4 conception protection cathodique

Cours de protection
cathodique
4. Conception
Marcel ROCHE

Cours protection cathodique M.Roche 2
Généralités et critères de choix
Anode galvanique Système à courant imposé
Installation simple complexe
Source d’énergie non nécessaire indispensable
Distribution du courant sur la
structure
Homogène compte tenu du champ
d'action d'une anode
souvent hétérogène
Dimension de la struc ture à protéger importante surcharge en poids pour
des structures de grandes dimensions,
inadapté pour des grandes longueurs
Grandes dimensions, grandes
longueurs
Influence de la résistivité du milieu non envisageable si résistivité trop
grande
aucune dif ficulté
Débit par anodes faible élevé
Nombre d’anodes important faible
Flexibilité dans les conditions de
fonctionnement en particulier
variation de la demande en courant
aucune grande
Risque de surprotection quasi nul sauf dans le cas d’anodes de
magn ésium
possible
Interférences avec d’autres
structures
faible Influence forte possible
Risques humains non possible
Surveillance / maintenance faible surveillance régulière et
nécessitant des techniciens
spécialisés

Systèmes énergisés par courant imposé
Transformateur -
Redresseur
alimentation en 220V
Câbles
de
cuivre
16 mm²
D > 50
m
Le backfill diminue la
résistivité du milieu
autour de l’anode
Déversoir composé de
- vieux rails
- ferro silicium
- graphite
- magnétite
- titane + métaux précieux

Protection par anodes galvaniques
Point
de
mesure
Câbles
de
cuivre
16 mm²
Anode en magnésium
ou en zinc
Le backfill diminue la
résistivité du milieu
autour de l’anode
5 mA < I < 20 mA
sol < 50 Ohm.m
distance anode/canalisation >
3 m

Dimensionnement de la protection cathodique
• La conception du système de protection
cathodique définissant le nombre, la
masse, les dimensions et la répartition
des anodes doit être faite pour assurer le
respect du critère de potentiel retenu en
tout point pendant la duré de vie de calcul
• La conception est faite de façon générale
à l'aide d'une méthode simplifiée
facilement mise en œuvre

Le courant de protection à fournir peut se déterminer :
- par un essai sur site
- en adoptant les valeurs de densités de courant suivantes
Protection par soutirage : Canalisation acier revêtue PE ou Epoxy :
0,1 mA/m²
Canalisation acier à revêtement bitumineux : 0,4
mA/m²
Protection par anodes sacrificielles: Canalisation acier revêtue PE ou Epoxy :
0,05 mA/m²
Canalisation acier à revêtement bitumineux : 0,1
mA/m²
La différence de densité suivant la nature des sources s’explique par la
meilleure répartition des courants avec les anodes sacrificielles.
- par logiciel de calcul ( PROCOR)

La durée de vie souhaitée du système est à calculer
(vérifier si elle convient aux objectifs fixés) :
Déversoir de soutirage
Sa durée de vie est calculée sur la base des données de
consommation du matériau et en prenant un coefficient de sécurité (
généralement égal à 2), pour une durée de 15 à 20 ans
Anodes sacrificielles
Elle est calculée sur la base de l’intensité fournie par l’anode, combiné
avec le rendement électrochimique.
Connaissant la masse d’une anode, on en déduit le nombre minimum
d’anodes.

La géométrie de l’ensemble masse anodique – backfill est
à définir :
La résistance de la masse anodique va dépendre :
- de sa forme
- du nombre et de l’espacement de ses différents éléments
- de la résistivité du milieu
Son calcul est toujours plus ou moins empirique. Il se base sur des formules
de calcul de résistance de prise de terre pour des masses anodiques de
géométrie et de position donnée
•Application de formules de calcul (exemple : formule de DWIGHT)
Pour un rondin posé horizontalement
Pour n rondins
...)
²16
²
2
2
4
ln
4
(ln
..4
+−+−+=
L
h
L
h
h
L
a
L
L
Rt
π
ρ
n
Rt
KRo .=
K : facteur de couplage
n : nombre de rails

• Exemple de la conception en offshore :
- estimation du "besoin en courant initial" I0 de
chacune des surfaces S à protéger à partir de la
densité de courant de protection initiale j0 et
éventuellement du coefficient de dégradation initial
du revêtement x0 :
I0 = j0.S.x0
- idem pour les conditions de "maintien" de la
protection après obtention du niveau de polarisation
d'équilibre (effet du dépôt calco-magnésien) :
Im = jm.S.xm

Mise en œuvre des systèmes de protection
• Courant imposé :
- type et caractéristiques (I, V) de la source de courant
- type des anodes (Ti ou Nb platiné)
- dimensions, nombre et répartition des anodes
- dimensions des câbles électriques
• Anodes sacrificielles :
- type d’alliage sacrificiel
- dimensions, nombre et répartition des anodes
• Installation
• Monitoring
• Contrôles périodiques

Choix des alliages sacrificiels
• Magnésium
- potentiel très négatif (polarisation rapide, forte portée)
- faible durée de vie (protection temporaire)
- le plus coûteux
• Zinc
- fiable en toutes conditions jusqu’à 60°C (très sûr en
enterré, en faible débit initial, sur structures revêtues)
- peu fiable à température élevée
• Aluminium
- le moins coûteux
- léger
- actif à chaud (mais faible rendement)

Protection par anodes galvaniques
Caractéristiques d’anodes galvaniques typiques à
température ambiante
Nature de
l'alliage
Energie
massique
pratique
Ah/kg
Potentiel
mV vs
Ag/AgCl/eau
de mer
Taux de
consommation
kg/A.an
Al-In 2660 -1100 3,3
Zn 760 à 780 -950 à -1030 11,2 à -11,5
Mg 1230 -1500 7,1

Coût comparatif des anodes (fourniture)
Matériau Al Zn Mg
Coût (€/kg) 3 2,3 7,6
Consommation
(Kg /A.an)
3,5 11,2 7,7
Coût de revient
(€/A.an)
10,5 25,8 58,5
Ratio coûts 1 2,5 5,6

• calcul de la masse totale d'anodes Mt à installer
à partir du courant de "maintien", de la durée
de vie de calcul D, de la consommation
massique pratique du matériau des anodes m
et du facteur d'utilisation de celles-ci : u : Mt =
D. Im . m /u
• calcul du nombre n, de la masse unitaire M (Mt
= nM) et des dimensions des anodes (à partir
des conditions initiales, généralement
déterminantes), par l'intermédiaire de la notion
de "résistance d'anode" et de la loi d'Ohm

• Ce type de calcul considère que la résistance de
l'électrolyte entre une anode et la structure
protégée dépend uniquement des dimensions de
l'anode, la cathode étant considérée à l'infini et la
densité de courant anodique étant prédominante.
• Des formules semi-empiriques, comprenant la
résistivité ρ du milieu, sont utilisées pour calculer
la "résistance d'anode"; Pour les anodes
longiformes (longueur L, rayon équivalent r)
utilisées sur structures tubulaires, on utilise une
des formules de Dwight :
R = ρ /2πL [ln(4L/r)-1]

• On doit vérifier que le potentiel Ec de l'ouvrage est
toujours plus négatif que le seuil de protection
accepté, ceci notamment pour les conditions
initiales :
Ec = Ea + Ri
avec i = Im /n et Ea potentiel "en charge" de l'anode.
• L'optimisation de cette conception est un souci
permanent pour réduire les coûts sans prendre de
risque au niveau de la maintenance en service
• Elle est essentiellement basée sur le retour
d'expérience et la mise à profit des échecs

• Il s'est avéré néanmoins utile de chercher à
mieux se rapprocher de la réalité pour les cas
les plus complexes en se basant sur l'équation
de Laplace qui régit le champ électrique dans
l'électrolyte :
∇ϕ(x) = ∑[∂2ϕ / ∂x2] (x) = 0
• Des logiciels de modélisation tridimensionnelle
basés sur les éléments finis ou les équations
intégrales de surface se sont développés au
début des années 80 sur ce principe

• PROCOR a été développé par le CETIM à partir de
son logiciel de thermique CASTOR-TH3D, en
collaboration avec IFREMER, Elf Aquitaine, DGA
• Utilisation des équations intégrales de surface
avec algorithme reconnu efficace
• Modélisation surfacique ou tubulaire, prise en
compte éventuelle de la chute ohmique dans
ouvrages longilignes, électrolyte hétérogène
• Introduction de tout type de courbe de
polarisation

• Entrée des données géométriques par pré-
processeur graphique (CASTOR PRE3d)
• Sorties de calcul par cartographie en couleurs
des potentiels et des densités de courant
• Prise en compte possible de l'évolution de la
courbe de polarisation en fonction du temps par
application de la méthode de Nisancioglu
(SINTEF)
- Algorithme utilisant paramètres électro-chimiques
(réduction de l'eau, de 02 dissous, d'oxydation du fer)
et de formation du dépôt calco-magnésien

Temps (jours)
Nœud à -56 m
-900
-850
-800
-750
-700
-650
-600
-550
-500
0 50 100 150 200 250
Potentiel(mV/AgAgCl/eaudemer)
Site
Vit 0,17
Site 210j

4 conception protection cathodique

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Semelhante a 4 conception protection cathodique

Semelhante a 4 conception protection cathodique (20)

4 conception protection cathodique