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L'lnvention concerne un procédé et un ~isposi-tif pour
mesurer le potentiel polarisant des constructions métalliques
isolées et protégées par la protection cathodique. Ce procédé
et ce dispositif est plus spécialement applicable au cas où les
constructions métalliques sont en contact avec un électrolyte et
sont en présence d'un champ électrique formé par un circuit
électrique ou par des courants vagabonds. L'invention concerne
- aussi la commande automatique des redresseurs des stations de
la protection automatique cathodique. -
La mesure du potentiel du système construction métal-
lique-électrolyte`est une mesure des plus importantes pour le
contrôle de la fonction de la protection cathodique et de l'état
corrosif de la construction métallique dans les zones renfermant
une terre agressive et des courants vagabonds continus.
On peut représenter le potentiel mesuré par les
équations suivantes: `
Uf = Ur + AUp -~ ~UIR + Ud ( ) (1),
dans laquelle
Uf (V) représente le potentiel en circuit fermé;
~ Ur (V): le potentiel de repos,
~Up(V): la migration du potentiel causée par la polarisation
sous l'influence du courant électrique,
~UI~(V): la composante ohmique du potentiel du système
construction-électrolyte;
ud le potentiel de diffusion (~ 5 à 30 mV) selon le type
d'~lectrolyte (du 901 ) dépendant de la valeur du pH et
de la résistance spécifique "Q" de l'électrolyte, le
potentiel de diffusion,selon les conditions étant une
quantité constante, on peut le négliger.
Le potentiel polarisant peut être représenté par
l'équation suivante:
Up = Ur ~ ~Up (V) ~ (2)
- - 1- ' '
1~)5~Z14
ou
u ~--u
P o
U est le potentiel en circuit ouver-t. La composante ohmique re-
présente souvent une part essentielle de la valeur mesurée du
potentiel. Meilleure est la qualité du revêtement isolant, plus
élevée est la résistance spécifique "Q" de l'électrolyte; plus -~
grande est la distance entre l'électrode et la construction proté-
gée, plus élevée aussi est la composante ohmique du potentiel
polarisant. Mais, l'abaissement de la composante ohmique du
potentiel polarisant ne caractérise pas l'état corrosif de la
construction protégée. La composante ohmique du potentiel
polarisant ne reflète pas non plus la cinétique des procédés
électro-chimiques, qui interviennent à la surface du metal, elle
ne détermine pas le danger de la corrosion non plus que l'état
de la protection. L'état de la protection ne peut être déterminé
avec su~fisamment de précision que par la mesure du potentiel
polarisant de la construction protégée. L'existence de la com-
posante ohmique est souvent la cause de conclusions fausses sur
l'~tat corrosif de la construction proté~ée. Par exemple, la
valeur du potentiel du système construction-électrolyte (Uf=
-0,85 V),mesurée contre une ~lectrode Cu/CuSO~-ne caract~rise ce-
pendant pas une absence totale de la corrosion de la construction
prot~e, parce que la plus grande partie de cette valeur peut
être attribuée ~ la composante ohmique. Dans ce cas, la valeur
~u pot~ntiel polarisant est moindre que la valeur du potentiel
minimal de la protection et la construction n'est ~ue partielle-
ment protég~e bien que les conditions de la protection soient
e~ctivement remplies, ce qui cause une rédUction de la vitalité
de la construction protégée. Pour augmenter la sécurité de la
marche et la vitalité des constructions métalliques déposées
dans le sol ou dans l'eau, et pour augmenter l'ef~icacité de la -~
protection active contre la corrosion des constructions protégées,
11)59Z~4
il est nécessaire d'avoir une méthode pour mesurer le potentiel
du système construction-électrolyte, ce qui éliminerait l'influen-
ce de la composante ohmique.
On connaît quelques méthodes qui éliminent l'influence
de la composante ohmique du potentiel polarisant. Ces méthodes
se basent sur un effet connu: après la mise hors circuit du
courant de protection, les composantes différentes du potentiel
disparaissent à une vitesse différente, la composante ohmique -
disparait en 10 8 sec environ, tandis que la composante électro-
chimique disparait en 10 2 à quelques secondes, ce qui permet de
déterminer l'abaissement ohmique du potentiel par rapport au
temps. En pratique, la plupart des méthodes connues ne sont pas
convenables, parce qu'elles exigent un appareillage, qui ne peut
être utilisé dans le sol. En effet, il est très difficile de
mettre en circuit et hors circuit, instantanément, le courant des
stations de la protection cathodique d'un pipe-line. De plus,ces
méthodes ne peuvent être utilisées dans les zones où il existe des
courants continus vagabonds. Il est aussi connu qu'on peut déter-
miner l'efficacité de la protection cathodique des constructions
metalliques déposées dans l'électrolyte où existe un champ
électrique en disposant des échantillons métalliques dan~ la sortie
de mesure sous la surface du sol et~ l'aide d'u~eélectrode trans-
portable, mais cette méthode possède aussi quelques désavantages.
aut construire de nouveaux dispositifs de mesure, ce qui
haus~e les d~penses d'investissement et renchérit le contrôle de ,~
la pxotection c~thodi~ue~ De plus, on ne peut pas déterminer la
distance exacte entre l'électrode transportable, plongée dans le
dispositif de mesure et la surface des échantillons, ce qui cause
une inexactitude dans la détermination du potentiel polarisant.
Les désavantages mentionnés ci-dessus peuvent être
palliés par le procédé et par le dispositif selon l'invention.
- 3 -
'
!'i . .. , . .. . .
l~S9Z14
Le procédé pour mesurer le potentiel polarisant des
constructions en métal, déposées dans un électrolyte et en prés~nce
d'un champ électrique est carac-térisé en ce que l'on mesure la
différence de potentiel entre l'électrode stable de réference e~
la surface d'une électrode auxiliaire en métal immédiatement après
avoir débranché l'électrode auxiliaire en métal de la construction
protégée.'
Ce procédé est mis en oeuvre à l'aide du dispositif selon
'l'invention lequel est constitué d'un squelette en matière isolante,
contenant une él~ectrode stable de référence et un panneau échangea-
ble avec au moins une électrode auxiliaire en métal, ledit squelet-
te contenant l'électrode stable de référence et le panneau
échangeable étant déposé dans un champ électrique dans le même
milieu agressif que la construction protégée, à une distance "L"
de la construction protégée, les câbles électriques étant connectés
à la construction protégée, les conducteurs étant connectés à
l'électrode auxiliaire en métal, ou aux électrodes auxiliaires en ''
métal et un con~ucteur étant connecté à l'électrode stable de
référence tous étant connectés aux bornes du dispositif de mesure.
Le dispositif selon l'invention, peut aussi être réalisé ''
de telle sorte que le squelette incluant l'électrode de référence
stable et le p~nneau échangeable contenant les électrodes,
auxiliaires en metal soient déposés dans une enveloppe de tissus,
par exemple de jute, ladite enveloppe étant remplie de -terre "-'
tamis~e provenant du lieu où le dispositi~ est déposé. Le panneau
~chan~eable peut être construit comme un élément de construction
dudit squelette, Les dimensions et là ~orme des électrodes ~ ''
m~tallique9 au~iliaires sont aussi une des caractéristiques du
dispositi~ selon l'invention, Pour la détermination de l'état
corrosif et de l'e~icacité de la protection cathodique des cons-
tructions métalliques déposées dans l'électrolyte en présence
d'un champ électrique, il faut déterminer'l'étendue et la nature
. , .
1~59214
des défauts de l'isolation, c'est-à-dire, l'étendue et la nature
de la surface du métal nu. En général, on peut considérer les
surfaces du métal nu comme des surfaces courbés. Nous avons
trouvé qu'on peut simuler les défauts de l'isolation ou de la
surface du métal nu en général en utilisant deux sortes d'électro-
des auxiliaires comme suit. Les petits défauts de 1'isolation
dans le voisinage d'un champ électrique peuvent être simulés
avec des électrodes auxiliaires sous forme de disques, les défauts
plus graves de l'isolation dans un champ électrique plus éloigné
de ~'endroit où se trouvent les défauts peuvent être simulés par
des électrodes auxiliaires en forme de demi-sphères. Pour la
construction d'un capteur simulant les défauts de l'isolation, il
est plus facile d'utiliser des électrodes auxiliaires en forme de
disque. Pour le calcul des relations mathématiques, les demi-
sphères sont plus avantageuses, parce que dans le cas d'un disque,
les équipotentielles ont la forme d'un ellipsoïde aplati. La plus
grande densité du courant protecteur est au bord du disque, la
plus petite est au centre, et ces deux propriétés doivent être
respectées dans la construction du capteur pour la détermination
du potentiel polarisant. Nous avons trouvé que le problème est
très convenablement résolu par un mode de construction du capteur
comme suit: les trois électrodes auxiliaires en forme de disque ~`
ont d~s aires S,S.10 et S.10 . L'élec-trode auxiliaire dont
l'aire est S est plac~e vis-à-vis l'élec-trode stable de référence,
perpendiculairement et à une dis-tance "b", les électrodes auxi-
liaires dont les aires s~nt S.10 2 et S.10 4 sont placées vis-à-
vis la construction protégée. La distance "b" doit convenir aux
relations b ~ 0,866.r et b 3 0,5.a, dans lesquelles "r" signifie
le rayon du disque de l'électrode auxiliaire avec une aire S
3~ ~ e~ "a" ~epr~sente le diamètre extérieur de l'électrode stable de
référence, cette dernière étant placée dans l'axe de l'électrode
auxiliaire d'aire S. Il est tout à fait convenable que les
-- S --
..,. ,.~.~ ~ ., .
lOS9Z~4
électrodes auxiliaires soient formées du même métal que la
construction protégée. Nous avons aussi trouve que la distance
"L" entre la construction proté~ée et les électrodes auxiliaires
avec des aires S.10 et S.10 4 doit convenir aux relations L ~
d et L ~ 2h, dans lesquelles "d" signifie le diamètre extérieur de
la construction protégée en forme de cylindre, inclus le revête-
ment isolant anticorrosif et "h" signi~ie la profondeur où la
construction est enfouie sous le sol, mesurée à partir de l'axe
longitudinal de la construction protégée.
L'électrode stable de référence est aussi d'une cons-
truction spéciale. Elle est formée comme une électrode Cu/CuSO4.
L'électrode stable de référence contient un cylindre en cuivre
d'une pureté de 99,9%, plongé dans une cuvette poreuse pourvue
d'un revêtement isolant constitué par une résine laminée.
La cuvette poreuse est remplie d'un mélange de cristaux de sulfate
de cuivre hydraté et de sciure de bois arrosé immédiatement
avant l'introduction dans le sol avec une solution aqueuse du sul-
fate de cuivre. L'électrode est placée dans un tube en matière
isolante, par exemple en chlorure de polyvinyle, dépose dans le
squelette et rendu étanche par une résine à couler. Nous avons
trouvé que le diamètre de la surface de mesure "c" de l'electrode
sta~le de re~erence doit convenir ~ la relation 100 mm ~ c ~ 20 mm.
Si le dlam~tre "c" est -trop petit, la résistance transitoire est
trop ~r~nde ,(plUs que 1 OOOn), ce qui influence négativement
l'~xactitud~ de la mesure. Si le diamètre "c" est trop grand, la
solution aqueuse du sul~at~ de cuivre pénètre dans le milieu agres-
si~ et le pollue. Les électrodes auxiliaires métalliques sont
~ixées dans le panneau échangeable par des pinces porte-électrodes
en matériau non-conducteur et sont rendues étanches par une
3~ resine à couler.
Le procédé et le dispositif selon l'invention ont
beaucoup d'avanta~es. Le procédé et le dispositif permettent une
-- 6 --
- l~S9Z14
détermination précise ~e la valeur du potentiel polarisant sans
subir l'influence de la composante ohmique. Le dis~ositif selon
1'invention peut être déposé dans le voisina~e immédiat de la
construction protégée, la détermination du po-tentiel polarisant
n'étant pas influencée par le champ électrique de la construction
protégée. Après avoir déconnecté les électrodes auxiliaires de
la construction protégée, on peut déterminer la valeur du potentiel
polarisent Up à l'aide de l'électrode stable de référence sans
influence du champ électrique, de la marche de la protection catho-
dique ou du champ ~ormé par les courants continus vagabonds. Unefois connue la valeur de la composante ohmique du potentiel
polarisant dans la couche "b" ci-dessus mentionnée du capteur pour
mesurer le potentiel polarisant selon l'invention, on peut analyser
en détail et exactement l'influence des courants continus vagabonds .
dans les zones cathodiques et anodiques, ce qui n'est pas possible
par les méthodes connues jusqu'ici. Puisque l'aire du disque de
l'élèctrode auxiliaire, S=n.r , où "r" signifie le rayon du disque,
est moindre que l'aire Sc du cône de volta~e dans la coupe prise
perpendiculairement à une distance "b" à partir du disque jusqu'à
la face de mesure de l'électrode stable de référence, on peut
déterminer Sc par référence ~ la forme des équipotentielles comme
suit: ,
Selon les équations (1) et (2) mentionnées ci-dessus,
~ p IR (V) (3),
où Uf signifie le potentiel du courant ~ermé de protection.
Si ~Up est relativement stable et si la lecture de la valeur du
p~tentiel est terminee 2 secondes après la mise hors de circuit,
~n a Up- UO (V) (4),
où UO signi~ie le potentiel en courant ouvert immédiatement après ~ ;
~0 la mise hors de circuit. L'équation (3) peut aussi être exprimée
comme suit:
Uf = UO ~ I b'S (V), (5)
Sc
-- 7 --
~92~4
parce que la densité de courant
~ / A / m / , (6)
où E / V / m / signifie l'intensité du courant et S/~m /
signifie la résistance spécifique de l'électrolyte.
L'équation (6) peut aussi être exprimée comme suit:
~.b = b et j.b. ~ = E.b (7)
Enfin, l'équation (7) peut être exprimée par:
I , b.~ = E.b = ~ UIR /V/ (8)
De l'équation (5) on peut déterminer Sc:
Sc = I.b. ~ / 2/ (9)
U -- U
f o
La valeur S est pratiquement constante pour des valeurs données
de "~" , "b" et de la profondeur perpendiculaire "h". Pour
di~férentes valeurs de Uf et I on peut déterminer la valeur Up
selon les équations (4) et (5), I / A / représentant le courant
allant de l'électrode auxiliaire à la construction protég~e, ou
dans les zones anodiques avec les courants vagabonds, le courant
allant de la construction protégée vers l'électrode auxiliaire.
Le dispositif s~lon l'invention peut 8tre déposée simultanément
avec un nouveau pipe-line dans le meme~ossé et à l'endroit où
le~ objets de mesure sont disposés, c'est-~-dire où il y a
changement de types de la terre, par conséquent où existent
de~ variations ~e la r~sistance spéci~ique de la terre, le
dispo~iti~ selon l'invention peut aussi être disposé dans les
zones anodiques et cathodiques avec des courants va~abonds. Aux
endroits où il existe une polarité alternative, la face de l'élèc-
trode auxiliaire métallique se polarise à une valeur moyenne,
corrqspondant ~ l'état et a la qualité de la protection dans le
territoire en question~ On peut déterminer cette valeur après
1~592~4
avoir débranché l'es électrodes auxiliaires du pipe-line. En
utilisant les électrodes auxiliaires avec des aires S,S.10
et S.10 , à cause de l'élévation de la densi-te du courant par
unité de surface lorsque les aires sont moindres, il est
possible ~ue la polarisation soit démesurée, avec les conséquen-
ces qui en résultent, par exemple une altération du revêtement
isolant, une production élevée d'alcalis ou d'hydro~ène et
le danger qui en résulte, du crevassement par suite de la
corrosion des pipe-line soumis aux efforts de compression et de
chaleur. Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent '
aussi être utilisés pour mesurer le potentiel polarisant des
constructions linéaires, par exemple des réservoirs souterrains
isolés, surtout si dans ce cas la détermination par d'autres
méthodes n'est pas possible, parce qu'elle peut être déformée
par le système de mise à terre. Les électrodes auxiliaires
metalliques du dispositif selon l'invention permettent de
simuler l'exécution défectueuse du revêtement isolant de la
construction protégée et déterminer l'état de la protection !'
électro-chimi~ue dans les conditions données. Le dispositif
et le procéd~ selon l'invention peuvent aussi être utilisés pour
la détermination du potentiel polarisant des revêtements metalli-
ques des câbles.
Quand il y a rencontre d'une constxuction linéaire`,
.~, .... ...
cathodi~uement pxot~ée, avec une autre construction métallique, `~
le di~poqiti~ ~t le proc~dé selon l'invention peuvent être
utlli~s pour la détermination de l'interférence. Pour ce faire,
~n mQsure la densité du courant corrosif d'interférence entre
les ~lectrodes auxiliaires métalliques du dispositif selon
l'invention et la construction étrangère en raccordant convenable- '
ment les bornes de l'objet de mesure à un miliampèremètre. Enfin,
le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent aussi être
utilisés pour apprécier la fonction des joints isolants et pour
_ 9 _ .
1~5~;~14
déterminer la résistance transitoire du sys-tème tuyautaye-bouclier
métallique.
L'exécution la plus avantageuse ~e l'invention consiste
à déposer le dispositi~ selon l'invention simultanément avec la
construction qul doit être protégée par une protection cathodique,
dans le même fossé que la construction protégée, par exemple deS
conduits à gaz et d'autres pipe-lines. Naturellement, le disposi-
tif peut aussi servir aux pipe-lines déj~ construits en effectuant
une installation supplémentaire. Dans ce cas, on relie par des
conducteurs les bornes du dispositif de mesure aux bornes d'un
appareil de commande automatique pour capter le potentiel d'une
station de la protection cathodique. Les électrodes auxiliares
en métal, avec des aires connues différentes, peuvent aussi être
utilisées à titre de standard comparatif pour la détermination
quantitative des défauts dans le revetement isolant, déterminé
qualitativement par exemple par la méthode de Pearson.
EXEMPLE
Les dessins ci-joints illustrent un exemple des possibi-
lités de réalisation du dispositif selon l'invention. Evidemment,
il existe d'autres possibilités sans sortir du cadre de l'invention.
La figure 1 est un plan d'ensemble d'une construction
prot~e avec le dispositif selon l'invention;
et la ~i~ure ~ es~ une vue en d~tail.
La ~i~ure 1 repré~ente le plan d'ensemble de la cons-
~ru~ion pxote~e 1 et du dispositif selon l'invention, ledit
plan d'~nsemble étant représenté en position de cou~ant fermé.
La ~onstruction proté~ée et le dispositif selon l'invention sont
~pOSe5 dans le même fossé sous le sol , et le dispositif de
me9ure 13 est disposé sur le terrain. Le plan d'ensemble est
pr~senté en coupe selon le plan de l'axe longitudinal du dispositif
selon l'invention, perpendiculairement à l'axe longitudinal de la -~
construction protégée 1, plus précisément un pipe-line isolé, -~
- 10
.
1059Z14
en acier. La figure 1 montre le pipe-line protége 1 relié par
les cables électriques 6,7 aux bornes B e-t C du dispositif de
mesure 13 et le dispositif selon l'invention, déposé à une distan- ;
ce "L" du pipe-line 1, constitué d'un squelette 3 en chlorure de
polyvinyle, portant une électrode stable de référence 4 et réuni
à un panneau échangeable 2, contenant trois électrodes auxiliaires
en acier 16, 17 et 18, dont les aires des faces de mesure en
métal nu sont respectivement S,5.10 et S.10 . L'électrode
stable de référence 4 est reliée à la borne A du dispositif
de mesure 13 par le conducteur 12. L'électrode auxiliaire 16
ayant une aire S est connectée aux bornes du dispositif de mesure
13 par les conducteurs 8 et 9~ L'électrode auxiliaire 17 ayant -
une aire S.10 est connectée à la borne D du dispositif de mesure
13 par le conducteur 10. L'électrode auxiliaire 18 ayant une
aire S.10 4 est reliée aux bornes du dispositif de mesure 13 par
le conducteur 11. Le squelette 3 avec le panneau échangeable 2
est placé dans un sac de jute 14, rempli de terre tamisée 15
provenant de l'endroit où le sac sera dispose, arrosée d'eau.
Le pipe-line isolé 1 es-t déposé dans le sol ~ une pro~ondeur "h"
dans une terre corrosive 5. Le dispositi~ selon l'invention tel
que d~crit dans cet exemple est déposé dans la ~ême terre corrosive
5, que le pipe-line 1 à une distance L = 320 mm de ce der~ier,
la diatance "L" corres~ondant à l'équation L ~ d, "d" etant le
dlamatre int~rieur du pipe-line inclus le revêtement isolant.
Le9 bornes A et B du dispositif de mesure 13 sont connectées par
le~ conducteurs 27,28 avec les bornes 29 d'un appareil de commande
autom~tique d'une s~ation réglée de la protection cathodique.
Nous nous ré~érons maintenant ~ la figure 2 où le
dispositi~ selon l'invention est illustré en détail. L'électrode
stable de r~férence 4 est constituée d'un cylindre en cuivre 2
d'une pureté de 99,9%, le diamètre du cylindre étant de 10 mm
et la longueur ~tant de lOOmm. Le cylindre en cuivre 24 est
.
.
l~S9Z14
placé dans une cUvette poreuse 21, revê-tue d'une couche isolante
22 en résine laminée, ladite cuve-tte 21 étant remplie d'un
mélange 23 de cristaux de sulfate de cuivre hydra-té et ~e sciure
de bois. Le mélange 23 est arrosé d'une solution aqueuse de
sulfate de cuivre à l'aide d'un tube perforé 25. L'électrode
stable 4 de référence est placée dans un tube 20 en chlorure de
polyvinyle de diamètre a = 90mm, et est rendue étanche par une
résine à couler 26. L'aire de la surface de mesure de l'électrode
stable de référence 4 est de 38 mm, ce qui correspond à la relation
100 mm > c ~ 20mm. Les électrodes auxiliaires 16, 17, 18, en
forme de disques sont formées du même matériau que le pipe-line
soit, en acier. L'électrode auxiliaire 16, déposée vis-à-vis
l'électrode stable de référence 4, selon l'axe longitudinal de
cette dernière, a une surface de mesure S = 100 cm avec un
rayon r = 56,5mm. Elle est disposée à une distance b = 75 mm,
ce qui correspond aux relations b ~ 0,866.r et b ~ 0,5. a,b =
O,866.56,5 , b = O,5.90 alors, "b" minimum est environ 50 mm.
Les électrodes auxiliaires 17 et 18, déposées vis-à-vis du pipe-
line ont des aires de surfaces de mesure S.10 2 = 1 cm2 et
20 . S.10 4 = lmm . Les électrodes auxiliaires 16,17,18, sont fixées
dans le panneau éc~angeable 2 par des pinces porte-électrodes 19
en un mat~xiau non-conducteur et par une résine ~ couler 26. Les
~lectrodes 4, 16, 17, 18 sont réunies aux bornes du dispositif
de mesure 13 pa.r les conducteurs 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 avec les
~ornes du dispositif de MeSUre 13.
Si la construction protégée est déposée dans une terre
sableuse ou sableuse-argileuse, il est très avantageux, que la
~ce de mesure de l'electrode stable de refercnce soit revetue
d'une couche mince, par exemple 40mm~ d'argile ou de bentonite,
pour éliminer une pénétration de la solution a~ueuse du sul~ate
de cuivre vers l'électrode auxiliaire.
- 12 -
