EP1241280A1 - Procédé et installation pour la protection cathodique d'une structure métallique - Google Patents

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EP1241280A1
EP1241280A1 EP01870041A EP01870041A EP1241280A1 EP 1241280 A1 EP1241280 A1 EP 1241280A1 EP 01870041 A EP01870041 A EP 01870041A EP 01870041 A EP01870041 A EP 01870041A EP 1241280 A1 EP1241280 A1 EP 1241280A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
potential
circuit
anode
opening
microcontroller
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01870041A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Carpentiers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cebelcor ASBL
Original Assignee
Cebelcor ASBL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cebelcor ASBL filed Critical Cebelcor ASBL
Priority to EP01870041A priority Critical patent/EP1241280A1/fr
Publication of EP1241280A1 publication Critical patent/EP1241280A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F13/00—Inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection
    • C23F13/02—Inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection cathodic; Selection of conditions, parameters or procedures for cathodic protection, e.g. of electrical conditions
    • C23F13/04—Controlling or regulating desired parameters

Definitions

  • the present invention relates to the cathodic protection of metallic structures.
  • It relates more particularly to a process and installation for cathodic protection of a metallic structure, by polarization of said structure by means of a sacrificial anode.
  • Metal structures such as submerged or buried pipelines are generally protected against corrosion by protective systems cathodic by impressed current or by sacrificial anodes.
  • protective systems cathodic by impressed current or by sacrificial anodes.
  • the anodes sacrificial are used extensively for the cathodic protection of buried structures, port facilities, offshore constructions and underwater pipelines.
  • Effective cathodic protection of a metallic structure implies compliance with protection defined by a range of potentials in which the structure must be located permanently. These potential ranges are defined according to various parameters, including the material of the structure, as well as the composition and temperature of the electrolyte in contact with which it is located. Through elsewhere, the intensity of the electric current to maintain the structure in this range of potentials depends on dimensions and profile of this one as well as the possible presence of a protective coating (for example a painting). The intensity of the electric current required usually changes over time, depending on the aging of the structure, deterioration of its coating or the formation of incrustations on its surface, or following a change in the composition of the electrolyte in contact with it.
  • the present invention aims to remedy the disadvantages of cathodic protection solutions described above according to the state of the art.
  • the invention aims to propose a cathodic protection process, which allows effective regulation of the structure's potential varying the protection current, while minimizing losses by the Joule effect.
  • the present invention also aims to propose an installation which makes it possible to implement the method according to the invention.
  • Another object of the invention is to propose a cathodic protection method and installation, which require no power supply exterior.
  • the present invention relates to a method for cathodic protection of a metallic structure with using a protective current obtained by polarization of said structure by means of at least one anode sacrificial, characterized in that the potential is regulated of the structure by subjecting a circuit connecting the anode to structure with rapid periodic opening cycles and closing said circuit to modulate the current of protection.
  • the ratio between the duration of the closing period and the duration of the period opening of said circuit on the basis of a measurement of the "true" potential of said metallic structure with respect to the potential of a reference electrode.
  • the reference electrode is the sacrificial anode.
  • measuring the "true" potential of the metallic structure in relation to the potential of the reference electrode is carried out for a period opening of said circuit.
  • the measurement of the "true" potential of the metallic structure by compared to the potential of the reference electrode is performed by interrupting the closing cycle and opening of the circuit.
  • the frequency of the cycles opening and closing period is at least equal at 50Hz. Preferably, this frequency is at least equal at 1000Hz.
  • these steps are repeated automatically at predetermined times.
  • the converter is a DC-DC converter.
  • the installation may further include a auxiliary starting electrode.
  • said microcontroller controls said converter in such a way that said converter does only works during periods when the transistor's power is open and no potential measurement has location.
  • the installation according to the invention may include a connection between said microcontroller and said operational amplifier, by which said microcontroller controls said amplifier operational.
  • said power transistor can be a transistor of the type with field effect.
  • FIGS 1 and 2 show respectively two particular embodiments using the method according to the present invention.
  • Figure 3 is a block diagram of a form of particular realization of the installation according to the invention.
  • Figure 4 shows the distribution, in function of time, periodic opening cycles and closing of the electrical circuit connecting the anode sacrificial to the metal structure to be protected.
  • FIG. 5 is a representation, in as a function of time, of the cathodic protection potential and of the true potential of the metallic structure subjected to the cathodic protection.
  • Figure 6 represents the evolution, during of time, of the relationship between the duration of the opening and the duration of closing in each opening cycle and closing of the electrical circuit connecting the anode sacrificial to the metal structure to be protected.
  • the metallic structure to polarize the metallic structure, it is connected to at least one anode sacrificial by means of an electrical circuit (a circuit for each anode) and, to maintain the true potential of structure at a predetermined value, we modulate the protective current by alternately opening and closing said circuit.
  • the frequency of periodic cycles opening and closing times is generally greater than 1000 Hz. It can be reduced to a lower frequency preferably at least 50 Hz to save energy when the current available is very low. It can exceed several kHz or even several MHz. In practical, frequencies from 850 to 1250 Hz are fine.
  • Figures 1 and 2 show examples of structures protected by an installation using the method according to the present invention.
  • Figure 1 shows a metal structure 1 consisting of a pipe submarine intended for example to transport a gas under pressure, said pipe being covered with a coating.
  • a sacrificial anode 2, for example of shape annular, is placed around pipe 1 and insulated electrically from it by an insulator 3.
  • the installation according to the invention comprises a device for polarization 4, connected between anode 2 and structure 1.
  • the structure 1 to be protected consists of a tank or a boiler (for example intended for the production of hot water).
  • the anode sacrificial 2 is placed inside this structure and electrically isolated from it by the insulator 3.
  • a polarization device designated by the notation of reference 4, is placed between the anode 2 and the structure 1.
  • the intensity of the protective current can be adjusted to will by modifying the relationship between the length of periods of closing and the duration of the opening periods of the electrical circuit.
  • the method according to the invention allows thus a quick and economical adaptation of the current protection according to the operating characteristics, for example when the characteristics of the environment in which the metal structure is located protect.
  • the potential "true” of the metal structure is, by definition, the potential difference between the metal structure, and a reference electrode located in the same medium than the metal structure. This difference in potential is measured immediately after opening the connection with the sacrificial anode, so without there current flow, to ensure measurement without ohmic fall error.
  • the anode is advantageously used sacrificial as a reference electrode and the "true" potential of the metal structure compared to said sacrificial anode during an opening period of the circuit connecting it to the metal structure.
  • the method according to the invention uses the principle of cutting the high frequency current for modulate the current delivered by the anode, necessary for maintenance of the potential imposed on the metal structure.
  • a means used to achieve this cutting consists in use a power transistor of the effect type fields (MOSFET), as switch for opening or the closure of the electrical circuit connecting the structure at the sacrificial anode.
  • MOSFET effect type fields
  • the relationship between the duration of the closing period and the duration of the opening period in each closing / opening cycle can thus vary from 0 to 100% and be automatically adapted, depending circumstances, to maintain the potential of the structure at setpoint.
  • FIG. 3 An installation intended for protection cathodic of a metallic structure according to a form of preferred embodiment of the invention, is shown in the figure 3.
  • This installation includes an anode sacrificial 2 and a polarization device 4, connected between anode 2 (by connections 9) and the metallic structure 1 (by connection 14).
  • the device 4 comprises as elements main a power transistor 13 a microcontroller 11 and an operational amplifier 12 to very high input impedance and very low consumption.
  • the transistor 13 is connected to the anode 2 by the connection 19 and to structure 1 by connection 20.
  • the amplifier 12 is connected to the anode by connection 17 and to the structure by connection 18.
  • the feeding of these elements is performed without external power input, by the use of a converter 10, comprising a circuit voltage booster, connected (by connections 15,16) between the anode and the structure.
  • a converter 10 comprising a circuit voltage booster, connected (by connections 15,16) between the anode and the structure.
  • converter 10 a DC-DC converter.
  • the converter 10 can be connected to a auxiliary electrode 29 through connection 30 to allow starting in the absence of sufficient voltage between anode 2 and structure 1.
  • Converter 10 produces a voltage of for example 3.3 V from a difference potential from 200 to 1500 mV between anode 2 and the structure 1, when the power transistor 13 is at open state.
  • the output voltage of converter 10 is stored in a capacitor (not shown) and supplies the microcontroller 11 as well as the amplifier operational measurement 12, respectively by connections 22 and 21.
  • the transistor 13 follows an opening and closing regime with a frequency determined for an opening and closing period also determined, so as to provide a current of protection according to the method of the invention.
  • the amplifier operational 12 measures the "true" potential of the structure 1 relative to the potential of anode 2, for example 1 ms after the opening of the power transistor 13.
  • the anode 2 which has a stable potential, then acts as an electrode for reference, the measurement being made when the current is interrupted, as soon as there is no error due to the ohmic fall.
  • the potential measured after the 1 ms delay thus represents the "true" potential of structure 1, just before the cut.
  • the result of the measurement is transmitted as an analog signal to microcontroller 11 by connection 23.
  • This microcontroller includes an analog-to-digital converter which transforms said analog signal into a digital value.
  • the microcontroller 11 compares the value of the potential measured at the setpoint value contained in his memory or calculated from a polarization program preset or calculated based on a measurement of a external parameter 31, if any.
  • the microcontroller 11 adapts the duty cycle of the closed periods and opening of the power transistor 13 and control this by connection 24.
  • the microcontroller 11 places the amplifier operational 12 in resting state with low consumption in outside the measurement periods. This command is represented by connection 26.
  • the microcontroller 11 places itself in standby (and working) state in order to decrease the current draw for its own power supply and that of other circuits when the available energy is low.
  • the microcontroller 11 controls the converter 10 so the latter does only works during periods when the transistor's power 13 is open and no potential measurement has location. This command is represented by connection 25.
  • Figure 4 illustrates the distribution, in function of time, periodic opening cycles and closing of the electrical circuit of the sacrificial anode 2, to measure the true potential of the structure 1.
  • the measurement sequence begins with the end of the normal cutting of the current, just before time T1.
  • the microcontroller 11 also controls stopping the converter 10, then switching on the operational amplifier 12.
  • the microcontroller 11 controls at time T1 the opening of the power transistor 13 and, after a delay of 1 ms for example, it samples the measurement of the potential at time T2.
  • the transistor power 13 is then returned to the closed position at the time T3 and the closing / opening cycles of the transistor power 13 start over with a duty cycle possibly adjusted according to the last measurement of potential.
  • the measurements are repeated regularly, by example every 256 ms.
  • Figure 5 shows the evolution, depending of time, of potential E, as measured by the amplifier operational 12. A stable value, error free due to the ohmic drop is obtained at time T2.
  • Figure 6 shows an example of the variation, over time, of the ratio between the duration of the opening of the power transistor 13 and the duration of its closing during successive opening and closing cycles closing.
  • a first period from time 0 to time T1 (preceding a measurement of true potential of the structure 1) corresponds to a strong current demand: the ratio between the durations of closing and opening of the circuit is around 75% / 25%.
  • the cycle repeats every 1 ms either at one frequency of 1 kHz.
  • a second period, from time T1 to time T3, corresponds to the opening of the transistor circuit 13 to carry out the measurement of the true potential as exposed above, with reference to Figures 4 and 5.
  • the microcontroller 11 calculates, according to the result of this measure the new duty cycle between the duration of closure and the opening time of transistor 13.
  • a third period, starting at time T3, corresponds to the application of this new duty cycle which, in the case of this example, is around 25% / 75% always at the frequency of 1 kHz. This new duty cycle responds to lower current demand.
  • the choice of the material of the sacrificial anode 2 depends on various parameters. Among these parameters include in particular the constituent material, the shape and dimensions of the metal structure as well that the characteristics of the environment in which the structure is used.
  • the sacrificial anode is selected in depending on the nature of the soil, its pH, its conductivity electric and the possible presence of currents vagrants.
  • it is notably selected according to the composition of the electrolytic liquid in which it is immersed as well than the temperature and the pressure of it at vicinity of the metal structure.
  • the process and installation according to the invention have the particularity of producing a potentiostatic regulation of the "true” potential for the cathodic protection of a structure, without error due to ohmic fall.
  • the invention has various advantages. She allows a precise choice of the setpoint of the cathodic potential to be imposed on the metal structure, this setpoint can be stored for example as a numerical value programmed in the microcontroller 11 read-only memory. program an evolution of the protection potential cathodic over time, for example a low potential when the metal structure is new and, thereafter, a gradual rise in this potential depending on the aging of the metal structure.
  • Another advantageous property of the invention lies in the possibility of adapting the potential imposed as a function of one or more external parameters such as pressure or temperature.
  • the potential can be adapted by temperature function to maintain a steel stainless below critical corrosion potential by bite (which itself depends on the temperature) or for reduce the risk of embrittlement at low temperatures.
  • the power transistor has very low resistance in the closed state. It follows that the circuit does not dissipate that negligible power while being able to modulate very large currents, which constitutes a significant advantage over regulatory systems serial.
  • the invention thus makes it possible to make substantial savings in consumption sacrificial anodes.
  • the process and installation according to the invention have the advantageous characteristic extra to not require power electric outdoor. This is done by the converter 10 which draws current for the supply of electronic circuits from the potential difference between the structure and the reference electrode during periods when the circuit power is open.
  • Power management is ensured by the microcontroller which organizes the operating mode and the timing of the different functions. Interruptions of current for regulation, measurements, current draw for the power supply as well as alternating sleep and work periods digital and analog circuits of the device are optimized at all times by the microcontroller. This minimizes the clean consumption of electronics, to ensure that the device even with excellent quality coatings (new installations) or small areas of structures (small tanks or boilers).
  • the installation according to the invention presents in in addition to the advantage of being compact and capable of regulating currents between a few milliamps and a dozen amps or more depending on the transistors power used. This allows its use for large structures such as pipes underwater or small devices like anodes sacrificial of domestic boilers intended for the hot water production.
  • the process and installation according to the invention apply to cathodic protection of any metallic structure brought into contact with a electrolyte.
  • the invention is particularly applicable to buried metal structures (e.g. tanks) and metal structures immersed in water (e.g. ship hulls or port facilities). She also finds a specially interesting application for protection cathodic of industrial installations, particularly in the chemical and petrochemical industries, for example underground or submerged tanks, reactors chemicals and boilers for water production hot or steam.

Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé pour la protection cathodique d'une structure métallique (1) à l'aide d'un courant de protection obtenu par polarisation de ladite structure au moyen d'au moins une anode sacrificielle (2), caractérisé en ce qu'on régule le potentiel de la structure en soumettant un circuit reliant l'anode à la structure à des cycles périodiques d'ouverture et de fermeture dudit circuit pour maintenir le potentiel de la structure égal à une valeur prédéterminée, en modulant le courant de protection. <IMAGE>

Description

Objet de l'invention
La présente invention se rapporte à la protection cathodique des structures métalliques.
Elle concerne plus particulièrement un procédé et une installation pour la protection cathodique d'une structure métallique, par polarisation de ladite structure au moyen d'une anode sacrificielle.
Etat de la technique
Les structures métalliques telles que les canalisations immergées ou enterrées sont en général protégées contre la corrosion par des systèmes protection cathodique par courant imposé ou par anodes sacrificielles. Pour des questions de simplicité et d'autonomie les anodes sacrificielles sont utilisées intensivement pour la protection cathodique des structures enterrées, des installations portuaires, des constructions offshore et des canalisations sous-marines.
On trouve également des systèmes de protection cathodique par anodes sacrificielles dans les installations chimique, notamment pour la protection de réacteurs chimiques, de réservoirs ou de chaudières destinées par exemple à la production d'eau chaude ou de vapeur.
Une protection cathodique efficace d'une structure métallique implique le respect de critères de protection définis par une gamme de potentiels dans laquelle la structure doit se situer en permanence. Ces gammes de potentiels sont définies en fonction de divers paramètres, notamment la matière constitutive de la structure, ainsi que la composition et la température de l'électrolyte au contact duquel elle se trouve. Par ailleurs, l'intensité du courant électrique pour maintenir la structure dans cette gamme de potentiels dépend des dimensions et du profil de celle ci ainsi que de la présence éventuelle d'un revêtement protecteur (par exemple une peinture). L'intensité du courant électrique nécessaire évolue généralement au cours du temps, en fonction du vieillissement de la structure, d'une détérioration de son revêtement ou de la formation d'incrustations à sa surface, ou encore à la suite d'une modification de la composition de l'électrolyte se trouvant à son contact. Pour assurer une protection cathodique suffisante pendant toute la durée de vie des installations métalliques industrielles, il est dès lors habituel de surdimensionner les anodes sacrificielles (en utilisant des anodes de grandes dimensions ou en multipliant le nombre de ces anodes). En plus du surcoût qu'elle entraíne, l'utilisation d'anodes sacrificielles surdimensionnées, sans régulation du potentiel obtenu entraíne une série de problèmes liés à la surprotection tels que dégagement d'hydrogène, accélération de la détérioration des revêtements (notamment des peintures), formation d'incrustations de calcaire ainsi que une consommation excessive d'anodes pendant les périodes nécessitant un faible courant pour maintenir le potentiel de la structure à une valeur correspondant au critère de protection. Un sousdimmentionnement ou la consommation prématurée des anodes peut entraíner une sous protection et donc une vitesse de corrosion accrue lors des périodes à forte demande en courant et spécialement en fin de vie des installations.
Récemment des aciers spéciaux tels que les aciers inoxydables martensitiques, supermartensitiques, duplex ou superduplex ont été développés pour, notamment, la fabrication de canalisations sous-marines. Ces matériaux offrent un compromis excellent entre des propriétés mécaniques intéressantes, une bonne résistance à la corrosion et un prix attractif. Ces aciers spéciaux sont toutefois sensibles à la fragilisation par l'hydrogène. Pour de tels matériaux, il est important de maintenir la protection cathodique dans une gamme de potentiels déterminée et assez étroite pour éviter toute surprotection qui pourrait causer des ruptures par fragilisation. Une protection cathodique par anodes sacrificielles sans régulation ne serait pas adaptée à ce genre de matériaux.
Dans les documents US-A-3 360 452 et US-A-4 381 981, on propose un moyen de remédier aux inconvénients liés à l'utilisation d'anodes sacrificielles surdimensionnées. Ce moyen connu consiste à réguler l'intensité du courant électrique de polarisation au moyen d'un transistor de puissance (par exemple du type à effet de champs) dans un conducteur électrique reliant l'anode sacrificielle à la structure à protéger. Ce moyen de régulation ne permet toutefois pas une régulation efficace du potentiel vrai de la structure et il entraíne par ailleurs une perte inutile, par effet Joule, du courant électrique généré par l'anode sacrificielle.
Buts de l'invention
La présente invention vise à remédier aux inconvénients des solutions de protection cathodique décrites ci-dessus selon l'état de la technique.
En particulier, l'invention a pour but de proposer un procédé de protection cathodique, qui permet une régulation efficace du potentiel de la structure en faisant varier le courant de protection, tout en minimisant les pertes par effet Joule.
La présente invention vise également à proposer une installation qui permet de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé et une installation de protection cathodique, qui ne nécessitent aucune alimentation électrique extérieure.
Résumé de l'invention
La présente invention concerne un procédé pour la protection cathodique d'une structure métallique à l'aide d'un courant de protection obtenu par polarisation de ladite structure au moyen d'au moins une anode sacrificielle, caractérisé en ce qu'on régule le potentiel de la structure en soumettant un circuit reliant l'anode à la structure à des cycles périodiques rapides d'ouverture et de fermeture dudit circuit pour moduler le courant de protection.
De préférence, on règle le rapport entre la durée de la période de fermeture et la durée de la période d'ouverture dudit circuit sur base d'une mesure du potentiel "vrai" de ladite structure métallique par rapport au potentiel d'une électrode de référence.
De préférence, l'électrode de référence est l'anode sacrificielle.
Selon une première forme d'exécution de la présente invention, la mesure du potentiel "vrai" de la structure métallique par rapport au potentiel de l'électrode de référence est effectuée pendant une période d'ouverture dudit circuit.
Selon une forme d'exécution préférée, la mesure du potentiel "vrai" de la structure métallique par rapport au potentiel de l'électrode de référence est effectuée en interrompant le cycle de fermeture et d'ouverture du circuit.
Avantageusement, la fréquence des cycles périodiques d'ouverture et de fermeture est au moins égale à 50Hz. De préférence, cette fréquence est au moins égale à 1000Hz.
Avantageusement, le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes :
  • application d'un courant de protection à la structure métallique selon un cycle périodique d'ouverture et de fermeture du circuit, selon une fréquence prédéterminée, les périodes d'ouverture et de fermeture ayant une durée prédéterminée,
  • mesure du potentiel "vrai" de ladite structure par rapport au potentiel d'une électrode de référence lorsque le circuit est ouvert et de préférence 1ms après l'ouverture dudit circuit,
  • comparaison du potentiel "vrai" à une valeur de consigne,
  • calcul de nouvelles valeurs de la durée des périodes d'ouverture et de fermeture sur base de ladite comparaison,
  • adaptation du courant de protection à la structure selon lesdites nouvelles valeurs d'ouverture et fermeture du circuit.
Avantageusement, ces étapes sont répétées automatiquement à des moments prédéterminés.
La présente invention concerne également une installation pour la protection cathodique d'une structure métallique, comprenant au moins une anode sacrificielle et au moins un dispositif de polarisation, couplé à ladite structure et à ladite anode, caractérisée en ce que le dispositif de polarisation comprend :
  • un transistor de puissance, couplé par deux connections à l'anode et à la structure,
  • un amplificateur opérationnel, pour mesurer et déterminer sous forme d'un signal analogique, le potentiel "vrai" de ladite structure par rapport à ladite anode, ledit amplificateur étant connecté à l'anode par une première connexion et à la structure par une deuxième connexion,
  • un microcontrôleur, comprenant un convertisseur analogique-numérique (ADC), pour convertir ledit signal analogique en une valeur numérique, et un circuit permettant la comparaison entre ladite valeur et une valeur de consigne,
  • une connexion entre ledit amplificateur opérationnel et ledit microcontrôleur, par laquelle ladite valeur analogique est transmise audit microcontrôleur, et
  • une connexion entre ledit microcontrôleur et ledit transistor de puissance, par laquelle ledit microcontrôleur commande l'opération d'ouverture /fermeture dudit transistor.
Avantageusement, le dispositif de polarisation peut également comprendre :
  • un convertisseur comprenant un circuit élévateur de tension, couplé entre ladite structure et ladite anode, qui permet de prélever du courant pour l'alimentation des circuits électroniques du dispositif de polarisation au départ de la différence de potentiel existant entre l'anode et la structure,
  • des connexions d'alimentation entre ledit convertisseur, ledit microcontrôleur et ledit amplificateur opérationnel, et
  • une connexion entre ledit microcontrôleur et ledit convertisseur, par laquelle ledit microcontrôleur commande ledit convertisseur.
Selon une forme d'exécution, le convertisseur est un convertisseur DC-DC.
L'installation peut en outre comprendre une électrode auxiliaire de démarrage.
Avantageusement, dans l'installation selon l'invention, ledit microcontrôleur commande ledit convertisseur de telle façon que ledit convertisseur ne fonctionne que pendant les périodes où le transistor de puissance est ouvert et aucune mesure de potentiel n'a lieu.
Avantageusement, l'installation selon l'invention peut comprendre une connexion entre ledit microcontrôleur et ledit amplificateur opérationnel, par laquelle ledit microcontrôleur commande ledit amplificateur opérationnel.
Dans l'installation selon l'invention, ledit transistor de puissance peut être un transistor du type à effet de champ.
Brève description des figures
La présente invention sera décrite à l'aide des figures qui suivent dans lesquelles les mêmes annotations de référence désignent les mêmes éléments.
Les figures 1 et 2 montrent respectivement deux formes d'exécution particulières mettant en oeuvre le procédé selon la présente invention.
La figure 3 est un schéma bloc d'une forme de réalisation particulière de l'installation selon l'invention.
La figure 4 représente la répartition, en fonction du temps, des cycles périodiques d'ouverture et de fermeture du circuit électrique reliant l'anode sacrificielle à la structure métallique à protéger.
La figure 5 est une représentation, en fonction du temps, du potentiel de protection cathodique et du potentiel vrai de la structure métallique soumise à la protection cathodique.
La figure 6 représente l'évolution, au cours du temps, du rapport entre la durée de l'ouverture et la durée de la fermeture dans chaque cycle d'ouverture et de fermeture du circuit électrique reliant l'anode sacrificielle à la structure métallique à protéger.
Description détaillée de l'invention
Selon l'invention, pour polariser la structure métallique, on la relie à au moins une anode sacrificielle au moyen d'un circuit électrique (un circuit pour chaque anode) et, pour maintenir le potentiel vrai de la structure à une valeur prédéterminée, on module le courant de protection en ouvrant et fermant alternativement ledit circuit. La fréquence des cycles périodiques d'ouverture et de fermeture est généralement supérieure à 1000 Hz. Elle peut être réduite à une fréquence plus faible de préférence au moins égale 50 Hz pour faire des économies d'énergies lorsque le courant disponible est très faible. Elle peut excéder plusieurs kHz voire plusieurs MHz. En pratique, des fréquences de 850 à 1250 Hz conviennent bien.
Les figures 1 et 2 montrent des exemples de structures protégées par une installation mettant en oeuvre le procédé selon la présente invention. La figure 1 montre une structure métallique 1 consistant en une conduite sous-marine destinée par exemple au transport d'un gaz sous pression, ladite canalisation étant recouverte d'un revêtement. Une anode sacrificielle 2, par exemple de forme annulaire, est placée autour de la conduite 1 et isolée électriquement de celle-ci par un isolateur 3. L'installation selon l'invention comprend un dispositif de polarisation 4, raccordé entre l'anode 2 et la structure 1.
A la figure 2, la structure 1 à protéger consiste en un réservoir ou une chaudière (par exemple destiné à la production d'eau chaude). L'anode sacrificielle 2 est placée à l'intérieur de cette structure et isolée électriquement de celle-ci par l'isolateur 3. Un dispositif de polarisation, désigné par la notation de référence 4, est placé entre l'anode 2 et la structure 1.
Les différents éléments représentés sur les figures 1 et 2 peuvent bien sûr prendre une variété de formes et représenter n'importe quelle structure métallique revêtue ou non, en contact avec n'importe quel électrolyte, et raccordée à une ou plusieurs anodes sacrificielles de n'importe quelle composition, dimension ou forme.
Dans le procédé selon l'invention, l'intensité du courant de protection peut être réglée à volonté en modifiant le rapport entre la durée des périodes de fermeture et la durée des périodes d'ouverture du circuit électrique. Le procédé selon l'invention permet ainsi une adaptation rapide et économique du courant de protection en fonction des caractéristiques opératoires, par exemple en cas de modification des caractéristiques du milieu dans lequel se trouve la structure métallique à protéger.
Dans une forme de réalisation particulière du procédé selon l'invention, pour régler le rapport entre la durée des périodes de fermeture et la durée des périodes d'ouverture du circuit électrique, on mesure le potentiel "vrai" de la structure métallique par rapport à celui d'une électrode de référence et on compare cette différence de potentiel à une valeur de consigne. Dans cette forme de réalisation du procédé selon l'invention, le potentiel "vrai" de la structure métallique est, par définition, la différence de potentiel entre la structure métallique, et une électrode de référence se trouvant dans le même milieu que la structure métallique. Cette différence de potentiel est mesurée immédiatement après ouverture de la connexion avec l'anode sacrificielle, donc sans qu'il y ait circulation de courant, pour garantir une mesure sans erreur de chute ohmique.
Dans la forme de réalisation particulière qui vient d'être décrite, on utilise avantageusement l'anode sacrificielle comme électrode de référence et on mesure le potentiel "vrai" de la structure métallique par rapport à ladite anode sacrificielle pendant une période d'ouverture du circuit la reliant à la structure métallique.
Le procédé selon l'invention utilise le principe du découpage du courant à haute fréquence pour moduler le courant débité par l'anode, nécessaire au maintien du potentiel imposé à la structure métallique. Un moyen utilisé pour réaliser ce découpage consiste à utiliser un transistor de puissance du type à effet de champs (MOSFET), en tant qu'interrupteur pour l'ouverture ou la fermeture du circuit électrique reliant la structure à l'anode sacrificielle. Le rapport entre la durée de la période de fermeture et la durée de la période d'ouverture dans chaque cycle de fermeture/ouverture peut ainsi varier de 0 à 100 % et être adapté automatiquement, en fonction des circonstances, pour maintenir le potentiel de la structure à la valeur de consigne.
Une installation destinée à la protection cathodique d'une structure métallique selon une forme de réalisation préférée de l'invention, est représentée à la figure 3. Cette installation comprend une anode sacrificielle 2 et un dispositif de polarisation 4, connecté entre l'anode 2 (par la connexions 9) et la structure métallique 1 (par la connexion 14).
Le dispositif 4 comprend en tant qu'éléments principaux un transistor de puissance 13, un microcontrôleur 11 et un amplificateur opérationnel 12 à très haute impédance d'entrée et très faible consommation. Le transistor 13 est connecté à l'anode 2 par la connexion 19 et à la structure 1 par la connexion 20. L'amplificateur 12 est connecté à l'anode par la connexion 17 et à la structure par la connexion 18.
De préférence, l'alimentation de ces éléments est effectuée sans apport de puissance extérieur, par l'utilisation d'un convertisseur 10, comprenant un circuit élévateur de tension, connecté (par les connexions 15,16) entre l'anode et la structure. Avantageusement, on emploie comme convertisseur 10 un convertisseur DC-DC.
Le convertisseur 10 peut être raccordé à une électrode auxiliaire 29 par la connexion 30 pour permettre son démarrage en l'absence d'une tension suffisante entre l'anode 2 et la structure 1. Le convertisseur 10 produit une tension de par exemple 3,3 V au départ d'une différence de potentiel de 200 à 1500 mV entre l'anode 2 et la structure 1, lorsque le transistor de puissance 13 est à l'état ouvert. La tension de sortie du convertisseur 10 est stockée dans un condensateur (non représenté) et alimente le microcontrôleur 11 ainsi que l'amplificateur opérationnel de mesure 12, respectivement par les connections 22 et 21.
En fonctionnement normal, le transistor 13 suit un régime d'ouverture et fermeture avec une fréquence déterminée pour une durée d'ouverture et de fermeture également déterminée, de façon à procurer un courant de protection selon le procédé de l'invention.
A des moments prédéterminés, l'amplificateur opérationnel 12 mesure le potentiel "vrai" de la structure 1 par rapport au potentiel de l'anode 2, par exemple 1 ms après l'ouverture du transistor de puissance 13. L'anode 2, qui a un potentiel stable, fait alors office d'électrode de référence, la mesure se faisant lorsque le courant est interrompu, dès lors qu'il n'existe pas d'erreur due à la chute ohmique. Le potentiel mesuré après le délai de 1 ms représente ainsi le potentiel "vrai" de la structure 1, juste avant la coupure. Le résultat de la mesure est transmis sous forme d'un signal analogique au microcontrôleur 11 par la connexion 23. Ce microcontrôleur comprend un convertisseur analogique-numérique qui transforme ledit signal analogique en une valeur numérique.
Le microcontrôleur 11 compare la valeur du potentiel mesurée à la valeur de la consigne contenue dans sa mémoire ou calculée d'après un programme de polarisation préétabli ou encore calculée en fonction d'une mesure d'un paramètre extérieur 31 éventuel. Le microcontrôleur 11 adapte le rapport cyclique des périodes de fermeture et d'ouverture du transistor de puissance 13 et commande celui-ci par la connexion 24.
Le microcontrôleur 11 place l'amplificateur opérationnel 12 en état de repos à faible consommation en dehors des périodes de mesure. Cette commande est représentée par la connexion 26.
Le microcontrôleur 11 se place lui-même en état de veille (et de travail) afin de diminuer le prélèvement de courant pour son alimentation propre et celle des autres circuits lorsque l'énergie disponible est faible.
Le microcontrôleur 11 commande le convertisseur 10 de telle sorte que ce dernier ne fonctionne que pendant les périodes où le transistor de puissance 13 est ouvert et aucune mesure de potentiel n'a lieu. Cette commande est représentée par la connexion 25.
La figure 4 illustre la répartition, en fonction du temps, des cycles périodiques d'ouverture et de fermeture du circuit électrique de l'anode sacrificielle 2, pour effectuer la mesure du potentiel vrai de la structure 1. La séquence de mesure commence par l'arrêt du cycle de découpage normal du courant, juste avant le temps T1. Juste avant le temps T1, le microcontrôleur 11 commande également l'arrêt du convertisseur 10, ensuite la mise en fonction de l'amplificateur opérationnel 12. Le microcontrôleur 11 commande au temps T1 l'ouverture du transistor de puissance 13 et, après un délai de 1 ms par exemple, il échantillonne la mesure du potentiel au temps T2. Le transistor de puissance 13 est ensuite remis en position fermée au temps T3 et les cycles de fermeture/ouverture du transistor de puissance 13 recommencent avec un rapport cyclique éventuellement ajusté en fonction de la dernière mesure de potentiel. Les mesures sont répétées régulièrement, par exemple toutes les 256 ms.
La figure 5 montre l'évolution, en fonction du temps, du potentiel E, comme mesuré par l'amplificateur opérationnel 12. Une valeur stable, exempte d'erreur due à la chute ohmique est obtenue au moment T2.
La figure 6 montre un exemple de la variation, au cours du temps, du rapport entre la durée de l'ouverture du transistor de puissance 13 et la durée de sa fermeture au cours des cycles successifs d'ouverture et de fermeture.
Dans cet exemple, une première période, du temps 0 jusqu'au temps T1 (précédant une mesure du potentiel vrai de la structure 1) correspond à une forte demande de courant : le rapport entre les durées de fermeture et d'ouverture du circuit est l'ordre de 75%/25%. Le cycle se répète toutes les 1 ms soit à une fréquence de 1 kHz. Une seconde période, du temps T1 au temps T3, correspond à l'ouverture du circuit du transistor 13 pour effectuer la mesure du potentiel vrai comme exposé ci-dessus, en référence aux figures 4 et 5. Le microcontrôleur 11 calcule, en fonction du résultat de cette mesure, le nouveau rapport cyclique entre la durée de fermeture et la durée d'ouverture du transistor 13. Une troisième période, débutant au temps T3, correspond à l'application de ce nouveau rapport cyclique qui, dans le cas de cet exemple, est de l'ordre de 25%/75% toujours à la fréquence de 1 kHz. Ce nouveau rapport cyclique répond à une plus faible demande de courant.
Dans le procédé selon l'invention, le choix de la matière de l'anode sacrificielle 2, de ses dimensions et de sa forme dépend de divers paramètres. Parmi ces paramètres figurent notamment la matière constitutive, la forme et les dimensions de la structure métallique, ainsi que les caractéristiques du milieu dans lequel la structure est utilisée. Par exemple, dans le cas d'une structure enterrée, l'anode sacrificielle est sélectionnée en fonction de la nature du sol, de son pH, de sa conductivité électrique et de la présence éventuelle de courants vagabonds. Dans le cas d'une structure immergée, elle est notamment sélectionnée en fonction de la composition du liquide électrolytique dans lequel elle est immergée ainsi que de la température et de la pression de celui-ci au voisinage de la structure métallique.
Le procédé et l'installation selon l'invention présentent la particularité de réaliser une régulation potentiostatique du potentiel "vrai" pour la protection cathodique d'une structure, sans erreur due à une chute ohmique.
L'invention présente divers avantages. Elle permet un choix précis de la valeur de consigne du potentiel cathodique à imposer à la structure métallique, cette valeur de consigne pouvant être mémorisée par exemple sous la forme d'une valeur numérique programmée dans la mémoire morte du microcontrôleur 11. Elle permet de programmer une évolution du potentiel de protection cathodique au cours du temps, par exemple un potentiel bas lorsque la structure métallique est neuve et, par la suite, une élévation progressive de ce potentiel en fonction du vieillissement de la structure métallique.
Une autre propriété avantageuse de l'invention réside dans la possibilité d'adapter le potentiel imposé en fonction d'un ou de plusieurs paramètres extérieurs tels que la pression ou la température. Par exemple, le potentiel peut être adapté en fonction de la température pour maintenir un acier inoxydable au-dessous du potentiel critique de corrosion par piqûre (qui dépend lui-même de la température) ou pour diminuer les risques de fragilisation à basse température.
Dans l'installation selon l'invention, le transistor de puissance présente une très faible résistance à l'état fermé. Il s'ensuit que le circuit ne dissipe qu'une puissance négligeable tout en étant capable de moduler des courants très importants, ce qui constitue un avantage important par rapport aux systèmes de régulation en série. L'invention permet ainsi de faire de substantielles économies en ce qui concerne la consommation d'anodes sacrificielles.
Le procédé et l'installation selon l'invention présentent la caractéristique avantageuse supplémentaire de ne pas nécessiter d'alimentation électrique extérieure. Ceci est réalisé par le convertisseur 10 qui permet de prélever du courant pour l'alimentation des circuits électroniques au départ de la différence de potentiel existant entre la structure et l'électrode de référence pendant les périodes où le circuit de puissance est ouvert.
La gestion de l'alimentation est assurée par le microcontrôleur qui organise le mode de fonctionnement et le timing des différentes fonctions. Les interruptions de courant pour la régulation, les prises de mesures, le prélèvement de courant pour l'alimentation ainsi que l'alternance des mises en veille et des périodes de travail des circuits numériques et analogiques du dispositif sont optimisées en tout temps par le microcontrôleur. Ceci permet de minimiser la consommation propre de l'électronique, pour assurer un fonctionnement du dispositif même avec des revêtements d'excellente qualité (installations neuves) ou de faibles surfaces de structures (petits réservoirs ou boilers).
L'installation selon l'invention présente en outre l'avantage d'être compacte et capable de réguler des courants entre quelques milliampères et une dizaine d'ampères ou plus suivant le ou les transistors de puissance utilisés. Ceci permet son utilisation pour de grandes structures comme par exemple des canalisations sous-marines ou de petits dispositifs comme les anodes sacrificielles de chaudières domestiques destinées à la production d'eau chaude.
Le procédé et l'installation selon l'invention s'appliquent à la protection cathodique de toute structure métallique mise en contact avec un électrolyte. L'invention s'applique notamment aux structures métalliques enterrées (par exemple des réservoirs) et aux structures métalliques immergées dans de l'eau (par exemple les coques de navires ou les installations portuaires). Elle trouve également une application spécialement intéressante pour la protection cathodique d'installations industrielles, particulièrement dans les industries chimique et pétrochimique, par exemple les réservoirs enterrés ou immergés, les réacteurs chimiques et les chaudières destinés à la production d'eau chaude ou de vapeur.

Claims (16)

  1. Procédé pour la protection cathodique d'une structure métallique (1) à l'aide d'un courant de protection obtenu par polarisation de ladite structure au moyen d'au moins une anode sacrificielle (2), caractérisé en ce qu'on régule le potentiel de la structure en soumettant un circuit reliant l'anode à la structure à des cycles périodiques d'ouverture et de fermeture dudit circuit, pour moduler le courant de protection.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle le rapport entre la durée de la période de fermeture et la durée de la période d'ouverture dudit circuit sur base d'une mesure du potentiel "vrai" de ladite structure métallique (1) par rapport au potentiel d'une électrode de référence.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'électrode de référence est l'anode sacrificielle (2).
  4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la mesure du potentiel "vrai" de la structure métallique (1) par rapport au potentiel de l'électrode de référence est effectuée pendant une période d'ouverture dudit circuit.
  5. Procédé selon l'une des revendications 2, 3 et 4 caractérisé en ce que la mesure du potentiel "vrai" de la structure métallique (1) par rapport au potentiel de l'électrode de référence est effectuée en interrompant le cycle de fermeture et d'ouverture du circuit.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence des cycles périodiques d'ouverture et de fermeture du circuit est au moins égale à 50 Hz.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fréquence des cycles périodiques d'ouverture et de fermeture du circuit est au moins égale à 1000Hz.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    application d'un courant de protection à la structure métallique selon un cycle périodique d'ouverture et de fermeture du circuit, selon une fréquence prédéterminée, les périodes d'ouverture et de fermeture ayant une durée prédéterminée,
    mesure du potentiel "vrai" de ladite structure par rapport au potentiel d'une électrode de référence lorsque le circuit est ouvert,
    comparaison du potentiel "vrai" à une valeur de consigne,
    calcul de nouvelles valeurs de la durée des périodes d'ouverture et de fermeture sur base de ladite comparaison,
    adaptation du courant de protection à la structure selon lesdites nouvelles valeurs d'ouverture et fermeture du circuit.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans laquelle lesdites étapes sont répétées automatiquement à des moments prédéterminés.
  10. Installation pour la protection cathodique d'une structure métallique (1), comprenant au moins une anode sacrificielle (2) et au moins un dispositif (4) de polarisation, couplé à ladite structure (1) et à ladite anode (2), caractérisée en ce que le dispositif (4) de polarisation comprend :
    un transistor de puissance (13), couplé par deux connections (19,20) à l'anode (2) et à la structure (1),
    un amplificateur opérationnel (12), pour mesurer et déterminer sous forme d'un signal analogique, le potentiel "vrai" de ladite structure par rapport à ladite anode, ledit amplificateur (12) étant connecté à l'anode (2) par une première connexion (17) et à la structure (1) par une deuxième connexion (18),
    un microcontrôleur (11), comprenant un convertisseur analogique-numérique (ADC), pour convertir ledit signal analogique en une valeur numérique, et un circuit permettant la comparaison entre ladite valeur et un valeur de consigne,
    une connexion (23) entre ledit amplificateur opérationnel (12) et ledit microcontrôleur (11), par laquelle ladite valeur analogique est transmise audit microcontrôleur, et
    une connexion (24) entre ledit microcontrôleur (11) et ledit transistor de puissance (13), par laquelle ledit microcontrôleur commande l'opération d'ouverture /fermeture dudit transistor.
  11. Installation selon la revendication 10, dans laquelle le dispositif (4) comprend en plus :
    un convertisseur (10), comprenant un circuit élévateur de tension, couplé entre ladite structure (1) et ladite anode (2), qui permet de prélever du courant pour l'alimentation des circuits électroniques du dispositif de polarisation (4) au départ de la différence de potentiel existant entre l'anode (2) et la structure (1),
    des connections (22,21) d'alimentation entre ledit convertisseur (10), ledit microcontrôleur (11) et ledit amplificateur opérationnel (12), et
    une connexion (25) entre ledit microcontrôleur (11) et ledit convertisseur (10), par laquelle ledit microcontrôleur commande ledit convertisseur (10).
  12. Installation selon la revendication 11, dans laquelle ledit convertisseur (10) est un convertisseur DC-DC.
  13. Installation selon la revendication 11 ou 12, comprenant en plus une électrode auxiliaire de démarrage (29).
  14. Installation selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans laquelle ledit microcontrôleur (11) commande ledit convertisseur (10) de telle façon que ledit convertisseur (10) ne fonctionne que pendant les périodes où le transistor de puissance (13) est ouvert et aucune mesure de potentiel n'a lieu.
  15. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, comprenant en plus une connexion (26) entre ledit microcontrôleur et ledit amplificateur opérationnel, par laquelle ledit microcontrôleur commande ledit amplificateur opérationnel.
  16. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, dans laquelle ledit transistor de puissance (13) est un transistor du type à effet de champ.
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