Tout savoir sur
la construction métallique
La corrosion des métaux constitue un phénomène naturel résultant de l’instabilité des matériaux métalliques dans des environnements naturels oxydants. Elle se manifeste par une dissolution anodique progressive du métal, entraînant une perte de section, une diminution des propriétés mécaniques et, à terme, la défaillance des structures.
Le développement de solutions de protection performantes est primordial. La protection cathodique est une technique électrochimique active visant à supprimer la réaction anodique du métal en imposant une polarisation cathodique suffisante. Elle est largement utilisée pour la protection des structures métalliques enterrées, immergées ou partiellement immergées.
La corrosion des métaux en milieu aqueux est un phénomène électrochimique impliquant la formation de cellules locales constituées de zones anodiques et cathodiques. À l’anode, le métal subit une oxydation selon la réaction générale :
Les électrons libérés sont consommés à la cathode par des réactions de réduction, telles que la réduction de l’oxygène dissous ou de l’eau (en milieu neutre ou basique) :
Ou la réduction de l’hydrogène (en milieu acide) :
La présence simultanée d’un conducteur électrique (le métal) et d’un électrolyte ionique (sol, eau, eau de mer) permet la fermeture du circuit électrochimique, entraînant la dissolution progressive du métal anodique.
La vitesse de corrosion est contrôlée par la cinétique des réactions anodiques et cathodiques. Le potentiel de corrosion (Ecorr) correspond à l’égalité des densités de courant anodique et cathodique.
Les diagrammes de potentiel-pH (diagrammes de Pourbaix) permettent de déterminer les domaines de stabilité thermodynamique du métal (immunité, corrosion, passivation). La protection cathodique vise à déplacer le potentiel du métal dans le domaine d’immunité, où la dissolution métallique est thermodynamiquement impossible
La protection cathodique consiste à polariser le métal à protéger vers des potentiels électrochimiques plus négatifs que son potentiel de corrosion. Cette polarisation cathodique empêche la réaction anodique de se produire et donc l’oxydation du métal de se réaliser.
Le principe fondamental est l’apport d’électrons supplémentaires au métal, soit par le biais d’un métal plus électropositif, soit par une source de courant continu externe. Le potentiel de la structure est maintenu dans une plage dite de protection, définie par des critères normatifs.
Sur le plan électrochimique, cela revient à imposer un potentiel de protection plus faible que le potentiel de corrosion du métal :
Par exemple, pour l’acier enterré dans le sol ou immergé dans de l’eau douce, le critère de protection admis est :
Ce critère garantit une polarisation suffisante pour stopper la dissolution anodique de l’acier.
La protection par anodes sacrificielles ou protection cathodique par courant galvanique (PCCG) repose sur le couplage galvanique entre la structure à protéger (cathode) et un métal plus électrochimiquement actif (anode). Ce dernier, joue le rôle d’anode galvanique, et se corrode préférentiellement en fournissant les électrons nécessaires à la polarisation cathodique de la structure.
Les matériaux les plus couramment utilisés comme anodes sacrificielles sont :
Les caractéristiques de cette méthode sont que le fonctionnement est autonome sans alimentation électrique de la structure à protéger et que le courant de protection dépend des potentiels naturels. La consommation progressive des anodes nécessite un remplacement périodique de ces dernières.
Ce procédé à certaines limites :
La protection cathodique par courant imposé (PCCI) utilise une source de courant continu afin de forcer le transfert d’électrons entre des anodes inertes vers la structure à protéger. Les anodes, dites quasi-inertes, assurent uniquement la diffusion du courant sans se consommer significativement. Les anodes, fabriquées à partir de matériaux faiblement consommables (titane à revêtement MMO (Mixed Metal Oxyde), graphite, silicium-fer), assurent la diffusion du courant dans l’électrolyte.
Le potentiel de la structure est mesuré en continu à l’aide d’électrodes de référence (Cu/CuSO₄, Ag/AgCl). Le courant est ajusté afin de maintenir le potentiel dans la plage de protection, tout en évitant la surpolarisation.
Les avantages de cette technique sont la maitrise du potentiel de protection, l’adaptabilité aux grandes structures et une durée de vie élevée des anodes.
Les contraintes de ce procédé sont :
La protection cathodique présente une efficacité élevée contre la corrosion électrochimique. Elle permet une prolongation significative de la durée de vie des structures protégées.
La protection cathodique permet également une réduction des coûts de maintenance et de réparation à long terme.
La protection cathodique est régie par de nombreuses normes internationales et largement éprouvée.
Une polarisation excessive peut conduire à la réduction de l’eau et donc à un dégagement d’hydrogène
Ce dégagement hydrogène peut entrainer une fragilisation des aciers à haute résistance, un décollement cathodique des revêtements et une augmentation locale du pH.
Lorsque la protection cathodique est couplée à des revêtements organiques. Le couple revêtement / protection cathodique doit être optimisé afin d’éviter les courants parasites, les dégradations du revêtement et les zones d’ombre électrique.
La protection cathodique nécessite un dimensionnement précis et exige une surveillance et une maintenance régulière.
La protection cathodique est utilisée pour :
Qu’elle soit mise en œuvre par anodes sacrificielles ou par courant imposé, la protection cathodique nécessite une surveillance et un entretien en plus d’un dimensionnement adéquat en amont du projet. Une fois que ces conditions sont réunies, la technique offre une solution durable, fiable et économiquement rentable.
La protection cathodique constitue une méthode de référence pour la prévention de la corrosion des structures métalliques exposées à des environnements agressifs. En contrôlant le potentiel électrochimique du métal, elle permet d’éliminer les mécanismes anodiques responsables de la dégradation.
Olivier Mouatt, directeur de projets, CTICM