Cours de protection cathodique 4.Conception Marcel ROCHE Généralités et critères de choix Anode galvanique simple non nécessaire Homogène compte tenu du champ d'action d'une anode importante surcharge en poids pour des structures de grandes dimensions, inadapté pour des grandes longueurs non envisageable si résistivité trop grande faible important aucune Système à courant imposé complexe indispensable souvent hétérogène Grandes dimensions, grandes longueurs aucune dif ficulté élevé faible grande Installation Source d’énergie Distribution du courant sur la structure Dimension de la struc ture à protéger Influence de la résistivité du milieu Débit par anodes Nombre d’anodes Flexibilité dans les conditions de fonctionnement en particulier variation de la demande en courant Risque de surprotection Interférences avec d’autres structures Risques humains Surveillance / maintenance quasi nul sauf dans le cas d’anodes de magn ésium faible non faible possible Influence forte possible possible surveillance régulière et nécessitant des techniciens spécialisés Cours protection cathodique M.Roche 2 Systèmes énergisés par courant imposé Transformateur Redresseur alimentation en 220V Câbles de cuivre 16 mm² D > 50 m Déversoir composé de - vieux rails - ferro silicium - graphite - magnétite - titane + métaux précieux Le backfill diminue la résistivité du milieu autour de l’anode Cours protection cathodique M.Roche 3 Protection par anodes galvaniques Point de mesure Câbles de cuivre 16 mm² 5 mA < I < 20 mA sol < 50 Ohm.m distance anode/canalisation > 3m Anode en magnésium ou en zinc Le backfill diminue la résistivité du milieu autour de l’anode Cours protection cathodique M.Roche 4 Dimensionnement de la protection cathodique • La conception du système de protection cathodique définissant le nombre, la masse, les dimensions et la répartition des anodes doit être faite pour assurer le respect du critère de potentiel retenu en tout point pendant la duré de vie de calcul • La conception est faite de façon générale à l'aide d'une méthode simplifiée facilement mise en œuvre Cours protection cathodique M.Roche 5 Dimensionnement de la protection cathodique Le courant de protection à fournir peut se déterminer : - par un essai sur site - en adoptant les valeurs de densités de courant suivantes Protection par soutirage 0,1 mA/m² mA/m² Protection par anodes sacrificielles: Canalisation acier revêtue PE ou Epoxy : 0,05 mA/m² Canalisation acier à revêtement bitumineux : 0,1 mA/m² : Canalisation acier revêtue PE ou Epoxy : Canalisation acier à revêtement bitumineux : 0,4 La différence de densité suivant la nature des sources s’explique par la meilleure répartition des courants avec les anodes sacrificielles. - par logiciel de calcul ( PROCOR) Cours protection cathodique M.Roche 6 Dimensionnement de la protection cathodique La durée de vie souhaitée du système est à calculer (vérifier si elle convient aux objectifs fixés) : Déversoir de soutirage Sa durée de vie est calculée sur la base des données de consommation du matériau et en prenant un coefficient de sécurité ( généralement égal à 2), pour une durée de 15 à 20 ans Anodes sacrificielles Elle est calculée sur la base de l’intensité fournie par l’anode, combiné avec le rendement électrochimique. Connaissant la masse d’une anode, on en déduit le nombre minimum d’anodes. Cours protection cathodique M.Roche 7 Dimensionnement de la protection cathodique La géométrie de l’ensemble masse anodique – backfill est à définir : La résistance de la masse anodique va dépendre : - de sa forme - du nombre et de l’espacement de ses différents éléments - de la résistivité du milieu Son calcul est toujours plus ou moins empirique. Il se base sur des formules de calcul de résistance de prise de terre pour des masses anodiques de géométrie et de position donnée •Application de formules de calcul (exemple : formule de DWIGHT) Pour un rondin posé horizontalement Pour n rondins Rt = 4L 4L h h² ρ (ln + ln − 2 + − +...) 4.π.L a h 2L 16L² Ro = K . Cours protection cathodique M.Roche 8 Rt n K : facteur de couplage n : nombre de rails Dimensionnement de la protection cathodique • Exemple de la conception en offshore : - estimation du "besoin en courant initial" I0 de chacune des surfaces S à protéger à partir de la densité de courant de protection initiale j0 et éventuellement du coefficient de dégradation initial du revêtement x0 : I0 = j0.S.x0 - idem pour les conditions de "maintien" de la protection après obtention du niveau de polarisation d'équilibre (effet du dépôt calco-magnésien) : Im = jm.S.xm Cours protection cathodique M.Roche 9 Mise en œuvre des systèmes de protection • Courant imposé : type et caractéristiques (I, V) de la source de courant type des anodes (Ti ou Nb platiné) dimensions, nombre et répartition des anodes dimensions des câbles électriques • Anodes sacrificielles : - type d’alliage sacrificiel - dimensions, nombre et répartition des anodes • Installation • Monitoring • Contrôles périodiques Cours protection cathodique M.Roche 10 Choix des alliages sacrificiels • Magnésium - potentiel très négatif (polarisation rapide, forte portée) - faible durée de vie (protection temporaire) - le plus coûteux • Zinc - fiable en toutes conditions jusqu’à 60°C (très sûr en enterré, en faible débit initial, sur structures revêtues) - peu fiable à température élevée • Aluminium - le moins coûteux - léger - actif à chaud (mais faible rendement) Cours protection cathodique M.Roche 11 Protection par anodes galvaniques Caractéristiques d’anodes galvaniques typiques à température ambiante Nature de Energie Potentiel Taux de l'alliage massique mV vs consommation pratique Ag/AgCl/eau kg/A.an Ah/kg de mer Al-In 2660 -1100 3,3 Zn 760 à 780 -950 à -1030 11,2 à -11,5 Mg 1230 -1500 7,1 Cours protection cathodique M.Roche 12 Coût comparatif des anodes (fourniture) Matériau Coût (€/kg) Consommation (Kg /A.an) Al 3 3,5 Zn 2,3 11,2 Mg 7,6 7,7 Coût de revient (€/A.an) 10,5 1 25,8 2,5 58,5 5,6 Ratio coûts Cours protection cathodique M.Roche 13 Dimensionnement de la protection cathodique • calcul de la masse totale d'anodes Mt à installer à partir du courant de "maintien", de la durée de vie de calcul D, de la consommation massique pratique du matériau des anodes m et du facteur d'utilisation de celles-ci : u : Mt = D. Im . m /u • calcul du nombre n, de la masse unitaire M (Mt = nM) et des dimensions des anodes (à partir des conditions initiales, généralement déterminantes), par l'intermédiaire de la notion de "résistance d'anode" et de la loi d'Ohm Cours protection cathodique M.Roche 14 Dimensionnement de la protection cathodique • Ce type de calcul considère que la résistance de l'électrolyte entre une anode et la structure protégée dépend uniquement des dimensions de l'anode, la cathode étant considérée à l'infini et la densité de courant anodique étant prédominante. • Des formules semi-empiriques, comprenant la résistivité ρ du milieu, sont utilisées pour calculer la "résistance d'anode"; Pour les anodes longiformes (longueur L, rayon équivalent r) utilisées sur structures tubulaires, on utilise une des formules de Dwight : R = ρ /2πL [ln(4L/r)-1] Cours protection cathodique M.Roche 15 Dimensionnement de la protection cathodique • On doit vérifier que le potentiel Ec de l'ouvrage est toujours plus négatif que le seuil de protection accepté, ceci notamment pour les conditions initiales : Ec = Ea + Ri avec i = Im /n et Ea potentiel "en charge" de l'anode. • L'optimisation de cette conception est un souci permanent pour réduire les coûts sans prendre de risque au niveau de la maintenance en service • Elle est essentiellement basée sur le retour d'expérience et la mise à profit des échecs Cours protection cathodique M.Roche 16 Dimensionnement de la protection cathodique Cours protection cathodique M.Roche 17 Dimensionnement de la protection cathodique • Il s'est avéré néanmoins utile de chercher à mieux se rapprocher de la réalité pour les cas les plus complexes en se basant sur l'équation de Laplace qui régit le champ électrique dans l'électrolyte : ∇ϕ(x) = ∑[∂2ϕ / ∂x2] (x) = 0 • Des logiciels de modélisation tridimensionnelle basés sur les éléments finis ou les équations intégrales de surface se sont développés au début des années 80 sur ce principe Cours protection cathodique M.Roche 18 Dimensionnement de la protection cathodique • PROCOR a été développé par le CETIM à partir de son logiciel de thermique CASTOR-TH3D, en collaboration avec IFREMER, Elf Aquitaine, DGA • Utilisation des équations intégrales de surface avec algorithme reconnu efficace • Modélisation surfacique ou tubulaire, prise en compte éventuelle de la chute ohmique dans ouvrages longilignes, électrolyte hétérogène • Introduction de tout type de courbe de polarisation Cours protection cathodique M.Roche 19 Dimensionnement de la protection cathodique • Entrée des données géométriques par préprocesseur graphique (CASTOR PRE3d) • Sorties de calcul par cartographie en couleurs des potentiels et des densités de courant • Prise en compte possible de l'évolution de la courbe de polarisation en fonction du temps par application de la méthode de Nisancioglu (SINTEF) - Algorithme utilisant paramètres électro-chimiques (réduction de l'eau, de 02 dissous, d'oxydation du fer) et de formation du dépôt calco-magnésien Cours protection cathodique M.Roche 20 Dimensionnement de la protection cathodique Cours protection cathodique M.Roche 21 Dimensionnement de la protection cathodique -500 Potentiel (mV/AgAgCl/eau de mer) -550 -600 Vit 0,17 Site Nœud à -56 m -650 -700 -750 -800 -850 -900 0 50 100 150 Site 210j 200 250 Temps (jours) Cours protection cathodique M.Roche 22 Dimensionnement de la protection cathodique Cours protection cathodique M.Roche 23 Dimensionnement de la protection cathodique Cours protection cathodique M.Roche 24