Protection cathodique

La corrosion des métaux dans les milieux aqueux est un processus électrochimique mettant en oeuvre des ions et des électrons.
Le métal en s'oxydant produit des ions qui migrent vers le milieux aqueux, et des électrons qui sont évacués par le métal. C'est une réaction dite anodique:
Me → Meⁿ⁺ + ne^-
Des ions ou des molécules dissoutes dans le milieu aqueux peuvent être réduites en captant les électrons libérés par la réaction anodique. C'est la réaction dite cathodique:
2H_⁺ + 2e^- → H₂  ou bien  O₂ + 2H₂O  + 4e^- → 4OH_^-

Les électrons étant mobiles au sein du métal et les ions étant mobiles au sein du milieu aqueux, les réactions anodiques et cathodiques peuvent se produire à des endroits différents.
Ce processus constitue ce qu'on apelle une pile de corrosion dans laquelle:

• le courant dit anodique va du métal vers la phase aqueuse aux endroits où il se corrode (zones anodiques)
• et le courant dit cathodique entre dans le métal aux endroits où le ou les espèces oxydantes se réduisent (zones cathodiques ).

En l’absence de courant électrique extérieur les courants anodique et cathodique sont égaux et de sens opposés.

La protection cathodique consiste à inverser la pile de corrosion de telle manière que l'équipement à protéger devienne le siège des réactions cathodiques.
On visera, pour l'équipement à protéger, un potentiel de -800 à -900mV.

Protection par anode sacrificielle

Le métal à protéger est couplé à un métal moins noble; pour protéger les équipements contenant du fer, il faudra choisir entre le magnésium, l'aluminium, ou le zinc.
Celui-ci devient alors l'anode et la structure à protéger la cathode du système.
L'anode se corrode, et il faut la remplacer périodiquement.
Cette méthode, peu couteuse, ne conviendra qu'aux équipements de faible surface et confrontés à un milieu faiblement résistif (sols très conducteurs).

Protection par courant imposé

Le métal à protéger est couplé à une anode auxiliaire dite "déversoir".
Un générateur de courant impose son potentiel à l'équipement à protéger, en faisant circuler un courant entre celui-ci et l'anode auxiliaire.
Le courant peut être de 0,05 à 5A/m² pour des milieux faiblement corrosifs.
L'anode peut être constituée:

• de matériau consommable (acier de rebut),
• semi-inerte (ferro-silicium, graphite, magnétite, oxyde de plomb)
• ou inerte (titane platiné, niobium platiné, tantale platiné, titane recouvert d’oxydes mixtes « Ti/MMO », polymères conducteurs).

En fonction de la configuration de l'équipement à protéger, plusieurs anodes pourront être nécessaires, réparties pour couvrir l'ensemble du dispositif.L'investissement est relativement important, mais cette méthode est applicable même si le milieu est peu conducteur.

Contrôle de la protection

L'efficacité du dispositif est vérifié en mesurant périodiquement le potentiel pris par l'équipement à protéger. Celui-ci est mesuré par rapport à une électrode de référence immergée ou en contact intime avec le milieu environnant. L'électrode de référence, dont le potentiel est connu, est au choix à base de:

• cuivre / sulfate de cuivre saturé (+316 mV à 25°C)
• argent / chlorure d'argent (environ +200mV en fonction de la concentration en chlorure)
• mercure / calomel (+241mV à 25°C en présence de chlorure de potassium saturé)

Le courant imposé perturbe cette mesure, mais l'absence de courant conduit à un potentiel non représentatif; aussi, le contrôle est réalisé sans courant imposé, mais peu de temps après son interruption.
On visera, pour l'équipement à protéger, un potentiel de -800 à -900mV mesuré par rapport à l'électrode de référence.
Un autre critère courant est le potentiel de dépolarisation. Durant les heures qui suivent la coupure du courant imposé, le potentiel de l'équipement protégé remonte lentement, le temps pour les charges accumulées de s'évacuer. On considère qu'une structure est correctement protégé si cette variation est d'au moins 100mV.

La protection cathodique est souvent utilisée en complément d'une protection par un revêtement. Celui-ci permet de limiter le courant appliqué. Le revêtement doit être compatible avec un milieu alcalin (pH élevé) généré localement par le courant cathodique.

Il existe un risque de sur-protection. Une production trop abondante d'hydrogène et d'ions hydroxyles (OH-) à la surface du métal à protéger (par réaction cathodique), peut conduire à des phénomènes de fragilisation, ou de dégradation des revêtements.

Quand la protection cathodique est utilisée protéger l'intérieur d'une capacité, il est important de prévoir un dispositif pour purger l'hydrogène produit par le courant cathodique.

Applications typiques

Dans les industries de procédé, la protection cathodique est principalement utilisée pour:

• les tuyauteries enterrées utilisées pour le transfert de gaz ou de liquides sur de longues distances
• les réservoirs enterrés ou sous talus (stockage de gaz liquéfié)
• les capacités de traitement d'eau