La corrosion induite par courant alternatif sur les canalisations enterrées sous protection cathodique

La protection contre la corrosion des ouvrages métalliques enterrés ou immergés tels que gazoduc ou oléoduc est assurée à la fois par l’application de revêtements anti-corrosion organiques, ou bitumeux pour des anciens systèmes, et par un système de protection cathodique. Les processus de corrosion font intervenir l’eau en tant qu’électrolyte, et divers oxydants susceptibles de capter les électrons libérés par l’oxydation du métal. Le rôle du revêtement est alors de limiter le flux de ces produits en créant une barrière physique. En dépit des précautions prises à la mise en fouille de ces ouvrages, le revêtement anti-corrosion est rarement totalement exempt de défauts. L’expérience a montré que la majorité des défauts de revêtement (trous ou décollements) constatés sur les canalisations a été créée par des pierres tombées sur le tube ou ayant poinçonné le revêtement [1]. Le rôle de la protection cathodique est de protéger l’acier dans toutes les zones où le revêtement fait défaut, et de prévenir tout risque de corrosion en agissant sur le potentiel du métal. Mais il y a des limites pour appliquer la protection cathodique (PC) car une surprotection est également un des facteurs qui peut provoquer le décollement du revêtement. Malgré cette double protection, revêtement et PC, lorsque ces conduites se trouvent près d’une installation électrique à fort courant alternatif, comme les lignes de haute tension ou le TGV, la corrosion peut avoir lieu à la surface du métal au droit des défauts du revêtement de la canalisation.

Etude bibliographique

Les pipelines sont fabriqués généralement en acier au carbone en raison de son faible coût et sa bonne résistance à la pression interne exercée par le fluide. La détérioration des pipelines n’est pas seulement occasionnée par des agressions mécaniques externes fortuites, mais aussi par la corrosion de l’acier par le milieu sol. Pour protéger les pipelines contre la corrosion, on recouvre l’acier d’un revêtement isolant qui joue le rôle de couche barrière et on applique une protection cathodique. Le rôle de la protection cathodique est de protéger l’acier dans toutes les zones où le revêtement présente des défauts de continuité tels que des pores, lacunes ou crevasses, et de prévenir tout risque de corrosion en agissant sur le potentiel électrochimique du métal. Le revêtement organique, par son rôle de protection passif, permet de réduire le courant électrique nécessaire à la protection cathodique (PC). Notons par ailleurs ici qu’une densité de courant ou, ce qui revient au même, un potentiel de protection trop important peut provoquer le décollement du revêtement et également introduire un risque de fragilisation par hydrogène de la structure en acier. Malgré la double protection, revêtement et PC, comme nous l’avons indiqué dans « l’introduction générale », lorsque les conduites de gaz ou de pétrole se trouvent près d’une installation électrique véhiculant de forts courant alternatifs, comme les lignes à haute tension ou les voies de chemin de fer, la corrosion peut avoir lieu à la surface du métal au regard des défauts de revêtement de la canalisation. Nous présenterons, au cours du ce chapitre, les principes de la protection cathodique. Puis, nous aborderons l’effet du champ électromagnétique. Nous décrivons enfin le phénomène de la corrosion induite par courant alternatif appelée couramment « Corrosion AC ».

Protection cathodique

La corrosion des métaux au contact des milieux électrolytiques aqueux est de nature électrochimique. L’application de la technique de protection cathodique a pour but de diminuer la vitesse de corrosion du métal telle qu’elle devienne négligeable eu égard à sa durabilité nécessaire [3].

Selon la norme EN 12954 : 2001 (et ISO 15589-1 : 2003), le potentiel électrochimique de la structure par rapport au sol, doit être de telle sorte que la vitesse résiduelle de corrosion du métal soit inférieure à 10 µm an-1, soit 1 mm de perte d’épaisseur en un siècle.

Principes de la protection cathodique 

L’application de la méthode de protection cathodique est bien visualisée grâce à l’interprétation des diagrammes de Pourbaix, qui permettent de repérer les conditions de potentiel électrochimique et de pH correspondant à la stabilité thermodynamique des différents états du fer que l’on peut rencontrer en solution aqueuse (Fig.1.1).

La protection cathodique consiste à polariser l’acier au carbone ou le fer dans le domaine de la stabilité thermodynamique du Fe en état métallique (indiqué Fe dans le diagramme cidessus). Cet état est également appelé « Immunité ». Ce diagramme montre que le fer (ou l’acier) doit être polarisé à un potentiel inférieur à -0.78 V par rapport à ECS (Electrode au Calomel Saturé) pour un milieu acide ou neutre.

Méthodes d’application de la protection cathodique 

Deux méthodes différentes de protection cathodique peuvent être réalisées en pratique :
– Protection par anodes sacrificielles : l’acier est polarisé dans le domaine de l’immunité (du fer) par un couplage galvanique avec un métal ou un alliage ayant un potentiel de corrosion suffisamment négatif. Les coques de navire ou les structures off-shore sont souvent protégées avec des anodes sacrificielles constituées d’un alliage de Mg, Zn ou Al.
– Méthode par soutirage de courant (ou courant ou potentiel imposé) : Le système à protéger est couplé avec une alimentation électrique externe continue permettant de polariser le fer ou l’acier dans de domaine de l’immunité. Cette méthode est souvent employée pour la protection de canalisations en acier enterrées [4].

Puisque la conduite de gaz, l’objet du présent mémoire, est rarement protégée par anode sacrificielle, nous illustrons le cas de protection par courant imposé. On utilise une source d’énergie externe (en général le réseau électrique alternatif basse tension) pour alimenter un générateur de courant (doté d’un redresseur et d’une alimentation stabilisée en tension) pour protéger le métal par polarisation cathodique. La structure à protéger est connectée à la borne négative du générateur de courant, la borne positive étant raccordée à une électrode externe enterrée à proximité de la canalisation (« anode » encore appelée « déversoir »).

Effets nuisibles de la protection cathodique 

Il est important de noter que la surprotection cathodique (le potentiel ou le courant de protection excessif) est nuisible car il peut conduire au décollement du revêtement protecteur, à la fragilisation par hydrogène de la conduite en acier ou encore à la dissolution du fer par la formation et la dissolution, en cas de conditions de polarisation extrêmement excessives, de l’hydroxy-anion par son caractère amphotère. Nous allons détailler ces trois phénomènes.

Décollement du revêtement

Pour éviter un décollement cathodique du revêtement, la norme NF EN 14161 : 2004 dicte « qu’il convient que le potentiel de protection au niveau de l’interface métal / milieu ne soit pas plus négatif que -1,15 V/Cu/CuSO4 (une électrode de référence basée sur le potentiel rédox du couple Cu/ Cu2+ utilisée en pratique sur le terrain). Des valeurs plus négatives sont acceptables à condition qu’il soit démontré que l’endommagement dû à la fragilisation par hydrogène ne peut avoir lieu » D’après Shepherd [5], le potentiel cathodique extrême à appliquer serait de -1,5 V/Cu/CuSO4 pour les canalisations recouvertes de polyéthylène. Toutefois il convient de souligner qu’en pratique, en milieu sol, du fait de l’intervention de la réduction de l’eau à potentiel suffisamment électronégatif et du fait des effets de chute ohmique, il est souvent difficile d’atteindre des potentiels interfaciaux aussi bas.

Le phénomène de décollement cathodique peut être scindé en trois étapes pour le revêtement perméable ou ayant des défauts traversants. La première étape correspond au transport des espèces (eau, oxygène) vers la surface de l’acier par la pénétration de vapeur d’eau et d’oxygène dans le revêtement. La deuxième étape est la réduction de l’oxygène dissous et de l’eau au niveau de l’interface métal solution. Or, selon les réactions suivantes la réduction de l’oxygène dissous (Eq 1.1) ou de l’eau (Eq 1.2) rendent le milieu au voisinage de la surface plus alcalin.

O2 + 2 H2O +4 e- → 4 OH- (Eq 1.1)

2 H2O + 2 e- → H2 + 2 OH- (Eq 1.2)

Par ces réactions, le pH du milieu, selon certains auteurs, peut atteindre une valeur proche de 14. En troisième étape, cette alcalisation du milieu provoque la dégradation des liaisons entre le revêtement et le métal. [6-7]

Fragilisation par l’hydrogène 

La présence d’hydrogène dans un réseau métallique peut entraîner une importante détérioration des propriétés mécaniques. Cette fragilisation est due à la dissolution interstitielle, dans le réseau cristallin de l’acier, d’espèces atomiques hydrogène, produites comme composés intermédiaires du processus de réduction électrochimique de la molécule d’eau, consécutivement à la surprotection cathodique. Selon les métaux, différents mécanismes de fragilisation sont connus, mais pour l’acier, c’est essentiellement par interaction avec les dislocations du réseau. Les atomes d’hydrogène entraînent une diminution importante de la capacité de déformation plastique du métal qui devient alors fragile.

Corrosion alcaline des métaux amphotères

Les métaux amphotères comme Al, Zn, Pb, ne doivent pas être polarisés trop négativement afin d’éviter que cela entraine une corrosion par le pH trop alcalin formé à leur surface. Cette précaution peut théoriquement être également à prendre dans le cas du fer et des aciers. Le diagramme de Pourbaix montre en effet, qu’au-delà du pH 14, les ions ferrates HFeO2- deviennent stables, ce qui peut induire la dissolution du fer, du fait que ces espèces ioniques sont solubles et n’engendrent pas la formation de précipités protecteurs.

Normes et critères de protection cathodique 

Plusieurs normes françaises et plus récemment européennes sont proposées afin de combattre la corrosion de pipeline au moyen des dispositifs de protection cathodique.

Normes 

L’application de protection cathodique est réglementée par des normes nationales. La France s’est dotée d’une gamme de normes AFNOR depuis 1990. Par la suite, le CEN (Comité Européen de Normalisation) a lancé une règlementation dans le cadre de norme européenne .

Induction électromagnétique 

La présence d’une ligne de transport d’énergie électrique à haute tension (HT) à proximité d’une canalisation peut être une source dangereuse pour cet ouvrage, aussi bien lors de l’exploitation normale de la ligne HT que lorsque des dysfonctionnements se produisant sur la ligne [9]. Avant d’aborder l’explication sur la corrosion induite par le courant alternatif, il est intéressant de noter quelques notions sur le champ électromagnétique créé par les lignes de haute tension, et comment ce champ électromagnétique induit le phénomène de corrosion par le courant alternatif (Corrosion AC).

Réseau des lignes à haute tension et des chemins de fer 

Le réseau électrique public fournit un courant alternatif d’une fréquence de 50 Hertz (Hz). Dans certains cas, le réseau électrique des chemins de fer (tels que certains TGV européens) est alimenté par un courant alternatif de 16 2/3 Hz (16,7 Hz pour simplifier dans ce manuscrit) .

Dès qu’il s’agit de transporter l’énergie électrique sur des distances supérieures à quelques kilomètres, les principales précautions sont :
– Réduire les chutes de tension en ligne,
– Réduire les pertes énergétiques en ligne,
– Améliorer la stabilité des réseaux.

Les pertes en ligne sont dues à l’effet Joule. La puissance dissipée P dépend de deux paramètres : la résistance R et le courant I où P = R·I² . Donc, l’utilisation des lignes à haute tension, en conduisant à diminuer le courant pour une même puissance électrique délivrée, permet de diminuer les pertes en ligne. L’autre moyen pour diminuer les pertes en ligne consiste à diminuer la résistance. A cet effet, il n’y a que deux facteurs sur lesquels on peut jouer : la résistivité des matériaux des câbles de transport utilisés et la section de ces câbles [10].

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Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1: Etude Bibliographique
1.1 Introduction
1.2 Protection cathodique
1.2.1 Principes de la protection cathodique
1.2.2 Méthodes d’application de la protection cathodique
1.2.3 Effets nuisibles de la protection cathodique
1.2.3.1 Décollement du revêtement
1.2.3.2 Fragilisation par l’hydrogène
1.2.3.3 Corrosion alcaline des métaux amphotères
1.2.4 Normes et critères de protection cathodique
1.2.4.1 Normes
1.2.4.2 Critères de protection
1.3 Induction électromagnétique
1.3.1 Réseau des lignes à haute tension et des chemins de fer
1.3.2 Champ Electromagnétique
1.3.2.1 Champ électrique
1.3.2.2 Champ magnétique
1.3.3 Courants induits
1.3.4 Lois d’induction magnétique
1.3.4.1 Loi d’Ampère
1.3.4.2 Loi de Faraday
1.3.4.3 Loi de Lenz
1.4 Corrosion induite par courant alternatif
1.4.1 Description de corrosion AC
1.4.1.1 Effet du champ magnétique d’une ligne à HT sur un pipeline
1.4.1.2 Potentiel induit par une ligne à HT
1.4.2 Modèle de circuit électrique équivalent
1.4.3 Mécanismes de corrosion AC
1.4.3.1 Corrosion par excursion AC des zones anodique et cathodique
1.4.3.2 Corrosion par alcalinisation
1.4.3.3 Corrosion par l’effet de redressement faradique
1.4.4 Paramètres intervenant dans la corrosion AC
1.4.4.1 Densité du courant alternatif
1.4.4.2 Amplitude du potentiel alternatif UAC
1.4.4.3 Résistance d’électrolyte
1.4.4.4 Protection cathodique PC
1.4.4.5 Composition du sol
1.4.4.6 Fréquence de perturbation AC
1.4.4.7 Nature du métal
1.4.4.8 Temps, Température
1.4.5 Evaluation du risque de corrosion AC
1.4.5.1 Critère (1) : Potentiel AC induit, UAC
1.4.5.2 Critère (2) : Potentiel continu vrai EPC
1.4.5.3 Critère (3) : Densité du courant alternatif IAC
1.4.5.4 Critère (4) : Rapport IAC/IPC
1.4.5.5 Autres critères
1.4.6 Atténuation de Corrosion AC
1.4.6.1 Sur la canalisation
1.4.6.2 Sur la ligne à haute tension
Chapitre 2: Techniques et conditions expérimentales
2.1 Méthodes expérimentales
2.1.1 Méthodes électrochimiques stationnaires
2.1.1.1 Principe général
2.1.1.2 Forme de la courbe courant – potentiel selon la cinétique réactionnelle
2.1.1.2.1 Cinétique d’activation pure (oxydation du fer, réduction de l’eau)
2.1.1.2.2 Cinétique de diffusion pure (transport de matière)
2.1.1.2.3 Cinétique mixte en activation et diffusion
2.1.2 Méthodes électrochimiques transitoires
2.1.2.1 Spectroscopie d’impédance électrochimique
2.1.2.1.2 Expression en nombre complexe de l’impédance
2.1.2.2 Analyse d’harmoniques supérieures
2.1.2.2.1 Définition des grandeurs harmoniques
2.1.3 Acquisition simultanée de U et I
2.1.4 Caractérisations spectroscopique et morphologique
2.1.4.1 Spectroscopie RAMAN
2.1.4.1.1 Principe de la technique
2.1.4.1.2 Description de l’appareillage
2.1.4.2 Microscope électronique à balayage
2.2 Conditions expérimentales
2.2.1 Matériaux utilisés et protocoles de préparation
2.2.1.1 Electrodes
2.2.1.1.1 Electrode de travail
2.2.1.1.2 Contre électrode
2.2.1.1.3 Electrode de référence
2.2.1.2 Solutions électrolytiques
2.2.1.2.1 L’eau d’Evian sans purge d’O2
2.2.1.2.2 Solution T
2.2.1.2.3 0,2 g L-1 NaCl
2.2.1.2.4 Na2SO4 de différentes concentrations
2.2.1.2.5 0.1 M NaOH, et 0.1 M NaOH+ 0.5 NaCl
2.2.1.2.6 Na2SO4+ KCl de différente concentration
2.2.1.2.7 NaNO3 et Ca(NO3)2
2.2.1.3 Cellule de mesure
2.2.1.3.1 Cellule électrochimique classique
2.2.2 Dispositifs expérimentaux
2.2.2.1 Montage pour les mesures stationnaires (courbes de polarisation), les impédances électrochimiques, et les analyses des harmoniques
2.2.2.2 Acquisition simultanée de U et I
Chapitre 3: Modélisation de corrosion AC
3.1 Introduction
3.2 Non-linéarité et harmoniques supérieurs
3.2.1 System linéaire et non-linéaire
3.2.2 Caractérisation des signaux électriques
3.2.2.1 Rappels fondamentaux
3.2.2.1.1 Régime continu (DC)
3.2.2.1.2 Régime périodique
3.2.2.1.3 Régime sinusoïdal
3.2.2.2 Série de Fourier
3.2.2.2.1 Systèmes harmoniques
3.2.3 Application à l’interface électrochimique
3.2.3.1 Définition des grandeurs harmoniques
3.2.3.2 Origine de redressement faradique
3.3 Modélisation de corrosion
3.3.1 En absence de chute ohmique
3.3.1.1 Cinétique en milieu désaéré
3.3.1.1.1 Partie anodique
3.3.1.1.2 Partie cathodique
3.3.1.2 Cinétique en milieu aéré
3.3.2 En présence de chute ohmique au potentiel global
3.3.2.1 Résistance électrolyte RE
3.3.2.2 Equation différentielle générale
3.3.2.3Cinétique en milieu désaéré
3.3.2.4 Cinétique en milieu aéré au régime transitoire
3.3.2.4. Effet de l’amplitude de perturbation AC (UAC)
3.3.2.4.2 Effet de la résistance d’électrolyte RE
3.3.2.4.3 Effet de la protection cathodique
3.3.2.4.4 Effet de la fréquence de perturbation AC
3.3.2.4.5 Effet du courant limite de la diffusion d’oxygène
3.3.2.4.6 Effet des paramètres de Tafel (ba , bc,H2O)
3.3.2.5 Cinétique en milieu aéré au régime DC (état stationnaire)
Conclusion Générale

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