À la suite d'essais ayant débuté dès 1938 dans son centre de recherches, la Société « Pont-à-Mousson S.A. » a commencé en 1959, à l'échelle industrielle, de munir des tuyaux en fonte destinés à être enterrés dans des sols très agressifs d'un revêtement protecteur à base de zinc. De 1963 à 1972, des essais systématiques ont été entrepris en commun par différents producteurs européens pour déterminer le mécanisme et la valeur protectrice de ce revêtement dans différents sols agressifs. Cette communication décrit la nature du revêtement, la façon de l'appliquer, comment il fonctionne et décrit les raisons pour lesquelles il assure une protection pratiquement complète contre la corrosion dans la plupart des sols corrosifs. Il décrit en détail des essais exécutés tant en laboratoire qu'en terrain d'essais et donne des résultats globaux sur la protection obtenue par son application sur plus de 13 millions de tuyaux depuis 1959. Communication donnée à la 1re International Conference on Pipe Protection de Hull (9-11 septembre 1975), organised and sponsored by BHRA Fluid Engineering, également éditeur du recueil des conférences.
Directeur au Centre de RecherchesPONT-À-MOUSSON
À la suite d'essais ayant débuté dès 1938 dans son centre de recherches, la Société « Pont-à-Mousson S.A. » a commencé en 1959, à l'échelle industrielle, de munir des tuyaux en fonte destinés à être enterrés dans des sols très agressifs d'un revêtement protecteur à base de zinc.
De 1963 à 1972, des essais systématiques ont été entrepris en commun par différents producteurs européens pour déterminer le mécanisme et la valeur protectrice de ce revêtement dans différents sols agressifs.
Cette communication décrit la nature du revêtement, la façon de l'appliquer, comment il fonctionne et décrit les raisons pour lesquelles il assure une protection pratiquement complète contre la corrosion dans la plupart des sols corrosifs.
Il décrit en détail des essais exécutés tant en laboratoire qu'en terrain d'essais et donne des résultats globaux sur la protection obtenue par son application sur plus de 13 millions de tuyaux depuis 1959.
Communication donnée à la 1re International Conference on Pipe Protection de Hull (9-11 septembre 1975), organised and sponsored by BHRA Fluid Engineering, également éditeur du recueil des conférences.
1. HISTORIQUE
L'utilisation de la fonte pour la fabrication de canalisations date de plusieurs siècles et l'expérience de sa bonne résistance à la corrosion par les terrains porte sur un nombre considérable de canalisations et concerne de très longues durées de vie, dépassant souvent un siècle.
Il est cependant toujours possible de trouver des circonstances dans lesquelles n'importe quel matériau se détériore à la longue, et c'est pour faire face à ces cas très particuliers et rares de conditions agressives vis-à-vis des canalisations en fonte que des recherches, tant en laboratoire qu’en terrains expérimentaux, furent entreprises chez différents producteurs européens.
La Société PONT-À-MOUSSON a commencé ses premiers essais systématiques dès 1923.
Toutefois, compte tenu de l'épaisseur des canalisations en fonte grise, calculée en fonction de la résistance mécanique du tuyau, la résistance à la corrosion de ces canalisations ne posait guère de problème lorsqu’en 1956, des progrès dans l'élaboration de la fonte et l’amortissement des chocs reçus lors des manutentions par une couche interne épaisse de ciment ont permis de concevoir un tuyau en fonte grise, appelé « RAPID » dont l'épaisseur de fonte était réduite.
Comme on désirait, toutes choses égales par ailleurs, garder les mêmes propriétés de résistance à la corrosion, un revêtement adapté, tant au matériau qu'à l’usage, a été étudié.
Le choix s'est vite limité à deux solutions possibles :
— un revêtement à base de résines plastiques qui commençaient, à l'époque, à être connues ;
— un revêtement à base de zinc, qui avait fait ses preuves lors d’essais faits dans la période 1938-1954.
Ce dernier fut choisi, principalement en raison de sa meilleure tenue aux chocs, raclages, griffures, etc., que les tuyaux reçoivent inévitablement durant leurs manutentions.
Après deux années d'essais, portant surtout sur la technologie d'application, ce revêtement fut appliqué à l'échelle industrielle : dès 1958, sur une petite partie de la production, et à partir de 1960-1961, sur la totalité de la production de ce type de tuyaux.
Vers la même époque, la production de canalisations en fonte ductile commençait à se développer.
La supériorité, légère mais certaine, de la résistance à la corrosion de la fonte ductile (1) était, à l'époque, pressentie, mais non pas assez largement constatée, et l'on a été amené à revêtir les tuyaux en fonte ductile qui devaient aller dans les mauvais terrains de la même façon que les tuyaux RAPID.
Par la suite, la mécanisation croissante des chaînes de fabrication ne permettant plus de réaliser des revêtements spéciaux, la généralisation du revête-
(1) Diverses références
ment de zinc, favorisée par la commodité technologique d'application, a été adoptée pour tous les tuyaux en fonte ductile d’un diamètre allant jusqu’à 300 mm.
C’est ainsi qu’à l’heure actuelle, plus de 3 000 tuyaux sont journellement munis de ce revêtement.
2. CONSTITUTION DU REVÊTEMENT À BASE DE ZINC
2.1. Préparation de surface :
2.1.1.
Bien entendu, la surface sur laquelle le revêtement est appliqué doit être parfaitement adhérente au métal et le rester au cours du temps.
Des études ont été faites afin de voir si cette surface doit être grenaillée ou sablée.
Dans le cas des tuyaux en fonte, ceci n'est pas nécessaire : la peau d’oxyde qui se forme lentement au cours du traitement thermique est mince et très régulière. De plus, elle n'est pas soumise ultérieurement à un effort mécanique intense comme la calamine de la tôle d’acier lors du laminage.
Il est possible de contrôler sa vitesse de formation et son épaisseur en réglant soigneusement la composition de l’atmosphère du four : celle-ci doit être très légèrement oxydante. On obtient ainsi une peau d’oxyde parfaitement adhérente et uniforme sur toute la surface du tuyau.
La légère rugosité qu'elle présente favorise l’accrochage du zinc.
2.1.2.
De plus, la surface à revêtir doit être parfaitement propre (exempte de poussières ou de graisse) et sèche. On réalise parfaitement ces conditions en implantant l’installation de revêtement aussitôt après le four de traitement thermique, alors que le tuyau a une température voisine de 100 °C.
2.2. Application du zinc :
Il s'agit de zinc à haute pureté (> 99,95 %) métallisé au moyen d'un pistolet.
Il est possible, pour cette opération, d'utiliser un chalumeau oxyacétylénique ou un pistolet électrique.
L'emploi de ce dernier permet d’augmenter la cadence de projection et de régulariser les conditions de projection.
2.3.
L’installation doit être conçue de manière à obtenir une couche de zinc aussi régulière que possible et une texture finement grenue du zinc déposé.
Ceci peut être obtenu en réglant soigneusement la forme de la buse de projection, les vitesses de rotation et de translation du tuyau qui défile devant le pistolet, ainsi que la distance de projection.
La charge déposée n'est pas inférieure à 140 g/m². Il est recommandé de viser une charge un peu supérieure (180 à 190 g/m²), ce qui correspond environ à une épaisseur de couche de 30 microns pour pallier les inégalités de dépôt.
Le tuyau reçoit ensuite, à chaud, une couche de vernis bitumineux qui imprègne la couche de zinc.
3. FONCTIONNEMENT DE LA PROTECTION
3.1.
En attendant que le tuyau soit enterré, la couche de vernis bitumineux protège le zinc contre l'action corrosive des agents atmosphériques.
3.2.
Lors des chocs, raclages, etc., que le tuyau reçoit lors des manutentions, le comportement du revêtement est excellent et celui-ci constitue une protection mécanique efficace de la surface du tuyau :
En effet, le zinc est un métal mou, qui se mate sous l'effet des chocs, mais reste presque toujours en place, contrairement aux peintures, mêmes les plus coriaces.
On évite ainsi que le tuyau soit blessé jusqu’au métal, ce qui est très important ; un certain nombre de corrosions graves de tuyaux de fonte ayant en effet pris naissance au niveau d'une blessure (Fig. 1).
Si, néanmoins, le zinc était arraché, la surface du métal serait protégée par effet galvanique. Nous avons même pu, dans certains cas, mettre en évidence une « cicatrisation » d'une
3.3. Sol et corrosité (P)
Rayure mettant la fonte à nu par redéposition de produits à base de zinc, après enterrement du tuyau (Fig. 2).
Le tuyau, une fois enterré, est soumis à l'effet des agents agressifs du terrain :
La présence du vernis bitumineux empêche une attaque rapide du zinc et lui évite d’être transformé en hydroxyde de zinc, produit certes insoluble mais de nature gélatineuse et qui diffuserait dans le terrain voisin.
L'effet bouche-pore du vernis permet au zinc de se transformer lentement, in situ, en une couche insoluble, imperméable et adhérente (Fig. 3).
L’analyse par diffraction de rayons X de cette couche a montré la présence de carbonate de zinc, d'oxychlorure de zinc et d'autres composés plus complexes.
Cette couche, une fois formée, protège le tuyau contre toute attaque ultérieure.
4. ESSAIS EN LABORATOIRE ET EN TERRAINS MONTRANT L’EFFICACITÉ DU REVÊTEMENT
Une communication récente au Congrès de l'eau a décrit les essais exécutés en terrain et leurs résultats favorables. Nous nous limitons ici à citer quelques exemples frappants pour insister plus sur certains essais de laboratoire particulièrement démonstratifs.
4.1. Les premiers essais datent de 1938.
Le but fixé était la protection de jonctions. Un brevet a été pris à la suite de ces essais.
Dès 1949, des essais ont été entrepris sur coupes de tuyaux à la baie du Mont-Saint-Michel (sol argilo-sableux imprégné d'eau de mer à résistivité inférieure à 200 ohms/cm). Ils ont démontré l’efficacité du revêtement décrit plus haut, que la métallisation ait été réalisée au zinc ou au cadmium.
Les échantillons ont été enterrés en 1949 pour des durées variables, la plus longue durée étant de 19 ans (jusqu’à 1968).
Le tableau suivant donne les résultats des essais :
- Échantillon témoin (simplement goudronné)Corrosions très profondes, perforantes en certains points.
- Échantillon métallisé au zinc (sans vernis bitumineux)Attaques locales de profondeur inférieure à 0,6 mm.
- Échantillon métallisé au zinc + revêtement bitumineuxAucune attaque sensible de la fonte.
Le zinc métallique avait à peu près partout disparu et s’était transformé en une couche compacte de produit de corrosion (fig. 4).
De nombreux essais ont eu lieu en terrains corrosifs et nous citons seulement ici les plus démonstratifs.
4.3.1. Essais effectués sur le réseau d’adduction d’eau de Sarralbe
Ce vaste réseau traversait par endroits des zones de terrain extrêmement agressif dans une région d’anciens étangs asséchés.
Les caractéristiques de ce terrain sont les suivantes :
- argile brune compacte très humide (anaérobie), résistivité variant localement de 500 à 1 000 Ω·cm,
- pH voisin de la neutralité : 6,8 à 7,2,
- teneur en sulfates : 1 000 à 2 500 mg/kg de sol sec,
- teneur en chlorures : ≈ 500 mg/kg de sol sec,
- présence de sulfures : jusqu’à 300 mg/kg de sol sec,
- corrosion active par les bactéries réductrices des sulfates (taches noires dans le terrain).
Des tuyaux de fonte grise simplement goudronnés, d’épaisseur 8 mm, ont été perforés après seulement quatre ans et, au bout de sept ans, certains tronçons ont été déposés et remplacés par des tuyaux revêtus de zinc.
Quatre années plus tard, quelques-uns de ces tuyaux ont été examinés.Le zinc métallique était partiellement transformé en une couche minérale protectrice et la fonte sous-jacente était intacte.
Depuis lors, nous n’avons plus entendu parler de cette conduite, qui est enterrée maintenant depuis plus de dix ans.
4.3.2. Essais menés en commun par divers producteurs de tuyaux de fonte européens
Les terrains étaient situés à :
- Colchester (Essex, Grande-Bretagne),
- Oldenburg (Basse-Saxe, Allemagne),
- Mont-Saint-Michel (Normandie, France).
Le tableau I donne les caractéristiques de ces terrains.
Tableau I
| COLCHESTER | OLDENBURG | MONT-SAINT-MICHEL | |
|---|---|---|---|
| Type de sol | argileux | marécageux argileux et tourbeux | gallo-argileux du type tangue, recouvert |
| Type de corrosion | principalement anaérobie | anaérobie | alternativement aérobie et anaérobie |
| Résistivité du sol | 500 à 900 Ω·cm | 900 Ω·cm | 110 Ω·cm |
| Teneur en chlorures | 300 mg/kg de sol | 1 700 mg/kg de sol | 9 000 mg/kg de sol |
| Teneur en sulfates | 1 000 mg/kg de sol | 2 700 mg/kg de sol | 5 000 à 10 000 mg/kg de sol |
Tableau II
Le tableau II donne la profondeur moyenne de pénétration de la corrosion (en mm) relevée sur des échantillons de tuyaux protégés par métallisation au zinc + vernis et sur des échantillons témoins non protégés.
Le revêtement au zinc a manifestement joué un rôle protecteur très important dans ces terrains.
4.4. Expériences de laboratoire tendant à mettre en évidence la valeur protectrice de la couche de produits de corrosion après disparition du zinc métallique.
4.4.1. Mesures de polarisation.
Des plaquettes de 40 mm de côté ont été prélevées sur un tuyau ayant séjourné cinq ans dans le terrain du Mont-Saint-Michel (§ 4.3.2.).
La moitié d’entre eux ont été décapés à la potasse, ce qui a permis d’éliminer la couche de produits de corrosion du zinc ; les autres simplement nettoyés à l’eau, de façon à conserver cette couche. Ces échantillons ont été séparément soumis à un courant anodique vis-à-vis d’une contre-électrode de platine, l’électrode utilisée étant de la terre du terrain du Mont-Saint-Michel saturée d’eau. Les densités de courant anodique en fonction de la différence de potentiel appliquée sont représentées sur la figure 6.
On voit en particulier que, sous une différence de potentiel de 100 mV par rapport à l’équilibre, le courant de polarisation anodique est 8 à 9 fois moins élevé dans le cas des échantillons munis de cette couche protectrice.
À l’équilibre même, la conductance de polarisation.
ΔE est environ 3 fois moins élevée.
Tableau III
Potentiel d’équilibre de polarisation – Conductance de polarisation anodique – Courant de polarisation
| Échantillons | E₀ | Conductance | Courant à E₀ + 100 mV | Courant à E₀ + 150 mV |
|---|---|---|---|---|
| Échantillons bruts | 715 mV | 0,35 µA/cm²/mV | 280 µA/cm² | 1 520 µA/cm² |
| Échantillons bruts (décapés) | 720 mV | 0,43 µA/cm²/mV | 230 µA/cm² | 1 120 µA/cm² |
| Échantillons revêtus des produits de corrosion du zinc | 701 mV | 0,21 µA/cm²/mV | 42 µA/cm² | 184 µA/cm² |
| Échantillons revêtus des produits de corrosion du zinc | 696 mV | 0,11 µA/cm²/mV | 18 µA/cm² | 122 µA/cm² |
4.4.2. Essais de corrosion en brouillard salin
Des échantillons analogues, les uns munis de cette couche protectrice et les autres décapés, ont été soumis à l’essai normalisé en brouillard salin durant 67 jours, puis ont subi un léger sablage.
La fonte sous-jacente était intacte dans le cas des échantillons revêtus de cette couche protectrice et présentait des attaques de corrosion allant jusqu’à 0,8 mm pour les échantillons décapés.
Les pertes de poids ont été les suivantes :
Tableau IV
| Type d’échantillons | Poids des échantillons | Perte de poids en 67 jours |
|---|---|---|
| Échantillons témoins décapés | 7,3 – 5,9 g | 117 – 150 mg/cm² |
| Échantillons revêtus des produits de corrosion du zinc | 5,15 – 17,5 g | 8 mg/cm² |
L’effet protecteur de la couche est ici bien mis en évidence : la perte de poids est divisée par 10 !
Dans les deux cas (§ 4.4.1 et 4.4.2), la vérification a posteriori de l’absence de zinc a été faite par micrographie.
5. LIMITATION DU PROCÉDÉ
5.1.
La protection, on vient de le voir, est due à la formation in situ de la couche protectrice insoluble.
Si des facteurs mécaniques ou chimiques empêchent la formation de cette couche, la protection est assurée temporairement durant quelques années par l’effet galvanique, puis cesse lorsque le zinc métallique est consommé.
5.2.
Les diverses limitations sont les suivantes :
Limitations chimiques :
- sols trop acides, de pH < 4,5/5 (tourbières, certains terrains tropicaux — voir § 5.3, terrain de la Martinique —, certains remblais artificiels souillés de produits chimiques ou de cendres chargées en soufre) ;
- sols trop basiques (pH > 9) (nous n’avons aucune expérience de la tenue de ce revêtement dans les terrains alcalins sodiques rencontrés dans l’ouest des États-Unis).
Des essais sont en cours afin de voir si certains traitements superficiels du zinc ne pourraient élargir la zone de pH utile.
Limitations physiques :
- conduite posée dans de l’eau de mer agitée ou soumise à un ruissellement intense ;
- conduite soumise à une abrasion mécanique extérieure en même temps qu’à une influence corrosive.
5.3.
Il est cependant à noter que l’emploi simultané de manche en polyéthylène et du revêtement au zinc permet néanmoins d’éviter la corrosion dans certaines de ces circonstances extrêmes.
Nous en avons eu un exemple par des essais exécutés dans certains terrains tropicaux à pH particulièrement bas situés en Martinique. Les caractéristiques du terrain étaient les suivantes :
Tableau V
| Caractéristiques | Valeur |
|---|---|
| Résistivité | 30 à 89 Ω·m |
| Cl⁻ | 0,7 à 2,5 % |
| SO₄²⁻ | 0,5 à 1 % |
| pH | nettement inférieur à 4 |
| Présence de matières organiques et de bactéries réductrices des sulfates |
Tableau VI
Terrain d’essai de la MARTINIQUE
Essais sur tuyaux en fonte grise Ø 100 (1962-1973)
Profondeurs maximales de pénétration (en mm)
| Type de protection | 4 ans | 7 ans |
|---|---|---|
| Vernis seul | 4,0 | perforation (e = 6,5) |
| Zinc + vernis | 3,3 | perforation (e = 8,1) |
e : épaisseur du tuyau au voisinage de la perforation
Dans une première série d’essais, nous avions comparé le comportement de canalisations nues, revêtues de simple goudron et de revêtement de zinc en épaisseur normale. (Voir tableau VI.)
Les résultats obtenus montrent que, dans ce type de terrain, le revêtement à base de zinc n’a qu’un effet protecteur très limité dans le temps. Les examens montrent par ailleurs qu’aucune couche cohérente de produits de corrosion du zinc ne s'est formée.
Il nous est alors venu l'idée d'utiliser simultanément le revêtement à base de zinc et une manche en polyéthylène lâche enveloppant le tuyau.
Dans ces conditions, on peut espérer que le pH du milieu électrolytique confiné entre manche et tuyau remontera, sous l'effet de la dissolution initiale d'une partie du zinc, jusqu'à une valeur permettant la formation d'une couche protectrice capable d’assurer une protection de longue durée du tuyau.
Cette hypothèse est en cours de vérification sur des échantillons enterrés dans notre terrain d'essais de la Martinique et les premiers résultats, après quatre ans de séjour dans le sol, ont été les suivants :
Tableau VIITerrain d'essai de la Martinique — Profondeurs maximales de pénétration de la corrosion après 4 ans (1969-1973)
| Protection par Zn (1) + vernis : | 2,5 mm |
| Sans protection + manche polyéthylène : | 3,5 mm |
| Protection par Zn (1) + vernis + manche polyéthylène non endommagée : | 0,5 mm |
| Au niveau où la manche avait été volontairement détériorée : | Ø |
(1) Les essais ont porté sur des revêtements de zinc à épaisseur normale.
On peut estimer que, depuis cette époque, plus de 15 millions de tuyaux ont été livrés et sont en service.
- — 1 conduite sous-fluviale, pour laquelle, lors de la pose, une manutention des tuyaux avec des élingues d'acier avait arraché le revêtement ;
- — 1 conduite sous-marine exposée à des courants violents dus à la marée ;
- — 1 conduite dans un remblai artificiel dont le pH était inférieur à 2.
Ce nombre de cas est donc minime par rapport au nombre de tuyaux posés et, ainsi que l'étude statistique l’a montré, considérablement inférieur à celui que l'on aurait enregistré avec des tuyaux simplement goudronnés.
On peut donc dire que, sauf pour quelques types très particuliers de terrains rencontrés très rarement en Europe, le revêtement à base de zinc constitue une protection pleinement efficace des canalisations en fonte contre la corrosion des sols.
Les résultats confirment l'hypothèse que nous avons faite :
La combinaison des deux protections se révèle efficace, en permettant, ainsi que les examens micrographiques l’ont montré, la formation d'une couche cohérente de produits de corrosion du zinc. Comme on pouvait s’y attendre, la protection s'est trouvée réduite dans le voisinage des dommages qui avaient été pratiqués volontairement dans la feuille de polyéthylène.
Si l'effet de la conjonction de ces deux protections se révélait durable (les essais se poursuivent) on disposerait ainsi d’une solution permettant d'étendre le domaine d'emploi du revêtement de zinc vers les sols acides.
6. EXPÉRIENCES CONCERNANT DES CONDUITES EN EXPLOITATION
Les premières canalisations revêtues de zinc + vernis ont été livrées en exploitation il y a dix-sept ans.
