Le mystère de la protection cathodique contre la corrosion éclairci
Deux siècles de développement technologique
La protection contre la corrosion cathodique est une technique largement utilisée pour protéger les infrastructures en acier contre la corrosion. Les chercheurs de l'ETH ont maintenant clarifié les mécanismes détaillés impliqués, résolvant ainsi une question controversée qui a préoccupé la communauté des ingénieurs pendant des décennies.
La corrosion est une réaction chimique dont sont victimes même les structures les plus solides. Les métaux tels que l'acier réagissent à l'oxygène et à l'eau, puis rouillent et se décomposent. La protection cathodique joue un rôle clé dans la lutte contre la corrosion. Elle protège les structures en acier en ralentissant ou en empêchant les processus qui conduisent à la corrosion.
La protection cathodique a été décrite pour la première fois dans un contexte scientifique en Angleterre il y a deux siècles et a depuis joué un rôle précieux dans l'entretien des infrastructures modernes telles que les gazoducs enterrés et les structures en béton armé. "Cependant, malgré son utilisation répandue, le principe de fonctionnement sous-jacent de la protection cathodique est resté flou et controversé", explique Ueli Angst, professeur de durabilité des matériaux à l'ETH Zurich.
Une équipe de chercheurs dirigée par M. Angst a maintenant réalisé des progrès significatifs dans la clarification du principe sous-jacent, en particulier dans le cas de l'acier dans des milieux poreux tels que le sol ou le béton.
Leur étude, publiée dans la revue Communications Materials du portefeuille Nature, met en lumière les processus complexes impliqués dans la protection cathodique contre la corrosion à l'interface entre le métal et le milieu poreux. Pour illustrer cette interaction, il convient de se pencher sur l'histoire de cette méthode.
Deux siècles de développement technologique
La protection cathodique contre la corrosion remonte au chimiste et inventeur britannique Sir Humphry Davy, qui en a décrit le principe il y a un peu plus de deux cents ans. À l'époque, la Royal Navy était confrontée à un problème : elle avait recouvert les coques en bois de ses navires de feuilles de cuivre pour éviter l'encrassement et le pourrissement, mais les coques en cuivre étaient rapidement attaquées et soumises à la corrosion dans l'eau de mer salée. Sir Humphry Davy, alors président de la Royal Society, se lance dans la recherche d'une solution au nom de la science.
Dans le nord de l'Italie, Luigi Galvani et Alessandro Volta viennent de découvrir le phénomène selon lequel un courant électrique circule lorsque différents métaux précieux sont assemblés. S'inspirant de cette découverte, Davy a pu démontrer en laboratoire que de petits échantillons de métaux communs tels que le zinc ou le fer peuvent protéger de la corrosion des feuilles de cuivre relativement grandes, notamment en jouant le rôle d'anode sacrificielle et en se corrodant elles-mêmes.
En 1824, la Royal Navy a transposé la technique de Davy presque directement du laboratoire à l'ensemble de sa flotte - trop hâtivement, d'ailleurs. Si les coques en cuivre sont désormais protégées contre la corrosion, elles perdent leur efficacité contre les salissures marines : les navires deviennent de plus en plus lourds et difficilement manœuvrables. La Royal Navy dut à nouveau retirer la protection cathodique contre la corrosion, et l'épisode de Davy est entré dans l'histoire comme une leçon importante d'échec dû à un transfert prématuré de connaissances dans la pratique.
"Nous savons aujourd'hui que le courant de protection cathodique a pour effet secondaire de favoriser le dépôt de minéraux sur le métal, ce qui permet la croissance de moules et d'autres organismes marins", explique M. Angst. Malgré l'échec rencontré il y a deux siècles, les travaux de Davy ont jeté les bases d'applications ultérieures.
Deux hypothèses de fonctionnement
Il a toutefois fallu attendre une centaine d'années avant que Robert James Kuhn ne relance la technologie aux États-Unis, cette fois pour rendre les canalisations enterrées durables. Les notes de Kuhn montrent que, dans les années 1920, il comprenait déjà beaucoup mieux les processus de corrosion qu'à l'époque de Davy. Kuhn a également réalisé de nombreuses séries d'essais "sur le terrain", c'est-à-dire dans des conditions réelles.
La technologie est devenue une méthode standard de protection contre la corrosion et garantit aujourd'hui que les conduites d'eau et de gaz, les réservoirs et les navires, ainsi que les ponts et les parkings, ont une durée de vie plus longue et exempte de corrosion.
Cependant, malgré son utilisation répandue dans la pratique de l'ingénierie, les mécanismes d'action sous-jacents de la protection cathodique contre la corrosion font toujours l'objet d'un débat controversé.
Depuis des décennies, deux théories s'opposent : d'une part, le courant de protection influence directement la vitesse de corrosion par un mécanisme purement cinétique ; d'autre part, il entraîne une augmentation de la valeur du pH dans le milieu à l'interface, ce qui protège l'acier de la corrosion - une idée postulée pour la première fois par Kuhn dès 1928.
Selon M. Angst, l'absence d'une compréhension scientifique cohérente entrave le développement de pratiques d'ingénierie saines. Un exemple est le critère de protection postulé par Kuhn dans les années 1920, qui est toujours utilisé dans les normes aujourd'hui et qui exige un potentiel de -850 millivolts par rapport à l'électrode de sulfate de cuivre saturée : "Il s'agit d'un critère empirique", précise M. Angst.
L'état incohérent des connaissances signifie également que les normes sont contradictoires et qu'il n'est pas toujours possible, dans la pratique, de satisfaire simultanément à toutes les spécifications normatives pertinentes. "Il s'agit d'un problème sérieux en ingénierie, d'autant plus préoccupant que la protection cathodique peut être considérée comme une technologie clé pour relever le défi du vieillissement des infrastructures et qu'elle est utilisée dans des systèmes importants pour la sécurité, tels que les gazoducs à haute pression", poursuit M. Angst.
Un mécanisme de fonctionnement unifié
Pour leur étude, les chercheurs de l'ETH se sont concentrés sur l'interface entre l'acier et l'électrolyte et ont caractérisé en détail les changements spatiaux et temporels.
Pour la première fois, ils ont pu mettre en évidence la formation d'une fine couche d'oxyde métallique sur la surface de l'acier et montrer que cette couche est le résultat direct de l'augmentation du pH due aux processus électrochimiques en cours.
Federico Martinelli-Orlando, premier auteur de l'étude, ajoute : "Nous avons également pu montrer que ces changements chimiques à la surface de l'acier et dans l'électrolyte entraînent des changements dans la vitesse et la progression des réactions anodiques et cathodiques."
Les chercheurs proposent un mécanisme d'action qui résout les contradictions apparentes entre les hypothèses précédentes et rapproche les deux théories de manière complémentaire.
"Nous concluons que nous devrions considérer les deux théories débattues comme complémentaires plutôt que contradictoires afin d'expliquer pleinement le mécanisme de fonctionnement de la protection cathodique", déclare Martinelli-Orlando.
Sur la base des mesures effectuées, les chercheurs ont développé un modèle mécaniste qui prend en compte tous les processus électrochimiques.
Des normes cohérentes
Les connaissances acquises peuvent contribuer à améliorer les technologies de protection contre la corrosion et à exploiter les infrastructures critiques à base d'acier d'une manière sûre, économique et respectueuse de l'environnement.
Les résultats peuvent ensuite "valider" les concepts empiriques existants et constituer la base d'approches cohérentes, par exemple pour développer des critères standard bien fondés pour l'efficacité de la protection contre la corrosion cathodique.
Les technologies de protection contre la corrosion reposant sur des bases scientifiques jouent actuellement un rôle important, en particulier dans le contexte du vieillissement des infrastructures, car elles peuvent retarder ou empêcher le remplacement des vieilles structures. "Si nous évitons le démantèlement et le remplacement inutiles des structures, cela profite également à l'environnement", explique M. Angst.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Federico Martinelli-Orlando, Shishir Mundra, Ueli M. Angst; "Cathodic protection mechanism of iron and steel in porous media"; Communications Materials, Volume 5, 2024-2-16
Ueli M. Angst; "A Critical Review of the Science and Engineering of Cathodic Protection of Steel in Soil and Concrete"; Corrosion, Volume 75, 2019-10-13
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