La protection cathodique est une méthode de protection des structures métalliques contre la corrosion. Les métaux à partir desquels ces structures sont fabriquées – généralement l’acier – sont sujets à la corrosion par réaction d’oxydation lorsqu’ils sont en contact fréquent avec l’eau. La réaction implique que le métal cède des électrons et est favorisée par des traces de sels dissous dans l’eau, ce qui fait que l’eau agit comme un électrolyte. La corrosion peut donc être considérée comme un processus électrochimique. La protection cathodique transforme la structure métallique en cathode – une électrode chargée positivement – en mettant en place une cellule électrochimique utilisant un métal plus électropositif comme anode, de sorte que la structure ne perde pas d’électrons dans son environnement.
Cette méthode de protection peut être utilisée sur les canalisations et les réservoirs souterrains ; les structures aériennes, telles que les pylônes électriques ; et les structures partiellement submergées, telles que les navires et les plates-formes de forage. Il peut également être utilisé pour protéger les tiges d’acier dans le béton armé. Les métaux plus résistants à la corrosion ont tendance à être plus chers que l’acier et peuvent manquer de la résistance nécessaire. L’acier protégé contre la corrosion est donc généralement la meilleure option, bien que d’autres métaux pouvant se corroder puissent également être protégés de cette manière.
L’acier se compose principalement de fer, qui a un potentiel redox de -0.41 volts. Cela signifie qu’il aura tendance à perdre des électrons dans un environnement qui a un potentiel redox moins négatif, comme l’eau, qui peut entrer en contact avec ce métal sous forme de pluie, de condensation ou de sol environnant humide. Les gouttelettes d’eau au contact du fer forment une cellule électrochimique dans laquelle le fer est oxydé par la réaction Fe -> Fe2+ + 2e-. Les ions fer II (Fe2+) entrent en solution dans l’eau, tandis que les électrons circulent à travers le métal, et au bord de l’eau, une interaction des électrons, de l’oxygène et de l’eau produit des ions hydroxyde (OH-) par la réaction : O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-. Les ions hydroxyde négatifs réagissent avec les ions fer II positifs dans l’eau, formant de l’hydroxyde de fer II insoluble (Fe(OH)2), qui est ensuite oxydé en oxyde de fer III (Fe2O3), mieux connu sous le nom de rouille.
Il existe deux méthodes principales de protection cathodique qui cherchent à empêcher cette corrosion en fournissant une source alternative d’électrons. En protection galvanique, un métal ayant un potentiel redox plus négatif que le métal à protéger est relié à la structure par un fil isolé, formant une anode. Le magnésium, avec un potentiel redox de -2.38 volts, est souvent utilisé à cette fin – les autres métaux couramment utilisés sont l’aluminium et le zinc. Cette procédure met en place une cellule électrique avec un courant circulant de l’anode à la structure, qui agit comme la cathode. L’anode perd des électrons et se corrode ; pour cette raison, elle est connue sous le nom d’anode sacrificielle.
Un problème avec la protection cathodique galvanique est que, finalement, l’anode sera corrodée au point où elle n’offre plus de protection et doit être remplacée. Un autre système de protection cathodique est la protection cathodique à courant imposé (ICCP). Ceci est similaire à la méthode galvanique, sauf qu’une alimentation électrique est utilisée pour générer un courant électrique de l’anode à la structure à protéger. Un courant continu (DC), par opposition au courant alternatif (AC), est requis, donc un redresseur est utilisé pour convertir AC en DC. Cette méthode offre une protection beaucoup plus durable car le courant est fourni à l’extérieur au lieu d’être généré par la réaction de l’anode avec son environnement, de sorte que la durée de vie de l’anode est considérablement augmentée.