Protection Cathodique Important

Fichier : L4A-5.doc

ESDEP

GROUPE DE TRAVAIL 4A

PROTECTION DE L'ACIER CONTRE LA CORROSION

Leon 4A.5

La corrosion des plates-formes ptrolires

OBJECTIF

Amener les tudiants comprendre la protection des ensembles, tuyaux, etc. sur les

plates-formes et dans le sol.

PREREQUIS

Leon 4A.1 : Gnralits sur la corrosion

Leon 4A.2 : Facteurs gouvernant la protection des structures en acier

Leon 4A.3 : Pratique de la protection anticorrosion des btiments

Leon 4A.4 : Protection anticorrosion des ponts

LEON CONNEXE

Aucune

RESUME

Cette leon traite des systmes disponibles pour la protection des structures offshore. Il

traite de la mise en place des palplanches, de la corrosion dans les sols, de la

surveillance lectrique de la corrosion et, trs rapidement, de l'activit bactrienne et de

ses consquences sur le taux de la corrosion.

1. OFFSHORE

La Mer du Nord est plus hostile que les Golfes du Texas ou de l'Arabie. La technologie

valable pour les pays chauds doit s'adapter aux conditions climatiques tant pour les

constructions ctires que pour celles offshore de la Mer du Nord.

Les difficults de la rparation des revtements ou, pire encore, de remplacer l'acier,

font qu'il est impratif que le systme de revtement empche la perte de l'acier par

corrosion.

1.1 Constructions offshore fixes

Les constructions offshore fixes se divisent en trois zones :

sous-marine et soumises aux mares,

la zone de dferlement,

les ponts.

1.1.1 Zones sous-marines et soumises aux mares

Les ingnieurs spcialiss dans la lutte anticorrosion ne sont pas toujours d'accord sur le

choix d'un systme de protection de l'acier dans ces zones.

Les uns soutiennent que la zone au dessous du plus bas niveau de l'eau est soumise des

agressions mcaniques au cours de la construction et de l'accrochage et qu'aucun

revtement protecteur ne peut durer vingt-cinq ans dans l'eau de mer. Donc, la

protection anodique (anodes sacrificielles ou courant impos) est indispensable pour

appuyer les systmes de revtement. On se demande alors si les revtements sont

ncessaires puisque l'on peut facilement accrotre la capacit de la protection cathodique

et donc assurer une protection totale de la surface d'acier non revtu.

L'argument oppos est que mme abms, les revtements rduisent l'amprage du

courant impos et la consommation d'anodes. Les revtements amliorent sans aucun

doute la protection anticorrosion au niveau des angles et des soudages. Il semble donc

sens d'quilibrer le prix de revient des revtements par rapport la seule protection

cathodique.

Il n'y a pas de discussion quant aux avantages apports par les revtements de surface

dans la zone soumise aux mares et jusqu' 10 m au-dessous du plus bas niveau moyen

des mers1.

1 N.d.T. : Depuis plusieurs annes mme les Britanniques se rfrent notre "Zro des Cartes". Puis-je

suggrer que cette rfrence soit accepte ici ?

On peut augmenter l'paisseur de l'acier pour tenir compte de la corrosion dans cette

zone trs agressive, mais on utilise toujours la protection cathodique combine avec des

revtements.

1.1.2 Zone de dferlement et jetes

Ces zones se protgent convenablement par les systmes de revtement efficaces en

zone soumise aux mares. Le dessous des ponts de soutnement et, en gnral, toutes

les faces internes en font partie.

Tout systme choisi pour cet environnement doit tre capable de bien rsister l'eau,

la pntration de la rouille et aux produits ptroliers ou chimiques. Ils doivent aussi

accepter des rparations partielles.

1.1.3 Ponts

Les ponts des plates-formes ptrolires offshore rclament la protection de systmes de

revtement intensifs parce qu'ils subissent une circulation dense, aux impacts et aux

produits ptroliers et chimiques. Sur les jetes, les ponts sont souvent une extension de

la route d'approche et ne sont donc pas vulnrables. L o ils sont en acier, les mmes

considrations s'appliquent que pour la protection des plates-formes ptrolires

offshore.

1.2. quipements offshore mobiles

Il s'agit d'un grand nombre d'articles, par exemple les derricks de forage sur vrins (en

eau peu profonde), les plates-formes de forage automobiles et semi-submersibles, les

bateaux d'avitaillement. Les conditions de service varient selon les quipements et leur

mode de fonctionnement. Tous subissent des chocs et des abrasions importants qui

entranent la destruction des revtements de protection. L'entretien est difficile et se fait

en gnral en mme temps que les rparations mcaniques ou les rvisions et pendant

les priodes de relche. Les systmes de revtement utiliss pour la protection des

quipements offshore sont semblables ceux qui s'adressent aux constructions offshore

fixes.

1.3 Choix des peintures

Le choix des peintures est largement influenc par les conditions climatiques prvisibles

pendant la construction et bien sr l'entretien. Pour un ouvrage neuf, la prparation des

surfaces (toujours par sablage abrasif) et l'application des premires couches se fera

dans des ateliers o temprature et humidit sont contrles. Il n'est pas possible de

monter entirement sous abri la plupart des structures offshore et la complexit mme

de la fabrication exige un grand nombre de rparations sur place, que l'on ne peut donc

raliser qu' l'extrieur. Bien que le sablage abrasif local soit la mthode de prparation

normale en cas de dtrioration en cours de fabrication, il y a des cas o le nettoyage

avec des outils lectriques est le seul possible. Les produits utiliss pour les rparations

partielles doivent avoir de bonnes performances ( un niveau invitablement rduit) par-

dessus une telle prparation et une application dans des conditions d'exposition aux

intempries, parfois violentes. Les finitions sur l'ouvrage termin doivent aussi avoir de

bonnes performances dans des conditions similaires.

1.3.1 Systmes pour les zones sous-marine, soumise aux mares et de dferlement

1.3.1.1 Ouvrages neufs

La prparation des surfaces est dans tous les cas le sablage abrasif Sa 2/, ISO 8501-1

[1]

Les primaires possibles sont une couche de :

silicate de zinc deux composants de 75 m

poxyde de zinc deux composants de 35 m

une primaire poxy deux composants de 50 m

La couche de finition commune serait :

poxyde de goudron deux composants sans

avec des solides < 60 %

application au pistolet sans air 200 m par couche.

1.3.1.2 Entretien en cours de service

La peinture de maintenance des ouvrages offshore fixes, des jetes, etc. ne pourra

probablement se faire que pendant les quatre ou cinq mois du printemps et de l't, ce

qu'il est convenu d'appeler " la fentre de beau temps". Le travail cesse invitablement

par mauvais temps, quand la dernire couche se trouve moiti ou compltement

immerge, reoit des paquets de sel, etc. Donc, chaque couche doit pouvoir rsister au

milieu autant que la finition.

Il est faisable de rparer les zones sous marines en utilisant des revtements poxyde

sans solvant et dplaant l'eau. Comme ces revtements sont appliqus par des

plongeurs, les problmes sont vidents. Il est donc habituel de compter plutt sur la

protection cathodique pour prvenir la corrosion aux endroits o la peinture manque.

Les dgts dans les zones soumis mare ou de dferlement demandent rparation

parce que la protection cathodique n'est pas efficace plus de 0,2 m au-dessus du plus

bas niveau de l'eau.

1.3.2 Systmes Type pour l'Utilisation au-dessus de la Zone de Dferlement


Le choix de la primaire se fait parmi celles qui conviennent pour les zones sous-marine,

soumise mare ou de dferlement dcrites ci-dessus. La prparation des surfaces est le

sablage abrasif Sa 2, ISO 8501-1.

Le systme de finition sera probablement compos de couches intermdiaires d'poxyde

sans polyamide deux composants haute rsistance appliques en paisseurs de film sec

de 100 150 m par couche. On en met normalement deux. La premire peut-tre

pigmente par de l'oxyde de fer micac pour augmenter la prise aux artes. La couche

de finition d'environ 50 m de film sec sera soit une peinture deux composants dcrite

comme urthane ou polyurthane et base probablement de rsine acrylique

libre d'isocyanate ou d'urethane inhibiteur d'humidit un composant, c'est--dire. un

matriau ragissant l'humidit atmosphrique, donnant un produit fini prsentant des

caractristiques similaires celles des varits deux composants. La couche finale est

en gnral modifie pour s'assurer qu'on pourra la recouvrir de peinture de fabrication et

d'entretien sans qu'il soit ncessaire de commencer par un sablage lger pour obtenir de

l'adhrence. La description du produit qui se trouve dans les brochures techniques du

fabricant comporte en gnral le mot recouvrable . Quand l'aspect fini n'est pas

d'importance primordiale, on peut utiliser une primaire au silicate de zinc (75 m

d'paisseur de film sec) suivi de deux couches d'poxyde sans polyamide deux

composants haute rsistance pour donner un film sec de 150 m d'paisseur de film

sec par couche.

1.3.2.2 Maintenance

L'entretien rclame en gnral un sablage Sa 2 suivi de l'application du systme de

revtement d'origine. Le traitement se fait sur l'ensemble ou par endroits selon que le

revtement srieusement abm ou s'il ne s'agit que de zones isoles.

Lorsque la prparation de surface utilise un sablage abrasif l'eau, on utilise des

primaires spciales, par exemple de l'poxyde enrichi au zinc ou des modifications

cartant l'eau.

Si le sablage est impossible, on peut aussi se servir d'outils lectriques aux normes

sudoises St2, puis une primaire qui est un mastic aux pigments d'aluminium

poxyde deux composants avant de procder la finition comme not ci-dessus. Ne

l'employer que pour des rparations mineures.

1.3.3 Modles de Systmes pour les Ponts


Les ponts rclament des systmes trs rsistants qui doivent tre antidrapants autant

que rsistants aux conditions rigoureuses notes par ailleurs. Des systmes poxydes

deux composants sans solvant sont disponibles pour l'application directe en une seule

couche de 3000 m sur les surfaces sables (Sa 2). Ces revtements contiennent du

silex qui les empche de devenir glissants une fois en service. Il existe d'autres produits

qui ne font pas d'tincelles pour l'usage dans les zones risque d'incendie.

Des revtements standards poxyde deux composants haute rsistance du type utilis

pour les zones de dferlement s'emploient galement en applications deux couches

(total du film sec 200+ m) sur des primaires poxydes deux composants au silicate de

zinc, enrichis au zinc ou sans zinc.

1.3.3.2 Entretien

La maintenance consiste en gnral sabler Sa 2 puis rappliquer les systmes

d'origine, soit sur l'ensemble soit l o les dommages sont localiss. Si, pour une raison

ou une autre il est impossible de procder au sablage, on se sert d'outils lectriques au

standard sudois St3 qui convient pour le systme normal de revtement, c'est--dire un

systme de peinture poxyde deux composants 200 m. Le revtement haute

rsistance exige un niveau de sablage lev. La prparation de la surface pour l'entretien

est la mme que pour la peinture d'origine.

2. PALPLANCHES

Les sections d'acier utilises pour les palplanches en acier offrent une rsistance et une

durabilit maximum (tout en ayant de bonnes qualits de pntration) au poids le plus

bas qu'une bonne conception puisse atteindre. Les palplanches s'utilisent aussi bien pour

les ouvrages temporaires que permanents. Les utilisations courantes sont la dfense

contre la mer, la conqute de terrain sur la mer, les quais et les gabions. Les palplanches

peuvent tre pisses lorsque des longueurs suprieures 30 m sont ncessaires et

bien que les palplanches soient, en gnral, rserves aux ouvrages en ligne droite ,

par exemple les murs d'un quai, on peut employer les sections dans des formes

nombreuses y compris des cercles complets.

La dure relle des palplanches non protges, qu'elles soient faites d'acier doux ou

d'acier haute rsistance (par exemple dans les qualits 43A et 50A, BS 4360 :1986)

dpend des contraintes imposes en service et de la corrosion. La dure potentielle des

sections varie de plus de 120 ans lorsqu'elles sont exposes une atmosphre taux de

corrosion moyen de 0,05 mm/anne environ 80 ans dans une zone de dferlement au

taux moyen de 0,09 mm/anne en supposant qu'une seule face de l'ouvrage soit expose.

Lorsque les deux cts d'un ouvrage en palplanches sont exposs l'atmosphre, par

exemple, la dure relle diminue de quelques 30 %.

De nombreux milieux dans lesquels on utilise des palplanches ont des taux de corrosion

faibles. On sait que les palplanches enfonces dans des sols intacts se corrodent moins

de 0,03 mm/anne. Dans un tel cas, la protection est superflue. Par contre, la corrosion

dans une zone de dferlement peut atteindre 0,15 mm/anne. Si les contraintes sont

galement leves, il convient de prendre des mesures pour accrotre la dure de

l'ouvrage. On peut remplacer l'acier doux par de l'acier haute rsistance, comme on

peut en augmenter l'paisseur. La protection cathodique peut convenir. Mais tout au

dbut de la liste des moyens de protection il y a les peintures.

Les revtements de protection doivent rpondre certaines exigences :

les peintures doivent convenir l'application au pistolet sans air,

les peintures doivent tre schage rapide et se mettre hors d'eau trs vite,

des solides au dessus de 50 % sont ncessaires pour assurer une paisseur de film

sec de 100 400 m en deux couches maximum.

Ces qualits sont indispensables pour permettre une mise en uvre rapide et sans problme dans les ateliers o l'on applique le revtement d'origine.

De plus, le revtement doit :

possder une excellente adhrence,

tre dur et rsistant l'abrasion,

tre faiblement permable l'eau, avoir une bonne rsistance chimique pour rsister au transit, la mise en place et finalement au milieu auquel il est expos.

Un certain nombre de systmes de peintures sont disponibles pour le spcificateur qui

choisira parmi ceux conus pour cet usage particulier. Un expert, British Steel, n'accepte

seulement que deux produits, l'un et l'autre conus spcifiquement pour les palplanches.

Le premier est une rsine poxy de haute rsistance deux composants sans isocyanate.

On l'applique sur des surfaces nettoyes par sablage abrasif la qualit SA 2 jusqu'

400 m en une ou deux couches. On s'en sert pour les digues, jetes, murailles des ports

et les plies de soutnement dans les sols corrosifs. La premire intervention de

maintenance est en principe aprs 15 ans pour une exposition svre. La maintenance

consiste soit en un sablage suivi d'une projection au pistolet sans air du revtement

d'origine en une seule couche 400 m ou en deux couches de ce qui en fait est le

second systme que l'on considre comme adquat pour la protection des palplanches.

Ce second systme est dcrit comme vinyl/goudron. Ce revtement est une rsine

modifie par des rsines vinyl spcifiques qui lui donnent une certaine lasticit. Ce

produit monocomposant ne sche que par vaporation du solvant, ce qui le rend

particulirement bien adapt l'emploi sur chantier. On peut l'appliquer jusqu' 150 m

par couche. Il s'emploie pour les murailles des canaux et des fleuves et les ouvrages non

exposs aux milieux agressifs. On choisira de prfrence un nettoyage au sablage

abrasif Sa 2, mais ce produit s'emploie efficacement sur de l'acier prpar avec des

outils lectriques (Norme sudoise St2 ou 3). L'entretien rclame l'application du

matriau d'origine l'paisseur de film sec d'origine ou bien on peut recouvrir de rsines

haute rsistance de diverses formules.

Seule la rsine poxyde sans isocyanate doit tre employe pour les ouvrages

protection cathodique.

3. CORROSION DANS LES SOLS

La corrosion dans les sols est semblable celle dans l'eau. Elle demande la prsence

d'un lectrolyte et de circonstances produisant des zones anodiques et cathodiques dans

l'acier ou le fer.

Pour que les conditions de sol produisent de la corrosion il faut :

de l'humidit,

de l'oxygne,

des sels en solution qui augmentent la conductivit lectrique,

un tat acide.

Les ouvrages d'acier enterrs sont rarement exposs des conditions dans lesquelles

l'lectrolyte est suffisamment acide pour favoriser la corrosion sans prsence d'oxygne

pour entretenir le processus. La corrosion rclame en gnral un sol permable l'air,

avec des variations de l'tat du sol donnant naissance des variations dans la ventilation

et la cration de zones anodiques et cathodiques (voir figure 1). L'exception tant

l'argile imbibe d'eau et neutre ; bien que l'oxygne ne puisse pntrer, la corrosion

intervient par les bactries rductrices de sulfates (voir 5).

Le courant lectrique accidentel peut provoquer une corrosion grave, le mtal enterr

offrant un accs de faible rsistance. Le mtal se comporte en cathode l o pntre le

courant positif et devient anode l o le courant lche le mtal. La figure 2 illustre ce

problme. L'effet est plus grave avec le courant continu.

Les mthodes permettant le contrle de la corrosion dans les sols sont peu nombreuses.

Quand le sol est acide, on peut rendre les pipelines moins vulnrables en garnissant les

tranches de morceaux de chaux qui modifient le pH. Cette mthode ne sera

probablement pas bonne pour les ouvrages ou les palplanches l o le sol doit tre laiss

intact. Dans de nombreux cas, la seule rponse efficace consiste modifier la route du

pipe-line ou changer l'emplacement de l'ouvrage.

Classiquement, on a protg les structures enterres par des revtements de peinture au

goudron, des rsines ou du bitume renforc rsine. Aujourd'hui, les rsines le plus

frquemment employes sont les poxydes, les vinyls et les urthanes, c'est--dire. que

les revtements examins ci-dessus conviennent aux aciers immergs et aux palplanches

enterres. Dans le cas des tuyaux enterrs, d'autres revtements, par exemple de

l'poxyde-poudre, du polythylne trois couches ou des revtements de bandes de toile

sont envisager.

Pour tout acier ou fer enterr, il faut une protection cathodique pour renforcer

l'efficacit du revtement.

4. CONTROLE DE LA CORROSION PAR L'ELECTRICITE

La meilleure mthode connue est la protection cathodique, mais il en existe d'autres,

c'est--dire. la protection anodique et l'isolation lectrique.

4.1 La protection cathodique

La protection cathodique repose sur le fait que, si toute la surface d'un mtal est rendue

cathodique par une lectrode externe, la corrosion ne se produit pas. La figure 3 illustre

la mise en uvre d'un courant impos. En gnral, un courant continu de faible voltage est le courant externe confrant la protection. La borne positive de la source du courant

est connecte une anode auxiliaire place distance de l'ouvrage protger. L'ouvrage

est lui-mme connect la borne ngative et le courant passe de l'anode la structure

protge. Celle-ci est en gnral revtue de peinture ou de bandes protectrices parce que

le courant ncessaire pour protger une structure non revtue serait trop lev pour que

le systme soit rentable. Donc, le revtement ou les bandes sont la toute premire

dfense et la protection cathodique se charge des dfauts de ce revtement.

Les anodes sacrificielles (alliages de zinc, d'aluminium ou de magnsium) sont utilises

galement (figure 4). Dans ce cas, l'lectrode auxiliaire est d'un mtal plus actif que le

mtal protger qui devient la cathode. Un courant externe est alors inutile, mais la

protection cesse si l'anode est compltement use.

4.2 La protection anodique

La protection anodique rclame une couche passive pour protger le mtal de la

corrosion. On applique un courant externe dans le sens oppos celui d'un systme

cathodique. Les lectrons quittent la surface, faisant monter le potentiel de l'anode

jusqu' une valeur laquelle le mtal devient passif (figure 5). La densit requise est

leve, mais une fois la passivit acquise un trs faible courant suffit faire marcher le

systme. Un intrt supplmentaire rside dans la puissance de propagation leve

du courant qui atteint des zones loignes de la cathode. Le systme est donc

particulirement utile dans les rservoirs aux formes complexes et dans les longs

pipelines.

Le liquide manipul doit tre passivable, par exemple, l'acide sulfurique. Le courant et

le milieu demandent une surveillance attentive assurant que les conditions correctes sont

maintenues. Sinon, la corrosion est rapide.

4.3 L'isolation lectrique

L'isolation lectrique augmente la rsistance dans certains endroits de la cellule de

corrosion, rduisant le courant et donc la corrosion. Par exemple, la rsistivit lectrique

de l'eau dminralise est trs suprieure celle d'une solution sale et le taux de

corrosion de la premire est moins lev en consquence.

Changer le trac des pipelines pour viter des sols corrosifs de faible rsistivit rduit le

risque de corrosion. Le fait de dposer les pipelines dans des sols de rsistivit

diffrente peut provoquer des zones anodiques dans le mtal se trouvant dans des sols

de faible rsistivit et des zones cathodiques dans les sols haute rsistivit, crant des

cellules de corrosion.

On vite ces courants en ligne longue en insrant des joints isolants entre les sections de

tuyaux.

Enfin, en isolant l'un de l'autre les diffrents mtaux, par exemple un bardage

d'aluminium de l'acier qui le soutient limine le risque de corrosion galvanique.

5. ORGANISMES AEROBIES ET ANAEROBIES

Les explications dtailles dpassant le cadre de cette leon, il reste que les ingnieurs

et les architectes doivent prendre conscience des effets des organismes arobies et

anarobies sur l'occurrence de la corrosion dans les ouvrages d'acier ou de fer immergs

ou enterrs. Dans la pratique, il faut rechercher les conseils des spcialistes au cas o les

bactries risquent de se dvelopper.

Les organismes arobies sont ceux qui exigent de l'oxygne libre pour prosprer et les

anarobies ceux qui ne rclament pas d'oxygne.

Dans le domaine de la corrosion, les bactries rductrices des sulfates (BRS) sont sans

doute les plus connues ; elles sont sans aucun doute des plus destructrices. Dans notre

milieu prdominance arobique, elles sont endmiques parce que ce sont des

organismes strictement anarobies. Lorsque l'oxygne du milieu diminue, par exemple

dans les eaux stagnantes, sur une jete mare basse, les BRS se rveillent. Le

dveloppement des cellules entrane l'apparition de sous-produits qui provoquent la

corrosion anarobie. Leur mtabolisme exige la transformation en eau des molcules de

sulfate, ce qui libre des sulfures ragissant avec l'hydrogne pour former un gaz

extrmement corrosif, le sulfure d'hydrogne. Ce processus non seulement diminue le

niveau de l'oxygne, ce qui encourage le dveloppement des bactries, mais aussi

entrane des ractions avec le fer et l'acier.

6. CONCLUSION

Bien que cette partie de l'ouvrage soit du domaine du technicien de la prvention de la corrosion, architectes et ingnieurs doivent en prendre certains aspects en

considration.

Les traitements anticorrosion des ouvrages offshore ne sont pas les mmes au niveau et au dessus des ponts, ni dessous au niveau des mares.

Les systmes de protection des palplanches exigent une connaissance des niveaux de contrainte et des gammes de produits, ainsi que des sols et de l'eau dans

lesquels on les enfonce.

Les dgts se produisant en cours de construction ou en service rclament l'emploi de revtements rsistant aux chocs, surtout en milieu marin. Les mthodes

permettant de contrler la corrosion lectrolytique offrent sans doute les

meilleures solutions.

Il faut prendre en compte la possibilit que des bactries se dveloppent, provoquant une action corrosive sur les aciers immergs ou enterrs.

7. BIBLIOGRAPHIE

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Environnement", NSB Monograph 158, Washington, National Bureau of

Standards, 1997.

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of Welded Plate Specimens in Seawater", Microfiche Report with OTH 89310,

London, HMSO, 1990.

3. Thorpe, T.W. "Influence of Stress Spectrum, Seawater and Cathodic Protection

on Fatigue Crack Propagation in Structural Steels", London, HMSO, 1990.

4. Carney, R.F.A., "Cathodic Protection of Steel in Real and Simulated Seawater

Environnements", London, HMSO, 1989.

5. Waite, D., "Steel Piles", Chapter 29 - Steel Designers" Manual, Oxford,

Blackwell Scientific Publications, 1992.

6. Wijngaard, B. H., "Steel Piling Corrosion in Marine Environnements - a

Survey", EUR 7430, EEC, ECSC, 1982.

TRADUCTION DES FIGURES

Cathode Anode Cathode Sable et gravier Argile

Sable et gravier

Figure 1 - Corrosion rsultant de variations de la nature du sol

Conducteur Vers le gnrateur Voie Tuyau mtallique

Sol Anode Cathode

Figure 2 - Corrosion de mtal enterr provoqu par des courants lectriques provenant d'un

train lectrique

Alimentation Courant Continu Anode Courant

lectrode de rfrence Structure protge

Figure 3 - Protection cathodique par courant impos

Fils liant les anodes sacrificielles au pipeline : sens du flux d'lectrons

Pipeline enterr Anodes sacrificielles enterres proximit du pipeline

Courant positif de l'anode au pipeline par la terre

Figure 4 - Protection cathodique par anode sacrificielles

Vers le stabilisateur de potentiel Rfrence Cathode

Bac d'acier Acide Pont salin Sens du courant

Figure 5 - Protection anodique d'un bac d'acier

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