Grâce à leur potentiel stable, leur rendement de courant élevé, leur faible coût et leur grande adaptabilité environnementale, les anodes sacrificielles en zinc soudées sont devenues le matériau de choix pour la protection contre la corrosion des structures en acier en eau de mer, dans les boues salines, les sols et autres milieux. Elles sont largement utilisées dans la construction navale, les plateformes pétrolières offshore, les pipelines enterrés, les réservoirs de stockage, les pieux métalliques de quais et autres applications. Le soudage est la technologie clé pour assurer une connexion électrique fiable entre l'anode sacrificielle en zinc et la structure métallique protégée.
Types de soudage des anodes sacrificielles en zinc
Soudage sacrificiel Les anodes de zinc sont classées en fonction de leurs éléments d'alliage et de leur structure, ce qui entraîne des différences significatives dans leurs performances électrochimiques et leurs applications.
Anodes en zinc pur
Teneur en zinc ≥ 99.95 %, avec des teneurs en impuretés telles que le fer, le cuivre et le plomb strictement contrôlées et maintenues à des niveaux très faibles. Potentiel en circuit ouvert d'environ -1.03 V (vs Cu/CuSO₄), et rendement de courant d'environ 70 à 80 %. Convient aux milieux d'eau douce et aux environnements légèrement corrosifs à faible concentration en ions chlorure.
Anodes en zinc-aluminium-cadmium
Teneur en aluminium : 2.5 % à 3.5 % ; teneur en cadmium : 0.05 % à 0.15 %, conforme à la norme ASTM B418-16a type I. Potentiel en circuit ouvert : -1.05 V à -1.15 V (vs Cu/CuSO₄) ; rendement en courant : ≥ 90 %. Solution de choix pour la protection des structures métalliques en eau de mer, c’est le type d’anode en zinc soudé le plus courant.
Anodes zinc-aluminium-indium
Écologique et sans cadmium, avec une teneur en indium de 0.02 % à 0.05 %, ce matériau présente des performances électrochimiques comparables à celles des alliages zinc-aluminium-cadmium, avec un potentiel en circuit ouvert de -1.04 à -1.12 V (vs Cu/CuSO₄) et un rendement faradique supérieur ou égal à 92 %. Il est particulièrement adapté aux applications en génie maritime et aux projets situés à proximité de sources d'eau potable où les émissions de cadmium sont strictement réglementées.
Anodes en zinc soudées
Fabriquées par moulage, ces anodes pèsent de quelques kilogrammes à plusieurs centaines de kilogrammes et présentent une capacité élevée par unité de poids ainsi qu'un courant de sortie stable. Les anodes en bloc nécessitent un soudage à la structure protégée via un noyau en acier ou une armature plate et sont principalement utilisées pour les grandes structures telles que les coques de navires, les plateformes offshore, les fonds de réservoirs de stockage et les pieux métalliques de quais.
Anodes en zinc soudées en bande
Fabriquées par extrusion, ces anodes en bande présentent une épaisseur de 1 à 5 mm, une largeur de 10 à 50 mm et une longueur personnalisable. Flexibles, elles peuvent être cintrées et enroulées. Elles peuvent être soudées directement à la structure à protéger ou raccordées à des tuyaux par soudage aluminothermique. Elles conviennent aux applications nécessitant une pose continue, telles que les canalisations enterrées, les parois internes de réservoirs et les petits composants de navires.
Anodes en zinc pour bracelet
Dotées d'une structure en forme d'arc spécialement conçue pour les pipelines, ces anodes se fixent directement à l'extérieur du tuyau par soudage. Elles assurent une distribution uniforme du courant et sont faciles à installer. Elles conviennent aux pipelines offshore, sous-marins et autres applications similaires.
Spécifications des anodes sacrificielles en zinc soudées
Les spécifications des anodes sacrificielles en zinc soudées se répartissent en trois grandes catégories : matériaux, paramètres de performance électrochimique et dimensions structurelles. Ces spécifications constituent le fondement du choix de l’anode, de la réalisation du soudage et du contrôle qualité. Tous les paramètres doivent être conformes aux normes en vigueur.
Paramètres physiques et chimiques
Les paramètres physiques et chimiques de anodes de zinc Les principales caractéristiques comprennent la composition chimique, la densité et la dureté. La composition chimique est le facteur déterminant des performances électrochimiques. Les normes actuelles imposent des réglementations strictes sur la teneur en zinc et en éléments d'alliage, ainsi que sur les limites supérieures des impuretés, afin d'éviter la passivation de l'anode ou une diminution du rendement de courant. Le tableau 1 présente les exigences de composition chimique (fraction massique, %) pour les anodes en alliage zinc-aluminium-cadmium, telles que spécifiées par les principales normes nationales et internationales.
| Standard | Le zinc (Zn) | Aluminium (Al) | Cadmium (Cd) | Fer (Fe) | Cuivre (Cu) | Plomb (Pb) | Silicium (Si) |
| ASTM B418-16a Type I | Reste | 2.5 ~ 3.5 | 0.05 ~ 0.15 | ≤ 0.005 | ≤ 0.005 | ≤ 0.006 | ≤ 0.01 |
| T/CSCP 0001-2024 | Reste | 2.0 ~ 4.0 | 0.05 ~ 0.20 | ≤ 0.008 | ≤ 0.008 | ≤ 0.010 | ≤ 0.02 |
| AS 2239-2003 | Reste | 2.2 ~ 3.8 | 0.04 ~ 0.18 | ≤ 0.007 | ≤ 0.007 | ≤ 0.009 | ≤ 0.015 |
Les propriétés physiques de l'anode en zinc sont les suivantes : densité d'environ 7.14 g/cm³, point de fusion de 419 à 450 °C, dureté Brinell ≥ 60 HB, résistance à la traction des anodes en zinc coulé ≥ 120 MPa, allongement ≥ 2 %, et résistance à la traction des anodes en zinc extrudé ≥ 180 MPa, allongement ≥ 5 %. Son point de fusion est nettement inférieur à celui des composants en acier. La température doit être strictement contrôlée lors du soudage afin d'éviter une fusion excessive de l'anode, qui pourrait entraîner la perte de composants et une dégradation des performances.
Performance électrochimique
Les performances électrochimiques constituent un indicateur technique essentiel pour les anodes sacrificielles en zinc. Elles déterminent directement l'efficacité de la protection cathodique. Conformément aux exigences des normes T/CSCP 0001-2024 et AS 2239-2003, les performances électrochimiques des anodes en zinc en milieu marin et en sédiments salins doivent satisfaire aux exigences présentées dans le tableau 2.
| Indicateur de performance | Environnement marin | Tests |
| Potentiel de circuit ouvert (vs Cu/CuSO₄) | -1.05 ~ -1.15 V | Mesuré après 24 h de repos. |
| Potentiel de fonctionnement (vs Cu/CuSO₄) | -1.00 ~ -1.10 V | Mesuré après application du courant nominal. |
| Efficacité actuelle | ≥ 90% | Test de corrosion accélérée ≥ 1000 h. |
| Capacité réelle | ≥ 750 Ah/kg | Rejet continu dans l'eau de mer. |
| Taux de consommation | ≤ 12 kg/(A·an) | Test continu sous courant nominal. |
À noter: L'efficacité actuelle de l'anode de zinc dans l'environnement du sol doit être ≥85% et la capacité réelle doit être ≥700 Ah/kg.
Dimensions structurelles
Il n'existe pas de dimensions fixes uniformes pour les anodes sacrificielles en zinc soudées. Stitane Nous les personnalisons selon vos besoins. Les normes actuelles spécifient uniquement les exigences de tolérance dimensionnelle (EN 12496-2013) : pour les anodes de plus de 50 kg, la tolérance est de ±3 % ; pour les anodes de moins de 50 kg, la tolérance est de ±5 % ; la masse totale des anodes coulées ne doit pas être inférieure à la valeur nominale.
- Anodes en zinc bloc
Type ZC-1 : 300×150×60 mm, poids d’environ 19.2 kg, convient aux petits navires et aux accessoires de réservoir ;
Type ZC-2 : 500×(115+135)×130 mm, poids environ 56 kg, convient aux plaques de fond de réservoir et aux pieux en acier de quai ;
Type ZH-1 : 800×140×60 mm, poids d'environ 47 kg, convient aux coques de navires et aux plateformes offshore ;
Type ZP-2 : 1000×(65+75)×65mm, poids environ 33kg, convient aux pipelines enterrés et aux lits d'anodes de puits profonds.
- Anodes en zinc en bande
Type ZR-1 : 25.4 × 31.75 mm, poids d'environ 5.7 kg par mètre, convient aux environnements de sol à haute résistivité ;
Type ZR-2 : 15.88 × 22.23 mm, poids d'environ 2.5 kg par mètre, convient aux environnements d'eau de mer et de sols humides ;
Type ZR-3 : 12.7 × 14.28 mm, poids d'environ 1.2 kg par mètre, convient aux parois intérieures des réservoirs et aux canalisations ;
Type ZR-4 : 6.35 × 10 mm, poids d'environ 0.45 kg par mètre, convient à la réparation des anciennes structures.
Toutes les anodes en zinc nécessitent un noyau en acier (acier au carbone ou acier inoxydable). L'interface entre le noyau en acier et l'alliage de zinc doit être parfaitement étanche. La partie exposée du noyau en acier doit être traitée avec un revêtement anticorrosion. Le soudage doit être effectué uniquement sur le noyau en acier ; tout soudage direct du corps en alliage de zinc doit être proscrit.
Normes techniques
La fabrication, le contrôle qualité et le soudage des anodes sacrificielles en zinc doivent être conformes aux normes en vigueur. Les normes internationales sont principalement basées sur les normes ASTM (États-Unis), AS (Australie) et EN (Europe). Le champ d'application et les exigences clés des différentes normes sont les suivants :
« Spécification standard pour les anodes de zinc galvaniques coulées et forgées ». Cette norme internationale, publiée par l’ASTM (American Society for Testing and Materials), est la plus utilisée au monde pour les anodes de zinc. Elle spécifie la composition chimique, les méthodes d’analyse, le contrôle qualité, les exigences de fabrication et le marquage des emballages des anodes de zinc coulées et forgées. La norme classe les anodes de zinc en deux types : le type I, un alliage zinc-aluminium-cadmium, adapté à l’eau de mer et aux milieux salins ; et le type II, une anode en zinc pur, adaptée à l’eau douce et aux sols.
« Anodes galvaniques (sacrificielles) pour la protection cathodique ». Cette norme australienne est exhaustive et couvre trois types d'anodes sacrificielles : à base de zinc, d'aluminium et de magnésium. Elle spécifie les exigences relatives au matériau du noyau de l'anode, à ses propriétés mécaniques, à ses caractéristiques électrochimiques, au matériau de remplissage et aux anodes pré-remplies. La norme définit clairement le taux de consommation et le potentiel en circuit ouvert des anodes de zinc dans différents milieux (eau de mer, sol, eau potable), ce qui en fait un critère essentiel pour le choix des anodes de zinc dans les environnements multi-milieux.
Protection cathodique – Anodes sacrificielles pour la protection cathodique. Cette norme européenne spécifie les exigences générales, les tolérances dimensionnelles, les méthodes d'essai, le marquage et l'emballage des anodes sacrificielles. Elle détaille les spécifications relatives aux écarts dimensionnels des anodes, notamment une tolérance de longueur de ±3 % ou ±25 mm pour les anodes en forme de barre, et des tolérances de diamètre intérieur pour les anodes en forme de bracelet, basées sur la classification des diamètres de tuyaux. La construction par soudage doit respecter les exigences dimensionnelles de cette norme afin de garantir un contact optimal entre l'anode et la structure protégée.
« Maîtrise de la corrosion externe des systèmes de canalisations métalliques souterraines ou immergées ». Cette norme de l'American Association of Corrosion Engineers spécifie les exigences relatives à la maîtrise de la corrosion externe des canalisations métalliques souterraines et sous-marines. Elle définit clairement les assemblages soudés, la résistance de contact et les essais de potentiel des anodes sacrificielles en zinc, constituant ainsi un fondement essentiel pour la conception de ces anodes dans l'ingénierie des pipelines pétroliers et gaziers internationaux.
Le soudage des anodes sacrificielles en zinc doit être conforme aux normes internationales en vigueur selon la localisation du projet (par exemple, ASTM B418-16a et NACE SP0169-2013 pour les projets européens et américains, et AS 2239-2003 pour les projets australiens). Lorsqu'un projet présente des exigences techniques spécifiques, ces dispositions particulières, décrites dans son cahier des charges, doivent être respectées en plus des normes en vigueur.
Soudage
Le soudage et la pose constituent les étapes essentielles de la construction d'un système de protection cathodique à anode sacrificielle en zinc. L'exigence primordiale est d'obtenir une connexion électrique fiable entre l'anode et la structure protégée (résistance de contact ≤ 0.01 Ω). Les principales méthodes de soudage des anodes en zinc sont le soudage aluminothermique (soudage exothermique) et le soudage à l'arc.
Soudage alumineux (soudage exothermique)
Le soudage aluminothermique est une méthode de soudage qui utilise la chaleur d'une réaction chimique d'un mélange aluminothermique pour faire fondre le métal et former une soudure. Elle convient au raccordement d'anodes de zinc en bande à des tuyaux ou des réservoirs de stockage, ainsi qu'à la liaison du noyau en acier des anodes en bloc à de grandes pièces en acier. C'est la méthode privilégiée pour le soudage des anodes sacrificielles en zinc.
Soudage à l'arc
Le soudage à l'arc convient uniquement au soudage du noyau en acier des anodes en zinc bloc aux composants en acier. Le soudage direct du corps en alliage de zinc est strictement interdit afin d'éviter la surchauffe et la fusion de l'alliage, qui entraîneraient la perte de composants et la dégradation des performances électrochimiques de l'anode.
Qualité de soudage
La qualité du soudage est essentielle à l'efficacité de la protection cathodique. Après soudage, les points de soudure doivent refroidir naturellement ; tout refroidissement forcé est interdit. Le cordon de soudure doit être complet, continu et exempt de fissures, de porosités, d'inclusions de laitier et de défauts de fusion. La hauteur de la soudure doit être au moins égale à la moitié du diamètre de l'âme en acier, et sa largeur au moins égale à 1.5 fois ce diamètre. La résistance de contact de tous les points de soudure doit être inférieure ou égale à 0.01 Ω.
Applications des anodes sacrificielles en zinc
Les anodes sacrificielles en zinc sont largement utilisées dans les secteurs maritime, pétrolier et gazier, municipal, de la construction navale et de la gestion de l'eau. L'environnement corrosif, les caractéristiques des structures protégées, le choix de l'anode, ainsi que les exigences en matière de soudage et d'installation varient selon ces différents secteurs.
Le milieu marin représente le principal domaine d'application des anodes sacrificielles en zinc, notamment pour les plateformes pétrolières offshore, les pipelines sous-marins, les pieux métalliques de quais, les brise-lames et les fondations de ponts. L'environnement corrosif est l'eau de mer (zone immergée, zone de marée, zone de balancement des marées), caractérisée par une forte concentration en ions chlorure, une vitesse d'écoulement élevée et un encrassement marin important, entraînant une corrosion rapide. Les anodes en alliage zinc-aluminium-cadmium (ASTM B418-16a Type I/T/CSCP 0001-2024) sont privilégiées. En zone immergée, on utilise des anodes en forme de bloc ou de bracelet. En zone de marée, on utilise des anodes en bloc avec une densité d'installation accrue. Compte tenu de l'environnement corrosif extrême de la zone de balancement des marées, des revêtements anticorrosion sont également nécessaires.
PETROLE ET GAZ
Les applications des anodes sacrificielles en zinc dans l'ingénierie pétrolière et gazière concernent principalement les pipelines enterrés, les réservoirs de stockage de pétrole et de gaz, ainsi que les tubes de puits d'injection. Le milieu corrosif est principalement constitué de sols et d'eaux de champs pétrolifères (forte salinité, forte concentration en ions chlorure, contenant du CO₂ et du H₂S). Les principaux types de corrosion sont la corrosion par piqûres localisée et la corrosion caverneuse. Les anodes en zinc en bande (types ZR-1 et ZR-2) sont utilisées pour les pipelines enterrés, associées à des charges conductrices ; les anodes en zinc en bloc (type ZC-2) sont utilisées pour les réservoirs de stockage de pétrole et de gaz ; et, en raison des températures plus élevées (≤ 54 °C), des anodes respectueuses de l'environnement en zinc-aluminium-indium sont utilisées pour les tubes de puits d'injection.
Industrie de la construction navale
L'application d'anodes sacrificielles en zinc dans le industrie de la construction navale Les principaux composants concernés sont la coque, les ballasts, les hélices, les gouvernails et les systèmes de refroidissement à eau de mer. L'environnement corrosif est l'eau de mer, dont la corrosion est fortement influencée par la vitesse du navire, les courants marins et la prolifération d'organismes marins. La ligne de flottaison et la zone proche de l'hélice constituent les zones à haut risque de corrosion. Il convient d'utiliser des anodes en zinc spécifiques au milieu marin. Des anodes en zinc de type bloc (ZH-1) sont utilisées pour la coque, et des anodes en zinc de type bande (ZR-3) pour les ballasts.
Ingénierie municipale
L'utilisation d'anodes sacrificielles en zinc dans les travaux publics concerne principalement les canalisations d'eau potable et d'assainissement enterrées, les gazoducs, les ouvrages d'épuration et les fondations de ponts urbains. Le milieu corrosif est principalement constitué de sols et d'eaux usées (contenant divers ions corrosifs). La résistivité des sols est très variable. Des anodes en zinc de type bande (ZR-2/ZR-3) sont utilisées dans les sols à faible résistivité (≤ 2 000 Ω·cm). Les sols à forte résistivité nécessitent l'emploi de charges conductrices. Des anodes en alliage zinc-aluminium-cadmium sont utilisées dans les ouvrages d'épuration afin de prévenir la passivation des anodes due aux impuretés présentes dans les eaux usées.
Ingénierie de la conservation de l'eau
L'utilisation d'anodes sacrificielles en zinc dans les ouvrages hydrauliques concerne principalement les vannes de réservoirs, les conduites d'eau, les aqueducs et les structures métalliques des centrales hydroélectriques. Le milieu corrosif est principalement constitué d'eau douce et d'eau boueuse, avec une faible concentration en ions chlorure et une vitesse de corrosion relativement lente. Les anodes en zinc pur ou faiblement allié sont privilégiées.
Principes de sélection
Le choix des anodes sacrificielles en zinc doit respecter les principes d'adaptation environnementale, de performance et de rentabilité. Les anodes en alliage zinc-aluminium-cadmium ou zinc-aluminium-indium sont utilisées en eau de mer ou en milieu riche en chlorures. Les anodes en zinc pur ou faiblement allié sont utilisées en eau douce ou dans les sols. Les anodes en zinc sont utilisées dans les milieux dont la résistivité est inférieure ou égale à 2 000 Ω·cm. Dans les sols dont la résistivité est supérieure à 2 000 Ω·cm, l'utilisation de charges conductrices est nécessaire. Pour les milieux dont la résistivité est supérieure à 5 000 Ω·cm, les anodes en magnésium sont recommandées. La température d'utilisation des anodes en zinc est inférieure ou égale à 54 °C. Si la température ambiante est supérieure à 54 °C, il convient d'utiliser des anodes en alliage d'aluminium.
Conclusion
Les anodes sacrificielles en zinc, matériau de base de la protection cathodique, sont devenues la solution privilégiée pour la protection contre la corrosion des structures en acier en eau de mer, dans les sols, en eau douce et dans d'autres milieux. Ces anodes se classent selon leur composition en zinc pur, en alliage zinc-aluminium-cadmium et en alliage zinc-aluminium-indium. Elles se distinguent également par leur forme : blocs, bandes, barres et bracelets. Parmi celles-ci, les anodes en alliage zinc-aluminium-cadmium sont les plus couramment utilisées en ingénierie grâce à leurs excellentes performances électrochimiques. Les anodes sacrificielles en zinc sont largement employées dans le génie maritime, l'industrie pétrolière et gazière, la construction navale, les travaux publics, les ouvrages hydrauliques et d'autres domaines. Leur choix doit être déterminé en fonction de facteurs tels que le type de milieu, la résistivité, la température et la forme. La température d'utilisation est inférieure ou égale à 54 °C et la résistivité inférieure ou égale à 2 000 Ω·cm.
