chimie : thermodynamique, procédés et électrochimie (PSI) · Chapitre 5 · Exercice de TD

Canalisation enterrée : protection par courant imposé

Électrochimie : thermodynamique et cinétique des réactions redox · E. Corrosion et protection · niveau 2

Énoncé

Un gazoduc d'acier de diamètre $0, 60 m$ et de longueur $30 km$ est enterré dans un sol humide. On le protège par un générateur de courant continu dont une borne est reliée à la canalisation et l'autre à une anode auxiliaire enterrée à quelque distance (un « déversoir » en fonte au silicium ou en titane revêtu d'oxydes, quasi inattaquable). On contrôle le potentiel de la canalisation par rapport à une électrode au cuivre / sulfate de cuivre saturé posée sur le sol ( $+ 0, 316 V$ /ENH).

On donne : courbes de l'acier dans le sol (relevés) — oxydation négligeable au-dessous de $- 0, 85 V$ /Cu- $CuSO X_{4}$ ; réduction du dioxygène sur un palier ; réduction de l'eau notable au-dessous de $- 0, 85 V$ /ENH ; densité de courant cathodique de l'acier nu au potentiel de protection : $20 mA m^{- 2}$ . Les praticiens ne descendent pas au-dessous de $- 1, 2 V$ /Cu- $CuSO X_{4}$ .

1) Quelle borne du générateur relie-t-on à la canalisation ? Quelles réactions ont lieu sur la canalisation et sur l'anode auxiliaire ? À quel dispositif du cours ce montage s'identifie-t-il ?

2) Convertir les deux bornes de la fenêtre de protection en V/ENH. Comparer la borne haute à la frontière d'immunité du fer (diagramme potentiel-pH, convention $1 0^{- 6} mol L^{- 1}$ ). Le critère est-il thermodynamique ou cinétique ? Que risque-t-on au-dessous de la borne basse ?

3) Calculer le courant de protection si l'acier est nu, puis s'il est revêtu d'un isolant (bitume, polyéthylène) qui ne laisse à nu que $0, 5 %$ de la surface (puis $1 %$ ). Conclure.

4) Le générateur débite sous $20 V$ (la tension se perd surtout dans la résistance du sol). Calculer la puissance et l'énergie consommée en un an pour le tube revêtu ( $0, 5 %$ de défauts).

Corrigé

La stratégie. On veut rendre négligeable l'oxydation du fer : il faut abaisser le potentiel de la structure sous le seuil de cette oxydation. Abaisser un potentiel, c'est faire de la structure une cathode : le générateur lui fournit des électrons. Le courant à fournir est le courant cathodique que porte la structure au potentiel choisi, lu sur ses courbes.

1) Le montage. Pour pousser des électrons dans la canalisation, on la relie à la borne $-$ du générateur ; l'anode auxiliaire est reliée à la borne $+$ . Sur la canalisation (cathode) : réduction du dioxygène, $O X_{2} + 2 H X_{2} O + 4 e X^{-} 4 HO X^{-}$ , et l'oxydation du fer est rendue négligeable. Sur l'anode auxiliaire, inattaquable : oxydation de l'eau, $2 H X_{2} O O X_{2} + 4 H X^{+} + 4 e X^{-}$ (ou des ions chlorure du sol). C'est exactement un électrolyseur : un générateur impose une transformation non spontanée, l'anode est la borne $+$ , la cathode la borne $-$ ; le sol humide est l'électrolyte. On ne consomme aucun métal : on consomme de l'électricité.

2) La fenêtre de protection. Par addition de $+ 0, 316 V$ : $- 0, 85 V/Cu - CuS O_{4} = - 0, 53 V/ENH, - 1, 2 V/Cu - CuS O_{4} = - 0, 88 V/ENH .$ La borne haute ( $- 0, 53 V$ ) est au-dessus de la frontière d'immunité du fer ( $- 0, 62 V$ ) : on ne cherche pas à rendre l'oxydation du fer impossible, seulement négligeable, ce qu'elle est dès qu'on est un peu sous le seuil de la branche anodique. Le critère est cinétique. La borne basse ( $- 0, 88 V$ ) est à peine sous le mur de l'eau ( $- 0, 85 V$ ) : entre les deux, la réduction de l'eau s'amorce, encore faible ; plus bas, elle devient rapide et dégage du dihydrogène sur l'acier. C'est la surprotection : courant gaspillé, bulles qui décollent le revêtement, alcalinisation, et dihydrogène qui pénètre et fragilise les aciers à haute résistance.

3) Le courant. Surface latérale : $S = π \times 0, 60 \times 30000 = 5, 65 \times 1 0^{4} m^{2}$ . Acier nu : $I = 20 \times 1 0^{- 3} \times 5, 65 \times 1 0^{4} = 1, 13 \times 1 0^{3} A,$ plus de mille ampères, irréaliste. Revêtu, seuls les défauts portent le courant cathodique : $5, 65 A$ pour $0, 5 %$ de défauts, $11, 3 A$ pour $1 %$ . Revêtement et courant imposé se complètent : le revêtement réduit le courant d'un facteur deux cents, le courant imposé protège les défauts inévitables du revêtement (chocs à la pose, vieillissement).

4) L'énergie. $P = U I = 20 \times 5, 65 = 113 W$ , soit $113 \times 8766 h \approx 0, 99 MWh$ par an : le prix d'un radiateur électrique pour trente kilomètres de gazoduc.

Ce que l'exercice installe. La protection par courant imposé se lit sur les courbes de la structure : une fenêtre de potentiel où l'oxydation du fer est négligeable (critère cinétique, un peu au-dessus de l'immunité thermodynamique) et où l'eau n'est pas encore réduite (pas de surprotection). Le courant à fournir est le courant cathodique de la structure dans cette fenêtre ; le dispositif est un électrolyseur, structure à la borne $-$ . Un revêtement réduit ce courant de plusieurs ordres de grandeur.

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