Protection Cathodique des aciers au carbone en zone de marnage : mécanismes impliqués

Cathodic Protection of carbon steel in the tidal zone : involved mechanisms

• Auteur / Autrice : Clément Genin
• Direction : Philippe Refait, Marc Jeannin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 23/10/2023
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Nadine Pébère
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Refait, Marc Jeannin, Nadine Pébère, Virginie Roche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Vuillemin, Virginie Roche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Acier -- Protection cathodique

Mer -- Niveau

Corrosion par l'eau de mer

Mots clés libres

Corrosion marine

Protection contre la corrosion

Acier au carbone

Dépôt calco

Magnésien

Zone de marnage

Électrochimie

Marine corrosion

Corrosion protection

Carbon steel

Calcareous deposit

Magnesian

Tidal zone

Electrochemistry

Résumé

Ces travaux s’intéressent aux mécanismes mis en jeu dans la protection cathodique (PC) en zone de marnage (ZdM, zone verticale balayée par les marées). En effet, une étude de 2015 menée par Ph. Refait et coll. a mis en exergue une persistance de la PC même pendant les périodes émergées, a priori impossible à cause du retrait de l’eau de mer. Comprendre les mécanismes intervenant dans cette protection étendue pourrait, à terme, permettre de réduire l’impact environnemental de la conception et la maintenance de structures telles que les éoliennes offshores. Une première étude, sur toute la hauteur de la ZdM du port de commerce de La Rochelle, a permis de mettre en évidence que la PC pourrait être considérée efficace jusqu’à 45% de taux d’immersion (soit 74% de la hauteur de la ZdM). En parallèle, une étude menée au LaSIE visait à s’interroger de façon plus fondamentale sur le comportement de l’acier à marée descendante. Pour cela, des échantillons disposés à l’horizontal, sous de fines couches d’électrolyte (1 mm ou 5 mm) ont été placés en condition de protection satisfaisante (-950 mV/Ag/AgCl3M) et en condition de sous-protection (-750 mV/Ag/AgCl3M). Il apparaît alors qu’une protection insuffisante conduit à la formation d’une épaisse couche d’aragonite recouvrant une fine couche de produits de corrosion résiduels. De plus, une fine couche d’eau de mer augmente le caractère protecteur du dépôt formé sous PC suffisante (-950 mV/Ag/AgCl3M). Enfin, à mi-chemin entre les deux études précédentes, le dernier axe de recherche évoqué ici a permis de suivre l’évolution des paramètres de PC au cours des marées pendant 16 mois. Aux temps courts (8 j), la PC était efficace jusqu’à 40% d’immersion alors que toute la colonne était protégée pour des temps plus longs (180 j). Finalement, la persistance de la PC en ZdM est multifactorielle. Elle dépend de l’amplitude des marées, du temps d’exposition ainsi que du taux d’immersion. Son efficacité a été démontrée valable jusqu’à 45% d’immersion, pour des ZdM étendues.

This PhD work focuses on understanding the mechanisms involved in cathodic protection (CP) in tidal zones (vertical zone between high tide and low tide levels). In 2015 a study by led by Ph. Refait et al. highlighted the unexpected persistence of CP even during emerged periods, which theoretically should not occur because of seawater withdrawal. Understanding the mechanisms involved in this spread-out CP could ultimately contribute to diminish the environmental impact of production and maintenance of structures such as offshore wind turbines. An initial study, covering the entire height of the La Rochelle commercial port tidal zone, showed that CP could be considered effective up to 45% of immersion rate (i.e. 74% of the tidal zone height). On the other hand, a study carried out at LaSIE laboratory aimed to investigate the behavior of steel during ebb tides in a more fundamental way. To this purpose, samples were set horizontally under thin layers of seawater (1 mm or 5 mm) and polarised under conditions of sufficient protection (-950 mV/Ag/AgCl3M) and insufficient protection (-750 mV/Ag/AgCl3M). Insufficient protection led to the formation of a thick layer of aragonite overlying a thin residual corrosion products layer. In addition, a thin layer of seawater enhances the protective character of the deposit formed under sufficient CP (-950 mV/Ag/AgCl3M). Furthermore, in the last research axis mentioned here, the evolution of CP parameters was monitored for 16 months of tidal cycles. For short periods (8 days), CP remained effective up to 40 % of immersion rate, while the entire column was protected for longer times (180 days). Finally, the persistence of CP in tidal zone is multifactorial. It depends on tidal amplitude, exposure time and immersion rate. Its effectiveness has been demonstrated to be valid up to 45% immersion, for extended tidal zones.