Protection cathodique
- La protection cathodique permet de protéger un métal contre la corrosion. Pour modifier le potentiel du métal à protéger cathodiquement, une anode installée dans le même électrolyte est utilisée. Les anodes peuvent être de deux types : soit des anodes ayant un potentiel standard plus bas que le métal à protéger (anode sacrificielle), soit des anodes couplées à un générateur de tension continue imposant une différence de potentiel entre les deux métaux (méthode à courant imposé).
- La protection cathodique est une technique pour contrôler la corrosion d’une surface métallique en transformant cette surface en la cathode d’une cellule électrochimique. La protection cathodique est utilisée pour protéger les structures métalliques de la corrosion, notamment l’acier, les gazoducs, les oléoducs, les canalisations d’eau, les réservoirs, les piliers métalliques des jetées, les navires, les plateformes pétrolières ou encore les structures en béton armé.
Origines
La première utilisation de la protection cathodique remonte à 1824, lorsque Sir Humphry Davy, de la Royal Navy, fixe des morceaux de fer à l’extérieur au-dessous de la ligne de flottaison sur le revêtement de cuivre de la coque d’un navire. Le fer se corrode plus facilement sous forme de rouille que le cuivre lorsqu’il est en contact avec la coque si bien que la vitesse de corrosion du cuivre s’en trouve considérablement réduite.
La protection cathodique galvanique
Aujourd’hui les anodes réactives ou sacrificielles peuvent avoir différentes formes et sont faites en utilisant des alliages de zinc, de magnésium et d’aluminium. Le potentiel électrochimique de ces anodes est plus bas que ceux des alliages de fer – les alliages de fer étant plus nobles, ils servent de cathodes. De plus, la capacité de courant et le taux de consommation de ces alliages en font de bons candidats.
Les anodes sacrificielles sont conçues et choisies pour avoir un potentiel électrochimique plus négatif que le métal de la structure à protéger. Pour que la protection cathodique soit efficace la surface à protéger est polarisée. La force qui sous-tend la protection cathodique est la différence de potentiel électrochimique entre l’anode et la cathode.
Pour déterminer le type et la quantité d'anodes nécessaires pour la protection d'une structure donnée, les facteurs principaux qui interviennent sont la dimension de la surface exposée à l'agent corrosif (eau de mer, par exemple), la nature de cette surface (matériau, revêtement, rugosité...) et la durée de vie de la structure ou l'intervalle de renouvellement des anodes. La nature de l'agent corrosif (la température et la salinité de l'eau de mer, par exemple) a aussi une influence à prendre en compte dans les calculs. Il faut noter qu'un excès de protection cathodique mène à la production d'hydrogène sur le métal à protéger, ce dernier peut alors se fragiliser par fragilisation par l'hydrogène (voir le phénomène de corrosion sous contrainte). Les anodes sacrificielles sont naturellement auto-régulées et répondent à la demande de corrosion du métal à protéger, les courants suivent alors les cycles thermiques quotidiens et saisonniers, ainsi que l'hygrométrie ambiante (pluies, marées).
Les structures peuvent être de différentes natures, acier, béton armé ou mixte. Selon sa forme et la quantité de métal à protéger une structure pourra être polarisée plus ou moins rapidement. Dans le cas du béton armé les anodes sacrificielles sont disposées régulièrement entre les armatures en acier. Les caractéristiques des anodes sont généralement données en charge capacitive (kC: symbole du kilocoulomb) et dimensions (longueur et diamètre). Les réactions de polarisation qui sont relativement lentes peuvent être accélérées par une charge temporaire de quelques jours sous courant imposé, favorisant à la cathode la réduction du milieu oxydé et la création de sites d'oxydation sur la surface des anodes, il s'agit alors de système dit hybride privilégiant la durabilité et la longévité de l'anode en mode galvanique.
Les milieux tendant à s'équilibrer, les courants se stabilisent après quelques mois, le contrôle des potentiels devient alors le moyen le plus facile de contrôler l'activité du système de protection. Les alliages à base de Zinc ont tendance à s'auto-passiver, l'apport d'enrobage alcalin maintenant l'activité de l'anode dans la structure en béton armé est indispensable lors de la mise en place des anodes dans la structure en béton.
La protection cathodique à courant imposé
Pour des installations plus grandes ou mal isolées mécaniquement par un revêtement de mauvaise qualité, les anodes sacrificielles peuvent ne pas délivrer suffisamment de courant pour une protection optimale. Dans les systèmes à courant imposé des anodes sont alors connectées à un générateur de courant continu permanent ou cyclique (le redresseur de courant fonctionne suivant des séquences de temps prédéfinies). Ces anodes sont en forme de tube (pour permettre le dégazage d'oxygène) ou de tige compacte de différents matériaux dédiés tels que l'acier, de la fonte, du graphite, des oxydes métalliques, des fils revêtus de platine et de niobium…
Tester l'installation
Le potentiel électrochimique est mesuré avec des électrodes de référence (dont le potentiel ne varie pas). Des electrodes cuivre – sulfate de cuivre(Cu/CuSO4) sont utilisées pour des structures en contact avec le sol ou de l’eau douce. Des électrodes de chlorure d’argent (Ag/AgCl) sont utilisées pour les applications en eau de mer car celle-ci pollue les électrodes à base de cuivre. Lors de réparation de béton armé affecté par la corrosion l'emploi d'électrodes de références manganèse/manganèse oxyde permet d'avoir une stabilité de la mesure dans le temps sans dérive majeure. Les électrodes au chlorure d'argent libèrent des ions chlorures dans la structure, perturbant ainsi la mesure vraie.
Acier galvanisé
Les voitures d’aujourd’hui sont faites avec des pièces d’acier galvanisé (recouvertes de zinc). L’acier non protégé forme une couche d’oxyde de fer qui est perméable à l’air et à l’eau si bien que la corrosion se poursuit à l’intérieur. En revanche, l’oxyde de zinc produit à la surface de la couche de zinc est imperméable. Tant que le zinc et l’oxyde de zinc sont intacts (c'est-à-dire tant qu’ils ne sont pas effrités ou rayés) l’acier qu’il y a dessous ne se corrodera pas.
L’acier galvanisé a des propriétés auto-réparatrices, en effet des petites éraflures qui exposeraient l’acier vont se recouvrir de zinc. Ceci se produit parce que le zinc présent autour de l’éraflure va se dissoudre et se déposer sur l’acier en remplaçant celui qui a disparu lors de l’éraflure.
