Brevet FR2286331A1 — publié le 19760423

La présente invention concerne des conduites flexibles protégées contre la corrosion par application des techniques de protection cathodique. Plus particulièrement, l'invention s'applique aux conduites flexibles dans lesquelles circule un fluide liquide et/ou gazeux pouvant être sous pression, tel qu'un hydrocarbure, la conduite étant immergée dans de l'eau, en milieu marin par exemple, ou enterrée. Les conduites auxquelles s'applique l'invention comportent essentiellement - une âme tubulaire, appelée aussi gaine interne, constituée, par exemple, en un élastomère ou en un matériau plastique, - un ou plusieurs éléments de renforcement, ou armatures, recouvrant cette gaine interne et destinés à supporter les efforts mécaniques qui peuvent être appli qués à la conduite, - une gaine externe assurant une protection mécanique de l'ensemble. Pour permettre lBévacuation des gaz qui diffusent à travers l'amie tubulaire, la gaine externe est munie de perforations. Ces perforations laissent aussi pénétrer le milieu extérieur, particulièrement l'eau de mer. Suivant une particularité de construction de ces conduites, les armatures peuvent être formées de fils ou profilés dont les sections peuvent prendre diverses formes et qui sont, soit nus, soit gainés individuellement avec une matière plastique. Les fils peuvent soit être séparés les uns des autres, soit former des torons et, dans ce qui suit, on désignera par élément allongé de renforcement aussi bien des torons formés eux-mêmes d'un assemblage de fils individuels que des éléments monofilaires ou des profilés. Ces gaines de protection des éléments de renforcement peuvent subir des déchirures locales qui mettent le métal à nu. Dans les deux cas (fils nus ou gainage déchiré), il importe d'assurer la protection des armatures contre la corrosion. La protection cathodique réalisée suivant les techniques habituelles n'est pas applicable à de telles conduites. En effet, si l'on voulair assurer une protection par courant imposé, avec anodes extérieures à la conduite suivant une technique classique, il faudrait que le courant électrique, pour atteindre les surfaces à protéger, passe d'abord par les petites perforations de la gaine externe. Il s'en suivrait une forte chute de tension électrique qui limiterait la distance entre anodes. Or, les conduites flexibles pouvant être immergées à des profondeurs de plusieurs centaines de mètres, on ne pourrait placer d'anode qu'aux deux extrémités. La longueur protégée se trouverait ainsi être trop courte. On ne peut pas, non plus, utiliser la technique des anodes en colliers telle qu'elle est appliquée sur les réseaux de collecte ou de transfert immergés (sea-lines) formés de conduites en acier. Ces conduites en acier sont protégées en disposant, tous les 350 à 1.000 mètres, des colliers de zinc en contact avec le métal à protéger. Si cette technique était appliquée aux conduites flexibles considérées ci-dessus, la chute de tension dans les perforations de la gaine externe obligerait à disposer des bracelets de zinc encore beaucoup plus rapproches. De plus, la connexion électrique du zinc avec les armatures en acier de la conduite flexible ne pouvant se faire qu'aux embouts, ceux-ci devraient donc être très rapprochés et l'existence de raccords très nombreux ferait perdre une grande part de l'avantage des conduites flexibles qui est précisément de disposer de grandes longueurs sans raccord. L'objet essentiel de la présente invention est de proposer un mode particulier de protection cathodique, adapté aux conduites flexibles considérées et les rendant auto-protégées, sans nécessité d'une protection extérieure supplémentaire. Ce mode de protection est spécialement adapté à la caractéristique des conduites flexibles considérées qui est de comporter une gaine externe de protection munie de fines perforations, puisque d'une part, comme on l'a vu, les modes de protection cathodique classiques ne sont guère adaptables à de telles conduites et, d'autre part, des essais ont montré qu'en l'absence d'une telle gaine externe perforée la protection préconisée selon l'invention perd beaucoup d'intérêt. Des exemples non limitatifs de réalisation de l'invention sont illustrés par les dessins annexés où - la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 2 montre un second mode de réalisation, - la figure 3A est une vue de détail, à plus grande échelle, de l'embout des conduites illustrées par les figures 1 et 2, - les figures 3B et 4 illustrent des modes particuliers de réalisation d'une conduite selon l'invention. Sur les différentes figures, où les mêmes références ont été utilisées pour désigner des éléments semblables, la référence 1 désigne la gaine tubulaire interne de la conduite, constituée, par exemple, d'un tuyau la en élastomère à po4yamide base de / recouvrant une armature lb de résistance à l'écrasement, constituée d'un enroulement métallique à pas court. Les conduites flexibles représentées sur les figures 1 et 2 comportent une armature de résistance aux efforts de traction, cette armature recouvrant la gaine interne et étant constituée par deux nappes 2a et 2b dont chacune est formée par l'enroulement hélicotdal d'au moins un élément allongé de renforcement, par exemple un fil, un toron ou un profilé métallique (tel qu'un ruban), avec des sens d'enroulement opposés pour les deux nappes de l'armature. Une gaine externe 3 en matière plastique ou élastomère assure la protection mécanique de l'ensemble, cette gaine comportant des perforations 4 pour l'évacuation des gaz sous pression ayant diffusé à travers les couches internes de la conduite flexible. Les fils, câbles, ou profilés métalliques, constituant les armatures peuvent être gainés individuellement par un matériau les isolant de l'humidité, afin d'assurer une meilleure protection de ces éléments contre la corrosion. Cette protection n'est cependant pas totale car ces gaines individuelles sont souvent déchirées par frottement, à la construction, à la pose, ou en service. Selon l'invention, la conduite comporte un ou plusieurs éléments al 5 et o longés continus de protection cathodique/constitués de conducteurs électriques en zinc, en alliage à base de zinc, en aluminium, en magnésium, ou en alliage d'un ou plusieurs de ces métaux, propres à assurer, d'une manière générale, un effet de protection cathodique convenable, ces éléments continus de protection étant connectés. électriquement aux éléments métalliques de renforcement constituant les armatures, au niveau des embouts ou raccords de la conduite, cette connexion électrique pouvant s'effectuer par l'intermédiaire d'éléments métalliques 7 constitutifs de ces embouts ou raccords. Ces conducteurs peuvent avoir la forme de fils, torons ou profilés (notamment rubans). Ils pourront être disposés parallèlement à l'axe de la conduite ou enroulés en spirale entre llâme tubulaire interne 1 et la gaine externe 3, comme dans le mode de réalisation de la figure 1. Ils pourront aussi (figure 2) remplacer un ou plusieurs des fils, torons ou profilés constituant l'armature à protéger. Une disposition essentielle suivant l'invention est que fils, ou rubans, soient constamment placés au voisinage des surfaces à protéger. En effet, l'espace annulaire compris entre 1ss3me tubulaire interne 1 et la gaine externe 3 est surtout rempli par les armatures et le liquide qui pénètre dans l'espace resté libre offre, au passage du courant électrique, une "épaisseur équivalente" faible. La résistance électrique est donc grande et les conditions de protection cathodique ne peuvent être réalisées que parce que l'anode de protection 5,6 est en tous points voisine des surfaces à protéger. Cette condition impérative ne se présente pas lorsqu'il s'agit de protection d'ouvrages qui sont protégés par les techniques habituelles bien connues des praticiens. Au contraire, on utilise selon l'invention une ou plusieurs anodes allongées continues 5,6 ayant 7 disposition leur permettant de rester contamment voisines de toutes les surfaces métalliques à protéger. Ce type d'anode sera appelé par la suite fil-anode ou ruban-anode. Comme indiqué ci-dessus, ces fils-anodes ou rubans-anodes peuvent être, soit enroulés, soit disposés, longitudinalement entre les deux gaines plastiques. Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention,illustré par la figure 3B, on associe une résistance, dite de régulation 8, au fil-anode ou ruban-anode 5,6. Cette résistance, qui est connectée d'une part à ce fil-anode ou ruban-anode 5,6 et,d'autre part,aux armatures à protéger 2a, 2b, au niveau des embouts ou raccords de la conduite, a pour effet d'accroitre considérablement la durée de vie de la protection cathodique, comme l'ont montré les essais effectués. La résistance de régulation 8 pourra être constituée de tout conducteur électrique. On préférera, cependant, des conducteurs à résistivité électrique élevée, tels que ceux formés d'alliage pour résistance électrique comme les alliages nickel-chrome, ou fer-chrome-aluminium, ou encore les aciers inoxydables. Les fils ou rubans constituant la résistance seront gainés d'une matière électriquement isolante et seront préférablement disposés à spires jointives au niveau des embouts. Un mode particulièrement avantageux de réalisation de l'invention est illustré par la figure 4 qui est une vue en section droite d'un élément de protection cathodique 5. L'avantage de ce mode de réalisation résulte de ce que la demande de courant de protection cathodique est susceptible d'être localement forte dans le cas extrême où une déchirure mécanique endommage notablement la gaine externe et/ou le gainage individuel des fils d'armature, lorsque ce gainage est adopté dans la réalisation de la conduite. Dans ces conditions, le fil-anode peut se trouver coupé par une électrolyse trop intense. S'il est coupé en deux endroits entre deux embouts consécutifs de la conduite, il y aura une zone où la protection cathodique ne sera plus établie et la corrosion peut se manifester. Pour pallier cet inconvénient, on utilise la disposition de la figure 3 où le fil-anode est formé de zinc, d'un alliage de zinc, de magnésium, d'aluminium, ou de leurs alliages convenables, entourant une âme 9 d'un métal peu corrodable, par exemple un acier inoxydable, un alliage cuivreux .... On utilise, par exemple, un fil-anode d'environ 6 mm de diamètre extérieur, avec une âme d'acier d'environ 3 mm de diamètre, pour des conduites flexibles d'un diamètre courant. Les résultats des tests de corrosion, rapportés ci-après, montrent la protection obtenue selon l'invention. Ces essais ont été conçus de façon à simuler le plus exactement possible les conditions réelles d'utilisation d'une conduite flexible du type considéré servant à des transports sous-marins de fluides. Comme il était difficile, en pratique, d'effectuer des essais de corrosion en immergeant une conduite selon l'invention d'une longueur de plusieurs centaines de mètres (5CC mètres, par exemple), on a conduit les essais en enroulant sur un tambour destiné à être immergé dans liteau de mer une longueur équivalente d'une structure plus légère que celle de la conduite, mais reproduisant les éléments constitutifs essentiels de cette conduite au point de vue corrosion et protection contre la corrosion. Dans la structure enroulable réalisée pour ces essais de corrosion, la surface à protéger cathodiquement est un fil d'acier de 5 mm de diamètre sur lequel est enroulé, en spirale, un ruban de matière plastique laissant dénudée une surface d'acier déterminée. Dans l'exemple indiqué ci-après, cette surface était de 30 cm2 par mètre de longueur. C'est une telle surface d'armature que l'on pourrait avoir à protéger par mètre de conduite flexible réelle. D'autre part, un fil de zinc de 1 mm de diamètre, guipé de coton pour ne pas entrer en court-circuit avec le fil d'acier, est placé à coté de celui-ci. Les deux fils sont introduits dans une gaine en chlorure de polyvinyle. On pratique dans cette gaine une petite incision tous les mètres de longueur, pour imiter les perforations d'évacuation des gaz diffusés que comporte la gaine externe d'une conduite flexible réelle. A une extrémité A de cette conduite simulée, le fil d'acier et celui de zinc sont connectés électriquement. Ces fils, dans leur gaine, sont enroulés sur un tambour de 1 mètre de diamètre. 1ère série d'essais Dans une première série d'essais, dont les résultats sont donnés cidessous, on avait ainsi enroulé 500 mètres de fils dans leur gaine et le tambour a été immerge en mer. Ce premier essai a mis en évidence l'obtention d'une protection cathodique du fil d'acier, rendue possible parce que, selon l'invention, le fil-anode court au voisinage immédiat de la surface du fil d'acier à protéger. Cependant, le courant qui circule dans le fil-anode (ou le ruban-anode) provoque une chute de tension électrique qui limite la portée de la protection cathodique (la chute de tension dans le fil d'acier est, à peu près, 25 fois plus faible et peut être négligée par rapport à celle dans le fil-anode). On détermine la portée de la protection cathodique en mesurant le potentiel électrochimique de l'acier en fonction de sa distance à l'extrémité A. Cette mesure a été faite de façon classique en utilisant une électrode au chlorure d'argent appliquée sur la gaine de chlorure de polyvinyle, au niveau d'une incision. Le contact avec l'acier est pris à la seconde extrémité B de la structure. Dès le début de l'immersion, on a constaté que le potentiel électrique dans les régions voisines de cette deuxième extrémité tombent en-dessous de la valeur minimale du potentiel nécessaire pour obtenir une protection cathodique (- 0,775 volt par rapport à l'électrode au chlorure d'argent en eau de mer). Au bout de deux mois, les potentiels étant bien stabilisés, on a constaté que la protection cathodique s'étend seulement jusqu'à un point B' situé à l'extrémité A. On a sectionné alors les fils à cette distance et laissé les 150 mètres restants en immersion, sans qu'il y ait contact entre le zinc et l'acier. Au bout d'un an, on a relevé le tambour. On a constaté que les 35e mètres d'acier ont été parfaitement protégés cathodiquement. On a prélevé des longueurs de fil de zinc de 1 mètre, au voisinage de l'extrémité A où zinc et acier sont connectés, et à l'autre extrémité B, à 350 mètres. Les pertes de poids ont été les suivantes pertes de poids en mg/mètre de fil de zinc voisinage de l##xtrémité A voisinage de l'extrémité BI contact acier-zinc 1060 192 On voit qu'il y a eu une usure du zinc beaucoup plus forte en A et on peut facilement calculer que le fil de zinc sera usé aux 4/5, en B, en 23 ans, et en 4 ans seulement en A. 2ème série d'essais Les essais suivants ont montré que l'introduction d'une résistance R de régulation entre l'acier et le zinc, à l'extrémité A, permet d'atténuer d'une manière remarquable et inattendue les écarts d'usure entre les deux extrémités. On remarquera, cependant, que la portée de la protection cathodique se trouve réduite. ESSAIS DE 3 MOIS valeur de la résistance longueur usure en mg/m duré9 de vie introduite effectivement (annéea) (ohms) protégée en A en B' en A en B' 10 3#0 212 50 5 22 1 30 . 250 150 48 7 23 60 200 107 52 ~ 10 21 120 îoe 61 54 18 21 On voit que l'introduction d'une résistance suffisante améliore grandement la durée de vie du système. Des calculs ont montré que la résistance R de régulation utilisée dans le dispositif expérimental décrit conduira aux mêmes résultats avec une conduite flexible réelle, si la condition suivante est respectée où e : longueur des fils du dispositif expérimental, 4 :section des fils-anodes ou rubans-anodes de ce dispositif, L : demi-longueur entre deux embouts de la conduite, S : somme des sections des fils-anodes ou rubans-anodes de la conduite réelle, a : longueur de fil d'armature enroulé par unité de longueur de conduite réelle. Cette relation n'est valable qu'aux conditions suivantes - la surface à protéger par unité de longueur est la même dans la conduite réelle et dans le dispositif expérimental, - les conditions électrochimiques sont les mêmes dans les deux cas. En reprenant l'exemple précédent, on voit qu'avec une résistance de régulation de 120 ohms une conduite présentant aussi une surface de 30 cm2 à prote ger cathodiquement par mètre de longueur, avec a = 1,743 , et ayant une longueur de 2.000 mètres entre deux embouts, sera parfaitement protégée avec une durée de vie maximale, si la somme des sections des fils-anodes ou rubans-anodes est soit 304 fois la section des fils en alliage protecteur dont le diamètre était de 1 mm, utilisés dans le dispositif employé pour effectuer les essais de corrosion en simulant les conditions réelles. REVENDICATION S 1. - Conduite flexible protégée contre la corrosion, comportant une gaine tubulaire interne, au moins une armature recouvrant cette âme tubulaire, ladite armature comprenant au moins un élément métallique allongé de renforcement, et une gaine externe assurant une protection mécanique de l'ensemble, cette gaine externe étant munie de perforations, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément allongé continu de protection cathodique, constitué d'au moins un matériau métallique et renfermant au moins un métal choisi parmi le zinc, l'aluminium et le magnésium, cet élément continu de protection étant disposé entre les deux gaines, sensiblement sur toute la longueur de la conduite et au voisinage immédiat dudit élément allongé de renforcement, en étant raccordé électriquement à ce dernier aux extrémités de la conduite. 2. - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément allongé continu de protection a une structure composite formée d'une âme en métal peu corrodable revêtue d'un matériau métallique renfermant au moins un métal choisi parmi le zinc, l'aluminium et le magnésium. 3. - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément allongé continu de protection est disposé suivant une direction sensiblement parallèle à l'axe de la conduite au voisinage immédiat de ladite armature. 4. - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément allongé continu de protection est enroulé en hélice au voisinage immédiat de ladite armature. 5. - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément allongé continu de protection constitué d'un fil métallique 6. - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément allongé continu de protection constitué d'un toron métallique. 7 - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément allongé continu de protection constitué d'un profilé métallique 8 . - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément allongé continu de protection constitué d'un ruban métallique. 9 . - #Conduite flexible protégée contre la corrosion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite armature est formée d'une pluralité d'éléments de renforcement, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément allongé continu de protection cathodique remplaçant un élément de renforcement de ladite armature. 10. - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon d'une des revendications précédentes, comportant une armature formée de deux nappes superposées, caractérisée en ce que ledit élément allongé continu de protection est disposé entre lesdites nappes d'armatures. Il. - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon lune des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une résistance électrique de régulation est connectée entre ledit élément allongé de protection et ledit élément allongé de renforcement. 12. - Conduite flexible protégée contre la corrosion selon la revendication 11, caractérisée en ce que ladite résistance électrique de régulation est en alliage nickel-chrome.