Anode en aluminium pour la prévention de la biofouling marine

Les balanes, les coquillages, les algues et autres organismes marins peuvent se fixer rapidement aux composants essentiels des navires, tels que les canalisations d'eau de mer, les condenseurs, les refroidisseurs et les portes d'accès au fond marin. Ceci provoque l'obstruction des canalisations, une réduction de l'efficacité des échanges thermiques et leurs déchets métaboliques accélèrent la corrosion des métaux, ce qui réduit la durée de vie des équipements.

Systèmes de prévention de la prolifération marine Les systèmes de protection contre la corrosion (MGPS) constituent une technologie essentielle pour relever ce défi. Ils assurent des fonctions antisalissures et anticorrosion grâce à des principes électrochimiques et sont devenus des équipements standards sur les navires modernes et dans le génie maritime. Parmi les différentes technologies MGPS, le système électrolytique cuivre-aluminium est largement utilisé dans les zones maritimes tempérées en raison de sa grande adaptabilité et de son faible coût. L'anode en aluminium, composant clé de ce système, agit en synergie avec l'anode en cuivre pour inhiber la prolifération des organismes marins et forme un film protecteur anticorrosion grâce à une réaction électrochimique unique.

Principe de fonctionnement de base

Le mécanisme de fonctionnement de l'anode en aluminium MGPS repose sur une réaction d'électrolyse. Sous l'effet d'une alimentation en courant continu, l'anode libère des ions aluminium par oxydation et dissolution, assurant ainsi une double fonction d'inhibition biologique et de protection contre la corrosion. Lorsque le courant traverse l'électrolyte d'eau de mer, une réaction d'oxydation se produit à la surface de l'anode en aluminium :

Al → Al³⁺ + 3e⁻

Les atomes d'aluminium perdent des électrons et se transforment en ions aluminium trivalents (Al³⁺), qui se dissolvent continuellement dans l'eau de mer. Comparée à d'autres matériaux d'anode, l'anode en aluminium présente un rendement de courant supérieur à 90 %, une forte production d'énergie par unité de masse et maintient un taux de libération d'ions stable lors d'un fonctionnement prolongé, assurant ainsi une protection durable contre la corrosion.

Après être entrés dans l'eau de mer, les ions aluminium réagissent rapidement avec les ions hydroxyde (OH⁻) présents dans l'eau de mer pour former des flocons d'hydroxyde d'aluminium (Al(OH)₃) :

Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓

Cette réaction est essentielle à la double fonction protectrice de l'anode en aluminium ; les flocons d'hydroxyde d'aluminium ainsi formés présentent une surface spécifique et une capacité d'adsorption élevées. Entraînés par le courant d'eau dans le réseau de canalisations d'eau de mer, ces flocons adsorbent efficacement les organismes planctoniques tels que les spores d'algues et les larves de crustacés, formant des encapsulations. Ces encapsulations empêchent les larves d'entrer en contact avec la paroi interne des canalisations et entraînent leur mort par manque d'oxygène et de nutriments, interrompant ainsi la chaîne de fixation biologique à sa source.

Norme d'anode en aluminium MGPS

Les performances des anodes en aluminium sont étroitement liées à leur composition chimique et à leur alliage. L'aluminium pur ne peut être utilisé directement dans les systèmes MGPS en raison de sa sensibilité à la passivation et de son faible rendement en courant. En pratique, les anodes en aluminium sont toutes alliées. Des éléments spécifiques sont ajoutés pour améliorer leurs performances électrochimiques et leur résistance mécanique ; l'alliage le plus courant est l'alliage Al-Zn-In (aluminium-zinc-indium).

Aluminium (Al) : Contient plus de 95 %, assurant une activité électrochimique essentielle et une capacité de libération d'ions.

Zinc (Zn) : Généralement 2 % à 5 %, il ajuste le potentiel d'électrode de l'anode, améliorant l'efficacité du courant et la résistance à la corrosion.

L'indium (In) est un élément anti-passivation essentiel, ajouté à une concentration de 0.01 % à 0.1 %, qui améliore significativement l'état de surface des anodes en aluminium dans les milieux chlorurés tels que l'eau de mer. Il empêche la formation d'un film de passivation susceptible d'interrompre la libération d'ions, garantissant ainsi un fonctionnement stable et durable de l'anode.

Pour les anodes en aluminium utilisées dans certains environnements spécifiques, des éléments tels que le cadmium (Cd) et l'étain (Sn) sont ajoutés afin d'optimiser leur stabilité électrochimique et leur résistance mécanique. Comparées aux anodes en magnésium, les anodes en aluminium présentent une densité plus faible (environ 2.7 g/cm³), une résistance mécanique supérieure et sont moins sujettes à la déformation, ce qui facilite leur usinage pour obtenir des formes complexes. Leur potentiel modéré (environ -1.0 V à -1.1 V vs. SCE) les rend également adaptées aux environnements à faible résistivité, comme l'eau de mer. Elles génèrent plus d'énergie par unité de poids et offrent une durée de vie plus longue.

Des indicateurs de performance

Les anodes en aluminium MGPS doivent répondre à des normes techniques rigoureuses. Les principaux indicateurs sont les suivants :

Rendement actuel : ≥90 %, assurant une utilisation élevée de l'énergie et minimisant le gaspillage de matériaux.

Uniformité de dissolution : aucune corrosion sévère localisée ni écaillage pendant la dissolution de l'anode, assurant un taux de libération d'ions stable.

Résistance à la passivation : Après 1000 heures de fonctionnement continu dans une solution de NaCl à 3.5 % (simulant un environnement d'eau de mer), la surtension de polarisation est ≤0.3 V, assurant une libération d'ions ininterrompue.

Résistance mécanique : résistance à la traction ≥120MPa, dureté Brinell ≥35HB, répondant aux exigences de stabilité structurelle lors de l'installation et du fonctionnement.

Durée de vie : Sous la densité de courant nominale, la période de protection effective est de ≥ 2 à 3 ans, correspondant au cycle de mise en cale sèche du navire et réduisant la fréquence de remplacement.

Normes MGPS

La production et l'application des anodes en aluminium MGPS doivent être conformes aux spécifications d'organismes faisant autorité tels que l'Organisation maritime internationale (OMI), DNV GL et ABS :

Directives G8 de l'OMI : Définir clairement les limites de concentration de libération d'ions en mode électrolytique cuivre-aluminium afin de garantir un impact contrôlable sur l'environnement écologique marin, avec une CL50 des ions cuivre > 0.2 ppm pour éviter la toxicité pour la plupart des organismes marins.

Règles DNV GL Pt6 Ch2 Sec3 : Stipulent que la densité de courant des anodes en aluminium doit être contrôlée à 500-1000 A/m² pour éviter les réactions secondaires d'évolution de l'oxygène affectant l'effet de protection et la durée de vie de l'anode.

Exigences de conformité environnementale : La composition de l'alliage de l'anode en aluminium doit être conforme aux exigences de gestion des eaux de ballast MEPC.279 (70), en évitant l'ajout d'éléments toxiques et nocifs tels que le mercure et le plomb, et en veillant à ce qu'aucune pollution secondaire ne soit générée pendant le fonctionnement.

Les anodes en aluminium MGPS sont des composants essentiels des systèmes anti-encrassement marin électrolytiques cuivre-aluminium. Leur réaction électrochimique unique assure une double fonction : l’inhibition de l’encrassement biologique et la protection contre la corrosion. Ces anodes constituent la barrière principale protégeant les canalisations d’eau de mer à bord des navires. Leur principe de fonctionnement repose sur l’oxydation et la dissolution de l’anode en aluminium, libérant des ions aluminium qui génèrent des flocons d’hydroxyde d’aluminium. Ces flocons adsorbent et détruisent les larves marines et forment un film protecteur dense sur la paroi interne des canalisations, traitant ainsi l’encrassement biologique et la corrosion à la source. En termes de matériaux, les alliages Al-Zn-In sont devenus la norme grâce à leur rendement de courant élevé et leur forte résistance à la passivation. L’installation peut se faire par voie directe ou indirecte, nécessitant une sélection adaptée à la structure du navire et aux besoins opérationnels. Un choix judicieux, une maintenance et un dépannage quotidiens sont indispensables pour garantir un fonctionnement stable et durable.