodique le potentielspontané de la conduite est de - 650 mV
Avec protection cathodique et un gain E(x)de - 1000 mV, le potentiel de la conduitedans le sol sera de -1650 mV au pointd'abscisse x.
55/147
Quelques données
- Résistivité de l'acier : ρ = 21.10-6 Ω.cm
elle varie de 20 à 24.10-6 selon les nuances des aciers.
- Résistance longitudinale d'1 mètre de conduite
- Facteur d'atténuation : varie de 1 à 20.10-5 (unités métriques)
a =mR
r
Ω
20 000 Ω.m2 :
5 000 Ω.m2 :
1 000 Ω.m2 :
4.10-5 –
10.10-5 –
20.10-5 –
2,5. 10-5
5. 10-5
11. 10-5
↑∅ 300
↑∅ 1 000
- Résistance caractéristique
γ = rR γ représente la résistance de terre d'une conduite de longueur infinie.
γ s'exprime en Ω, et varie d'une fraction à quelques centaines d'Ohm.
La figure n°22 représente les courbes théoriques de potentiel calculées par une conduitede 40 km de longueur, de diamètre 219 mm, selon la valeur de la résistance d'isolement.
Ces courbes montrent l'influence du facteur d'atténuation : a = R
r
En effet plus la valeur d'isolement est importante, plus le facteur d'atténuation est faible,et plus la portée du soutirage est grande.
Inversement avec un facteur d'atténuation important, la portée du soutirage est réduite ;aussi la protection d'un ouvrage de faible valeur d'isolement pourra nécessiterl'installation de plusieurs soutirages répartis sur la longueur de l'ouvrage.
56/147
57/147
On peut constater aussi que le facteur d'atténuation augmente avec la résistanceohmique longitudinale de l'ouvrage. C'est la raison pour laquelle il faut veiller,particulièrement sur les réseaux de distribution, à assurer la continuité électriqueparfaite de tous les organes situés sur les conduites (par exemple des vannes, robinets,brides et même des raccords isolants qui doivent être shuntés en exploitation normale dela protection cathodique).
6.2 CONSIDERATIONS PRATIQUES
Les formules présentées au chapitre précédent ont été établies dans le cas idéal où l'onnéglige la résistance du sol, ou du moins l'on admet qu'elle est constante sur toute lalongueur de la canalisation intéressée par le calcul. On a de même considéré que larésistance d'isolement apportée par le revêtement était identique en chaque point de laconduite.
En réalité ces deux hypothèses sont loin d'être toujours vérifiées et les courbes réellesdu potentiel relevé présentent des anomalies et s'écartent des courbes théoriques.
6.2.1 Valeur d'isolement
La valeur d'isolement R introduite dans les calculs correspond à la résistancetransversale d'une portion de conduite d'un mètre de long. Cette valeur ne permet pas lacomparaison de deux conduites de diamètres différents. C'est pourquoi on utilise plusfréquemment la résistance d'isolement ramenée au mètre carré de revêtement.
RΩ.m2 = RΩ x πD
Jusqu'à présent la valeur d'isolement n'a été décrite que comme une résistance électriquepure, considérée comme constante sur toute la longueur de l'ouvrage ; en réalité elle estd'une toute autre nature, et dépend de nombreux paramètres.
Elle dépend de la nature du revêtement, peu en ce qui concerne la matière utilisée, maissurtout dans la particularité du matériau à former des défauts, lors de son application, aucours de la pose ou pendant son vieillissement.
La nature de l'électrolyte qui emplit les défauts et assure le contact électrique entre le solet le métal, par sa résistivité, fixe la résistance de mise à la terre. Pour un même nombrede défauts, la valeur d'isolement apportée par un revêtement sera d'autant plus faible quela résistivité du terrain sera faible.
La résistance de ces défauts est en réalité de nature électrochimique, puisque c'est là quese produisent les réactions d'électrolyse ; c'est donc une résistance variable puisquefonction de la tension appliquée entre métal et solution.
Tous ces points font que la résistance d'isolement n'est pas constante et qu'il est difficiled'en donner une formulation mathématique. En général on parlera de valeurs moyennesd'isolement sur un tronçon donné.
* Au niveau des calculs, lors des projets de pose de conduites, il faut pouvoir estimerles différentes valeurs moyennes d'isolement que pourra prendre le même revêtementsur différents tronçons constitutifs d'un ouvrage, en fonction des paramètres liés auxcaractéristiques du terrain (résistivité, nappe phréatique, présence de cailloux...) et àcelles du revêtement, ainsi qu'aux difficultés de pose...
58/147
* Au niveau de l'exploitation d'un ouvrage existant, à partir des mesures de courants etdes potentiels de la conduite, on peut calculer, plus ou moins empiriquement, une valeurglobale de l'isolement de la conduite, ou des tronçons qui la constituent.
Mais on doit toujours garder à l'esprit que ce n'est qu'une valeur globale, et qu'elle est enréalité la composition de valeurs qui peuvent être localement très différentes. Or, cequ'il importerait de connaître quand on met en œuvre une protection cathodique, ce sontles zones à plus faible isolement, où augmentent les risques de corrosion, et non unevaleur globale qui n'est pas toujours significative et peut cacher des dangers latents.
Compte tenu de tous ces points il est parfois hasardeux de vouloir comparer les chiffresreprésentatifs de cette valeur pour des ouvrages différents. On peut tout au plus tenter dedéfinir un classement par grandes "tranches" d'isolement.
• Ainsi, en-dessous de 1 000 Ω.m2 la valeur d'isolement est très mauvaise,représentative d'un ouvrage ancien, dont le revêtement a mal vieilli dans des terrainsde faible résistivité, ou d'un ouvrage en contact avec des structures étrangères.
• Une valeur d'isolement de 10 000 Ω.m2 est très moyenne, surtout s'il s'agit d'unouvrage de transport, mais serait plutôt significative de valeurs calculées pour unouvrage de distribution de gaz posé en zone urbaine.
• Des valeurs de 50 000 Ω.m2 à 100 000 Ω.m2 sont tout à fait acceptables,significatives d'un bon revêtement type C. Un revêtement quasi parfait pourraitdonner des valeurs d'isolement supérieures à 500 000 Ω.m2 ou au mégohm. m2.
Mais avant de porter un jugement critique sur l'isolation d'un ouvrage neuf, dont laprotection est obtenue par des intensités extrêmement faibles, grâce à un revêtementmoderne à très hautes performances (quelques µA pour de petites conduites dedistribution, à quelques mA pour les antennes d'un réseau de transport), n'oublions pascependant qu'une erreur, ou une imprécision, dans la mesure sur chantier d'une intensitéde cet ordre peut se traduire par des valeurs d'isolement variant du simple au double.
6.2.2 Résistance de terre d'une conduite
On peut définir la résistance de terre d'une conduite vue d'un point (x) comme le rapportdu gain E(x) obtenu en ce point, au courant I(x) circulant dans la conduite.
RT(X) = )x(
)x(
I
E =
(ax)th
tique)caractéris e(résistanc γ
Cette résistance est variable, mais caractéristique de l'ouvrage en chaque point.
Au soutirage la résistance de terre de la conduite est :
RT = alth
γ =
alth
rR
Dès que l'ouvrage est suffisamment long et sa valeur d'isolement faible, le facteur th al
tend vers l'unité et la résistance de terre est sensiblement égale à rR .
59/147
L'application de cette formule donne pour une conduite ∅ 219 de 40 km de longueur,
Si R = 20 000 Ω.m2
50 000 Ω.m2
100 000 Ω.m2
500 000 Ω.m2
une résistance de terre de
"
"
"
1,5 Ω
2,5 Ω
"4 Ω
"15 Ω
La résistance de terre de la conduite est une des résistances électriques qui fixe le débitdu soutirage. Toute structure étrangère enterrée présente aussi une résistance de terrequi est d'autant plus faible que la structure n'a pas d'isolation, et l'on conçoit qu'un desimpératifs de la protection passive soit d'isoler l'ouvrage à protéger des autres structuresenterrées.
Par exemple, le contact d'une tuyauterie d'eau avec un ouvrage de gaz rajoute enparallèle aux bornes du soutirage une résistance de terre (appelée défaut de mise à laterre de l'ouvrage gaz) qui dérive vers la conduite d'eau le courant utile à la protectionnécessaire l'ouvrage gaz.
6.2.3 Représentation graphique du potentiel d'une conduite
La figure n° 23 représente les courbes des relevés de potentiels d'une conduite de 80 kmprotégée soit par un soutirage, soit par deux.
L'isolement global de cette conduite est correct.
Sur les courbes réelles certaines situations, qui peuvent s'expliquer mathématiquementpeuvent conduire à des profils de potentiels tels que visualisés ci-dessous.
60/147
61/147
7 CONTROLE DE L'EFFICACITE DE LA PROTECTION CONTRELA CORROSIONLe contrôle de l'efficacité de la protection contre la corrosion d'un ouvrage enterréconsiste à vérifier, par des mesures appropriées de potentiel et de courant, que lescritères de protection cathodique sont bien atteints en tous points de l'ouvrage. Mais cecontrôle doit s'attacher à vérifier aussi que la protection passive, telle qu'elle a étéprécédemment définie dans ses divers rôles, est toujours intacte. C'est pourquoi il seranécessaire d'apprécier la valeur d'isolement apportée par le revêtement, comme il seranécessaire de vérifier l'isolement par rapport à d'autres structures enterrées (conduites,fourreaux, tubages...), et l'efficacité des raccords isolants.
7.1 MESURE DES POTENTIELS
La mesure du potentiel d'une canalisation se fait aux points accessibles du réseau. Cespoints de mesure sont constitués par tous les accessoires de réseau isolés du sol (vannes,robinets de branchement d'abonné et parties aériennes) par les postes de détente et decomptage, par les prises de potentiel réalisées à l'aide d'un câble électrique soudé sur laconduite.
Le nombre et les emplacements de ces points de mesures sont définis lors des études.On prévoit en général au moins un point de mesure tous les 500 mètres en zone urbaineet tous les 2 à 4 km, selon les possibilités, en rase campagne. La mesure du potentiel estréalisée comme indiqué au paragraphe 3.2.
La canalisation étant soumise à différents régimes électrochimiques, plusieurs potentielspeuvent être mesurés (figure n° 24).
a) Peu après la pose du tube, après tassement des terres, mais avant l'installation de laprotection cathodique, on mesure le potentiel spontané ou initial de la canalisationdans le sol. Cette mesure permet de mettre en évidence l'existence de pilesgéologiques ou d'influences électriques extérieures et de définir les zones anodiquesde l'ouvrage, à plus haut risque de corrosion.
b) La protection cathodique étant en service, on mesure le potentiel dit à courant établi,ou potentiel "ON", qui est le potentiel du métal sous application du courant deprotection cathodique.
c) A la coupure du courant de protection, on mesure le potentiel à courant coupé, oupotentiel "OFF". Si cette mesure pouvait se faire instantanément, quelques micro-secondes après la coupure, ce potentiel pourrait représenter le potentiel réel du métalsous protection cathodique, sans prendre en compte les chutes de tension dues à lacirculation des courants de protection dans le sol.
d) Un certain temps après la coupure du courant de protection, on mesure le potentiel depolarisation du métal.
62/147
63/147
La différence de potentiel qui existe entre les points A et B est appelée "gradient depotentiel". Ce gradient est dû à la circulation de courants (i) à travers le sol et lerevêtement qui présentent une résistance électrique.
• Plus le sol est résistant, plus le gradient est élevé, et inversement.
• Mais aussi, moins le sol est résistant, plus la valeur d'isolement est faible, plus lecourant de protection sera important et le gradient élevé.
• Mais aussi plus le sol est résistant, moins le courant de protection risque d'être élevé,moins aussi le gradient sera élevé.
• Toutes choses étant égales, plus on est proche du soutirage, plus les gradients sontélevés.
On constate par ces réflexions que l'évaluation du gradient, qui permettrait laconnaissance exacte du potentiel du métal contre le sol, n'est guère prévisible cardépendant de trop de paramètres difficilement appréhendables.
Différentes méthodes peuvent être proposées pour approcher la mesure réelle dupotentiel.
a) Mesure du type ON-OFF
Immédiatement à la coupure du courant de protection cathodique, le gradient devientnul.
Sur le terrain, il n'est guère possible de pouvoir mesurer le potentiel moins de3 secondes après la coupure du courant. Aussi, en réalité, c'est plutôt le potentiel depolarisation qui est mesuré, plutôt que le potentiel OFF.
Selon l'état de polarisation de l'ouvrage, cette mesure permet cependant de s'assurer duniveau de protection cathodique lorsque le courant est établi.
On notera que, pendant la coupure du courant de protection cathodique, il peut circuler ànouveau dans le sol des courants, dus aux piles géologiques, ou dus à des potentiels depolarisation différents du tube, qui viennent modifier par excès ou par défaut selon leursens de circulation, les mesures effectuées.
b) Mesure à l'aide d'électrodes enterrées
En certains points de l'ouvrage, lors de la pose, on enterre contre le tube des électrodes(d'un type à enterrer - cuivre/sulfate de cuivre gélifié - avec connexion isolée). Cetteméthode évite d'intégrer dans les mesures, la valeur du gradient dû à la résistance du sol.
c) Mesure du gradient vertical
Des formulations, plus ou moins empiriques, permettent, par la mesure au niveau du solde gradients, perpendiculairement et parallèlement à la conduite, de calculer la valeur dugradient vertical et donc de déterminer le potentiel réel du métal.
7.2 MESURE DES COURANTS
La mesure du courant circulant dans la conduite peut être faite au niveau du poste desoutirage ou de l'anode galvanique assurant la protection. Mais on peut, si l'équipementen raccords isolants a été prévu, tronçonner électriquement des conduites ou desréseaux, et mesurer les débits dans chacune des parties ainsi séparées.
64/147
La mesure des intensités ne présente pas de difficultés particulières si ce n'est que, danscertains cas, l'introduction d'appareils mal adaptés dans des circuits fonctionnant sousfaible tension, modifie les courants mis en jeux, et par là, les conditionsélectrochimiques au niveau du métal.
7.3 VERIFICATION DE LA PROTECTION PASSIVE
7.3.1 Détermination de la valeur globale d'isolement
La résistance d'isolement d'un tronçon de conduite est donnée par la formule
65/147
7.3.2.Valeur d'isolement de tronçons
Dans le cas où la conduite AB peut être tronçonnée électriquement au point M avecmesure d'un courant, on peut déterminer la valeur d'isolement des 2 tronçons adjacents.
Cette relation montre que, vue du point du soutirage A, la résistance d'isolement globalede la conduite est, en général, influencée par la valeur R1 du tronçon le plus proche dusoutirage.
Quelle que soit la valeur R2 forte ou faible, elle influencera dans une plus faible mesurela valeur globale R de l'ensemble de la conduite.
On comprend la nécessité, pour juger positivement d'une protection passive apportéepar un revêtement, de la mesure du plus grand nombre possible de valeurs d'isolementde tronçons adjacents.
7.3.3 Méthodes mathématiques
On peut, à partir de la courbe réelle des potentiels relevés, essayer de déterminer lefacteur d'atténuation (a) et en déduire la valeur de R, résistance d'isolement.
Il est à noter que les formules de protection cathodique appliquées à une conduite infinie(c'est-à-dire de longueur telle que le gain de potentiel à l'infini est nul) et transcrites encoordonnées semi-logarithmiques, montrent que la pente de la droite représentative dugain de potentiel est proportionnelle au facteur d'atténuation (a).
66/147
7.4 VERIFICATION DE L'ISOLEMENT DE LA CONDUITE PAR RAPPORT AD'AUTRES OUVRAGES
7.4.1 Cas général
La vérification de l'isolement d'une conduite par rapport à d'autres ouvrages se fait àpartir de mesures de potentiel.
Si les deux structures sont en contact, elles ont des potentiels identiques.
Si les potentiels des structures sont voisins, on peut lever le doute sur un contactéventuel en installant un chronorupteur dans le système d'alimentation de la protectioncathodique de la conduite.
Cet appareil crée alternativement des cycles de coupure et de mise en service de laprotection cathodique. On vérifie si l'ouvrage suspecté est soumis, ou non, au mêmecycle pour déclarer qu'il est en contact ou non avec la conduite.
Cette vérification d'isolement est à pratiquer sur les conduites étrangères enterrées quicroisent la conduite de gaz, mais aussi sur tous supports métalliques, ferrures, structuresde pont ou de béton armé susceptibles d'être mal isolés de la conduite et qui risqueraientde créer des mises à la terre importantes.
7.4.2 Fourreaux et tubages métalliques
L'utilisation de fourreaux en plastique évite bien évidemment les mises à la terre en casde contact avec la conduite. Cependant cette technique n'est pas à conseiller du point devue de la protection cathodique. En effet en cas d'introduction de terre ou d'eau dansl'espace annulaire, et en présence d'un revêtement blessé lors de la pose, le matériauplastique ferait écran aux courants de protection cathodique.
Les gaines en béton, qui ne sont pas isolantes lorsque l'humidité du sol les a traversées,ne présentent pas cet inconvénient.
Les gaines métalliques nues (non revêtues), sous certaines conditions, restentcompatibles avec l'installation d'une protection cathodique.
Plusieurs cas sont à distinguer pour cette nature de gaine :
a) - La canalisation n'est pas en contact avec le fourreau métallique.
- Le fourreau est étanche, l'espace annulaire est vide.
Dans cette situation, aucune corrosion n'est possible pour la conduite intérieure.
b) - La canalisation n'est pas en contact avec le fourreau métallique.
- L'espace annulaire est rempli d'électrolyte (figure n° 25)
Dans cette situation, les courants de protection cathodique peuvent atteindre le tubeintérieur (à travers la paroi du fourreau et l'électrolyte) et assurer, si la densité decourant est suffisante (ce qui suppose que le revêtement n'a pas été trop détérioré à lapose) la protection cathodique de la conduite sous fourreau.
On constate dans ces conditions qu'il y a corrosion intérieure du fourreau.
67/147
c) - La canalisation est en contact avec le fourreau métallique.
- L'espace annulaire est vide (figure n° 26).
La canalisation intérieure étant "en l'air" (c'est-à-dire sans contact avec unélectrolyte) ne peut être corrodée.
Cependant le fourreau métallique nu, en contact avec la conduite, crée une mise à laterre de l'ouvrage gaz et détourne une partie des courants de protection cathodique audétriment, peut être, de certaines canalisations du réseau qui se trouvent alorsexposées à la corrosion.
68/147
d) - La canalisation est en contact avec le fourreau métallique.
- L'espace annulaire est rempli d'électrolyte figure n°27)
Comme dans le cas précédent, le contact électrique capte directement les courantstraversant le fourreau. Ce courant ne peut plus assurer la protection cathodique de laconduite intérieure qui baigne dans l'électrolyte et risque donc de se corroder.
Nota : Un tubage est assimilable, du point de vue protection cathodique, à un fourreaude très grande longueur. Les conséquences sont les mêmes que ci-dessus, maisles risques encourus par la canalisation peuvent être amplifiés par la longueurdu tubage.
Vérification de l'isolement conduite-fourreau
a) Par des mesures de potentiel
Des prises de potentiel installées sur le tube et la gaine permettent de mesurer lespotentiels respectifs des 2 structures (figure n° 28).
Le potentiel du fourreau est en général celui de l'acier dans le sol (- 500 à -700 mV).
S'il présente une valeur plus négative sans toutefois égaler le potentiel de la conduiteprotégée, ce peut être l'indice de la présence d'un électrolyte dans la gaine.
La mesure du potentiel de la conduite dans la gaine ne peut être réalisée à partir de lasurface du sol. La connaissance du niveau de protection cathodique sous gainenécessiterait la mise en place, lors de la pose du fourreau, d'une électrode d'un typespécial, qui resterait à demeure dans l'espace annulaire.
69/147
Si la longueur du fourreau est importante, on installe des jeux de prises de potentiel àchaque extrémité de l'ouvrage.
b) Par des mesures de courants
Un essai de court-circuit entre tube et gaine peut être tenté avec une batterie de 12 volts(figure n 29).
• Un débit de quelques ampères indique un isolement correct entre tube et gaine.
• Un débit de 200 à 400 A peut signifier un contact franc tube - gaine.
• Un débit intermédiaire ne permet pas de conclure entre la présence d'électrolyte dansle tube et celle d'un défaut présentant une résistance de contact.
Si l'équipement a été prévu à la pose, essentiellement pour les fourreaux de grandelongueur ou de réalisation particulièrement complexe, on peut par une méthode demesure de résistance électrique, localiser le point de contact gaine - tube avec uneprécision inférieure au mètre.
70/147
Equipement du système gaine tube pour la localisation d'un contact gaine tube, avec descâbles de section appropriée 16 et 50 mm2
On a : 1
1
I
V =
2
2
I
V =
I
V
71/147
8 INFLUENCES ELECTRIQUES
8.1 INFLUENCES DUES A LA PROTECTION CATHODIQUE
Le cas des influences créées par la circulation des courants vagabonds des lignes detraction électrique a été traité au paragraphe 3.4.5. Les remèdes à apporter sont décritsau paragraphe 5.3.3.
Une installation de protection cathodique mettant en circulation des courants continusdans le sol, toute structure métallique enterrée à proximité d'une conduite protégéepourra être influencée : influence tantôt bénéfique si la structure voisine est renduecathodique, tantôt néfaste si elle devient anodique.
La figure n° 30 présente un tel cas. A proximité d'un croisement, ou d'un simplerapprochement, là où les isolements des ouvrages sont plus faibles, les courants captésressortent de la structure influencée vers la conduite protégée. Il y aura corrosion de laconduite influencée.
L'influence sera d'autant plus marquée que le débit de l'installation de protection seraimportant, que les isolements des conduites seront faibles, et que les rapprochementsseront serrés. C'est la raison pour laquelle, particulièrement en zone urbaine, on évite lespostes de protection cathodique à fort débit, et que l'on s'assure du bon isolement duréseau. Une mise à la terre, par manque de revêtement ou contact avec des structures,même si le potentiel de protection cathodique est atteint sur le métal, ne doit pas êtretolérée car elle crée un appel de courant préjudiciable aux conduites voisines étrangères.
72/147
Si la canalisation métallique voisine est constituée de tuyaux en fonte, ces influencessont en général de moindre importance car la jonction plus ou moins résistante entrechaque tube gène la circulation des courants. De plus, les sorties de courants s'effectuantsur des surfaces nues, localement les densités de courant sont faibles et n'entraînent quedes pertes de métal légères.
Le cas le plus sévère d'influence est celui de la proximité d'une conduite et du déversoirde l'installation, parce que, très localement, il va y avoir concentration du courant deprotection. C'est une des raisons pour lesquelles l'implantation d'un déversoir doit êtreétudiée, en ville particulièrement, avec la plus grande attention.
L'expérience a montré qu'un écartement du déversoir d'au moins 50 mètres protégeaitdes influences significatives les ouvrages métalliques étrangers enterrés, pour des débitsde protection de l'ordre de 5 ampères.
Des débits de l'ordre de l'ampère, pour de petits réseaux bien isolés, autorisent desécartements plus faibles et plus faciles à respecter en ville.
On peut noter que l'installation de déversoirs verticaux permet d'échapper plusfacilement à ces contraintes, que celle de type horizontal (rails, rondins etc.).
Excepté, peut être, le cas de proximité du déversoir, dans la pratique il est très difficilede détecter les influences. Pour étudier ultérieurement des solutions, pour remédier àune influence, il faut en effet repérer les zones de l'ouvrage étranger qui sont renduesanodiques. Cette recherche est rendue difficile en raison des courants d'influence quifaussent, par génération d'un gradient, les mesures du potentiel (figure n° 31).
La solution pour éviter les problèmes d'influence est d'abord d'agir au niveau desprojets, par anticipation, en respectant des écartements suffisants avec les ouvragesétrangers. Lorsque les ouvrages sont posés et des influences constatées, on peut lessupprimer par des liaisons directes, ou résistantes, voire polarisées, au niveau des zonesanodiques de façon à ramener la structure à son potentiel original et même parfois à unpotentiel de protection.
Nota : Les influences entre conduites protégées sont plus rares. Des potentiels qui sontrendus plus positifs mais qui restent néanmoins à l'intérieur de la zoned'immunité cathodique ne correspondent pas, pour un ouvrage, à des sorties decourants d'influence.
Ainsi une conduite dont le potentiel passe, localement par influence, de - 1800 mV à– 1200 mV reste protégée cathodiquement, (si l'on a l'assurance cependant qu'enaucun point voisin ou éloigné, entre 2 prises de potentiel successives par exemple,l'ouvrage n'accuse pas un potentiel supérieur à - 850 mV).
On constate que les mesures d'influence, appelées aussi mesures d'interaction, et leurinterprétation sont complexes. Pour éviter des conséquences fâcheuses aux ouvragescomme aux hommes, mais surtout des interprétation erronées et le choix de solutionsmal appropriées, il est souhaitable de les confier à des équipes spécialisées.
C'est le Centre Technique Opérationnel de Compiègne qui traite les problèmes derelations avec les tiers pour les ouvrages de distribution et de transport du G.D.F.
Une normalisation de la méthodologie de mesure et d'interprétation a été établie en 1981entre le GAZ de FRANCE et d'autres Sociétés ou Administrations. (Voir bibliographie).
73/147
74/147
8.2 INFLUENCES DUES AUX LIGNES AERIENNES DE TRANSPORTD'ENERGIE LORS DE DEFAUTS D'ORIGINE ELECTRIQUEUne induction alternative permanente peut être générée au niveau des conduitesenterrées du fait de la position d'une canalisation dans le champ électrique créé par les3 conducteurs d'une ligne de transport d'énergie en fonctionnement normal (figuren° 32). En général cette induction est très faible (sauf peut être à proximité des lignesferroviaires alternatives du T.G.V. où les tensions induites peuvent atteindre, en certainspoints, la centaine de volts) et non susceptible de créer des désordres aux installationsde gaz, ni de dangers pour le personnel qui travaille sur la conduite.
Par contre lors d'un défaut sur une ligne d'énergie, il y a déséquilibre du systèmetriphasé et établissement d'un système homopolaire. S'il s'agit de court-circuit entrephase et terre, ce système homopolaire permet la circulation dans les conducteurs et lesol de courants homopolaires, dits de court-circuit.
Pour les réseaux de tensions inférieures à 63 kV, l'intensité de court-circuit est engénéral limitée par des réactances à des valeurs inférieures à 1000 A, et les risquesd'influence sont faibles.
En ce qui concerne les réseaux de 3e catégorie (T.H.T.), les valeurs des courants decourt-circuit sont beaucoup plus importantes et susceptibles, cette fois, de créer desactions dangereuses.
En France l'intensité de court-circuit peut atteindre selon E.D.F. :
40 000 A pour les installations du réseau 380 kV
30 000 A " 250 kV
15 000 A " 90 kV
75/147
8.2.1 Risque dû à l'induction de forces électromotrices dans la conduite lorsque celle-ciest approximativement parallèle à la ligne d'énergie
Ces tensions induites déterminent le passage de courants le long de la conduite.
Ces courants s'écoulent progressivement dans le sol, à travers l'isolation de la conduite,sur des longueurs importantes, qui dépassent largement la zone du parallélisme.
- Lorsque la tension appliquée au revêtement devient trop forte (entre métal et sol aupotentiel zéro) et claque l'isolant, le risque pour la conduite est dû à la circulationlocale d'un courant dont les effets thermiques peuvent entraîner une perforation de laparoi de la conduite. En réalité lors de l'établissement de la tension aux bornes del'isolation, des effluves apparaissent au passage du courant à travers les pores etblessures du revêtement, et carbonisent légèrement sa surface, augmentant par ce faitsa conductance. Aussi dans la pratique, la tension induite ne dépasse guère 2 à 3 kVquand il s'agit d'un revêtement du type C.
Des essais devront montrer si un tel phénomène (bénéfique en l'occurrence), peut êtreattendu avec les revêtements de type polyéthylène.
- Il y a risque aussi pour les personnes en contact d'une part avec le sol, et d'autre partavec un équipement de la conduite. Ce risque, qui n'est pas à minimiser, correspond àla fréquence d'apparition des défauts sur la ligne et a une durée très brève dequelques périodes (1/25 de seconde).
Des statistiques fournies par E.D.F. indiquent qu'en moyenne il y a annuellement3 défauts électriques par 100 km de lignes, cependant ces incidents sont plusnombreux dans les zones à atmosphère polluée et humide, ou à haut niveau defoudroiement.
8.2.2 Risque dû à la conduction de courant par le pied de pylône
Sur le pylône en défaut il y a écoulement du courant de court-circuit vers le sol à traversla résistance de terre du pylône. Cette circulation de courant fait monter le potentiel dusol et crée une tension aux bornes du revêtement entre le sol et le métal de la conduite.Si le revêtement reste intact, il ne se passe rien pour la conduite. Si le revêtement claqueil y a écoulement du courant du sol vers la conduite, et risque comme dans le casprécédent de percement de la conduite.
76/147
8.2.3 Principes à mettre en œuvre
Des dispositions doivent être prises pour éviter que les contraintes électriques,superposition des effets d'induction et de conduction. ne provoquent un percement de laconduite.
L'évaluation chiffrée de ces contraintes est faite à partir de documents techniques établisen collaboration par E.D.F. et G.D.F. (cités en bibliographie). Il y a lieu, dans tous lescas, de se limiter à des tensions inférieures à 5 kW. Ce seuil pratique a été déterminéaprès des essais sur des témoins métalliques et en tenant compte d'un coefficient desécurité de 2.
Si la tension calculée est supérieure à 5 kV, des dispositions sont à prendre tant auniveau de la conduite que de la ligne, pour ramener les contraintes électriques en deçàdu niveau acceptable.
Pour les phénomènes de conduction ces moyens consistent en particulier à maintenir unécartement suffisant entre pylône et conduite.
Ainsi pour une tension de :
90 kV le rapprochement est de 50 m (ou 15 m avec câble de garde),
225 kV le rapprochement est de 150 m (ou 25 m avec câble de garde),
380 kV le rapprochement est de 100 à 200 m (ou 50 m avec câble de garde).
Des solutions consistant en l'amélioration des prises de terre des pylônes peuvent êtreenvisagées, ainsi que dans le renforcement de l'isolation de la conduite.
Cependant il faut se rendre compte qu'une blessure mécanique de l'isolation mêmerenforcée ramène aux mêmes effets néfastes qu'avec un revêtement simple.
C'est pourquoi les pétroliers ont admis la possibilité de supprimer l'isolement de laconduite au droit des pylônes. Le métal en contact avec le sol ne reçoit ainsi qu'unefaible densité de courant et ne peut être endommagé.
Pour les phénomènes d'induction le moyen le plus efficace consiste à augmenterl'écartement entre les deux ouvrages lorsqu'il y a projet de construction de l'un oul'autre. Cependant cette solution n'est actuellement pas toujours applicable depuis qu'il ya obligation de passage des canalisations dans les couloirs d'énergie.
La solution qui reste possible, concernant l'ouvrage électrique, est l'installation de câblesde garde qui constituent des écrans électromagnétiques.
Au niveau de la conduite il peut être intéressant d'envisager la pose de tubes comportantun revêtement du type C de plus grande conductance que le polyéthylène. Sinon, il fautenvisager la mise à la terre de la conduite, localement aux extrémités du parallélisme, oud'une manière répartie sur la longueur de la canalisation.
L'installation d'un câble nu enterré parallèlement à un mètre de conduite, relié enplusieurs endroits à l'ouvrage gaz par des éclateurs, permet la diminution des tensionsinduites ; cependant cette solution est onéreuse, compte tenu du gain obtenu (20 % deréduction du niveau des tensions).
Il ne faut jamais oublier que toute solution envisagée sur le plan électrique et quiconduit à un équipement particulier de la conduite de gaz, doit rester compatible avecl'existence d'une protection cathodique.
77/147
C'est le cas des mises à la terre, locales ou réparties, des tronçons de canalisationsprévus sans isolement, mais aussi des raccords isolants qu'il faut maintenir court-circuités, ou bien, au contraire, ouverts pour arrêter une éventuelle circulation decourant.
Propagation sur les réseaux voisins
Les canalisations les plus soumises aux contraintes électriques sont celles du réseau detransport gaz. Ces canalisations de transport sont reliées aux réseaux des distributionspubliques ou de clients industriels.
Il ne peut être envisagé de propager sur ces conduites, dont l'équipement adéquat n'estpas prévu, des tensions dont le niveau peut atteindre 5 kV. C'est pourquoi il a falludévelopper un type de raccords isolants dits "haute tension" qui puissent arrêter lapropagation de ces tensions (figure n° 33). Ceux-ci sont testés en usine sous 11 kW. Ilest rappelé que le raccord isolant de branchement qui protège un abonné contre uneperturbation électrique, ne pourrait bien souvent pas tenir à plus de 1 kW.
L'arrêté interministériel du 26 Mai 1978, intitulé "Conditions techniques auxquellesdoivent satisfaire les distributions d'énergie électrique" développe dans son article 75(modifié au Journal Officiel du 16 Mars 1982), les dispositions à mettre en œuvre auvoisinage de lignes et canalisations tant pour les problèmes de conduction qued'induction. Des clauses particulières à certaines canalisations de gaz, pétrole ou deproduits dangereux sont envisagées, selon les produits transportés et les risquesencourus.
Influence de la foudre
Les lignes électriques de 3e catégorie sont fréquemment pourvues d'un système de câblede garde pour, entre autres raisons, assurer la protection des lignes (conducteur, pylôneset installations) contre les effets de la foudre.
Lors d'un coup de foudre sur ce câble de garde, le courant (50 % des coups de foudredépassent 30 kA et quelques uns 100 kA) se répartit sur les pylônes adjacents et diffuseensuite vers le sol créant de nouveaux dangers de conduction pour les ouvrages enterrésau voisinage. En cas de foudre, il n'y a pas systématiquement contournement desisolateurs de phase, mise en court-circuit de la ligne et dérangement électriqueenregistré ou comptabilisé par E.D.F.
La fréquence de foudroiement d'une ligne T.H.T. dépend de ses caractéristiquesmécaniques et électriques, mais aussi du niveau kéraunique de la région.
L'application de toutes ces données, montre que pour les lignes T.H.T., la fréquence defoudroiement, donc de risques supplémentaires pour un ouvrage de gaz voisin, est, enmoyenne, annuellement de 30 coups par 100 kilomètres de ligne.
78/147
79/147
9 PROTECTION CATHODIQUE D'OUVRAGES GAZIERS
9.1 PROTECTION GLOBALE DE STATIONS
L'application de la protection cathodique aux conduites enterrées des stations decompression ou de comptage, nécessite parfois l'équipement de ces ouvrages encentaines de raccords isolants, pour assurer l'isolement des canalisations des massifssupports, bâtiments, réseaux de mises à la terre en cuivre.
L'exploitation de ce système se heurte immanquablement au fait que, tôt ou tard, unraccord isolant devient mauvais ou est court-circuité par l'installation de nouveauxappareils ou canalisations.
Le générateur de protection cathodique ne peut, en général, prendre en compte un défautd'isolement aussi important, et la protection n'est alors plus assurée sur la plus grandepartie de la station.
La protection globale consiste à supprimer à la construction de la station, la nécessitéd'un isolement entre canalisations et terres, et à réaliser la protection, de façon à assurerla polarisation cathodique de l'ensemble des structures métalliques enterrées(canalisation et terres électriques).
Cette méthode nécessite une puissance électrique très importante, de façon à fournir desintensités de 10 à 100 A à l'hectare installé suivant notre expérience. Ceci correspond àdes densités de courant de l'ordre de 100 mA/m2 pour les ouvrages en acier, et200 mA/m2 pour les structures de mises à la terre en cuivre.
Une des difficultés dans la conception de l'installation de protection cathodique globaleest la réalisation du déversoir. Il doit permettre des débits importants, et donc avoir unemasse adaptée, mais surtout il doit être placé de façon à avoir un rayonnement optimalsur toute la station.
En général, le déversoir est fractionné en un nombre plus ou moins important dedéversoirs auxiliaires, rayonnant chacun sur une zone précise, et reliés entre eux auniveau de l'appareil de soutirage.
Si cette solution peut paraître séduisante quant à son principe et aux économies deraccords isolants qu'elle autorise, elle n'en reste pas moins délicate dans sa mise enœuvre, et le contrôle de sa complète efficacité (en cas de mauvais fonctionnement, nonseulement la canalisation subit l'attaque des terrains agressifs, mais encore celleentraînée par l'existence des couples acier-cuivre).
On préfère, dans certains cas, une protection de type semi-globale, qui prévoitl'isolement des parties créant les mises à la terre les plus franches, et qui prend encompte un ensemble limité de petits défauts locaux ne consommant pas l'essentiel ducourant de protection cathodique.
9.2 PROTECTION CATHODIQUE D'UN SAUMODUC
Prenons le cas de la canalisation en acier de revêtement type C, de diamètre 400 mm etde longueur 75 km environ, qui véhicule la solution saline provenant du lessivage descavités du stockage en couches salines de ETREZ (Ain), jusqu'à l'usine SOLVAY detraitement de la saumure à POLIGNY (Jura).
80/147
Sa protection cathodique a pu être réalisée, malgré la présence du fluide conducteurintérieur. Il faut rappeler que lorsque la saumure est proche de la saturation, vers250 g/litre, sa résistivité est de l'ordre de 30 Ω.cm (figure n° 34).
L'isolement électrique entre le tube et les stations d'extrémité a été obtenu par utilisationde manchettes en acier de longueur totale de 12 m, revêtues intérieurement d'unrevêtement d'ébonite à dureté cuir, et isolées électriquement au niveau des brides deraccordement par un système de rondelles et canons isolants. L'isolement ainsi obtenuentre l'ouvrage et la station représente une résistance d'environ 15 Ω. Cet isolementn'étant que très partiel, contrairement à ce qui se produit pour un raccord isolant d'uneconduite de gaz, cela signifie qu'une partie du courant du générateur de protectioncathodique, dérivée par le fluide conducteur, provoque la corrosion intérieure du tube.
Pour pallier cet inconvénient, une manchette, de forte épaisseur, non revêtueintérieurement, a donc été installée à l'aval des manchettes isolantes. Elle sert de piècede consommation pour les corrosions intérieures. Cette pièce est munie de brides pourpermettre son remplacement systématique.
9.3 PROTECTION CATHODIQUE DES PUITS DE STOCKAGES SOUTERRAINS
Il existe en France actuellement plus d'une dizaine de sites équipés pour le stockagesouterrain de gaz, tous protégés cathodiquement (soit 380 puits protégés). Le fait queces sites soient exploités en nappes aquifères ou en cavités salines, ne modifie pas lesprincipes généraux de protection cathodique des puits. Cette protection se calcule de lamême manière que pour une conduite, en tenant compte de la longueur des divers tubesconcentriques et de l'absence de protection passive de l'ouvrage. Le seul isolement quiexiste est constitué par l'enrobage de ciment.
Par comparaison à l'isolement d'une conduite de transport qui se chiffre en dizaines,voire en centaines de milliers Ω.m2, l'isolement des cuvelages par rapport au sol est del'ordre de 20 à 100 Ω.m2 dans le meilleur des cas. On conçoit donc que les intensités àmettre en jeu pour la protection cathodique des cuvelages de puits soient assezimportantes malgré leur faible longueur. La protection initiale est assurée par descourants de plusieurs ampères (de 5 à 20 A selon les puits).
Particularité de la protection cathodique (figure n° 35)
- Les problèmes posés par la protection cathodique des puits de stockage souterrainssont essentiellement liés à l'obtention d'une bonne répartition des champs électriquesdans un sous-sol encombré parfois d'un nombre considérable de puits. Il faut, eneffet, veiller à éviter les interactions entre les divers puits, ainsi que la formation dezones d'écran entre les structures, en recherchant le meilleur emplacement des diversdéversoirs compte tenu des possibilités offertes sur le terrain.
- Une des difficultés rencontrée dans le contrôle de l'efficacité de la protectionprovient de l'absence de point de mesure accessible sur la structure, autre que celuiqui est situé en tête de puits. En principe, la mesure en tête de puits d'un gain depotentiel et d'un courant de soutirage permet, par le calcul, de déterminer les deuxinconnues du système d'équations, la valeur d'isolement R et le gain en extrémité del'ouvrage.
Cependant la mesure du potentiel en tête de puits doit être faite par la méthode dite àcourant coupé pour s'affranchir des chutes de tension dans le sol, et des influencescréées par d'autres puits situés à proximité.
81/147
82/147
83/147
- La protection cathodique d'un puits est assurée indépendamment de celle desconduites qui en partent, qu'elles soient de gaz, d'eau ou de fluides divers. Celanécessite d'introduire des raccords isolants entre conduites et puits d'exploitation gaz,et de veiller à l'isolement du puits par rapport aux diverses structures aboutissantdans la "cave". Dans le cas contraire, la résistance de terre du puits est si faible parrapport à celle de la conduite, que la majorité du courant de protection est captée parle cuvelage du puits ; la conduite ne reçoit alors plus toujours la densité de courantnécessaire à sa protection.
Réalisation pratique de la protection
- Les déversoirs sont adaptés à la nature des terrains des différents sites de stockage etsont réalisés soit à partir de rails de grande longueur (150 mètres) soit à partir deforages profonds (200 m comme à TERSANNE et St CLAIR SUR EPTE). Ils sontconçus pour débiter 80 à 100 A pendant 15 à 20 ans.
- En général les redresseurs présentés sous forme de tiroirs modulaires sont regroupésen armoire. Sur certains sites, tous les générateurs sont centralisés dans une mêmearmoire. Sur d'autres, à cause de longueurs de câbles trop importantes, leregroupement ne concerne que les 3 ou 4 puits alimentés par un même déversoir.Chaque tiroir redresseur est pourvu d'une régulation d'intensité rendue nécessairepour que la coupure ou le réglage du courant d'un seul puits ne perturbe pas lefonctionnement des autres, ou ne nécessite pas la reprise du réglage des autres puits.
9.4 STATION DE FILTRATION D'EAU DE MER - THERMINAL METHANIERDE MONTOIR DE BRETAGNE
Cette station permet la filtration de l'eau destinée à la regazeification du G.N.L., ainsiqu'au réseau d'eau incendie, à travers deux tambours rotatifs (figure n° 36).
Chaque tambour est constitué par un axe central supportant deux tourillons, espacés de6 mètres, d'où partent des rayons qui se raccordent à une jante de 12 m de diamètre. Untamis en acier inoxydable, fixé à la jante, filtre l'eau de mer. Le reste de la structure esten acier ordinaire peint.
Dans une eau d'estuaire dont la résistivité varie, selon les saisons ou les marées, de 0,5 à20 Ω.m, les dangers de corrosion sont permanents et la protection cathodique de cesinstallations a été prévue à la construction de l'ouvrage. Elle est réalisée à partir de2 redresseurs de 30 A, chaque déversoir étant constitué par un ensemble de 3 rondins deferrosilicium.
Dans le cas de MONTOIR DE BRETAGNE, l'ajustement du courant à la résistivité del'eau filtrée et à la hauteur des marées a été réalisée en intercalant dans le circuit unerésistance variable constituée par des lampes 32 V / 200 et 500 watts. Ce système derégulation très simple a le mérite d'être indéréglable et très robuste.
C'est une protection du même type qui est utilisée sur les ouvrages de filtration de l'eaude mer de refroidissement des centrales nucléaires d'ELECTRICITE DE FRANCE. Lestambours atteignent des diamètres de 20 à 22 mètres et les surfaces d'acier nu ou peint,et d'acier inoxydable à prendre en compte, sont de l'ordre de 2 000 à 2 500 m2. Lesintensités à mettre en jeu sont considérables et varient de 100 à 200 A selon lestambours et les hauteurs de marée. Pour ces ouvrages en eau de mer, les déversoirs sontconstitués par des anodes en titane platiné, pratiquement inusables, permettant desdébits très importants.
84/147
85/147
Le nombre d'anodes nécessaires est déterminé pour que le champ électrique soit bienréparti sur la structure, quelle que soit la hauteur de la marée (l'amplitude maximum dela marée pouvant atteindre 11 m en certains lieux) afin que les potentiels mesurés soientles plus uniformes possibles. Des niveaux de potentiels trop élevés risquent d'entraînerle cloquage des peintures sur l'acier ordinaire et la détérioration de la couche depassivation de l'acier inoxydable.
Il est à remarquer que la protection cathodique, particulièrement en eau saline, favorisesur ces structures la formation de dépôts calcomagnésiens, qui sous certaines conditions,peuvent être très adhérents et isolants. Ces dépôts remplacent progressivement lerevêtement par peinture, qui se dégrade en vieillissant, et permettent progressivement dediminuer l'intensité débitée.
9.5 PROTECTION CATHODIQUE DE CONDUITES DE FONTE
Le cas décrit concerne une canalisation réalisée près de SETE, de FRONTIGNAN à LAPEYRADE, en tubes de fonte ductile vissés. La canalisation a été posée nue dans unremblai de chaux et sable. Le terrain naturel est constitué par des alluvionsmarécageuses soumises à des infiltrations d'eaux plus ou moins salées provenant d'uncanal (résistivité des sols de 2 à 10 Ω.m).
Posée en 1953, (longueur 3,1 km et diamètre 150 mm), la canalisation présentait troisannées plus tard des corrosions sévères en maints emplacements. Une protectioncathodique lui a été appliquée. Quatre soutirages débitant chacun une vingtained'ampères, répartis sur le tracé, permettent, de maintenir le niveau de son potentiel endessous du seuil de protection cathodique. Les déversoirs ont été réalisés en rondins deferrosilicium, graphite, et en titane platiné (figure n° 37).
Une autre canalisation entre MONTPELLIER et FRONTIGNAN est égalementconstruite en tubes de fonte ductile vissés. Les terrains traversés par cet ouvrage n'étantpas agressifs, la protection cathodique n'y a pas été installée.
Cependant cet ouvrage longeant une voie ferrée électrifiée en courant continu, il a éténécessaire d'installer après essais, trois appareils de drainage sur les 16 km de lacanalisation.
86/147
87/147
BIBLIOGRAPHIE(rédaction en français)
I - Ouvrages concernant plus particulièrement la corrosion
- Théorie et Méthodes d'Essai de la corrosion des métaux par G.V. AKIMOVDUNOD 1957.
- Corrosion et Protection par H.H. UHLIG - DUNOD 1970.
- Corrosion et Protection des Métaux - Les HOUCHES 1985 sous le patronage duCefracor et du Ministère de la Recherche et de l'lndustrie. Edition CNRS 1982.
II - Ouvrages concernant la protection cathodique
- Protection contre la corrosion dans les sols - Généralités. Publication réalisée parle groupe de travail "Corrosion dans les sols" du Centre Français de la Corrosion.CEFRACOR.
- La corrosion des conduites d'eau et de gaz - Causes et remèdes. Travaux de lacommission française présidée par M. NEVEUX Editions EYROLLES - 1968(Nouvelle édition 1987).
- Guide pratique de protection cathodique. Edité par la Chambre Syndicale de laRecherche et de la Production du pétrole et du gaz naturel - Comité desTechniciens.
- Protection contre la corrosion des ouvrages maritimes pétroliers, par M. ROCHEDiffusion : Editions TECHNIP.
III - Documentation établie par le GAZ de FRANCE
- G.D.F. - D.P.T. - Corrosion et protection cathodique des canalisations en acierpar M. Roger LEGRAND.
- G.D.F. - D.E.G.S - Protection contre la corrosion des ouvrages métalliquesenterrés Document rassemblant les fiches spécifiques tiréesdu Guide de la Distribution.
- G.D.F. - D.P.T. - Note technique 4820 - Généralités sur les protections4821 - Equipement des canalisations4822 - Réalisation et exploitation de la protection.
C.T.O. - S.P.C.O. - Edition Janvier 1985.
88/147
IV - Compte rendus de l'Association Technique de l'Industrie du GAZ en FRANCE
- Journée de perfectionnement du 24 Avril 1970,Corrosion externe dans les réseaux de distribution.
- Journée de perfectionnement des 18 et 19 Novembre 1981,Protection des ouvrages contre la corrosion.
V - Documentation relative aux revêtements
- GAZ de FRANCE - R.07 - Edition Janvier 1986.
Liste des systèmes agréés pour la protection contre la corrosion des canalisationsen acier de transport et de distribution de gaz enterrées.
- GAZ de FRANCE - R. 10 - Edition 1983.
Spécifications techniques relatives à la fourniture de protections antirochesdestinées à la pose des canalisations enterrées en terrain rocheux
- Revue GAZ d'Aujourd'hui - Edité par l'A.T.G.
110e année – n° 1 Janvier 1986 et n° 3 Mars 1986 "Les revêtements descanalisations de transport et de distribution"
VI - Documentation relative aux raccords isolants
- D.P.T. - D.E.T.N. - Spécifications techniques relatives aux raccords isolants pourcanalisations de gaz combustibles B.539.01 Edition Juin 1983
VII- Documentation relative aux influences des lignes T.H.T.
12e Congrès mondial du gaz - NICE 1973 IGU/C 38-73 par M. B. EDME (G.D.F. -D.P.T.) Influence des lignes aériennes de transport du courant alternatif industriel sur lescanalisations de gaz
E.D.F./G.D.F. - Direction des Etudes et Recherches - G.D.F. - C.T.O.
N° 16596 Juin 1966
Projet de recommandations concernant la protection des conduites en acier enterréescontre les influences des installations de transport d'énergie électrique.
N° 16597 Janvier 1967
Document complémentaire aux recommandations concernant la protection desconduites enterrées contre les influences des installations de transport d'énergieélectrique, traitant des méthodes pratiques d'évaluation des contraintes électriques.
89/147
LA PROTECTION CATHODIQUEDES OUVRAGES
Auteur : Monsieur MAREC JC
DESPC/JMC/1997
DEPARTEMENT D'EXPERTISE ET DE SERVICES PROTECTION CONTRE LA CORROSION
ZAC DE MERCIERES (ZONE 2) – 5, RUE F. DE LESSEPS – BP 829 – 60208 COMPIEGNE CEDEXTEL. 44 23 40 40 – TELECOPIE – 44 23 41 41
GDF RCS PARIS B 542 107 651
90/147
DEFINITION GENERALEDE LA CORROSION
CORROSION : Processus de dégradation de la matière.
Le métal sous l'action de l'environnement a tendance àretrouver son état originel : oxydes, sulfates, carbonates...
Le phénomène se traduit par une réaction électrochimique quise produit à la surface du métal.
Nota : Environ 7% de la production mondiale d'acier est détruite annuellementpar corrosion.
91/147
L'ELECTROLYTE
On appelle "ELECTROLYTE" un milieu conducteur del'électricité, dont la conduction est de nature ionique et non pasélectronique comme avec les métaux.
La conductivité des électrolytes est faible par rapport à celledes métaux.
Plus la résistivité de l'électrolyte est faible plus le milieu estconducteur de l'électricité.
EXEMPLES D'ELECTROLYTE :
La terre.
La mer.
L'eau des rivières.
92/147
NOTION DE COUCHE DOUBLE
Métal plongé dans un électrolyte
↓↓↓↓
Passage d'ions positifs dans l'électrolyte
↓↓↓↓
Les électrons libérés s'opposent à l'éloignementdes ions positifs
↓↓↓↓
Dans certaines conditions, un équilibre s'établitentre le métal et ses ions
93/147
Le métal chargé négativement prend un certain potentiel quiest propre au couple METAL-ELECTROLYTE.
U = f (Métal-Electrolyte)
Echelle de NERNST
94/147
LES DIFFERENTS TYPESDE CORROSIONS
LES PLUS FREQUEMMENTRENCONTREES
SUR LES OUVRAGES ENTERRES
95/147
LES COUPLES GALVANIQUES
Réaction d'OXYDATION Réaction de REDUCTION
ANODE CATHODE
Nous avons réalisé une pile électrique. Les zones qui secorrodent sont les zones où il y a sortie de courant dans le sensconventionnel.
96/147
CORROSION GALVANIQUE PAR COUPLAGEDE DEUX METAUX
ANODE CATHODE
97/147
EXEMPLES DE COUPLES GALVANIQUES
Conduite en acier
Conduite en acier Conduite en fonte
CORROSIONDE L'ACIER
CORROSIONDE L'ALUMINIUM
98/147
LOI de FARADAY
La masse de métal déplacé par corrosion est donnée par la loide FARADAY :
m et M : en gramme M : masse atomique du métal
I : en ampère m : valence de l'ion métallique
t : en seconde
k : Coefficient de proportionnalité fonction du métal
Pour les métaux usuels, nous avons les ordres de grandeursuivants :
Acier : 10 Kg par ampère et par an.
Cuivre : 10,4 Kg par ampère et par an.
Plomb : 34 Kg par ampère et par an.
Aluminium : 3 Kg par ampère et par an.
99/147
REMARQUES :
La sévérité des corrosions est fonction des surfaces anodiqueset cathodiques en présence.
Grande surface anodique et petite surface cathodique :DANGER A LONG TERME.
Petite surface anodique et grande surface cathodique :DANGER IMMEDIAT.
100/147
Les corrosions sont d'autant plus sévères et rapides que lasurface anodique est petite par rapport à la surface cathodique.
C'est le courant qui corrode et non pas le potentiel. A unefaible différence de potentiel entre deux métaux, il peutcorrespondre un couple de corrosion important et inversement.
101/147
PRINCIPE DE LA MESURE DES POTENTIELS
On mesure la force électromotrice en circuit ouvert d'une pileélectrique (couple galvanique).
Il faut que la résistance interne du voltmètre soit la plus élevéeque possible de manière à minimiser le courant "i" de la pileélectrique. Plus "i" est grand, plus les potentiels de "M" et de"N" évolueront dans le temps.
Le potentiel de "M" mesuré par rapport au métal "N" est égal àla déviation du voltmètre "V". Avec une telle mesure, le métal"N" est pris comme référence.
Le potentiel du métal "M" ne doit pas être modifié par lacirculation du courant "i". Le couple "métal N-électrolyte"doit être impolarisable.
Si l'on change de métal de référence, le potentiel de "M" seramodifié.
Lors d'une mesure de potentiel, il faut toujours préciser lanature de la demi pile électrique (électrode de référence) qui aété prise comme référence.
102/147
Une électrode de référence est une demi pile électrique.
Différents types d'électrodes de référence :
• Electrode H2
• Electrode Cu/CuSO4
• Electrode Ag/AgCl
• Electrode KC1
L'électrode Cu/CuSO4 est la plus couramment employée pourles mesures de potentiel sur les conduites enterrées.
Electrode Cu/CuSO4
103/147
La mesure du potentiel d'une canalisation enterrée s'effectue àl'aide d'une électrode au cuivre/sulfate de cuivre saturée etd'un voltmètre de forte résistance interne.
Cependant, compte tenu de la circulation des courants deprotection cathodique dans le sol , la mesure ainsi effectuée necorrespond pas au potentiel du métal de la canalisation encontact avec le sol.
104/147
105/147
FIG. 5 - ELECTRODE ARGENT / CHLORURE D'ARGENT
106/147
POTENTIELS RESPECTIFS DES DIFFERENTESELECTRODES
Les potentiels sont exprimés en mV par rapport à l'électrodeau Cu/CuSO4.
107/147
ECHELLE DE NERNST
L'échelle de NERNST donne les valeurs à 25°C des potentielsnormaux des éléments usuels par rapport à l'électrode àhydrogène.
108/147
PILE GEOLOGIQUE
Une pile géologique est constituée d'un même métal plongédans des électrolytes différents.
Les zones soumises à une sortie de courant vont se corroder.Ce sont celles qui ont les potentiels les plus électronégatifs(zones argileuses dans l'exemple ci-dessus).
109/147
AERATION DIFFERENTIELLE
Réactions électrochimiques possibles dans la zone cathodique :
4e- + O2 + 2H2O → 40H-
4e- + 02+ 4H+ → 2H2O
110/147
CORROSION PAR LES COURANTS VAGABONDS
On appelle "courants vagabonds" les courants continus quicirculent dans le sol. Il sont émis par :
• les lignes de chemin de fer électrifiées en courant continu,
• les métros, R.E.R., tramways,
• certains gros industriels.
Prenons le cas des chemins de fer électrifiés en courantcontinu.
Une partie des courants de traction reviennent aux sous-stations par le sol : de quelques pour cent à plusieurs dizainesde pour cent.
111/147
112/147
APPLICATION DE LA LOI DE FARADAY
Illustration de la vitesse des corrosions générées parune sortie de courant en un point donné d'une conduite
Consommation de l'acier : 10 kg/A/anDensité de l'acier : 7,9Volume de métal consommé par jour par 1 ampère :
10 1 000=
7,9x
365= 3,468 cm3/jour
Pour une épaisseur de métal de :
Calcul du temps nécessaire pour obtenir le percement de lacanalisation avec les cratères définis ci après.
113/147
CORROSIONS BACTERIENNES
Certaines bactéries peuvent développer des corrosions à lasurface des canalisations enterrées.
Il a été mis en évidence l'action des bactéries réductrices dessulfates dont le développement produit l'attaque du fer :
• par les produits de la réaction,
• par la polarisation des surfaces.
Les produits caractéristiques de ces corrosions sont à la fois lesulfure de fer et l'oxyde de fer. Elles peuvent dégager uneodeur d'hydrogène sulfureux.
Ce type de corrosion est constaté dans les terrains humides oumarécageux riche en soufre (sols anaérobies). On les rencontreégalement en milieu urbain dans les zones où il y a eu desfuites d'égouts.
PROTECTION CATHODIQUE :
La protection cathodique permet l'élimination des colonies debactéries par abaissement du pH au niveau de l'interface entrele métal et l'électrolyte.
Les colonies de bactéries sulfatoréductrices ne peuvent pas sedévelopper dans les milieux basiques : pH supérieur à 9.
Critères pour la protection cathodique des ouvrages :
• Potentiel ≤≤≤≤ - 900 mV (Cu/CuSO4)
• Densité de courant ≥≥≥≥ 450 mA/m2
114/147
DIAGRAMMES DE POURBAIX
Diagramme FER-EAU
Domaine d'immunité retenu par le professeur POURBAIX :
• Potentiel : - 933 mV• Taux de dissolution de l'acier : 10-6 mole par litre
Domaine d'immunité pratique :
• Potentiel : - 850 mV• Taux de dissolution de l'acier : 10-3 mole par litre
115/147
116/147
INFLUENCE DE LA NATURE DU SOL
La détermination des risques de corrosion de l'acier dans le solconsiste à évaluer l'agressivité du terrain encaissant.
L'agressivité d'un sol dépend principalement :
• de sa nature chimique,
• de son taux d'humidité,
• du pH,
• de la granulométrie,
• de l'aération du milieu.
Ces différents facteurs sont pris globalement en compte dansla mesure de la résistivité du sol.
On admet généralement pour l'acier les critères suivants :
Nota : De forte variations de la résistivité du sol le long dutracé d'une conduite permet de conclure à un risque decorrosion par aération différentielle ou par pile géologique.
117/147
MESURE DE LA RESISTIVITE DES SOLS
La résistivité du sol à une profondeur comprise entre "a" et les2/3 de "a" est donnée par la formule suivante :
"a" est égal à la distance qui sépare deux piquets.
Les appareils de mesure donne directement le rapport U/Iexprimé en ohm.
118/147
LA PROTECTIONDES OUVRAGES
119/147
LA PROTECTION PASSIVE
BUT : Isoler le métal du milieu extérieur.
Revêtements les plus couramment employés :
• Brai de houille,
• Bitume de pétrole,
• Polyéthylène bicouche,
• Polyéthylène tricouche,
• Epoxy,
• Polypropylène,
• Polyuréthane,
• Peintures (ouvrages aériens).
Les revêtements comportent tout ou partie des composantssuivants :
• un primaire d'accrochage : produit de liaison entre la coucheanticorrosive et le métal,
• une couche anticorrosive,
• une couche de protection mécanique complémentaire sinécessaire.
120/147
Les protections antiroches complémentaires :
Les protections antiroches complémentaires sont utiliséesconjointement avec les revêtements anticorrosion.
Elles ont pour but de protéger les revêtements contre lesagressions mécaniques.
Différents types de protection antiroche :
• les baculas et les treillis,
• les toiles de feutre,
• le béton,
• le sable.
Contrôles des revêtements :
Lors de la pose des canalisations, et juste avant la mise enfouille, il est nécessaire de vérifier la qualité des revêtementspar un essai d'isolement au balai électrique.
121/147
ISOLEMENT DES DIFFERENTS METAUXCONSTITUTIFS DES OUVRAGES
BUT : Empêcher la circulation des courants dus aux couplesgalvaniques.
Différents types de raccords isolants :
• R.I. monobloc
• R.I. à brides
Nota : Sur les réseaux de transport, GDF n'utilise que desraccords isolants type HT : tension d'essai 5 kV pendant uneminute.
122/147
LA PROTECTION ACTIVE
BUT :
- Supprimer les couples galvaniques et les piles géologiquespar égalisation des potentiels.
- Polariser négativement le métal par rapport au milieuextérieur de manière à abaisser son potentiel jusqu'à sondomaine d'immunité.
CRITERES :
Premier critère : Le potentiel
- 850 mV (Cu/CuSO4) en règle générale
- 950 mV (Cu/CuSO4) si présence de bactéries
Deuxième critère : Le courant
Densités de courant usuelles tirées de l'expérience :
5 mA/m2 : acier nu dans un sol résistant anaérobie et sansbactérie
35 mA/m2 : acier nu dans un sol aéré
70 mA/m2 : acier nu en eau douce non agitée
150 mA/m2 : acier nu en eau de mer faiblement agitée
123/147
LA PROTECTION ACTIVE PAR ANODE SOLUBLE
L'anode doit être dimensionnée de telle manière que le courantreçu par la conduite soit suffisant pour abaisser son potentieldans le domaine d'immunité.
La liaison anode-conduite doit être amovible pour pouvoircontrôler l'efficacité du système.
124/147
PROTECTION PAR ANODE SOLUBLE : I ≤≤≤≤ 10 mA
• Ouvrages de faibles dimensions ayant une bonne protectionpassive.
• Terrain de faible résistivité (< 50 Ω m).
• Creuser une tranchée horizontale de 1.5 m de long sur 0.5 mde large au niveau de la génératrice inférieure de la conduite(autre disposition possible : anode verticale).
• Mettre en place l'anode avec son régulateur de corrosiondans le fond de la fouille.
• Remplir la tranchée d'eau.
• Attendre 10 à 15 minutes avant de remblayer.
• Procéder aux raccordements électriques habituels.
125/147
PROTECTION PAR SOUTIRAGE DE COURANT
DEVERSOIR :
• Rondins en ferrosilicium
• Rondins en graphite
• Rondins en magnétite
• Rails de chemin de fer
• Titane platiné
126/147
DISPOSITION GENERALE D'UN SOUTIRAGEDE COURANT
Pour l'implantation d'un soutirage de courant, il est nécessairede disposer d'un terrain vierge de toutes structures métalliquesenterrées.
127/147
TRANSFORMATEUR REDRESSEUR DE COURANT
Différents modèles de transformateur-redresseur utilisés à Gazde France :
• Modèle 0,5/1 A-24 V• Modèle 3 A-48 V/ 6A-24 V• Modèle 6 A-48 V• Modèle 15 A-48 V
Branchement EDF :
• Fusibles• Disjoncteur différentiel 500mA (650mA)• Compteur d'énergie
Mise à la terre des masses métalliques :
• Disjoncteur différentiel 500 mA ⇒ Rt ≤ 48 Ω• Disjoncteur différentiel 650 mA ⇒ Rt ≤ 37 Ω
Nécessité de respecter la Norme NF C15100.
128/147
DEVERSOIRS
Déversoirs réalisés à partir de rails de chemin de fer
Sauf en présence de sols très faiblement résistant, il estconseillé de noyer le rail dans du poussier de coke ou unbackfill équivalent.
129/147
DEVERSOIRS
Déversoirs réalisés à partir de rondins en graphiteou en ferrosilicium
130/147
PROTECTION CONTRE LES COURANTSVAGABONDS
Les voies SNCF électrifiées en courant continu, les tramways,ou les métros peuvent engendrer dans le sol des circulations decourants vagabonds.
Il y a corrosion des ouvrages métalliques dans les zones où lescourants vagabonds sortent des ouvrages pour retourner auxsous-stations émettrices.
Pour supprimer les corrosions, une liaison électrique polariséeest réalisée entre la canalisation et l'ouvrage perturbateur.
131/147
SCHEMA DE PRINCIPE DU DRAINAGE
132/147
REALISATION DES POSTES DE DRAINAGE
Enregistrement simultané des potentiels rail/sol et conduite/solen fonction du temps :
Dossier administratif
La réalisation des postes de drainage est soumise auxprescriptions de l'arrêté du 2 Avril 1991 (article 93).
Un dossier est transmis à la D.R.I.R.E. justifiant la nécessitéde réaliser le drainage (réalisation à titre curatif et non paspréventif).
La D.R.I.R.E. effectue une enquête auprès des usagers dusous-sol (PTT, EDF, Service des eaux, ...).
133/147
L'accord de réaliser le poste de drainage est donné par laDRIRE sous réserve de la prise en compte des remarquesformulées par les usagers du sous-sol.
REMARQUES :
- Lorsque les sous-stations sont éloignées des canalisations, ilest possible de contrer les sorties de courant par la mise enplace d'un ou de plusieurs postes de soutirage de courant(soutirages régulés par exemple).
- Il est également possible de drainer les courants vagabondssur des masses sacrificielles : anodes zinc généralement.
134/147
EQUIPEMENT DES OUVRAGES
135/147
PRISES DE POTENTIEL
Les prises de potentiel sont réalisées avec un câble unipolaire de16 mm2 de section à âme en cuivre à double isolement.L'isolement du câble est réalisé en polyéthylène traitéspécialement pour résister au chlore naissant.
Emplacement des prises de potentiel :
• Extrémités de réseaux et d'antennes.
• Aux raccords isolants de réseaux.
• Aux liaisons électriques.
• Aux fourreaux métalliques (conduite + fourreau).
• Zones où les potentiels de protection sont difficiles à atteindre :conduites de faible isolement, sol de forte résistivité...
• Zones où les sols sont particulièrement agressifs : faiblerésistivité, zones humides, zones polluées (déchets industriels,dépôt de sel, décharge publique...).
• Zones où les courants vagabonds ont tendance à sortir desouvrages (sous-stations...).
• Points particuliers : ouvrages d'art, croisement avec lesouvrages tiers sous protection cathodique.
Zones où il ne faut pas en mettre :
• Zones explosives (postes de détente, chambres à vannes...).
• Zones à risques électriques : pieds de pylône EDF, voisinagedes postes de transformation...
136/147
CABLES DE LIAISON
GDF fait fabriquer spécialement un câble unipolaire pour laprotection cathodique des ouvrages (prises de potentiel,liaisons électriques) :
• Arme : cuivre torsadé
• Section : 16 ou 50 mm2 (95 mm2 exceptionnellement)
• Enveloppe isolante polyéthylène spécialement traitée contrele chlore naissant.
• Gaine extérieure : PVC
Ce câble peut être posé directement en terre sans protectionmécanique complémentaire.
En pose horizontale, prévoir un grillage avertisseur.
137/147
GUIDE DE LA DISTRIBUTIONSCHEMAS - CTO N° 37189
138/147
139/147
PRISE de POTENTIEL ERICOSOUDABLE par le PROCEDE
ALUMINOTHERMIQUE + KITd'ENROBAGE POLYURETHANE
16, rue Jean-Jaurès, 54320 Maxéville – France – 83 32 23 06S.A.R.L. au capital de 150 000 F Fax 83 32 66 57R.C. Nancy 333966075 R.M. Nancy 008216554 – SIRET 333966007500017Code APE : 5302 – BNP Nancy 3 Maisons : 30004 240 622 36 65
140/147
141/147
142/147
EXPLOITATIONDES INSTALLATIONS
143/147
TABLEAU RECAPITULATIF DES CONTROLESA EFFECTUER
PRINCIPAUX CONTROLES A EFFECTUER
CONTROLES A EFFECTUER PERIODICITE
CONTROLE DES POTENTIELS A minima une fois par an
CONTROLE DES INTENSITES(liaisons)
A minima une fois par an
SOUTIRAGE DE COURANT :
• Vérification du bon fonctionnement• Contrôle détaillé
Une fois par moisUne fois par an
DRAINAGE DE COURANT :
• Vérification du bon fonctionnement• Contrôle détaillé
Une fois tous les 15 joursA minima une fois par an
LIAISON ELECTRIQUE (avec un tiers) Une fois par trimestre
144/147
COUT DE LA PROTECTIONCATHODIQUE DES OUVRAGES
145/147
PROTECTION CATHODIQUE DES OUVRAGES
Coût des investissements :
Inférieur à 1 % du coût du premier établissement de lacanalisation : généralement compris entre 0,3 et 0,8 %.
Cette estimation ne prend pas en compte le coût du revêtementni des RI indispensables ( RI branchements).
Coûts d'exploitation :
0,1 à 0,2 % du coût de renouvellement des ouvragescorrespondants.
Durée de vie des ouvrages sous PC :
La durée de vie des ouvrages sous PC, sans percement descanalisations, est multipliée par un facteur minimal de trois.
Nota :
- La PC est sans effet :
• sur les ouvrages aériens,• sur les accessoires.
- Nécessité de respecter les règles de l'art de pose des réseaux.
- Nécessité de respecter les règles de l'art concernantl'exploitation et la surveillance des réseaux.
146/147
Evolution du nombre de fuites en fonction du tempssur un réseau en acier de 100 Km non protégé cathodiquement
147/147
Evolution du nombre de fuites en fonction du tempssur un réseau non protégé cathodiquement
Coût moyen de réparation d'une fuite : 30 KF
Nombre de percements constaté en 1996 : 77
Coût moyen de réparation des fuites : 2 310 KF soit environ2% du coût de renouvellement des ouvrages.