Demandez à quiconque a observé un mur de pieux en acier dans une rivière à marée pendant une décennie et vous entendrez la même histoire. La structure semble en bon état pendant des années, puis la perte de section apparaît juste en dessous des basses eaux, exactement là où personne ne peut la voir. Une protection cathodique et des anodes sacrificielles existent pour interrompre cette histoire. Il ne s’agit pas d’une nouvelle technologie et ils ne sont pas compliqués une fois le jargon supprimé, mais ils sont également faciles à mal spécifier. Ce guide explique comment fonctionnent les deux méthodes, comment un système d'anode est dimensionné dans la pratique et où toute la conversation change une fois que le mur lui-même est constitué de polymère plutôt que d'acier.

Ce que fait réellement la protection cathodique

L'acier se corrode car il forme une cellule électrochimique avec son environnement. Une partie de la surface se comporte comme une anode et cède des ions fer dans l’eau ou le sol, libérant ainsi des électrons. Une autre partie se comporte comme une cathode, où ces électrons sont consommés. L'électrolyte (eau de mer, eau saumâtre, sol humide) transporte le courant ionique et l'acier lui-même transporte le courant électronique. Retirez l’un de ces trois éléments et la corrosion s’arrête.

La protection cathodique s’attaque au problème du côté électrique. Au lieu de laisser l'acier fournir ses propres électrons aux sites anodiques, vous introduisez des électrons provenant d'une source externe. Les zones actives sont poussées dans un état cathodique et passif. En effet, vous n'arrêtez pas tant la réaction de corrosion que de la laisser se produire ailleurs.

Il n’existe que deux manières de fournir ces électrons. Soit vous connectez l'acier à un métal plus réactif qui se corrode à sa place (une anode sacrificielle, ou galvanique), soit vous introduisez du courant dans la structure à partir d'une alimentation électrique via des anodes inertes (protection cathodique à courant imposé, généralement abrégée en ICCP).

Comment fonctionne une anode sacrificielle

Une anode sacrificielle est simplement un morceau de métal moins noble que l’acier qu’elle protège. Connectez les deux électriquement, mettez les deux dans le même électrolyte et l'anode devient la surface corrodante. Les pieux en acier dans une jetée sont souvent équipés de bracelets en alliage de zinc ou d'aluminium boulonnés à l'âme, ou de supports d'écartement soudés sur la ligne de défense. L'anode se dissout lentement ; la pile reste intacte.

Étant donné que la tension de commande provient de la différence de potentiel entre les deux métaux, aucune alimentation externe n'est nécessaire. C'est là la grande force des systèmes galvaniques et aussi de leur plafond. La tension est faible, de sorte que le courant qui atteint une surface éloignée ou bien recouverte est limité, et l'anode a une masse finie qui est consommée pendant toute la durée de vie nominale. Lorsque les anodes sont parties, la protection disparaît, c'est pourquoi l'accès au remplacement est aussi important que le calcul initial.

Faire correspondre le métal de l'anode à l'eau

La sélection de l’anode concerne principalement l’électrolyte. La résistivité, la salinité, la température et l'oxygène dissous modifient tous le choix, et un mauvais choix signifie généralement soit une perte de masse, soit, pire encore, une surprotection qui endommage le revêtement qu'il était censé aider.

Le magnésium est délibérément exclu de l’eau de mer. Sa tension de commande plus élevée est utile dans les sols secs et résistifs, mais dans l'eau salée, elle peut pousser le potentiel de l'acier suffisamment loin pour générer de l'hydrogène à la surface et faire boursoufler le revêtement. Il est également consommé plus rapidement que ne le suggèrent les mathématiques. Les alliages de zinc et d’aluminium sont les bêtes de somme du monde marin précisément pour cette raison.

Anodes sacrificielles ou courant imposé ?

Pour un seul mur de palplanches courtes avec un accès raisonnable pour les plongeurs ou un petit bateau, les anodes galvaniques sont difficiles à battre. Il n'y a pas de transformateur redresseur à loger, pas de câblage à protéger, pas d'alimentation électrique en cas de panne et le système ne nécessite pratiquement aucun entretien jusqu'à ce que les anodes doivent être remplacées.

ICCP gagne sur les plus grandes structures. Une longue jetée avec des centaines de pieux, ou une structure où les anodes sont placées dans des traîneaux éloignés sur le fond marin, ont besoin de plus de courant qu'un système galvanique ne peut en fournir. Les anodes à courant imposé, généralement du titane ou du graphite recouverts d'un mélange d'oxydes métalliques, peuvent être pilotées à une tension beaucoup plus élevée et la sortie peut être ajustée à mesure que le revêtement se dégrade ou que l'environnement change. En échange, vous acceptez un coût d'investissement plus élevé, un besoin permanent en énergie, un équipement de surveillance et un système dont un opérateur compétent doit s'occuper.

Une règle empirique raisonnable : si la demande actuelle est modeste et la structure est compacte, restez galvanique. Si vous protégez des milliers de mètres carrés d'acier et souhaitez un seul panneau de commande au lieu de plusieurs tonnes d'aluminium, pensez au courant imposé.

Dimensionnement d'un système : courant, zone et temps

Chaque conception commence par la demande actuelle, et la demande actuelle commence par la zone mouillée :

• Calculer la surface immergée et enterrée d'acier à protéger.
• Multipliez par une densité de courant de conception pour cet environnement, généralement exprimée en milliampères par mètre carré.
• Appliquez un facteur de dégradation du revêtement si l'acier est peint, car un revêtement intact à 95 % aujourd'hui ne le sera pas dans quinze ans.

Une illustration rapide. Six cents mètres carrés d'acier nu dans l'eau de mer à 25 mA/m² nécessitent environ 15 A. Pour maintenir cela pendant vingt ans, vous avez besoin d'environ 2,6 millions d'ampères-heures de charge, ce qui, à 2 000 Ah/kg, équivaut à environ 1,3 tonne de matériau d'anode en alliage d'aluminium avant qu'un facteur d'utilisation ne soit appliqué. C’est le chiffre qui surprend ceux qui pensaient que les anodes étaient un petit accessoire.

Deux dimensions contrôlent deux choses différentes. La longueur de l'anode, et donc sa surface, détermine la quantité de courant que l'anode peut expulser à tout moment. La section transversale de l'anode, et donc sa masse, détermine la durée pendant laquelle elle peut continuer à le faire. Une anode longue et fine fournit un courant élevé pour une courte durée de vie ; un court et gros donne le contraire. Les bonnes conceptions équilibrent les deux avec l’intervalle de remplacement avec lequel le propriétaire peut réellement vivre.

Limites à connaître avant de les spécifier

La protection cathodique ne fonctionne que là où il y a un électrolyte continu et un chemin électrique dégagé. Cela crée quelques limites pratiques :

• La zone d'éclaboussure et tout ce qui se trouve au-dessus ne peuvent pas être protégés, car il n'y a pas d'eau pour transporter le courant. Cette bande nécessite une épaisseur de revêtement, une marge de corrosion ou un matériau complètement différent.
• Les surfaces blindées, comme l'acier caché derrière une aile étroite ou coincée dans une crevasse, reçoivent peu ou pas de courant, quel que soit le nombre d'anodes que vous installez à proximité.
• Les courants vagabonds provenant des postes de soudage, des systèmes de tramway ou d'autres installations CP à proximité peuvent accélérer la corrosion sur l'acier non protégé plutôt que de l'empêcher.
• La surprotection est un véritable mode de défaillance. Trop de courant endommage les revêtements, gaspille la masse de l'anode et, sur les aciers à haute résistance, soulève des problèmes de fragilisation par l'hydrogène.

Ce que cela signifie pour les palplanches en polymère

Voici la partie de la conversation qui est souvent ignorée. La protection cathodique protège l'acier. Un mur de palplanches en vinyle ou en PVC est un matériau diélectrique : il n'y a pas de fer pour céder des ions, pas de cellule électrochimique à interrompre et pas d'anode qui pourrait faire quoi que ce soit d'utile même si vous en boulonniez une au panneau. Lorsqu'un projet passe des palplanches en acier aux palplanches en polymère, le package de protection cathodique disparaît généralement entièrement, ainsi que le redresseur, la visite annuelle et le programme de remplacement des anodes.

Cela ne fait pas des polymères la réponse à tous les problèmes. Il doit être sélectionné en fonction des bonnes charges, du bon sol et de la bonne exposition, et le mur doit toujours être conçu de manière judicieuse. Mais lorsque le facteur de protection était l’attaque des chlorures, l’eau saumâtre ou un horizon de maintenance à très long terme, l’économie de Palplanches en PVC résistantes à la corrosion ont souvent un aspect très différent d'un mur en acier auquel s'ajoutent vingt ans de remplacement d'anode.

Un bémol de la part de l'atelier : de nombreux murs dits polymères contiennent encore de l'acier. Les tirants, les plaques d'ancrage, les filières et les supports de connexion sont fréquemment en acier galvanisé ou revêtu et restent entièrement exposés à la même électrochimie décrite ci-dessus. Ces composants peuvent encore mériter des anodes, ou un changement de matériau, même lorsque la palplanche elle-même est inerte. Nous voyons cela le plus souvent sur murs de palplanches en vinyle dans les travaux maritimes , où les panneaux sont en polymère mais pas l'ancrage derrière le mur.

Surveillance et maintenance en termes simples

Un système galvanique peut être vérifié avec une électrode de référence et un voltmètre à haute impédance. Pour l'acier dans l'eau de mer, un critère d'acceptation courant est un potentiel d'environ -0,80 V par rapport à une référence argent/chlorure d'argent, ou un décalage de 100 mV par rapport au potentiel de corrosion libre mesuré avant l'installation. Quel que soit le critère adopté par la conception, enregistrez les lectures initiales, car elles constituent la seule référence qui existera jamais.

Les enquêtes sont généralement annuelles ou semestrielles. Les résultats utiles sont le potentiel de protection le long du mur, la consommation d’anode par rapport au taux prévu et tout signe indiquant que le revêtement s’est dégradé plus rapidement que prévu. Si les anodes sont consommées plus rapidement que prévu, la demande actuelle a été sous-estimée et la modernisation doit avoir lieu avant que la protection ne disparaisse.

Questions que nous entendons des équipes de projet

Puis-je ajouter des anodes à un mur existant ?

Oui, et c'est courant. Les plongeurs peuvent installer des anodes à bracelet et à distance, et des systèmes d'anodes à distance peuvent être placés sur le fond marin à proximité. La contrainte est généralement l'accès et l'état de l'acier existant, et non la théorie.

Ai-je besoin d’une protection cathodique si l’acier est bien revêtu ?

Un bon revêtement réduit considérablement la demande de courant, mais il ne supprime pas le besoin de protection à chaque défaut, bord et soudure. Les codes de conception supposent un facteur de dégradation du revêtement précisément pour cette raison.

Un mur en polymère a-t-il besoin d’une protection contre la corrosion ?

Ce n’est pas le cas des panneaux, mais c’est toujours le cas de tous les composants en acier du système. Vérifiez les ancrages, les connexions et tout ce qui reste humide.

Dix années de construction de palplanches nous ont appris que les décisions en matière de corrosion sont généralement prises tôt, avec des informations incomplètes, puis vécues pendant des décennies. Si votre projet s'oriente vers un ensemble de protection cathodique, dimensionnez-le correctement et budgétisez son remplacement dès le premier jour. S'il se dirige vers un mur sans acier, assurez-vous que tout le système est sans acier, pas seulement la partie que vous pouvez voir depuis l'eau. Quoi qu'il en soit, nous serons heureux de discuter de l'aspect matériel de cette décision avec vos ingénieurs.