Mehdi Sahouane La Protection cathodique des canalisations enterrées
Un livre a toujours deux auteurs : celui qui l écrit et celui qui le lit. Jacques Salomé Un livre, c est un navire dont il faut libérer les amarres. Un livre, c est un trésor qu il faut extirper d un coffre verrouillé. Un livre, c est une baguette magique dont tu es le maître si tu en saisis les mots. Michel Bouthot Ceux qui visent le parfait s améliorent, ceux qui se plaisent dans la médiocrité y restent. L auteur 3
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Avant-propos La protection cathodique est devenue la principale solution complémentaire pour protéger les structures métalliques enterrées ou immergées contre la corrosion externe. Parfois les coques métalliques des bateaux ainsi que l acier dans le béton, cas de certaines constructions et ponts, fait aussi l objet de ce type de protection. En effet, beaucoup d intervenants utilisent cette technique en vue d assurer l intégrité de leur patrimoine ou celui de tiers, notamment les canalisations en acier enterrées, destinées au transport de différents produits tels que l eau, le gaz, le pétrole, etc. Pour celle ou celui qui veut s initier, élargir ou approfondir ses connaissances dans le domaine de la protection cathodique, en particulier pour le cas des canalisations enterrées, ce livre est tout désigné. Ecrit dans un langage clair et facile, les chapitres sont illustrés de figures et parfois accompagnés d exemples pour une meilleure compréhension. Le livre aborde des aspects théoriques et pratiques. Le volet théorique est traité à travers des définitions et des principes, sans que ça soit des cours académiques approfondies. Le volet pratique porte sur plusieurs techniques de mesure et d investigation utilisées par la profession. Les lecteurs trouveront différents éléments balisés par l ouvrage, pour les inciter à se documenter et mettre en pratique selon les besoins. Le livre comprend sept (07) chapitres. Au chapitre 1, quelques termes et définitions sont cités avec ajout de commentaires jugés utiles par rapport au thème traité. Généralement, ce type de chapitre est mis en fin de livre sous la dénomination «Glossaire», néanmoins l importance d adopter un même langage et niveau de compréhension dès le début nous a amené à avancer ce thème. Au chapitre, des principes relatifs à la chimie, l électrochimie et la protection cathodique sont décrits. 5
Au chapitre 3, les différents types de corrosion pouvant impacter les canalisations métalliques enterrées sont exposés. Au chapitre 4, nous nous intéresserons à la protection cathodique. Un bref passage historique puis les deux (0) types de protection cathodique sont expliqués avant de citer les principaux critères de protection et surprotection utilisés. Des indicateurs de performance sont également décrits. Nous exposons au chapitre 5, certaines techniques de mesure et d investigation, utilisées par le personnel chargé de la protection cathodique, en vue d évaluer l état de protection des structures contrôlées, d évaluer l état d un revêtement et d identifier l emplacement d éventuels défauts d isolation sur les canalisations. Au chapitre 6, il est question de décrire les principaux moyens de protection contre une contrainte des plus difficiles qu on peut rencontrer dans la pratique, à savoir les influences du courant continu. Le chapitre 7, traite et ce pour la première fois à notre connaissance dans un ouvrage dédié à la protection cathodique, le volet santé, sécurité et environnement (HSE) lié à cette fonction. Chacun de nous, doit œuvrer pour l élimination ou la réduction des risques HSE afférents aux spécificités de son métier, au-delà du travail de qualité que nous devons produire. 6
Remerciements Louange à ALLAH, Seigneur de l univers. Je remercie l ensemble des personnes qui ont contribué à l élaboration du présent ouvrage. J ai profité de beaucoup de commentaires et d informations pertinents. Mes remerciements vont également aux lectrices et lecteurs, que j invite à bien vouloir me communiquer leurs commentaires et suggestions pour améliorer ce modeste travail. Mehdi SAHOUANE m_sahouane@yahoo.fr 7
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I Termes et définitions Il est arrivé qu une discussion autour d un thème quelconque commence par une mésentente et se termine par une entente du genre «je ne suis pas d accord avec toi, Non, ce n est pas comme ça, A mon avis, ça serait plutôt, Ah! Si c est ce que tu veux dire, alors on est d accord, Je n ai pas compris la chose de cette façon, mais maintenant que tu veux dire etc.». La subjectivité est généralement renforcée lorsque la compréhension diffère entre les personnes, pour cela l adoption d un même référentiel portant définition de termes permet d aligner plus ou moins le niveau de compréhension et par conséquent favorise l objectivité dans le traitement de divers sujets. Dans le cas d un domaine technique comme celui de la protection cathodique (PC), quel est le référentiel de définitions à adopter? On commencera par s intéresser à la pomme, malgré que la relation entre la protection cathodique et ce fruit ne soit pas, a priori claire. A-t-on un jour essayé de comparer les définitions de mots ou verbes sur différents dictionnaires? Est-ce les mêmes définitions ou sont-elles différentes? Ci-après le résultat concernant la pomme : Dictionnaire A : Fruit du pommier Dictionnaire B : Fruit comestible du pommier Dictionnaire C : Fruit comestible du pommier que l on consomme frais ou en compotes, gelées, beignet, et dont le jus fermenté fournit le cidre. On constate que la définition d un terme n est pas identique dans les dictionnaires, bien que ces derniers constituent un référentiel linguistique. Pour mieux cerner le domaine technique, il est donc préférable de se référer aux normes, notamment celles qui traitent le vocabulaire. Les définitions des termes ci-dessous sont issues de la norme européenne NF EN 1954 [1]. 9
Il est aussi jugé utile de signaler l existence de norme qui traite uniquement du volet vocabulaire relatif à la corrosion telle que la norme internationale NF EN ISO 8044 []. Electrolyte : «Liquide ou partie liquide d un milieu comme la terre d un sol, dans lequel le courant électrique se déplace par mouvement d ions». Il y a deux (0) types de conduction électrique, l électronique et la ionique. La conduction électronique fait appel au mouvement d électrons. Ce passage se fait par le biais de conducteurs métalliques. Alors que la conduction ionique met en jeu le dépassement d ions métalliques à travers des électrolytes. Il y a donc lieu de retenir que l électrolyte est un milieu conducteur d électricité telle que la terre, la mer ou la rivière. Néanmoins cette conductivité est faible par rapport à celle des métaux. Résistivité de l électrolyte : «Résistance électrique spécifique de l électrolyte, en considérant que cet électrolyte est homogène». Cette grandeur est généralement exprimée en Ohm.mètre (Ω.m) ou Ohm.centimètre (Ω.cm). Que traduit la résistivité? Quelles est la différence entre résistance électrique et résistivité? On peut globalement considérer que la résistance est une grandeur électrique qui traduit l aptitude d un corps à s opposer au passage d un courant électrique, alors que la résistivité traduit l aptitude d une substance conductrice à s opposer au passage dudit courant. On retient donc que la résistivité est liée à la nature de la matière (fer, cuivre, sable, argile, ), alors que la résistance porte sur la forme (dimensions) de cette matière (résistances en cuivre 1Ω, 10Ω, ). A titre d exemple, le tableau ci-dessous présente des valeurs moyennes de résistivité de certains conducteurs d électricité : Matière Résistivité (Ω.m) Matière Résistivité (Ω.m) Aluminium.69 10-8 Terrains marécageux de quelques unités à 30 Carbone 3.50 10-5 Limon 0 à 100 Cuivre 1.7 10-8 Humus 10 à 50 Fer 9.80 10-8 Sable argileux 50 à 500 10
Acier 18 10-8 Sable siliceux 00 à 3000 Plomb. 10-7 Sol pierreux nu 1500 à 3000 Magnésium 4.46 10-8 Sol pierreux recouvert de gazon 300 à 500 Zinc 5.75 10-8 Calcaires tendres 100 à 300 Glace 5.75 10 6 Calcaires fissurés 500 à 1000 Caoutchouc 7.0 10 14 Micaschistes 800 Eau de robinet 30 Granits et grés en altération 1500 à 10 000 Eau de mer 0.3 Granits et grés très altérés 100 à 600 Il est facilement constatable que la résistivité est très variable selon la nature des sols, car elle dépend du taux d humidité et de la température. Plus la résistivité de l électrolyte est faible plus le milieu est conducteur d électricité. Structure enterrée : «Tout ouvrage métallique construit ou enfoui dans le sol ainsi que tout ouvrage posé à même la surface du sol et recouvert ensuite de terre». Structure immergée : «Tout ouvrage métallique, ou partie d ouvrage métallique qui est mis dans un environnement liquide tel que l eau douce (rivières, lacs), l eau saumâtre (estuaires) ou l eau de mer». Il y a lieu de signaler l importance du mot métallique puisque la protection cathodique est utilisée pour la protection d éléments conducteurs d électricité. Ces structures métalliques peuvent être soit enterrées, immergées ou enrobées avec un électrolyte approprié tel que le béton, cas des immeubles ou ponts métalliques qui font parfois l objet de ce type de protection. Le domaine d intérêt étudié, dans le présent livre, vise principalement la protection des structures enterrées (canalisations et ouvrages congestionnés) constituées d acier, qui est un alliage de fer et de carbone. Anode galvanique : «Anode qui, par action galvanique, fournit un courant pour la protection cathodique». L anode est une électrode (corps conducteur d électricité). D autres dénominations sont utilisées pour ce type d anode tel que «anode sacrificielle» ou «anode réactive». 11
Anode à courant imposé : «Electrode qui fournit du courant pour la protection cathodique au moyen d une source de courant imposé». Il y a lieu de noter la différence entre une anode galvanique et une anode à courant imposé. Concernant cette dernière, la génération du courant électrique nécessite une source externe. Pour une pile, la polarité de l anode est négative et celle de la cathode est positive. Dans le cas où l on impose un sens au courant, la polarité est inverse, c est-à-dire l anode constitue le pôle positif et la cathode le pôle négatif (cellule d électrolyse). L anode est l électrode par laquelle le courant électrique sort vers un électrolyte. La cathode, par contre, est une électrode par laquelle le courant entre à partir de l électrolyte. Backfill pour anode : «Matériau de faible résistivité, qui peut retenir l humidité et qui entoure directement une anode enterrée afin de réduire sa résistance par rapport à l électrolyte». D autres dénominations sont utilisées pour le backfill tel que «anolyte» ou «régulateur de corrosion». La faible résistance du backfill permet de favoriser la génération du courant électrique. Le backfill enveloppe les anodes enterrées pour réduire leurs résistances en augmentant la surface de contact de l anode. Aussi, le backfill assure une consommation plus ou moins uniforme de l anode (consommation homogène). Le backfill utilisé pour les anodes galvaniques est principalement constitué à base de gypse et d argile (bentonite). Une mixture de 75 % de gypse, 0 % de bentonite et 5 % de sulfate de sodium est généralement utilisée pour les anodes à base de magnésium. Un mélange de 50 % de gypse et 50 % de bentonite peut aussi être exploité pour les anodes galvaniques à base de zinc. Pour les anodes à courant imposé, un backfill à base de carbone est généralement utilisé. Il peut être à base de coke de charbon, coke de pétrole pillé ou de poudre de graphite (naturelle ou fabriquée). Il peut aussi être mélangé avec de la chaux. Les anodes galvaniques ne doivent pas être munies d un backfill contenant du carbone. Potentiel structure/électrolyte (ou potentiel d électrode de la structure) : «Différence de potentiel entre une structure et une électrode de référence de type déterminé en contact avec l électrolyte, positionnée le plus près possible de la 1