CORROSION ET PROTECTION CATHODIQUE

CORROSION ET PROTECTION CATHODIQUE

6.1

Rédacteur : Monsieur MAREC Révision : 2 de 1996 TRAN 96.2

Ce document n’est diffusable qu’en accompagnement d’une action de formation

ECOLE D'APPLICATION DES TECHNIQUES GAZIERES PROTECTION CONTRE LA CORROSION

PARTIE 1 Notions concernant la corrosion métallique en milieu humide et 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 DEVELOPPES SUR UNE ELECTRODE METALLIQUE EN CONTACT AVEC UN ELECTROLYTE .................................................................................... 8

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3

EQUILIBRE DUN METAL DANS UNE SOLUTION .............................................. 8 Couche double à l'interface métal-solution. ................................................................. 8 Potentiel du métal dans la solution............................................................................... 8 Electrode de référence ................................................................................................ 10

2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3

PROCESSUS DE LA CORROSION......................................................................... 12 Destruction de l'équilibre par réaction du milieu ....................................................... 12 Destruction de l'équilibre par couplage d'électrodes métalliques............................... 12 Remarques .................................................................................................................. 15

2.3

PROCESSUS SECONDAIRES AUX ELECTRODES DIAGRAMMES PH - TENSION............................................................................... 17 Influence des réactions secondaires............................................................................ 17 Etablissement des diagrammes de Pourbaix (pH - tension). ...................................... 17

2.3.1 2.3.2 3

APPLICATION DE LA THEORIE DE LA CORROSION AUX METAUX PLONGES 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

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3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6

FACTEURS AGISSANT SUR LA CORROSION DES OUVRAGES METALLIQUES ENTERRES ................................................... 22 Le sol comme électrolyte ........................................................................................... 22 Piles dues à l'électrolyte ............................................................................................. 23 Piles dues à l'association de métaux différents (couplage galvanique) ...................... 25 Corrosion bactérienne................................................................................................. 25 Corrosion par les courants vagabonds........................................................................ 25 Taux de corrosion de l'acier dans les sols, agressivité absolue et agressivité relative................................................................... 27

4

PROTECTION CATHODIQUE ............................................................................ 28

4.1 4.1.1 4.1.2

PRINCIPE DE LA PROTECTION CATHODIQUE ................................................ 28 Protection cathodique par courant imposé ................................................................. 28 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 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4

LA PROTECTION PASSIVE.................................................................................... 32 Réalisation de l'isolement du métal par rapport au milieu ......................................... 32 Réalisation de l'isolement des différents métaux constitutifs d'un réseau.................. 33 Délimitation de l'ouvrage à protéger cathodiquement................................................ 33 Isolation du réseau des autres structures étrangères enterrées.................................... 35

5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3

PROTECTION CATHODIQUE................................................................................ 35 Protection par anodes sacrificielles ............................................................................ 35 Protection cathodique par courant imposé ................................................................. 39 Protection cathodique en présence de courants vagabonds........................................ 47

6

ETUDE DES INSTALLATIONS DE PROTECTION CATHODIQUE ............ 53

6.1

ETUDE MATHEMATIQUE ..................................................................................... 53

6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3

CONSIDERATIONS PRATIQUES .......................................................................... 57 Valeur d'isolement...................................................................................................... 57 Résistance de terre d'une conduite.............................................................................. 58 Représentation graphique du potentiel d'une conduite............................................... 59

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7

CONTROLE DE L'EFFICACITE DE LA PROTECTION CONTRE LA CORROSION................................................................................... 61

7.1

MESURE DES POTENTIELS .................................................................................. 61

7.2

MESURE DES COURANTS..................................................................................... 63

7.3 7.3.1 7.3.2. 7.3.3

VERIFICATION DE LA PROTECTION PASSIVE ................................................ 64 Détermination de la valeur globale d'isolement ......................................................... 64 Valeur d'isolement de tronçons .................................................................................. 65 Méthodes mathématiques ........................................................................................... 65

7.4 7.4.1 7.4.2

VERIFICATION DE L'ISOLEMENT DE LA CONDUITE PAR RAPPORT A D'AUTRES OUVRAGES .......................................................... 66 Cas général ................................................................................................................. 66 Fourreaux et tubages métalliques ............................................................................... 66

8

INFLUENCES ELECTRIQUES ............................................................................ 71

8.1

INFLUENCES DUES A LA PROTECTION CATHODIQUE................................. 71

8.2

8.2.2 8.2.3

INFLUENCES DUES AUX LIGNES AERIENNES DE TRANSPORT D'ENERGIE LORS DE DEFAUTS D'ORIGINE ELECTRIQUE ..................... 74 Risque dû à l'induction de forces électromotrices dans la conduite lorsque celle-ci est approximativement parallèle à la ligne d'énergie ........................ 75 Risque dû à la conduction de courant par le pied de pylône ...................................... 75 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 PUITS DE STOCKAGES SOUTERRAINS.......................................................................... 80

9.4

STATION DE FILTRATION D'EAU DE MER - THERMINAL METHANIER DE MONTOIR DE BRETAGNE .............................................................................. 83

9.5

PROTECTION CATHODIQUE DE CONDUITES DE FONTE.............................. 85

8.2.1

BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................... 87

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PREAMBULE

La corrosion est le processus qui conduit les éléments naturels à défaire ce que l'homme a élaboré par son travail et à grands frais d'énergie, à partir des matériaux que la terre lui offre. La corrosion métallique ramène, ainsi, métaux et alliages à leur état naturel d'oxydes ou de minerais. La corrosion engendre, aussi bien pour les particuliers que pour les sociétés industrielles et les états, des coûts de renouvellement très importants, des conséquences techniques fâcheuses, et des risques pour l'homme lui-même. La corrosion sévit dans tous les domaines d'activité, mais c'est peut-être dans les industries gazière et pétrolière qu'elle montre le plus son caractère pernicieux : généralement enterrés, inaccessibles à l'examen, assurant leur fonction de production, de transport et de distribution, se faisant même oublier, les ouvrages gaziers baignent dans un milieu particulièrement agressif du fait de son hétérogénéité et du grand nombre d'impuretés qu'il contient. Ce milieu très varié ne se prête pas facilement à la modélisation 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 la corrosion et les ingénieurs au perfectionnement des techniques destinées à prémunir les ouvrages des effets de cette dégradation. Le réseau du GAZ DE FRANCE est constitué, en 1989, d'environ 137 000 kilomètres de 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 les phénomènes de corrosion, et de définir les moyens les mieux adaptés à la protection de ses ouvrages métalliques enterrés. Aujourd'hui c'est le Centre Technique Opérationnel (C.T.O.) de la Direction Production Transport à COMPIEGNE, qui est chargé, pour le G.D.F., de l'étude des systèmes et dispositifs de protection à mettre en place sur les ouvrages, et de l'établissement de spécifications et modes opératoires concernant la surveillance et la maintenance de ces systèmes.

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PARTIE 1 Notions concernant la corrosion métallique en milieu humide et principe de la protection cathodique des métaux 1

RAPPELS - METAUX ET ELECTROLYTES La corrosion est le résultat de la présence simultanée de deux acteurs, le métal et le milieu corrosif. L'environnement est un milieu corrosif, à partir du moment où il contient de l'eau ; ce milieu, c'est, bien entendu, l'eau elle-même, milieu complexe contenant quantité d'espèces chimiques dissoutes ou en suspension, mais aussi les sols qui contiennent tous plus ou moins d'humidité, et encore les gaz amenant des condensations d'eau. Cet environnement c'est aussi la plupart des milieux industriels liquides. La corrosion humide est le résultat d'une réaction électrochimique, (une réaction est un échange - gain ou perte - de particules) dont les particules proviennent d'une électrode métallique et d'un électrolyte qui réagissent au contact l'un de l'autre. Ces réactions, à l'interface d'une phase métallique et d'une phase aqueuse, mettent en jeu à la fois les électrons du métal et certains éléments chimiques, neutres ou ionisés, contenus dans la solution.

1.1

L'ELECTRODE METALLIQUE Un métal M est constitué par un édifice cristallin d'ions positifs Mn+ dans lequel circulent des électrons libres. On sait que ce nuage électronique est responsable de la conductibilité des métaux. La mise en mouvement de ces électrons sous l'effet d'un champ électrique crée une circulation de courant dans le métal. La particularité d'un conducteur métallique est de laisser passer le courant électrique sans subir de modification chimique.

1.2

L'ELECTROLYTE Un électrolyte est un système qui renferme des particules ionisées. Ces particules peuvent 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 plusieurs électrons. C'est le cas des atomes métalliques. H+, Na+, K+ +2

+2

: sont des cations univalents. +2

Ca , Mg , Cu (ion ferreux)

: sont des cations divalents.

A1+3, Fe+3 (ion ferrique)

: sont des cations trivalents.

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Les ions négatifs ou anions proviennent d'atomes qui ont gagné un ou plusieurs électrons. 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 sont dissoutes, 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 la molécule d'eau a la propriété, par action électrostatique, de se combiner avec des particules 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, au déplacement 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 conductibilité électrique de l'électrolyte. La particularité du conducteur électrolytique est d'être décomposé par le passage du courant électrique. Les électrodes qui apportent le courant dans l'électrolyte sont le siège de réactions d'oxydoréduction ou phénomènes d'électrolyse. En résumé, la distinction entre métal et électrolyte, en ce qui concerne la conduction du courant, 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 conduction ionique. L'application d'une tension minimale d'électrolyse est nécessaire ici pour assurer la circulation d'un courant dans l'électrolyte. Il y a existence d'une force contre-électromotrice, dépendant de l'électrolyte mais aussi des 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

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2

PROCESSUS ELECTROCHIMIQUES DEVELOPPES SUR UNE ELECTRODE METALLIQUE EN CONTACT AVEC UN ELECTROLYTE

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 chargé négativement par ses électrons (voir figure n° 1). Ce passage s'effectue jusqu'à ce que la charge des électrons s'oppose à celles des ions positifs. Il s'établit alors un équilibre réversible entre le métal, ses ions et ses électrons. Les réactions 1 et 2 ont lieu simultanément. 1 → M M++ +2e← 2 Ce phénomène se traduit par la création à l'interface métal/solution d'une double couche électrochimique 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 une valeur déterminée pour un métal donné et permet le classement des métaux suivant leur aptitude à s'ioniser. L'échelle de Nernst permet ainsi le classement des métaux du point de vue de leur noblesse. Un métal noble s'ionise peu, parce qu'il existe des forces de cohésion importantes entre les atomes. Plus son potentiel est élevé, plus le métal considéré est noble, à l'inverse d'un métal classé vil, de potentiel plus faible. L'or, le platine, dont les potentiels normaux d'oxydoréduction sont les plus élevés, sont très 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 plus vils.

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Equilibre de deux métaux différents dans une solution

Equilibre d'un métal dans une solution

Mesure du potentiel d'un métal dans une solution avec une électrode de référence

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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'électrode métallique à étudier, plongée dans l'électrolyte, et d'une électrode de référence également au contact de l'électrolyte. L'électrode de référence est constituée elle aussi par une demi-pile soumise à un processus réversible d'oxydoréduction c'est à dire métal/solution normale d'un sel du métal. Elle possède son propre potentiel normal. L'électrode standard à hydrogène a été choisie arbitrairement comme zéro de l'échelle des 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 on connaît les potentiels respectifs (voir tableau n° 2 et figure n° 2).

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POTENTIELS RESPECTIFS DES DIFFERENTES ELECTRODES Zinc en eau de mer

Hydrogène

Calomel saturé

Chlorure d'argent

Electrode Cu/Cu SO4

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2.2

PROCESSUS DE LA CORROSION Nous avons vu qu'une électrode métallique plongée dans un électrolyte était le siège d'un équilibre :

Si par un moyen quelconque, on absorbe les électrons participant au maintien de la couche double, on conçoit que l'équilibre des charges étant détruit, les ions métalliques M++ 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 de l'électrode métallique les électrons du métal (ce qui est le cas des oxydants de la solution) 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 contenu dans 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 processus conduit à une corrosion de type généralisé. Avec le temps, l'électrode voit sa masse et son 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. Ces deux électrodes ont établi chacune leur couche double électrochimique et présentent des potentiels El et E2 dans la solution.

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DESTRUCTION DE L'EQUILIBRE D'UN METAL DANS UNE SOLUTION PAR ACTION DU MILIEU 1 - EQUILIBRE DU METAL DANS LA SOLUTION

2 – EXEMPLES DE DESTRUCTION DE L'EQUILIBRE

3 – IDENTIFICATION DU COURANT Il y a circulation d'un courant entre les zones anodique et cathodique

Figure n° 3

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DESTRUCTION DE L'EQUILIBRE D'UN METAL DANS UNE SOLUTION PAR 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

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Supposons que les métaux soient tels que le potentiel du métal M2 soit supérieur à celui du métal M1. Ce pourrait être le cas du fer comme métal M1 avec un potentiel El de - 650 mV et du cuivre comme métal M2 avec un potentiel E2 de - 200 mV ; tous potentiels mesurés par 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 avoir accumulation de charges à l'intérieur d'un conducteur électrique, il va y avoir migration par l'intermédiaire de la liaison établie, des électrons vers le métal dont le potentiel est le plus élevé (dans notre cas de Ml → M2). A l'anode Ml, l'équilibre est détruit, de la matière métallique (M++) passe en solution. Il y a corrosion. L'anode est l'électrode, ou la partie de l'électrode, sur laquelle se développe 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 réactions cathodiques se développent à l'interface métal/solution. La cathode est l'électrode, ou la partie 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 réaction d'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 réaction de 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 déplacement d'électrons dans les conducteurs métalliques, donc à la circulation d'un courant électrique. Rappelons que par convention, le sens du courant électrique a été choisi inverse de celui des électrons dans les conducteurs. Par contre, dans l'électrolyte, il aura pour 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 siège d'une sortie de courant (du métal vers l'électrolyte), la cathode qui rassemble des électrons participant à une réduction est le siège d'une entrée de courant (de l'électrolyte vers le métal). Remarque 3 L'expérience du couplage de matériaux différents, appelé couplage galvanique, a montré que : - l'anode est le métal dont le potentiel est le plus bas, - la cathode est le métal dont le potentiel est le plus élevé.

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La mesure du potentiel d'un métal, avec une électrode de référence, donne une valeur négative pour la plupart des métaux usuels. Sera anode d'un couplage galvanique, tout métal plus négatif qu'un autre. Remarque 4 La synthèse des remarques précédentes fait ressortir que sur une même électrode, ou sur un système bimétallique de couplage galvanique, existent des zones anodiques et des zones cathodiques, dont les potentiels sont différents. Ce sont ces différences de potentiel qui sont génératrices de courants et responsables des corrosions.

Le point B est l'anode principale du 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'anode est proportionnelle à la quantité de courant traversant les électrodes et à la masse atomique 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 en jeu 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 des dégâts auxquels une anode est soumise. Mais si l'on fait intervenir la notion de densité de courant (A/m2), on comprend qu'à perte de poids égale, le danger se présentera plus rapidement sur les petites surfaces soumises à de fortes densités, que sur les grandes surfaces où la densité de courant peut être très faible ; la perte de poids se répartissant sur tout l'ouvrage.

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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 de l'acier en ralentissant la réaction cathodique, mais il n'en est plus de même si un apport constant d'oxygène est produit par les fluctuations d'une nappe phréatique ou d'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 se dégage pas ; la vitesse de corrosion diminue dans de fortes proportions. Les produits primaires de la corrosion peuvent aussi, en réagissant avec la solution (soit par transformation, soit par dissolution), jouer ou non le rôle de barrières à la diffusion de l'oxygène et ainsi ralentir ou même réduire à zéro le taux de corrosion, ou bien au contraire, 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, qui en solution très acide est dissous et ne protège pas le métal, mais qui en milieu neutre en présence d'oxygène se transforme en hydroxyde ferrique (la rouille) assurant une barrière 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 diagrammes pH - potentiel d'équilibre des réactions, qui décrivent les différentes réactions théoriques possibles entre un métal et ses ions en présence d'eau. Selon la solubilité des corps formés, il en a déduit des domaines théoriques de situation du métal. Ainsi pour le fer on trouve : - un domaine de corrosion où le fer se dissout dans la solution et forme des sels et des hydroxydes solubles, - un domaine de passivation où le fer est protégé par un film superficiel qui l'isole du milieu ambiant. C'est un domaine où le métal est protégé contre la solution, si le film a pu se former d'une manière uniforme, s'il reste adhérent et si, mécaniquement, rien ne 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 protection cathodique. Ces trois domaines et les circonstances (pH et tension) qui les définissent peuvent être établis 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 du cuivre.

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3

APPLICATION DE LA THEORIE DE LA CORROSION AUX METAUX PLONGES DANS UN ELECTROLYTE QUELCONQUE (OUVRAGES METALLIQUES DANS LE SOL OU DANS L'EAU).

3.1

POTENTIEL DE CORROSION, OU POTENTIEL SPONTANE, D'UN METAL DANS UNE SOLUTION QUELCONQUE Jusqu'à présent, nous avions considéré le cas d'un métal pur plongé dans un électrolyte contenant un de ses sels dissous dans l'eau. Ce métal avait un potentiel dans la solution qui pouvait être calculé à partir des lois de la thermodynamique et dépendait, entre autres facteurs, de la concentration des ions métalliques dans la solution. Si l'on considère maintenant un métal ou un alliage quelconque dans un électrolyte quelconque, il ne s'établit plus d'équilibre au sens thermodynamique et le potentiel pris par le métal n'est plus calculable. Ce potentiel appelé potentiel de corrosion reste néanmoins mesurable comme précédemment, à partir d'une électrode de mesure. Le potentiel du métal dans une solution dépend de très nombreux paramètres relatifs à la fois au métal et à la solution. Il dépend, entre autres, de la nature du métal, de son état métallurgique et de son état de surface (présence d'oxydes, de calamines, ...), de la nature de l'électrolyte et de ses constituants solides, liquides et gazeux (présence de sels dissous, taux d'aération, granulométrie), de l'agitation du milieu (mouvement des nappes phréatiques, marées, ...). Chaque expertise d'un cas de corrosion nécessite, avant même d'établir un diagnostic ou de 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 les paramètres 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 dans son voisinage immédiat. En effet, le véritable milieu baignant la surface du métal est celui qui contient les produits des réactions d'oxydoréduction - solides, tels les oxydes, ou gazeux, comme l'hydrogène adsorbé au niveau des cathodes ou l'oxygène au niveau des anodes - et dont le 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 donc être placée dans le milieu ambiant, le plus près possible du métal, car c'est ce milieu ambiant qui lui fixe son potentiel et son état. On peut déjà comprendre les difficultés rencontrées pour faire des mesures correctes du potentiel d'un ouvrage enterré ou immergé. L'électrode de référence est rarement positionnée à proximité du métal ; placée en général au niveau du sol au droit de la conduite, elle ne reflétera pas le potentiel exact du métal. On verra, plus avant, que l'éloignement de l'électrode par rapport au métal introduit une erreur supplémentaire en intégrant, dans la mesure du potentiel, des chutes de tension existant au sein de l'électrolyte lorsque celui-ci est parcouru par des courants électriques. 20/147

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 valeur de 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. Sur le terrain, on se contente, pour éviter des inconvénients liés à l'existence de capacités parasites 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)

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3.4

FACTEURS AGISSANT SUR LA CORROSION DES OUVRAGES METALLIQUES ENTERRES Nous venons d'établir les principes fondamentaux de la corrosion des métaux, en montrant qu'elle résultait de la destruction de l'équilibre métal/solution. Examinons maintenant ce que deviennent les circonstances de destruction de l'équilibre lorsque l'on a 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 parfois agressif, ce qui conduit à des corrosions extrêmement rapides, mais qu'il est, dans certains 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 et chimiques. 3.4.1.1 Propriétés physiques des sols Le sol contient de grandes quantités de minéraux différents de granulométrie variable selon leur provenance. Les sables contiennent des particules pouvant atteindre 2 mm, les particules 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 profondeur variable (1 à 100 m), qui joue un rôle important surtout pour les structures enterrées verticales, comme les puits. - une eau libre qui s'infiltre depuis la surface du sol ; eaux de pluie, d'irrigation et d'inondation. - une eau interstitielle qui migre par capillarité, dont la quantité dépend de la nature de la 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 pH compris 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 terrains et leur salinité est faible. Dans les régions arides, au contraire, où l'eau remonte du sol pour 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.

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Les anions présents, chlorures et sulfates, augmentent la conductibilité de l'électrolyte et facilitent 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 de leur 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 à 500 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 des terrains agricoles, limoneux, légèrement sableux. - est inférieure à 50 Ω.m, le terrain est agressif. Des terrains argileux et lourds ont des résistivités variant de 15 à 40 Ω.m. Des terrains salés ont des résistivités de quelques Ω.m. Si l'on s'intéresse à la résistivité de l'eau, on constate que l'eau de mer a une résistivité de 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 de l'ordre de 25 Ω.m. Par contre, certaines eaux de ruisseaux et torrents qui n'ont pu encore dissoudre suffisamment de minéraux, ont des résistivités élevées de plusieurs centaines d'ohms mètre et ne sont pas, de ce fait, très agressives. Cependant il ne suffit pas de savoir si la résistivité est grande ou faible, mais plutôt d'essayer de savoir pourquoi elle est grande ou faible. Comme l'ont précisé MM. GIRARD et POIRIER, la résistivité ne représente pas tous les phénomènes qui entraînent la corrosion du métal. "Ce n'est pas un critère formel de décision, mais plutôt un critère certain d'orientation, car si tous les ions présents dans le sol sont équivalents du point de vue résistivité électrique, ils n'ont pas tous la même influence sur l'effet corrosif du sol". Aussi actuellement cherche t'on à modéliser l'action de chacun des facteurs susceptibles de jouer un rôle et à juger ensuite de la corrosivité du sol d'après le résultat d'une formule empirique. 3.4.2 Piles dues à- l'électrolyte Ce sont les piles créées par les hétérogénéités du sol qui engendrent sur un ouvrage métallique pourtant parfaitement homogène, des différences de potentiel locales, donnant naissance à un courant qui conduit à l'oxydation de la partie la plus négative du métal (figure n° 10). - Les phénomènes d'aération différentielle sont à ranger dans ce chapitre. Les zones les moins aérées sont des zones anodiques par rapport au reste de l'ouvrage et se corrodent donc plus facilement.

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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'un ouvrage recouvert de façon discontinue par des oxydes, de la calamine, ou d'autres dépôts. Ce phénomène est responsable des corrosions situées sur la génératrice inférieure des tubes en fond de fouille, là où l'oxygène de l'air diffuse le moins, ainsi que des corrosions qui apparaissent au niveau des sols dont l'aération n'est pas la même en tous points (sable ou cailloux et argile par exemple). - Les piles géologiques sont caractéristiques des actions qui peuvent se développer sur une conduite, ouvrage de grande longueur, traversant des sols de compositions très différentes, lui conférant des potentiels locaux différents. En général, les sols argileux, marécageux et les terrains humides constituent des zones 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 la corrosion de celui dont le potentiel est le plus négatif. Il est donc possible de prévoir le sens 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'une conduite enterrée. La liaison électrique entre une conduite en acier et des métaux tels que le cuivre, le plomb, la fonte et même l'acier oxydé, entraîne une corrosion de l'ouvrage en acier. Les piquages directs sur les conduites de gaz, réalisés en cuivre ou en fonte sont néfastes pour la conduite acier, de même que son raccordement, au niveau d'une installation gazière, à un réseau de terres électriques en cuivre. Ces phénomènes de couplage décrits pour une conduite, existent bien entendu également 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'échelle microscopique 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 terrains argileux, vaseux imperméables et riches en sulfates, certaines bactéries consomment l'hydrogène produit au niveau des microcathodes, permettant ainsi à la corrosion de se poursuivre, 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 plusieurs milliers d'ampères, retourne à la sous-station émettrice par le rail de roulement. Ce rail plus ou moins bien éclissé, plus ou moins bien isolé du sol selon l'état du ballast, laisse s'échapper une partie importante du courant qui peut alors emprunter, sur des parcours de dizaines de kilomètres, des circuits peu résistants électriquement, tels que les conduites, avant de regagner le rail et le générateur à proximité de la sous-station.

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A l'endroit où les courants vagabonds quitteront la conduite pour retourner au rail, une corrosion 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 et par an). Or il n'est pas rare de voir transiter des courants de plusieurs dizaines d'ampères dans les conduites. Les pertes de métal se chiffrent alors en grammes par heure, et des percements de conduites peuvent alors se produire en quelques semaines. On pourrait citer des cas ou ce phénomène s'est produit avant même que la conduite ne soit en service 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 de corrosion moyens de l'acier dans le sol de 0,05 mm/an. La corrosion généralisée absolue dans le sol ne présente donc pas un caractère très brutal, surtout si l'on rapproche ce taux de celui généralement retenu pour l'acier exposé aux atmosphères industrielles, qui est de 0,1 mm/an. Par contre : 1) Sous certaines conditions des corrosions locales du type piqûre (pitting) se développent dans le sol ou l'eau, avec des vitesses de corrosion de 0,3 mm/an, qui diminuent considérablement la durée de vie des ouvrages enterrés concernés. 2) Les piles géologiques créent des circulations de courant de plusieurs dizaines de mA qui, s'exerçant sur la conduite à la frontière des deux natures de sol, provoquent des dégradations locales rapides. 3) Localement des conditions variables de température, d'aération, de la vitesse d'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 de 0,125 mm/an. Mais ce taux passe à 0,5 et 0,8 mm/an si la vitesse de l'eau est de 2 ou 5 m/s. Si à cette mise en mouvement se rajoutent des phénomènes d'immersion et d'émersion alternés (marées, vagues) le taux de corrosion est encore multiplié par un facteur de 2 à 5. En conclusion, à côté de l'agressivité absolue d'un sol, il importe de déterminer son agressivité relative, par l'examen de tous les facteurs de corrosion.

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4

PROTECTION CATHODIQUE

4.1

PRINCIPE DE LA PROTECTION CATHODIQUE A partir des constatations établies ci-avant, on peut imaginer la possibilité de créer la circulation d'un courant électrique entre un métal et la solution qui l'entoure, circulation telle que le sens du courant passe de la solution vers le métal, et de favoriser ainsi la réaction cathodique au niveau de ce métal que l'on veut protéger contre la corrosion, en reportant la réaction d'oxydation sur une autre structure, dont on accepte a priori la dégradation. C'est le principe de la protection cathodique. D'après ce qui vient d'être dit, il existe deux manières de réaliser la protection cathodique.

4.1.1 Protection cathodique par courant imposé La première consiste à utiliser un générateur extérieur au système métal/solution qui débitera un courant continu, de sens tel que dans la solution il "sortira" d'une pièce anodique appelée déversoir pour pénétrer dans le métal à protéger et le rendre cathodique. 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 noble que lui, c'est-à-dire dont le potentiel dans la solution est plus négatif. Ce métal moins noble va se dissoudre par oxydation en émettant dans le sol un courant qui viendra protéger 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) établi pour le fer. Il apparaît dans ce diagramme un domaine d'immunité où le fer reste à l'état métallique parce qu'il se trouve dans des conditions où seules des réactions cathodiques peuvent 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 négatif que - 850 mV par rapport à l'électrode Cu/Cu SO4, sera protégée cathodiquement.

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Remarque 1 On ne passe pas brutalement d'un état de corrosion à un état d'immunité par le simple franchissement de ce critère de protection de - 850 mV. L'expérience prouve qu'à cette valeur de - 850 mV, le taux de corrosion est suffisamment faible pour que ce potentiel soit considéré comme frontière du domaine d'immunité (la concentration théorique d'ions métalliques dans l'eau est alors de 10-6 mol/1 ce qui correspond à 56 µg de fer par litre). Pour un potentiel plus positif de 60 mV, à - 790 mV par rapport au Cu/Cu SO4, la concentration en fer est de 5,6 mg par litre. Bien que 100 fois plus grande qu'avec le critère choisi, elle n'en reste pas moins encore très réduite et conduit à une corrosion généralisée faible. Remarque 2 On a admis comme critère de protection du fer dans l'eau et le sol, et pour des pH ne dépassant 10, la valeur de - 850 mV avec l'électrode Cu/Cu SO4. Ce critère doit être porté à - 950 mV si le sol est particulièrement compact et contient des bactéries sulfatoréductrices. En pratique, pour des raisons de sécurité on cherchera plutôt à atteindre un seuil de protection fixé empiriquement pour l'acier à - 1000 mV par rapport à l'électrode Cu/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 de calcium. 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 être utile 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

mA/m

2

acier dans sol anaérobie sans bactérie

35

mA/m

2

dans sol aéré

60

mA/m2

5

100 mA/m

2

dans eau douce agitée 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 ajustées en fonction des caractéristiques réelles du métal mais surtout de la nature de l'électrolyte.

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PARTIE 2 Réalisation 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 être réalisée par application de la protection cathodique. Cette protection est dite active parce qu'elle agit directement sur le processus de corrosion. Une autre méthode dite de protection passive peut être utilisée. Elle consiste à soustraire l'ouvrage à protéger du milieu agressif dans lequel il baigne, par utilisation d'isolements ou de revêtements adéquats. Elle nécessite aussi d'isoler cet ouvrage des autres métaux qui pourraient amener des couplages galvaniques. Malheureusement, toute solution de protection, quelle qu'elle soit, n'est jamais complètement efficace, soit parce que la définition des principes et leur application ne sont pas techniquement idéales, soit parce que, avec le temps, les caractéristiques des ouvrages se modifient, et que certains paramètres évoluent. Ainsi, pour être efficace, la protection cathodique nécessite de porter l'ouvrage à protéger en-dessous d'un certain seuil de potentiel. Ce seuil doit être effectivement atteint 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 de s'assurer de cette condition en tous les points du métal. Seule l'étude des projets de protection cathodique et l'analyse des mesures sur le terrain pourront apporter la certitude 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 contrôles effectués lors de la pose de l'ouvrage, il reste toujours des micropores qui mettent le métal en contact avec le sol. Quels que soient les soins apportés au remblaiement de l'ouvrage, des blessures sont provoquées par les éléments constitutifs du terrain qui endommagent cette protection. Et enfin le temps, en vieillissant les matériaux, contribue lui aussi à détériorer petit à petit les qualités initiales de barrière à la corrosion que constitue 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 protection décrits ci-dessus. Les ouvrages de gaz seront isolés du sol par des revêtements protecteurs diminuant le plus possible les surfaces de métal nu en contact avec le sol. La protection cathodique viendra compléter cette protection passive, avec efficacité, d'autant que son action ne va porter maintenant que sur de plus petites surfaces de métal en contact avec le sol.

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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 certains ouvrages enterrés ou immergés. Toute imperfection, tout défaut de cet isolement, qu'ils soient d'origine, à la pose de l'ouvrage, ou qu'ils apparaissent au cours de la vie de l'ouvrage, mettent le métal en contact avec le sol et nécessiteront l'application de la protection active. a) Les critères techniques pris en compte par la C.A.R.E.V. (Commission d'agrément des revêtements) pour la sélection des revêtements de conduites au GAZ DE FRANCE sont liés aux contraintes que subissent les ouvrages gaziers lors de la pose et une fois en terre. • Contraintes mécaniques Lors des manipulations et du transport des tubes le revêtement subit des efforts de tension et de fluage. Au remblai, il est poinçonné par des pierres et matériaux rejetés dans les fouilles en particulier lors des épreuves hydrauliques. • Contraintes thermiques Ces contraintes apparaissent au moment du stockage des tubes, et au cours de l'exploitation. Le revêtement doit supporter parfois des températures élevées de l'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 dissous tels l'oxygène et le gaz carbonique. L'absorption d'eau se fait d'abord rapidement dans les premiers mois de la pose à travers fissures, capillaires et pores du revêtement, et en deuxième stade, beaucoup plus lentement après dix ans pour les films plastique - à travers le matériau isolant lui-même. Les exigences demandées pour les revêtements qui sont associés à une protection active sont surtout d'avoir une adhérence parfaite avec le métal pour éviter la migration et le renouvellement d'électrolyte sous l'isolation, ainsi qu'une résistance électrique suffisante dont la qualité ne s'affaiblisse pas trop au cours des temps afin de minimiser la puissance des installations de protection cathodique. Nota :

Remarquons qu'un revêtement décollé peut constituer un véritable écran électrique au passage du courant de protection cathodique si l'isolement électrique du matériau est important (cas du polyéthylène par exemple). Bien que présentant des tendances au décollement, les revêtements à base de brai qui étaient très poreux ne présentaient pas, par contre, d'inconvénients de cette sorte.

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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'une armature en toile de verre imprégnée d'un liant hydrocarboné. Les brais de houille et les bitumes de pétrole, ainsi appliqués, présentent des épaisseurs d'environ 3 mm. • Revêtements thermoplastiques - Revêtement en polyéthylène extrudé, avec primaire d'accrochage à base de caoutchouc butyl d'épaisseur 3 mm environ. - Bandes adhésives minces, à support PVC, ou polyéthylène, appliquées sur primaire, 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 µm environ, ou par des polyuréthannes ou des produits composites tels les braipolyuréthannes et les brai-époxydes. Bibliographie La bibliographie jointe en annexe précise les références de documents susceptibles de fournir des développements complémentaires concernant les caractéristiques des revêtements, ainsi que la liste et la définition des systèmes actuellement agréés au GAZ 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 la corrosion du métal le moins noble, il est nécessaire d'intercaler à la jonction bimétallique un raccord isolant organe dont le rôle est de couper le circuit électrique et d'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 (raccords isolants 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 ne peut prendre en compte des structures annexes qui pour des raisons mécaniques, se trouveraient reliées électriquement à l'ouvrage. Là encore, ce rôle de délimitation "électrique" du réseau sera réalisé par le raccord isolant.

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• Sur un réseau de distribution, c'est le cas par exemple des postes de détente dont la tuyauterie 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 les installations intérieures à des conduites du réseau d'eau. • C'est le cas sur les ouvrages de transport de gaz, des stations de compression, ainsi que des postes de livraison aux industriels. En ce qui concerne les raccords isolants de transport leurs caractéristiques ont été définies 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 protéger avec des conduites ou ouvrages appartenant à des tiers et qui par l'importance des mises à 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 en acier pouvait être obtenue par liaison électrique à une masse métallique, appelée anode sacrificielle ou anode soluble, faite d'un métal moins noble que l'acier, de façon à baisser le potentiel de la conduite en dessous du seuil de protection (- 850 mV avec l'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 potentiels plus 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 de magnésium. 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 le pourcentage de fer ne dépasse pas 0,0014 % afin d'éviter la passivation du matériau de base. - 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.

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Les anodes en zinc présentent une très grande fiabilité de fonctionnement, et ont de ce fait 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 en terrains 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 que dans 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 magnésium contenant 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 efficacité après quelques années de service : pour diminuer cet inconvénient, l'anode est toujours posée dans une boue, mélange de gypse et d'argile colloïdale bentonitique, dont le but est de constituer un milieu assurant une corrosion uniforme de l'anode, tout en améliorant son rendement. L'anode en magnésium présente, sur celle en zinc, l'avantage d'offrir une tension plus importante, et donc de permettre son utilisation sur des ouvrages plus importants, dans des terrains de forte résistivité ou en eau douce. Cet avantage général peut, dans certains cas, être un inconvénient, car il se traduit par une durée de vie plus faible, des débits de courant plus importants qui, en milieu marin, peuvent être incompatibles avec la tenue de 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 %) ou le 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, de rendre 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 rendement électrochimique de 95 %. Le potentiel en eau de mer (Ag/AgCl) est de - 1050 mV (sans activateur, ce potentiel serait de - 775 mV et donc insuffisant pour assurer une protection cathodique).

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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 de 600 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 du métal 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 niveau de la génératrice inférieure de la conduite (voir fig. n° 15). L'anode est posée horizontalement dans la tranchée. Avant de la remblayer, on remplit celle-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 le magnésium. Le terrain doit être le plus humide possible : aussi, en ville, faudra-t-il veiller à ne pas poser des anodes sous les chaussées, trottoirs recouverts de matériaux étanches en béton ou en bitume...). 5.3.1.3 Performances Les précautions prises, les débits attendus pour la protection d'ouvrages sont de l'ordre de : 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 du circuit, 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 résistivité du sol (ρ en Ω.m). R 80 = ρ anode 100

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 peut varier de quelques Ω pour des réseaux mal isolés à 1 000 Ω pour des conduites, de faible 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 la protection de réseaux dont l'isolement est correct, de petite envergure (1 à 2 km de conduites) et pour lesquels on peut être sûr que des extensions importantes ne seront pas réalisées dans les années à venir. C'est souvent le cas des conduites revêtues polyéthylène reliant un poste de livraison d'une Région à de petites distributions publiques dont le réseau a été entièrement établi avec des tubes en polyéthylène.

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Les anodes galvaniques sont parfois utilisées au niveau des installations du transport de gaz pour assurer la protection des conduites enterrées, de faible longueur, dans certaines stations de compression, dont les sols se révèlent agressifs. Elles peuvent aussi être installées pour jouer un rôle de mise à la terre électrique d'un ouvrage, 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 de terres en cuivre dans des terrains très conducteurs. Dans les domaines autres que gaziers, les anodes galvaniques sont utilisées avec succès sur des structures complexes, compactes ou longilignes, baignant en eau de mer. L'eau de mer, électrolyte peu résistant (0,3 Ω.m), permet alors des débits de l'ordre de l'ampère. C'est le cas : à E.D.F. : dans les centrales nucléaires en bord de mer pour la protection des maillons de chaînes des filtres des prises d'eau, ainsi que des grilles d'arrêt en acier, ou même en acier inoxydable. dans le domaine offshore : pour la protection de plates-formes de forage, ainsi que des canalisations 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 pôle négatif d'une source à courant continu, l'ouvrage à protéger, tandis que le pôle positif est relié 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 la canalisation 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 est atteint en tous points, la conduite est protégée cathodiquement. Remarque : Le déversoir est l'anode, soumise à corrosion, du système électrochimique conduite-soldéversoir. Le déversoir est relié à la borne positive du générateur, et la valeur mesurée de son potentiel dans le sol, donne souvent une indication positive. Dans le cas des anodes sacrificielles, la "pièce anodique" du système électrochimique est 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 le potentiel est rendu plus positif, soit à la mise en service du générateur, soit lorsque la liaison électrique des deux métaux est réalisée, doit être considérée comme l'anode du système. Ces considérations montrent qu'il faut éviter de désigner l'anode d'un système à partir du signe d'un potentiel.

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5.3.2.1 Générateur de courant continu : Le poste de soutirage est un générateur de courant continu. Habituellement il est constitué par un transformateur-redresseur alimenté à partir du réseau électrique basse tension 220 V. Les calibres utilisés pour la protection cathodique des conduites enterrées du GAZ de FRANCE 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 rototransformateur. Tous les appareils sont munis d'indicateurs pour le contrôle de leur fonctionnement, et de systèmes de protection par fusibles. Des appareils de plus forte puissance ont été utilisés pour des applications particulières dans les stockages souterrains ou terminaux méthaniers. (Armoire à 7 modules de 20 A60 V ; redresseur 2 fois 150 A sous 15 volts...). Dans certaines situations où l'énergie électrique basse tension n'est pas disponible, il est nécessaire d'avoir recours à d'autres sources d'énergie autonomes. a) Accumulateurs et piles Pour des installations de protection cathodique nécessitant des puissances faibles, on peut utiliser des batteries au plomb ou au cadmium-nickel, d'une capacité d'environ 50 A.h. Ce système ne doit être employé que pour assurer des protections provisoires car il nécessite le rechargement fréquent des batteries. Pour certains réseaux nécessitant des intensités inférieures à 100 mA, on peut utiliser des piles ou couplage de piles de capacité 1000 Ah sous 1,2 volt, la durée de vie de l'installation est alors de 1 à 2 ans. b) Energie solaire Il existe des installations de protection cathodique fonctionnant dans le Sud de la France, avec un panneau de cellules solaires de 0,8 m², délivrant des puissances crête de 864 Watt sous 2 x 6 volts ; une batterie tampon au plomb permet une utilisation en continu 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 étant montée en parallèle aux bornes du redresseur. d) Les thermogénérateurs Ces générateurs utilisent le principe de la conversion d'énergie thermique en énergie électrique (principe du thermocouple) et permettent de disposer d'une force électromotrice 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) ou catalytique (250°C), de produits gazeux ou pétroliers.

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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'obtenir des puissances électriques de 100 à 200 Watt, avec des résistances de circuit de 1 à 50 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 pour des 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 donc être constitué de matériaux conducteurs de courant. Se comportant comme une anode, il est soumis aux phénomènes d'oxydation. La masse du matériau constituant le déversoir devra être déterminée pour que l'installation ait une durée de vie de l'ordre de 15 à 20 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 sous la forme de tubes épais utilisés pour les forages. La consommation du déversoir est ici de 10 kg par A.an. Compte tenu des risques de coupure prématurée du déversoir par corrosion, il est préférable de prendre un coefficient 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 de longueur, 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 pas dépasser 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, le rondin est en contact avec le sol par l'intermédiaire de ce poussier. Ce mélange conducteur, 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 en milieu liquide. c) Le ferrosilicium Il se présente sous la forme de rondins de diamètre 7 cm, de longueur 1,5 mètre, en fonte 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 limite 10 A/m2. Les rondins de ferrosilicium à 4 % de chrome sont utilisables dans tous les types de sols et de milieux liquides chlorurés.

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d) La magnétite Elle se présente sous forme d'un cylindre creux, en oxyde de fer Fe3O4 fondu, de 0,8 mètre de longueur. La connexion du câble d'alimentation à l'intérieur du cylindre est assurée par l'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 g par A.an dans les sols. Les intensités maximales supportées par une telle anode sont de 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 recouvert d'une fine couche de platine. La consommation du platine est d'environ 10 mg par A.an avec des densités de courant de l'ordre de 500 à 1000 A au m2. Ce matériau n'est utilisé que dans les électrolytes de très faible résistivité, en particulier l'eau de mer, à la condition toutefois d'éviter des montées en tension supérieures à 9 volts aux bornes du support pour ne pas corroder le titane par claquage 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 la figure n° 16. Les points importants à contrôler, lors de l'installation, concernent les soudures, bout à bout et à cœur, des éléments de rails et la liaison du câble électrique. Ces soudures peuvent être réalisées par des procédés aluminothermiques. On veillera en particulier à créer un isolement parfait de ces points avec le sol, pour éviter des coupures 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 fait comme 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 important crée un couplage néfaste entre les rondins, qui réduit son rendement et augmente la résistance de terre du déversoir. Pour des applications particulières (installations à gros débit dans des terrains résistants), ou pour des commodités d'emplacement en surface, on peut être amené à créer des déversoirs verticaux de grande longueur. Ainsi pour la protection des cuvelages de puits dans les stockages souterrains de Tersanne et du Vexin, il a été créé plusieurs forages verticaux de 250 mètres de profondeur, à partir de tubes de forages déclassés. Pareillement, sur certains réseaux de distribution en zone urbaine, il a été battu verticalement des longueurs de rails S.N.C.F. de 10 mètres reliés en parallèle, pour minimiser l'emprise au sol du déversoir.

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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 sol supérieures à 90 Ω.m en ce qui concerne les rails, et 50 Ω.m pour les rondins, il peut être nécessaire, pour favoriser l'émission du courant, de créer un milieu conducteur autour de l'anode. Ce milieu homogène permettra, de plus, une corrosion plus uniforme du 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 favoriser l'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 électrique de l'anode vers la cathode) est responsable de l'assèchement de l'anolyte qui conduit au blocage des déversoirs. La diminution de la résistivité du milieu, ainsi que l'utilisation de 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 de bentonite), additionnée de 10 kg de gypse en poudre (ou plâtre gaché) et de 2 kg de sel dénaturé pour améliorer la conductibilité du mélange. Ce backfill peut être employé avec les déversoirs du type "rail" et avec les rondins en ferrosilicium 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 par mètre 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 les terrains sont très compacts. D) Résistance de terre des déversoirs La résistance de terre d'un déversoir doit être estimée lors des études, pour être compatible avec les possibilités du générateur de courant continu, et fournir le courant nécessaire ou à prévoir, pour la protection du réseau, compte tenu des extensions prévisibles. Cette résistance dépend de la forme du déversoir, de ses dimensions, de la résistivité du sol et peut être calculée à partir de formules empiriques. Les courbes de la figure n° 18 permettent le calcul des résistances de terre des différents types 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 à favoriser son rayonnement et augmenter ainsi la portée du poste de protection. En règle générale, il faudra veiller impérativement à s'écarter d'au moins 50 mètres de tout ouvrage métallique enterré susceptible de capter les courants déversés (voir paragraphe 8.1. influences).

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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 une circulation 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 la zone de "sortie de courant" on établit une liaison électrique par câble entre la conduite et la sous-station. L'écoulement des courants de traction se fait alors par l'intermédiaire d'un conducteur métallique (conduction ohmique) et n'entraîne plus de corrosions de la conduite. Pour des raisons liées au trafic, au nombre de voies et au nombre de motrices, et à la répartition des sous-stations en service ou non, les courants dans cette liaison peuvent s'inverser. La liaison par câble a donc été munie d'une diode (au silicium ou au germanium) 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 à proximité de la sous-station pour que la liaison par câble électrique ne devienne pas trop résistante à cause de sa longueur, et que les courants vagabonds n'empruntent pas un autre cheminement moins résistant. En général les longueurs de câbles de drainages sont au 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 la liaison 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'un certain nombre de lampes 32 ou 62 V de 200 à 900 watt dont la caractéristique tensioncourant 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 le drainage. Lorsque l'éloignement conduite/sous station est trop important pour qu'une liaison soit établie, 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 traction ferroviaire, qui seuls peuvent déterminer les consignes de montage à appliquer pour que le drainage ne perturbe pas les systèmes de signalisation ou les alarmes de sécurité utilisant les voies comme conducteur. Procédures administratives L'Arrêté interministériel du 26 Mai 1978 "Conditions techniques auxquelles doivent satisfaire les distributions d'énergie électrique" fait état dans son chapitre III de prescriptions techniques qui doivent être appliquées aux ouvrages étrangers installés à proximité. En particulier, en ce qui concerne les problèmes de corrosion électrolytique, l'article 93 autorise, après accord, la liaison électrique de l'ouvrage influencé aux rails de roulement.

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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 la Recherche, des propriétaires des structures voisines. - après installation, l'étude et la suppression des répercussions, par influence électrique, constatées sur les ouvrages voisins. En ce qui concerne le GAZ de FRANCE, le déroulement de cette procédure est du ressort, au niveau national, pour toutes les installations de gaz de transport comme de distribution, du Service Protection Cathodique des Ouvrages du Centre Technique Opérationnel. Cette procédure pouvant être longue, des mesures conservatoires provisoires sont parfois prises, pour éviter la détérioration de la structure pendant cette période.

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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 dans le sol et retourne à la conduite. Le passage du courant détermine dans la conduite un abaissement 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 de longueur) R = résistance transversale d'isolement donnée par le revêtement de la conduite pour 1 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 de soutirage est représenté par le schéma ci-contre :

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Pour une conduite de longueur finie 1 dont l'abaissement de potentiel en extrémité est Eo

Remarque : Le potentiel E(x) ainsi calculé est le gain (en protection cathodique il s'agit d'un gain négatif ou abaissement) de potentiel amené par le soutirage. Le potentiel du métal dans le sol est la somme du potentiel de corrosion du métal sans soutirage et du gain apporté par la mise en service du soutirage. Ainsi, sans protection cathodique le potentiel spontané de la conduite est de - 650 mV Avec protection cathodique et un gain E(x) de - 1000 mV, le potentiel de la conduite dans le sol sera de -1650 mV au point d'abscisse x.

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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=

r

20 000 Ω.m2 :

4.10-5 –

2,5. 10-5

R Ωm

5 000 Ω.m2 :

10.10-5 –

5. 10-5

1 000 Ω.m2 :

20.10-5 –

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 conduite de 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 nécessiter l'installation de plusieurs soutirages répartis sur la longueur de l'ouvrage.

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On peut constater aussi que le facteur d'atténuation augmente avec la résistance ohmique longitudinale de l'ouvrage. C'est la raison pour laquelle il faut veiller, particulièrement sur les réseaux de distribution, à assurer la continuité électrique parfaite 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 de la protection cathodique). 6.2

CONSIDERATIONS PRATIQUES Les formules présentées au chapitre précédent ont été établies dans le cas idéal où l'on néglige la résistance du sol, ou du moins l'on admet qu'elle est constante sur toute la longueur de la canalisation intéressée par le calcul. On a de même considéré que la résistance d'isolement apportée par le revêtement était identique en chaque point de la conduite. En réalité ces deux hypothèses sont loin d'être toujours vérifiées et les courbes réelles du 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 résistance transversale d'une portion de conduite d'un mètre de long. Cette valeur ne permet pas la comparaison de deux conduites de diamètres différents. C'est pourquoi on utilise plus fréquemment 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 électrique pure, considérée comme constante sur toute la longueur de l'ouvrage ; en réalité elle est d'une toute autre nature, et dépend de nombreux paramètres. Elle dépend de la nature du revêtement, peu en ce qui concerne la matière utilisée, mais surtout dans la particularité du matériau à former des défauts, lors de son application, au cours de la pose ou pendant son vieillissement. La nature de l'électrolyte qui emplit les défauts et assure le contact électrique entre le sol et le métal, par sa résistivité, fixe la résistance de mise à la terre. Pour un même nombre de défauts, la valeur d'isolement apportée par un revêtement sera d'autant plus faible que la résistivité du terrain sera faible. La résistance de ces défauts est en réalité de nature électrochimique, puisque c'est là que se produisent les réactions d'électrolyse ; c'est donc une résistance variable puisque fonction 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 difficile d'en donner une formulation mathématique. En général on parlera de valeurs moyennes d'isolement sur un tronçon donné. * Au niveau des calculs, lors des projets de pose de conduites, il faut pouvoir estimer les différentes valeurs moyennes d'isolement que pourra prendre le même revêtement sur différents tronçons constitutifs d'un ouvrage, en fonction des paramètres liés aux caractéristiques du terrain (résistivité, nappe phréatique, présence de cailloux...) et à celles du revêtement, ainsi qu'aux difficultés de pose...

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* Au niveau de l'exploitation d'un ouvrage existant, à partir des mesures de courants et des potentiels de la conduite, on peut calculer, plus ou moins empiriquement, une valeur globale 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 en réalité la composition de valeurs qui peuvent être localement très différentes. Or, ce qu'il importerait de connaître quand on met en œuvre une protection cathodique, ce sont les zones à plus faible isolement, où augmentent les risques de corrosion, et non une valeur 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 chiffres représentatifs de cette valeur pour des ouvrages différents. On peut tout au plus tenter de définir 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 terrains de 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'un ouvrage de transport, mais serait plutôt significative de valeurs calculées pour un ouvrage 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 pourrait donner 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 la protection est obtenue par des intensités extrêmement faibles, grâce à un revêtement moderne à très hautes performances (quelques µA pour de petites conduites de distribution, à quelques mA pour les antennes d'un réseau de transport), n'oublions pas cependant qu'une erreur, ou une imprécision, dans la mesure sur chantier d'une intensité de 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 rapport du gain E(x) obtenu en ce point, au courant I(x) circulant dans la conduite.

RT(X) =

E (x) I (x)

=

γ (résistance caractéristique) th (ax)

Cette résistance est variable, mais caractéristique de l'ouvrage en chaque point. Au soutirage la résistance de terre de la conduite est : RT =

rR γ = th al th al

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 .

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L'application de cette formule donne pour une conduite ∅ 219 de 40 km de longueur, Si R =

20 000 Ω.m2

une résistance de terre de

1,5 Ω

50 000 Ω.m2

"

2,5 Ω

100 000 Ω.m2

"

"4 Ω

500 000 Ω.m

"

"15 Ω

2

La résistance de terre de la conduite est une des résistances électriques qui fixe le débit du soutirage. Toute structure étrangère enterrée présente aussi une résistance de terre qui est d'autant plus faible que la structure n'a pas d'isolation, et l'on conçoit qu'un des impératifs de la protection passive soit d'isoler l'ouvrage à protéger des autres structures enterrées. Par exemple, le contact d'une tuyauterie d'eau avec un ouvrage de gaz rajoute en parallèle aux bornes du soutirage une résistance de terre (appelée défaut de mise à la terre de l'ouvrage gaz) qui dérive vers la conduite d'eau le courant utile à la protection nécessaire 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 km protégée 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 mathématiquement peuvent conduire à des profils de potentiels tels que visualisés ci-dessous.

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CONTROLE DE L'EFFICACITE DE LA PROTECTION CONTRE LA CORROSION Le contrôle de l'efficacité de la protection contre la corrosion d'un ouvrage enterré consiste à vérifier, par des mesures appropriées de potentiel et de courant, que les critères de protection cathodique sont bien atteints en tous points de l'ouvrage. Mais ce contrôle doit s'attacher à vérifier aussi que la protection passive, telle qu'elle a été précédemment définie dans ses divers rôles, est toujours intacte. C'est pourquoi il sera nécessaire d'apprécier la valeur d'isolement apportée par le revêtement, comme il sera nécessaire 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. Ces points 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 de comptage, par les prises de potentiel réalisées à l'aide d'un câble électrique soudé sur la conduite. 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 urbaine et tous les 2 à 4 km, selon les possibilités, en rase campagne. La mesure du potentiel est réalisée comme indiqué au paragraphe 3.2. La canalisation étant soumise à différents régimes électrochimiques, plusieurs potentiels peuvent être mesurés (figure n° 24). a) Peu après la pose du tube, après tassement des terres, mais avant l'installation de la protection cathodique, on mesure le potentiel spontané ou initial de la canalisation dans le sol. Cette mesure permet de mettre en évidence l'existence de piles géologiques ou d'influences électriques extérieures et de définir les zones anodiques de 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 de protection cathodique. c) A la coupure du courant de protection, on mesure le potentiel à courant coupé, ou potentiel "OFF". Si cette mesure pouvait se faire instantanément, quelques microsecondes après la coupure, ce potentiel pourrait représenter le potentiel réel du métal sous protection cathodique, sans prendre en compte les chutes de tension dues à la circulation des courants de protection dans le sol. d) Un certain temps après la coupure du courant de protection, on mesure le potentiel de polarisation du métal.

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La différence de potentiel qui existe entre les points A et B est appelée "gradient de potentiel". Ce gradient est dû à la circulation de courants (i) à travers le sol et le revêtement 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 le courant 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 sont élevés. On constate par ces réflexions que l'évaluation du gradient, qui permettrait la connaissance exacte du potentiel du métal contre le sol, n'est guère prévisible car dépendant de trop de paramètres difficilement appréhendables. Différentes méthodes peuvent être proposées pour approcher la mesure réelle du potentiel. a) Mesure du type ON-OFF Immédiatement à la coupure du courant de protection cathodique, le gradient devient nul. Sur le terrain, il n'est guère possible de pouvoir mesurer le potentiel moins de 3 secondes après la coupure du courant. Aussi, en réalité, c'est plutôt le potentiel de polarisation qui est mesuré, plutôt que le potentiel OFF. Selon l'état de polarisation de l'ouvrage, cette mesure permet cependant de s'assurer du niveau de protection cathodique lorsque le courant est établi. On notera que, pendant la coupure du courant de protection cathodique, il peut circuler à nouveau dans le sol des courants, dus aux piles géologiques, ou dus à des potentiels de polarisation différents du tube, qui viennent modifier par excès ou par défaut selon leur sens 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). Cette méthode 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 sol de gradients, perpendiculairement et parallèlement à la conduite, de calculer la valeur du gradient 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 de soutirage ou de l'anode galvanique assurant la protection. Mais on peut, si l'équipement en raccords isolants a été prévu, tronçonner électriquement des conduites ou des réseaux, et mesurer les débits dans chacune des parties ainsi séparées.

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La mesure des intensités ne présente pas de difficultés particulières si ce n'est que, dans certains cas, l'introduction d'appareils mal adaptés dans des circuits fonctionnant sous faible tension, modifie les courants mis en jeux, et par là, les conditions électrochimiques 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

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7.3.2. Valeur d'isolement de tronçons Dans le cas où la conduite AB peut être tronçonnée électriquement au point M avec mesure 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 globale de la conduite est, en général, influencée par la valeur R1 du tronçon le plus proche du soutirage. Quelle que soit la valeur R2 forte ou faible, elle influencera dans une plus faible mesure la valeur globale R de l'ensemble de la conduite. On comprend la nécessité, pour juger positivement d'une protection passive apportée par un revêtement, de la mesure du plus grand nombre possible de valeurs d'isolement de tronçons adjacents. 7.3.3 Méthodes mathématiques On peut, à partir de la courbe réelle des potentiels relevés, essayer de déterminer le facteur 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 en coordonnées semi-logarithmiques, montrent que la pente de la droite représentative du gain de potentiel est proportionnelle au facteur d'atténuation (a).

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7.4 VERIFICATION DE L'ISOLEMENT DE LA CONDUITE PAR RAPPORT A D'AUTRES OUVRAGES 7.4.1 Cas général La vérification de l'isolement d'une conduite par rapport à d'autres ouvrages se fait à partir 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 contact éventuel en installant un chronorupteur dans le système d'alimentation de la protection cathodique de la conduite. Cet appareil crée alternativement des cycles de coupure et de mise en service de la protection cathodique. On vérifie si l'ouvrage suspecté est soumis, ou non, au même cycle pour déclarer qu'il est en contact ou non avec la conduite. Cette vérification d'isolement est à pratiquer sur les conduites étrangères enterrées qui croisent la conduite de gaz, mais aussi sur tous supports métalliques, ferrures, structures de pont ou de béton armé susceptibles d'être mal isolés de la conduite et qui risqueraient de 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 cas de contact avec la conduite. Cependant cette technique n'est pas à conseiller du point de vue de la protection cathodique. En effet en cas d'introduction de terre ou d'eau dans l'espace annulaire, et en présence d'un revêtement blessé lors de la pose, le matériau plastique 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, restent compatibles 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 tube intérieur (à travers la paroi du fourreau et l'électrolyte) et assurer, si la densité de courant est suffisante (ce qui suppose que le revêtement n'a pas été trop détérioré à la pose) la protection cathodique de la conduite sous fourreau. On constate dans ces conditions qu'il y a corrosion intérieure du fourreau.

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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 un électrolyte) ne peut être corrodée. Cependant le fourreau métallique nu, en contact avec la conduite, crée une mise à la terre de l'ouvrage gaz et détourne une partie des courants de protection cathodique au détriment, peut être, de certaines canalisations du réseau qui se trouvent alors exposées à la corrosion.

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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 courants traversant le fourreau. Ce courant ne peut plus assurer la protection cathodique de la conduite 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 fourreau de très grande longueur. Les conséquences sont les mêmes que ci-dessus, mais les risques encourus par la canalisation peuvent être amplifiés par la longueur du 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 les potentiels 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 conduite protégée, 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 la surface du sol. La connaissance du niveau de protection cathodique sous gaine nécessiterait la mise en place, lors de la pose du fourreau, d'une électrode d'un type spécial, qui resterait à demeure dans l'espace annulaire.

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Si la longueur du fourreau est importante, on installe des jeux de prises de potentiel à chaque 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 dans le 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 grande longueur ou de réalisation particulièrement complexe, on peut par une méthode de mesure de résistance électrique, localiser le point de contact gaine - tube avec une précision inférieure au mètre.

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Equipement du système gaine tube pour la localisation d'un contact gaine tube, avec des câbles de section appropriée 16 et 50 mm2 On a :

V1 V V = 2 = I1 I2 I

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INFLUENCES ELECTRIQUES

8.1

INFLUENCES DUES A LA PROTECTION CATHODIQUE Le cas des influences créées par la circulation des courants vagabonds des lignes de traction électrique a été traité au paragraphe 3.4.5. Les remèdes à apporter sont décrits au paragraphe 5.3.3. Une installation de protection cathodique mettant en circulation des courants continus dans le sol, toute structure métallique enterrée à proximité d'une conduite protégée pourra être influencée : influence tantôt bénéfique si la structure voisine est rendue cathodique, tantôt néfaste si elle devient anodique.

La figure n° 30 présente un tel cas. A proximité d'un croisement, ou d'un simple rapprochement, là où les isolements des ouvrages sont plus faibles, les courants captés ressortent de la structure influencée vers la conduite protégée. Il y aura corrosion de la conduite influencée. L'influence sera d'autant plus marquée que le débit de l'installation de protection sera important, que les isolements des conduites seront faibles, et que les rapprochements seront serrés. C'est la raison pour laquelle, particulièrement en zone urbaine, on évite les postes de protection cathodique à fort débit, et que l'on s'assure du bon isolement du réseau. 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 être tolérée car elle crée un appel de courant préjudiciable aux conduites voisines étrangères.

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Si la canalisation métallique voisine est constituée de tuyaux en fonte, ces influences sont en général de moindre importance car la jonction plus ou moins résistante entre chaque tube gène la circulation des courants. De plus, les sorties de courants s'effectuant sur des surfaces nues, localement les densités de courant sont faibles et n'entraînent que des pertes de métal légères. Le cas le plus sévère d'influence est celui de la proximité d'une conduite et du déversoir de l'installation, parce que, très localement, il va y avoir concentration du courant de protection. C'est une des raisons pour lesquelles l'implantation d'un déversoir doit être étudiée, en ville particulièrement, avec la plus grande attention. L'expérience a montré qu'un écartement du déversoir d'au moins 50 mètres protégeait des influences significatives les ouvrages métalliques étrangers enterrés, pour des débits de protection de l'ordre de 5 ampères. Des débits de l'ordre de l'ampère, pour de petits réseaux bien isolés, autorisent des écartements plus faibles et plus faciles à respecter en ville. On peut noter que l'installation de déversoirs verticaux permet d'échapper plus facilement 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 difficile de détecter les influences. Pour étudier ultérieurement des solutions, pour remédier à une influence, il faut en effet repérer les zones de l'ouvrage étranger qui sont rendues anodiques. Cette recherche est rendue difficile en raison des courants d'influence qui faussent, 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 des projets, par anticipation, en respectant des écartements suffisants avec les ouvrages étrangers. Lorsque les ouvrages sont posés et des influences constatées, on peut les supprimer par des liaisons directes, ou résistantes, voire polarisées, au niveau des zones anodiques de façon à ramener la structure à son potentiel original et même parfois à un potentiel de protection. Nota :

Les influences entre conduites protégées sont plus rares. Des potentiels qui sont rendus plus positifs mais qui restent néanmoins à l'intérieur de la zone d'immunité cathodique ne correspondent pas, pour un ouvrage, à des sorties de courants 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'en aucun 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 leur interprétation sont complexes. Pour éviter des conséquences fâcheuses aux ouvrages comme aux hommes, mais surtout des interprétation erronées et le choix de solutions mal appropriées, il est souhaitable de les confier à des équipes spécialisées. C'est le Centre Technique Opérationnel de Compiègne qui traite les problèmes de relations 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 1981 entre le GAZ de FRANCE et d'autres Sociétés ou Administrations. (Voir bibliographie).

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8.2 INFLUENCES DUES AUX LIGNES AERIENNES DE TRANSPORT D'ENERGIE LORS DE DEFAUTS D'ORIGINE ELECTRIQUE Une induction alternative permanente peut être générée au niveau des conduites enterrées du fait de la position d'une canalisation dans le champ électrique créé par les 3 conducteurs d'une ligne de transport d'énergie en fonctionnement normal (figure n° 32). En général cette induction est très faible (sauf peut être à proximité des lignes ferroviaires alternatives du T.G.V. où les tensions induites peuvent atteindre, en certains points, la centaine de volts) et non susceptible de créer des désordres aux installations de 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 système triphasé et établissement d'un système homopolaire. S'il s'agit de court-circuit entre phase et terre, ce système homopolaire permet la circulation dans les conducteurs et le sol de courants homopolaires, dits de court-circuit. Pour les réseaux de tensions inférieures à 63 kV, l'intensité de court-circuit est en général limitée par des réactances à des valeurs inférieures à 1000 A, et les risques d'influence sont faibles. En ce qui concerne les réseaux de 3e catégorie (T.H.T.), les valeurs des courants de court-circuit sont beaucoup plus importantes et susceptibles, cette fois, de créer des actions 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

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8.2.1 Risque dû à l'induction de forces électromotrices dans la conduite lorsque celle-ci est 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 au potentiel zéro) et claque l'isolant, le risque pour la conduite est dû à la circulation locale d'un courant dont les effets thermiques peuvent entraîner une perforation de la paroi de la conduite. En réalité lors de l'établissement de la tension aux bornes de l'isolation, des effluves apparaissent au passage du courant à travers les pores et blessures du revêtement, et carbonisent légèrement sa surface, augmentant par ce fait sa conductance. Aussi dans la pratique, la tension induite ne dépasse guère 2 à 3 kV quand il s'agit d'un revêtement du type C. Des essais devront montrer si un tel phénomène (bénéfique en l'occurrence), peut être attendu 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 part avec un équipement de la conduite. Ce risque, qui n'est pas à minimiser, correspond à la fréquence d'apparition des défauts sur la ligne et a une durée très brève de quelques périodes (1/25 de seconde). Des statistiques fournies par E.D.F. indiquent qu'en moyenne il y a annuellement 3 défauts électriques par 100 km de lignes, cependant ces incidents sont plus nombreux dans les zones à atmosphère polluée et humide, ou à haut niveau de foudroiement. 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 travers la résistance de terre du pylône. Cette circulation de courant fait monter le potentiel du sol 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 claque il y a écoulement du courant du sol vers la conduite, et risque comme dans le cas précédent de percement de la conduite.

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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 la conduite. L'évaluation chiffrée de ces contraintes est faite à partir de documents techniques établis en collaboration par E.D.F. et G.D.F. (cités en bibliographie). Il y a lieu, dans tous les cas, de se limiter à des tensions inférieures à 5 kW. Ce seuil pratique a été déterminé après des essais sur des témoins métalliques et en tenant compte d'un coefficient de sécurité de 2. Si la tension calculée est supérieure à 5 kV, des dispositions sont à prendre tant au niveau de la conduite que de la ligne, pour ramener les contraintes électriques en deçà du niveau acceptable. Pour les phénomènes de conduction ces moyens consistent en particulier à maintenir un écartement 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 être envisagées, ainsi que dans le renforcement de l'isolation de la conduite. Cependant il faut se rendre compte qu'une blessure mécanique de l'isolation même renforcée ramène aux mêmes effets néfastes qu'avec un revêtement simple. C'est pourquoi les pétroliers ont admis la possibilité de supprimer l'isolement de la conduite au droit des pylônes. Le métal en contact avec le sol ne reçoit ainsi qu'une faible densité de courant et ne peut être endommagé. Pour les phénomènes d'induction le moyen le plus efficace consiste à augmenter l'écartement entre les deux ouvrages lorsqu'il y a projet de construction de l'un ou l'autre. Cependant cette solution n'est actuellement pas toujours applicable depuis qu'il y a obligation de passage des canalisations dans les couloirs d'énergie. La solution qui reste possible, concernant l'ouvrage électrique, est l'installation de câbles de garde qui constituent des écrans électromagnétiques. Au niveau de la conduite il peut être intéressant d'envisager la pose de tubes comportant un revêtement du type C de plus grande conductance que le polyéthylène. Sinon, il faut envisager la mise à la terre de la conduite, localement aux extrémités du parallélisme, ou d'une manière répartie sur la longueur de la canalisation. L'installation d'un câble nu enterré parallèlement à un mètre de conduite, relié en plusieurs endroits à l'ouvrage gaz par des éclateurs, permet la diminution des tensions induites ; cependant cette solution est onéreuse, compte tenu du gain obtenu (20 % de réduction du niveau des tensions). Il ne faut jamais oublier que toute solution envisagée sur le plan électrique et qui conduit à un équipement particulier de la conduite de gaz, doit rester compatible avec l'existence d'une protection cathodique.

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C'est le cas des mises à la terre, locales ou réparties, des tronçons de canalisations prévus sans isolement, mais aussi des raccords isolants qu'il faut maintenir courtcircuités, ou bien, au contraire, ouverts pour arrêter une éventuelle circulation de courant. Propagation sur les réseaux voisins Les canalisations les plus soumises aux contraintes électriques sont celles du réseau de transport gaz. Ces canalisations de transport sont reliées aux réseaux des distributions publiques ou de clients industriels. Il ne peut être envisagé de propager sur ces conduites, dont l'équipement adéquat n'est pas prévu, des tensions dont le niveau peut atteindre 5 kV. C'est pourquoi il a fallu développer un type de raccords isolants dits "haute tension" qui puissent arrêter la propagation de ces tensions (figure n° 33). Ceux-ci sont testés en usine sous 11 kW. Il est rappelé que le raccord isolant de branchement qui protège un abonné contre une perturbation électrique, ne pourrait bien souvent pas tenir à plus de 1 kW. L'arrêté interministériel du 26 Mai 1978, intitulé "Conditions techniques auxquelles doivent 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 au voisinage de lignes et canalisations tant pour les problèmes de conduction que d'induction. Des clauses particulières à certaines canalisations de gaz, pétrole ou de produits dangereux sont envisagées, selon les produits transportés et les risques encourus. Influence de la foudre Les lignes électriques de 3e catégorie sont fréquemment pourvues d'un système de câble de garde pour, entre autres raisons, assurer la protection des lignes (conducteur, pylônes et installations) contre les effets de la foudre. Lors d'un coup de foudre sur ce câble de garde, le courant (50 % des coups de foudre dépassent 30 kA et quelques uns 100 kA) se répartit sur les pylônes adjacents et diffuse ensuite vers le sol créant de nouveaux dangers de conduction pour les ouvrages enterrés au voisinage. En cas de foudre, il n'y a pas systématiquement contournement des isolateurs de phase, mise en court-circuit de la ligne et dérangement électrique enregistré ou comptabilisé par E.D.F. La fréquence de foudroiement d'une ligne T.H.T. dépend de ses caractéristiques mécaniques 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 de foudroiement, donc de risques supplémentaires pour un ouvrage de gaz voisin, est, en moyenne, annuellement de 30 coups par 100 kilomètres de ligne.

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PROTECTION CATHODIQUE D'OUVRAGES GAZIERS

9.1

PROTECTION GLOBALE DE STATIONS L'application de la protection cathodique aux conduites enterrées des stations de compression ou de comptage, nécessite parfois l'équipement de ces ouvrages en centaines de raccords isolants, pour assurer l'isolement des canalisations des massifs supports, bâtiments, réseaux de mises à la terre en cuivre. L'exploitation de ce système se heurte immanquablement au fait que, tôt ou tard, un raccord isolant devient mauvais ou est court-circuité par l'installation de nouveaux appareils ou canalisations. Le générateur de protection cathodique ne peut, en général, prendre en compte un défaut d'isolement aussi important, et la protection n'est alors plus assurée sur la plus grande partie de la station. La protection globale consiste à supprimer à la construction de la station, la nécessité d'un isolement entre canalisations et terres, et à réaliser la protection, de façon à assurer la 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 des intensités de 10 à 100 A à l'hectare installé suivant notre expérience. Ceci correspond à des densités de courant de l'ordre de 100 mA/m2 pour les ouvrages en acier, et 200 mA/m2 pour les structures de mises à la terre en cuivre. Une des difficultés dans la conception de l'installation de protection cathodique globale est la réalisation du déversoir. Il doit permettre des débits importants, et donc avoir une masse adaptée, mais surtout il doit être placé de façon à avoir un rayonnement optimal sur toute la station. En général, le déversoir est fractionné en un nombre plus ou moins important de déversoirs auxiliaires, rayonnant chacun sur une zone précise, et reliés entre eux au niveau de l'appareil de soutirage. Si cette solution peut paraître séduisante quant à son principe et aux économies de raccords isolants qu'elle autorise, elle n'en reste pas moins délicate dans sa mise en œuvre, et le contrôle de sa complète efficacité (en cas de mauvais fonctionnement, non seulement la canalisation subit l'attaque des terrains agressifs, mais encore celle entraînée par l'existence des couples acier-cuivre). On préfère, dans certains cas, une protection de type semi-globale, qui prévoit l'isolement des parties créant les mises à la terre les plus franches, et qui prend en compte un ensemble limité de petits défauts locaux ne consommant pas l'essentiel du courant 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 et de longueur 75 km environ, qui véhicule la solution saline provenant du lessivage des cavités du stockage en couches salines de ETREZ (Ain), jusqu'à l'usine SOLVAY de traitement de la saumure à POLIGNY (Jura).

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Sa protection cathodique a pu être réalisée, malgré la présence du fluide conducteur intérieur. Il faut rappeler que lorsque la saumure est proche de la saturation, vers 250 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 utilisation de manchettes en acier de longueur totale de 12 m, revêtues intérieurement d'un revêtement d'ébonite à dureté cuir, et isolées électriquement au niveau des brides de raccordement par un système de rondelles et canons isolants. L'isolement ainsi obtenu entre l'ouvrage et la station représente une résistance d'environ 15 Ω. Cet isolement n'étant que très partiel, contrairement à ce qui se produit pour un raccord isolant d'une conduite de gaz, cela signifie qu'une partie du courant du générateur de protection cathodique, dérivée par le fluide conducteur, provoque la corrosion intérieure du tube. Pour pallier cet inconvénient, une manchette, de forte épaisseur, non revêtue intérieurement, a donc été installée à l'aval des manchettes isolantes. Elle sert de pièce de consommation pour les corrosions intérieures. Cette pièce est munie de brides pour permettre 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 stockage souterrain de gaz, tous protégés cathodiquement (soit 380 puits protégés). Le fait que ces sites soient exploités en nappes aquifères ou en cavités salines, ne modifie pas les principes généraux de protection cathodique des puits. Cette protection se calcule de la même manière que pour une conduite, en tenant compte de la longueur des divers tubes concentriques et de l'absence de protection passive de l'ouvrage. Le seul isolement qui existe 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 de l'ordre de 20 à 100 Ω.m2 dans le meilleur des cas. On conçoit donc que les intensités à mettre en jeu pour la protection cathodique des cuvelages de puits soient assez importantes malgré leur faible longueur. La protection initiale est assurée par des courants 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 souterrains sont essentiellement liés à l'obtention d'une bonne répartition des champs électriques dans un sous-sol encombré parfois d'un nombre considérable de puits. Il faut, en effet, veiller à éviter les interactions entre les divers puits, ainsi que la formation de zones d'écran entre les structures, en recherchant le meilleur emplacement des divers déversoirs compte tenu des possibilités offertes sur le terrain. - Une des difficultés rencontrée dans le contrôle de l'efficacité de la protection provient de l'absence de point de mesure accessible sur la structure, autre que celui qui est situé en tête de puits. En principe, la mesure en tête de puits d'un gain de potentiel et d'un courant de soutirage permet, par le calcul, de déterminer les deux inconnues du système d'équations, la valeur d'isolement R et le gain en extrémité de l'ouvrage. Cependant la mesure du potentiel en tête de puits doit être faite par la méthode dite à courant coupé pour s'affranchir des chutes de tension dans le sol, et des influences créées par d'autres puits situés à proximité.

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- La protection cathodique d'un puits est assurée indépendamment de celle des conduites qui en partent, qu'elles soient de gaz, d'eau ou de fluides divers. Cela nécessite 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 aboutissant dans la "cave". Dans le cas contraire, la résistance de terre du puits est si faible par rapport à celle de la conduite, que la majorité du courant de protection est captée par le cuvelage du puits ; la conduite ne reçoit alors plus toujours la densité de courant nécessaire à sa protection. Réalisation pratique de la protection - Les déversoirs sont adaptés à la nature des terrains des différents sites de stockage et sont réalisés soit à partir de rails de grande longueur (150 mètres) soit à partir de forages profonds (200 m comme à TERSANNE et St CLAIR SUR EPTE). Ils sont conçus pour débiter 80 à 100 A pendant 15 à 20 ans. - En général les redresseurs présentés sous forme de tiroirs modulaires sont regroupés en armoire. Sur certains sites, tous les générateurs sont centralisés dans une même armoire. Sur d'autres, à cause de longueurs de câbles trop importantes, le regroupement ne concerne que les 3 ou 4 puits alimentés par un même déversoir. Chaque tiroir redresseur est pourvu d'une régulation d'intensité rendue nécessaire pour que la coupure ou le réglage du courant d'un seul puits ne perturbe pas le fonctionnement des autres, ou ne nécessite pas la reprise du réglage des autres puits. 9.4

STATION DE FILTRATION D'EAU DE MER - THERMINAL METHANIER DE MONTOIR DE BRETAGNE Cette station permet la filtration de l'eau destinée à la regazeification du G.N.L., ainsi qu'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 de 6 mètres, d'où partent des rayons qui se raccordent à une jante de 12 m de diamètre. Un tamis en acier inoxydable, fixé à la jante, filtre l'eau de mer. Le reste de la structure est en acier ordinaire peint. Dans une eau d'estuaire dont la résistivité varie, selon les saisons ou les marées, de 0,5 à 20 Ω.m, les dangers de corrosion sont permanents et la protection cathodique de ces installations a été prévue à la construction de l'ouvrage. Elle est réalisée à partir de 2 redresseurs de 30 A, chaque déversoir étant constitué par un ensemble de 3 rondins de ferrosilicium. Dans le cas de MONTOIR DE BRETAGNE, l'ajustement du courant à la résistivité de l'eau filtrée et à la hauteur des marées a été réalisée en intercalant dans le circuit une résistance variable constituée par des lampes 32 V / 200 et 500 watts. Ce système de régulation 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'eau de mer de refroidissement des centrales nucléaires d'ELECTRICITE DE FRANCE. Les tambours 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. Les intensités à mettre en jeu sont considérables et varient de 100 à 200 A selon les tambours et les hauteurs de marée. Pour ces ouvrages en eau de mer, les déversoirs sont constitués par des anodes en titane platiné, pratiquement inusables, permettant des débits très importants.

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Le nombre d'anodes nécessaires est déterminé pour que le champ électrique soit bien réparti sur la structure, quelle que soit la hauteur de la marée (l'amplitude maximum de la marée pouvant atteindre 11 m en certains lieux) afin que les potentiels mesurés soient les plus uniformes possibles. Des niveaux de potentiels trop élevés risquent d'entraîner le cloquage des peintures sur l'acier ordinaire et la détérioration de la couche de passivation de l'acier inoxydable. Il est à remarquer que la protection cathodique, particulièrement en eau saline, favorise sur ces structures la formation de dépôts calcomagnésiens, qui sous certaines conditions, peuvent être très adhérents et isolants. Ces dépôts remplacent progressivement le revêtement par peinture, qui se dégrade en vieillissant, et permettent progressivement de diminuer l'intensité débitée. 9.5

PROTECTION CATHODIQUE DE CONDUITES DE FONTE Le cas décrit concerne une canalisation réalisée près de SETE, de FRONTIGNAN à LA PEYRADE, en tubes de fonte ductile vissés. La canalisation a été posée nue dans un remblai de chaux et sable. Le terrain naturel est constitué par des alluvions marécageuses soumises à des infiltrations d'eaux plus ou moins salées provenant d'un canal (résistivité des sols de 2 à 10 Ω.m). Posée en 1953, (longueur 3,1 km et diamètre 150 mm), la canalisation présentait trois années plus tard des corrosions sévères en maints emplacements. Une protection cathodique lui a été appliquée. Quatre soutirages débitant chacun une vingtaine d'ampères, répartis sur le tracé, permettent, de maintenir le niveau de son potentiel en dessous du seuil de protection cathodique. Les déversoirs ont été réalisés en rondins de ferrosilicium, graphite, et en titane platiné (figure n° 37). Une autre canalisation entre MONTPELLIER et FRONTIGNAN est également construite en tubes de fonte ductile vissés. Les terrains traversés par cet ouvrage n'étant pas agressifs, la protection cathodique n'y a pas été installée. Cependant cet ouvrage longeant une voie ferrée électrifiée en courant continu, il a été nécessaire d'installer après essais, trois appareils de drainage sur les 16 km de la canalisation.

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BIBLIOGRAPHIE (rédaction en français)

I - Ouvrages concernant plus particulièrement la corrosion - Théorie et Méthodes d'Essai de la corrosion des métaux par G.V. AKIMOV DUNOD 1957. - Corrosion et Protection par H.H. UHLIG - DUNOD 1970. - Corrosion et Protection des Métaux - Les HOUCHES 1985 sous le patronage du Cefracor 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 par le 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 la commission française présidée par M. NEVEUX Editions EYROLLES - 1968 (Nouvelle édition 1987). - Guide pratique de protection cathodique. Edité par la Chambre Syndicale de la Recherche et de la Production du pétrole et du gaz naturel - Comité des Techniciens. - Protection contre la corrosion des ouvrages maritimes pétroliers, par M. ROCHE Diffusion : Editions TECHNIP. III - Documentation établie par le GAZ de FRANCE - G.D.F. - D.P.T. - Corrosion et protection cathodique des canalisations en acier par M. Roger LEGRAND. - G.D.F. - D.E.G.S - Protection contre la corrosion des ouvrages métalliques enterrés Document rassemblant les fiches spécifiques tirées du Guide de la Distribution. - G.D.F. - D.P.T. - Note technique 4820 - Généralités sur les protections 4821 - Equipement des canalisations 4822 - Réalisation et exploitation de la protection. C.T.O. - S.P.C.O. - Edition Janvier 1985.

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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 canalisations en acier de transport et de distribution de gaz enterrées. - GAZ de FRANCE - R. 10 - Edition 1983. Spécifications techniques relatives à la fourniture de protections antiroches destinées 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 des canalisations de transport et de distribution" VI - Documentation relative aux raccords isolants - D.P.T. - D.E.T.N. - Spécifications techniques relatives aux raccords isolants pour canalisations 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 les canalisations 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 enterrées contre les influences des installations de transport d'énergie électrique. N° 16597 Janvier 1967 Document complémentaire aux recommandations concernant la protection des conduites enterrées contre les influences des installations de transport d'énergie électrique, traitant des méthodes pratiques d'évaluation des contraintes électriques.

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LA PROTECTION CATHODIQUE DES 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 CEDEX TEL. 44 23 40 40 – TELECOPIE – 44 23 41 41 GDF RCS PARIS B 542 107 651

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DEFINITION GENERALE DE LA CORROSION

CORROSION : Processus de dégradation de la matière.

Le métal sous l'action de l'environnement a tendance à retrouver son état originel : oxydes, sulfates, carbonates... Le phénomène se traduit par une réaction électrochimique qui se produit à la surface du métal.

Nota : Environ 7% de la production mondiale d'acier est détruite annuellement par corrosion.

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L'ELECTROLYTE

On appelle "ELECTROLYTE" un milieu conducteur de l'électricité, dont la conduction est de nature ionique et non pas électronique comme avec les métaux. La conductivité des électrolytes est faible par rapport à celle des métaux. Plus la résistivité de l'électrolyte est faible plus le milieu est conducteur de l'électricité.

EXEMPLES D'ELECTROLYTE : La terre. La mer. L'eau des rivières.

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NOTION DE COUCHE DOUBLE

Métal plongé dans un électrolyte ↓ Passage d'ions positifs dans l'électrolyte ↓ Les électrons libérés s'opposent à l'éloignement des ions positifs ↓ Dans certaines conditions, un équilibre s'établit entre le métal et ses ions

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Le métal chargé négativement prend un certain potentiel qui est propre au couple METAL-ELECTROLYTE. U = f (Métal-Electrolyte) Echelle de NERNST

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LES DIFFERENTS TYPES DE CORROSIONS LES PLUS FREQUEMMENT RENCONTREES SUR LES OUVRAGES ENTERRES

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LES COUPLES GALVANIQUES

Réaction d'OXYDATION Réaction de REDUCTION ANODE

CATHODE

Nous avons réalisé une pile électrique. Les zones qui se corrodent sont les zones où il y a sortie de courant dans le sens conventionnel.

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CORROSION GALVANIQUE PAR COUPLAGE DE DEUX METAUX

ANODE

CATHODE

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EXEMPLES DE COUPLES GALVANIQUES Conduite en acier

Conduite en acier

Conduite en fonte

CORROSION DE L'ACIER

CORROSION DE L'ALUMINIUM 97/147

LOI de FARADAY

La masse de métal déplacé par corrosion est donnée par la loi de 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 grandeur suivants : 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.

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REMARQUES : La sévérité des corrosions est fonction des surfaces anodiques et cathodiques en présence. Grande surface anodique et petite surface cathodique : DANGER A LONG TERME.

Petite surface anodique et grande surface cathodique : DANGER IMMEDIAT.

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Les corrosions sont d'autant plus sévères et rapides que la surface anodique est petite par rapport à la surface cathodique. C'est le courant qui corrode et non pas le potentiel. A une faible différence de potentiel entre deux métaux, il peut correspondre un couple de corrosion important et inversement.

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PRINCIPE DE LA MESURE DES POTENTIELS

On mesure la force électromotrice en circuit ouvert d'une pile électrique (couple galvanique). Il faut que la résistance interne du voltmètre soit la plus élevée que possible de manière à minimiser le courant "i" de la pile électrique. 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 à la 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 la circulation du courant "i". Le couple "métal N-électrolyte" doit être impolarisable. Si l'on change de métal de référence, le potentiel de "M" sera modifié. Lors d'une mesure de potentiel, il faut toujours préciser la nature de la demi pile électrique (électrode de référence) qui a été prise comme référence.

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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 pour les mesures de potentiel sur les conduites enterrées. Electrode Cu/CuSO4

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La mesure du potentiel d'une canalisation enterrée s'effectue à l'aide d'une électrode au cuivre/sulfate de cuivre saturée et d'un voltmètre de forte résistance interne. Cependant, compte tenu de la circulation des courants de protection cathodique dans le sol , la mesure ainsi effectuée ne correspond pas au potentiel du métal de la canalisation en contact avec le sol.

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FIG. 5 - ELECTRODE ARGENT / CHLORURE D'ARGENT

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POTENTIELS RESPECTIFS DES DIFFERENTES ELECTRODES Les potentiels sont exprimés en mV par rapport à l'électrode au Cu/CuSO4.

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ECHELLE DE NERNST

L'échelle de NERNST donne les valeurs à 25°C des potentiels normaux des éléments usuels par rapport à l'électrode à hydrogène.

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PILE GEOLOGIQUE

Une pile géologique est constituée d'un même métal plongé dans 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).

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AERATION DIFFERENTIELLE

Réactions électrochimiques possibles dans la zone cathodique : 4e- + O2 + 2H2O → 40H4e- + 02+ 4H+ → 2H2O

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CORROSION PAR LES COURANTS VAGABONDS On appelle "courants vagabonds" les courants continus qui circulent 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 courant continu.

Une partie des courants de traction reviennent aux sousstations par le sol : de quelques pour cent à plusieurs dizaines de pour cent. 110/147

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APPLICATION DE LA LOI DE FARADAY Illustration de la vitesse des corrosions générées par une sortie de courant en un point donné d'une conduite Consommation de l'acier : 10 kg/A/an Densité de l'acier : 7,9 Volume de métal consommé par jour par 1 ampère : =

10 7,9

x

1 000 365

= 3,468 cm3/jour

Pour une épaisseur de métal de :

Calcul du temps nécessaire pour obtenir le percement de la canalisation avec les cratères définis ci après.

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CORROSIONS BACTERIENNES Certaines bactéries peuvent développer des corrosions à la surface des canalisations enterrées. Il a été mis en évidence l'action des bactéries réductrices des sulfates 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 le sulfure de fer et l'oxyde de fer. Elles peuvent dégager une odeur d'hydrogène sulfureux. Ce type de corrosion est constaté dans les terrains humides ou marécageux riche en soufre (sols anaérobies). On les rencontre également en milieu urbain dans les zones où il y a eu des fuites d'égouts.

PROTECTION CATHODIQUE : La protection cathodique permet l'élimination des colonies de bactéries par abaissement du pH au niveau de l'interface entre le métal et l'électrolyte. Les colonies de bactéries sulfatoréductrices ne peuvent pas se développer 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

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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 114/147

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INFLUENCE DE LA NATURE DU SOL

La détermination des risques de corrosion de l'acier dans le sol consiste 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 dans la 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 du tracé d'une conduite permet de conclure à un risque de corrosion par aération différentielle ou par pile géologique. 116/147

MESURE DE LA RESISTIVITE DES SOLS

La résistivité du sol à une profondeur comprise entre "a" et les 2/3 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/I exprimé en ohm.

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LA PROTECTION DES OUVRAGES

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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 composants suivants : • un primaire d'accrochage : produit de liaison entre la couche anticorrosive et le métal, • une couche anticorrosive, • une couche de protection mécanique complémentaire si nécessaire.

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Les protections antiroches complémentaires : Les protections antiroches complémentaires sont utilisées conjointement avec les revêtements anticorrosion. Elles ont pour but de protéger les revêtements contre les agressions 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 en fouille, il est nécessaire de vérifier la qualité des revêtements par un essai d'isolement au balai électrique.

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ISOLEMENT DES DIFFERENTS METAUX CONSTITUTIFS DES OUVRAGES BUT : Empêcher la circulation des courants dus aux couples galvaniques.

Différents types de raccords isolants : • R.I. monobloc • R.I. à brides Nota : Sur les réseaux de transport, GDF n'utilise que des raccords isolants type HT : tension d'essai 5 kV pendant une minute.

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LA PROTECTION ACTIVE

BUT : - Supprimer les couples galvaniques et les piles géologiques par égalisation des potentiels. - Polariser négativement le métal par rapport au milieu extérieur de manière à abaisser son potentiel jusqu'à son domaine 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 sans bactérie

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

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LA PROTECTION ACTIVE PAR ANODE SOLUBLE

L'anode doit être dimensionnée de telle manière que le courant reçu par la conduite soit suffisant pour abaisser son potentiel dans le domaine d'immunité. La liaison anode-conduite doit être amovible pour pouvoir contrôler l'efficacité du système.

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PROTECTION PAR ANODE SOLUBLE : I ≤ 10 mA

• Ouvrages de faibles dimensions ayant une bonne protection passive. • Terrain de faible résistivité (< 50 Ω m).

• Creuser une tranchée horizontale de 1.5 m de long sur 0.5 m de large au niveau de la génératrice inférieure de la conduite (autre disposition possible : anode verticale). • Mettre en place l'anode avec son régulateur de corrosion dans le fond de la fouille. • Remplir la tranchée d'eau. • Attendre 10 à 15 minutes avant de remblayer. • Procéder aux raccordements électriques habituels.

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PROTECTION PAR SOUTIRAGE DE COURANT

DEVERSOIR : • Rondins en ferrosilicium • Rondins en graphite • Rondins en magnétite • Rails de chemin de fer • Titane platiné

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DISPOSITION GENERALE D'UN SOUTIRAGE DE COURANT

Pour l'implantation d'un soutirage de courant, il est nécessaire de disposer d'un terrain vierge de toutes structures métalliques enterrées.

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TRANSFORMATEUR REDRESSEUR DE COURANT

Différents modèles de transformateur-redresseur utilisés à Gaz de 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.

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DEVERSOIRS

Déversoirs réalisés à partir de rails de chemin de fer

Sauf en présence de sols très faiblement résistant, il est conseillé de noyer le rail dans du poussier de coke ou un backfill équivalent.

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DEVERSOIRS

Déversoirs réalisés à partir de rondins en graphite ou en ferrosilicium

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PROTECTION CONTRE LES COURANTS VAGABONDS

Les voies SNCF électrifiées en courant continu, les tramways, ou les métros peuvent engendrer dans le sol des circulations de courants vagabonds. Il y a corrosion des ouvrages métalliques dans les zones où les courants vagabonds sortent des ouvrages pour retourner aux sous-stations émettrices. Pour supprimer les corrosions, une liaison électrique polarisée est réalisée entre la canalisation et l'ouvrage perturbateur.

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SCHEMA DE PRINCIPE DU DRAINAGE

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REALISATION DES POSTES DE DRAINAGE

Enregistrement simultané des potentiels rail/sol et conduite/sol en fonction du temps :

Dossier administratif La réalisation des postes de drainage est soumise aux prescriptions de l'arrêté du 2 Avril 1991 (article 93). Un dossier est transmis à la D.R.I.R.E. justifiant la nécessité de réaliser le drainage (réalisation à titre curatif et non pas préventif). La D.R.I.R.E. effectue une enquête auprès des usagers du sous-sol (PTT, EDF, Service des eaux, ...).

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L'accord de réaliser le poste de drainage est donné par la DRIRE sous réserve de la prise en compte des remarques formulées par les usagers du sous-sol.

REMARQUES : - Lorsque les sous-stations sont éloignées des canalisations, il est possible de contrer les sorties de courant par la mise en place d'un ou de plusieurs postes de soutirage de courant (soutirages régulés par exemple). - Il est également possible de drainer les courants vagabonds sur des masses sacrificielles : anodes zinc généralement.

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EQUIPEMENT DES OUVRAGES

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PRISES DE POTENTIEL

Les prises de potentiel sont réalisées avec un câble unipolaire de 16 mm2 de section à âme en cuivre à double isolement. L'isolement du câble est réalisé en polyéthylène traité spécialement 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 : faible résistivité, zones humides, zones polluées (déchets industriels, dépôt de sel, décharge publique...). • Zones où les courants vagabonds ont tendance à sortir des ouvrages (sous-stations...). • Points particuliers : ouvrages d'art, croisement avec les ouvrages 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, voisinage des postes de transformation... 135/147

CABLES DE LIAISON

GDF fait fabriquer spécialement un câble unipolaire pour la protection cathodique des ouvrages (prises de potentiel, liaisons électriques) : • Arme : cuivre torsadé • Section : 16 ou 50 mm2 (95 mm2 exceptionnellement) • Enveloppe isolante polyéthylène spécialement traitée contre le chlore naissant. • Gaine extérieure : PVC

Ce câble peut être posé directement en terre sans protection mécanique complémentaire. En pose horizontale, prévoir un grillage avertisseur.

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GUIDE DE LA DISTRIBUTION SCHEMAS - CTO N° 37189

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PRISE de POTENTIEL ERICO SOUDABLE par le PROCEDE ALUMINOTHERMIQUE + KIT d'ENROBAGE POLYURETHANE

16, rue Jean-Jaurès, 54320 Maxéville – France – 

83 32 23 06 57

S.A.R.L. au capital de 150 000 F Fax 83 32 66 R.C. Nancy 333966075 R.M. Nancy 008216554 – SIRET 333966007500017 Code APE : 5302 – BNP Nancy 3 Maisons : 30004 240 622 36 65

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EXPLOITATION DES INSTALLATIONS

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TABLEAU RECAPITULATIF DES CONTROLES A 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 mois Une fois par an

DRAINAGE DE COURANT : • Vérification du bon fonctionnement • Contrôle détaillé

Une fois tous les 15 jours A minima une fois par an

LIAISON ELECTRIQUE (avec un tiers) Une fois par trimestre

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COUT DE LA PROTECTION CATHODIQUE DES OUVRAGES

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PROTECTION CATHODIQUE DES OUVRAGES

Coût des investissements : Inférieur à 1 % du coût du premier établissement de la canalisation : généralement compris entre 0,3 et 0,8 %. Cette estimation ne prend pas en compte le coût du revêtement ni des RI indispensables ( RI branchements).

Coûts d'exploitation : 0,1 à 0,2 % du coût de renouvellement des ouvrages correspondants.

Durée de vie des ouvrages sous PC : La durée de vie des ouvrages sous PC, sans percement des canalisations, 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 concernant l'exploitation et la surveillance des réseaux.

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Evolution du nombre de fuites en fonction du temps sur un réseau en acier de 100 Km non protégé cathodiquement

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Evolution du nombre de fuites en fonction du temps sur 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 environ 2% du coût de renouvellement des ouvrages.

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