Corrosion galvanique : fonctionnement et rôle des primaires riches en zinc dans la protection

La corrosion galvanique se produit lorsque deux métaux dissemblables sont en contact électrique en présence d'un électrolyte, généralement de l'eau contenant des ions dissous. Le métal le moins noble se corrode préférentiellement tandis que le métal le plus noble est protégé. Dans les structures industrielles et marines, la corrosion galvanique aux liaisons de l'acier avec d'autres métaux est un mode de défaillance courant et prévisible. Le même principe est délibérément exploité dans les primaires riches en zinc pour assurer une protection cathodique de l'acier. Cet article explique le mécanisme, les facteurs qui déterminent sa gravité, comment la prévenir aux assemblages de métaux dissemblables, et ce que les primaires riches en zinc exigent de la préparation de surface.

Les bases électrochimiques de la corrosion galvanique

Lorsque deux métaux dissemblables sont reliés dans un électrolyte, ils forment une pile galvanique : une cellule électrochimique dans laquelle la différence de potentiel d'électrode entre les deux métaux génère un courant. Le métal dont le potentiel d'électrode est le plus bas (le plus négatif) devient l'anode : il est oxydé et se corrode. Le métal dont le potentiel est le plus élevé (plus positif, plus noble) devient la cathode et est protégé. Pour mieux comprendre le lien entre corrosion et rouille, voir rouille et corrosion.

La série galvanique classe les métaux et alliages en eau de mer, du plus actif (anodique) au plus noble (cathodique). Positions clés pour les applications structurelles :

L'ordre exact dépend de l'électrolyte et de la température ; la série en eau de mer est donc un guide plutôt qu'une règle absolue pour tous les environnements.

Qu'est-ce qui détermine la gravité de la corrosion galvanique ?

La différence de potentiel entre les deux métaux est la force motrice thermodynamique, mais la vitesse de la corrosion galvanique est déterminée par plusieurs facteurs pratiques :

• Conductivité de l'électrolyte : la corrosion galvanique est plus sévère en eau de mer (conductivité élevée) qu'en eau douce (conductivité plus faible) ou dans le sol (variable). Les environnements offshore et marins sont donc les plus agressifs.
• Rapport de surfaces : le rapport entre la surface de la cathode et celle de l'anode est déterminant. Une petite anode reliée à une grande cathode se corrode bien plus vite que si les surfaces étaient égales, car tout le courant cathodique se concentre sur la petite anode. Un boulon en acier dans une plaque de cuivre se corrode rapidement ; un boulon en cuivre dans une plaque d'acier attaque l'acier environnant beaucoup plus lentement. TWI recommande de maintenir un rapport de surface anode/cathode élevé, supérieur à 10 si possible.
• Géométrie et distance : l'attaque se concentre à la jonction entre les deux métaux et diminue avec la distance, en particulier dans les électrolytes de plus faible conductivité.
• Température : des températures plus élevées augmentent généralement les vitesses de corrosion en accroissant la conductivité de l'électrolyte et la cinétique des réactions.

Scénarios courants de corrosion galvanique dans les structures industrielles

• Assemblages acier–aluminium : fixations en acier au carbone dans des éléments en aluminium (ou l'inverse) en environnement marin ou offshore. L'aluminium est l'anode et subit des piqûres autour de la fixation en acier.
• Assemblages acier–acier inoxydable : mains courantes, caillebotis ou raccords en inox reliés à de l'acier de structure au carbone. L'acier au carbone se corrode à l'interface, une défaillance courante dans la construction côtière.
• Liaisons de mise à la terre acier–cuivre : les conducteurs de terre en cuivre fixés à des éléments en acier peuvent provoquer l'attaque galvanique de l'acier au point de connexion.
• Tuyauteries acier–cuivre : dans les installations de bâtiment, une tuyauterie en acier reliée à du cuivre se corrode à la transition.
• Anodes sacrificielles sur les jackets offshore : ici, l'effet est utilisé délibérément. Des anodes en aluminium ou en zinc reliées à un jacket en acier au carbone se corrodent préférentiellement et protègent l'acier.

Comment les primaires riches en zinc utilisent-ils la protection galvanique ?

Le principe qui endommage l'acier lorsqu'il est relié à un métal plus noble le protège lorsqu'il est relié à un métal plus actif, en l'occurrence le zinc. Les primaires riches en zinc contiennent une très forte charge de poudre de zinc dans le film sec, dispersée dans un liant organique (généralement époxy) ou inorganique (silicate). SSPC-Paint 20 les classe selon la poudre de zinc dans le film sec en poids : niveau 1 à 85 % ou plus, niveau 2 de 77 % à moins de 85 %, et niveau 3 (« zinc réduit ») de 65 % à moins de 77 %. L'ISO 12944 considère un primaire comme riche en zinc lorsque le film sec contient plus de 80 % de poudre de zinc.

Le mécanisme de protection : lorsque le revêtement est entamé par un dommage mécanique, un défaut ou une rupture d'arête, les particules de zinc sont exposées à l'environnement et forment des couples galvaniques avec l'acier. Le zinc est l'anode et l'acier la cathode ; le zinc se corrode donc préférentiellement et protège l'acier au niveau de la brèche et autour. Cette protection cathodique est la propriété déterminante des primaires riches en zinc et les distingue des primaires époxy à effet barrière seul.

C'est pourquoi les primaires riches en zinc sont spécifiés pour les protections anticorrosion exigeantes : structures offshore, grands ponts, tours d'éoliennes et sites industriels en environnements C4 et C5 de l'ISO 12944. Même après un dommage mécanique, un système riche en zinc continue de protéger localement l'acier exposé au lieu de laisser la corrosion démarrer immédiatement au niveau du défaut. Pour situer les primaires au zinc parmi les autres systèmes, voir revêtements industriels : types, systèmes et préparation de surface.

Exigences de préparation de surface pour les systèmes de primaire riche en zinc

La protection galvanique d'un primaire riche en zinc dépend du contact électrique entre les particules de zinc et l'acier. Les contaminants qui interrompent ce contact, tels que la rouille résiduelle, la calamine, l'huile ou les sels solubles, réduisent la protection que le primaire peut offrir. C'est pourquoi les primaires riches en zinc ont parmi les exigences de préparation de surface les plus strictes de tous les revêtements industriels. Les chiffres ci-dessous sont typiques ; la fiche technique du produit (TDS) et la spécification du projet prévalent toujours.

Primaires organiques riches en zinc (liant époxy)

• Préparation de surface typique : nettoyage par sablage abrasif selon SSPC-SP 10 / Sa 2½ (métal quasi blanc). Certains produits acceptent d'autres degrés pour les réparations d'entretien ; consultez la TDS.
• Profil d'ancrage : selon la TDS, généralement un profil net et anguleux de quelques dizaines de micromètres
• Le liant époxy adhère mécaniquement au profil, tandis que l'action galvanique nécessite un contact électrique zinc-zinc et zinc-acier à travers le film
• Appliquer un primaire organique riche en zinc sur une préparation inadéquate raccourcit sensiblement sa période de protection effective

Primaires inorganiques au silicate de zinc

• Préparation de surface typique : SSPC-SP 10 / Sa 2½ à SSPC-SP 5 / Sa 3. La plupart des fabricants spécifient SP 10 comme minimum ; certaines spécifications de projet exigent SP 5 en exposition sévère.
• Profil d'ancrage : selon la TDS, obtenu avec un abrasif anguleux pour maximiser l'adhérence mécanique
• Le liant silicate durcit par hydrolyse et condensation et est généralement décrit comme adhérant chimiquement à la surface d'acier propre. Une contamination entre le liant et l'acier empêche cette liaison de se former correctement.
• Le silicate de zinc inorganique est le primaire le plus exigeant en matière de préparation de surface. Sur une préparation inadéquate, il est sujet à une mauvaise adhérence et à un décollement, perdant à la fois sa fonction barrière et sa fonction galvanique.

Limites de sels solubles pour les systèmes riches en zinc

Une contamination par les sels solubles sous un primaire riche en zinc peut provoquer un cloquage osmotique quelle que soit la protection galvanique que procure le zinc. La limite acceptable est fixée par la spécification du projet ou le fabricant du revêtement, et le service en immersion exige normalement une limite plus basse que l'exposition atmosphérique. Mesurez avant l'application du primaire par extraction au patch Bresle (ISO 8502-6) et détermination conductimétrique (ISO 8502-9), qui expriment les sels en mg/m² d'équivalent NaCl. Plus de détails dans notre article sur la contamination par les sels solubles et la défaillance des revêtements.

Lorsque le sablage est impossible

Pour les réparations d'entretien de systèmes riches en zinc où le sablage abrasif est exclu, c'est le fabricant du revêtement qui décide quelle préparation alternative est acceptable. Le bristle blasting avec le Bristle Blaster® donne une propreté comparable à Sa 2½ / SSPC-SP 10 et un profil d'ancrage de 65–85 µm Rz sur acier standard lors d'essais documentés, les résultats variant selon la nuance d'acier, le degré de rouille, la bande et la technique. Faites confirmer l'acceptation par le fabricant du primaire avant de le spécifier pour un système riche en zinc.

Comment prévenir la corrosion galvanique aux assemblages de métaux dissemblables

Lorsque des métaux dissemblables doivent être assemblés en environnement corrosif, les principales mesures d'atténuation sont :

• Isolation électrique : les manchons, joints et rondelles isolants coupent le chemin électrique de sorte que la pile galvanique ne peut pas se former. C'est très efficace, mais il faut le prévoir dès la conception et entretenir les composants d'isolation.
• Revêtir la cathode, ou les deux métaux : revêtir le métal le plus noble réduit la surface de cathode disponible pour alimenter la réaction. Ne revêtez jamais uniquement l'anode : une porosité dans ce revêtement crée une très petite anode à côté d'une grande cathode nue, ce qui concentre l'attaque au niveau du défaut. TWI précise que le revêtement de la cathode est le plus important et doit être maintenu en bon état.
• Anodes sacrificielles : un métal plus actif (anodes en aluminium ou en zinc sur les structures offshore) assure la protection cathodique de l'acier sans alimentation électrique externe.
• Exclure l'électrolyte : l'étanchéité des joints et la mise en place d'un drainage empêchent l'eau de pénétrer dans l'interstice entre les métaux.
• Choix des matériaux : choisir des métaux proches dans la série galvanique réduit au minimum la force motrice.

Points clés à retenir

• La corrosion galvanique se produit lorsque des métaux dissemblables sont couplés électriquement dans un électrolyte. L'anode se corrode ; la cathode est protégée. La gravité est déterminée par la différence de potentiel, la conductivité de l'électrolyte et le rapport de surfaces cathode/anode.
• Les primaires riches en zinc utilisent délibérément le principe galvanique : le zinc se corrode de manière sacrificielle pour protéger l'acier aux défauts du revêtement. C'est ce qui les distingue des primaires à effet barrière seul.
• Les primaires riches en zinc sont normalement appliqués sur de l'acier sablé, généralement SSPC-SP 10 / Sa 2½ au minimum, les silicates de zinc inorganiques étant les plus exigeants. Ces exigences découlent du mécanisme, et non d'une rédaction prudente des spécifications.
• Les sels solubles sous les primaires riches en zinc peuvent provoquer un cloquage osmotique même lorsque la fonction galvanique du zinc est intacte. Testez et maîtrisez les niveaux de sels avant l'application du primaire.
• Aux assemblages de métaux dissemblables, isolez les métaux, revêtez la cathode (ou les deux métaux, jamais uniquement l'anode) et utilisez des anodes sacrificielles lorsque c'est approprié.

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Foire aux questions

Qu'est-ce qui provoque la corrosion galvanique ?

Trois conditions réunies : deux métaux de potentiels d'électrode différents, une liaison électrique entre eux et un électrolyte commun tel que l'eau de mer ou la condensation. Le métal le plus actif devient l'anode et se corrode plus vite que s'il était seul, tandis que le métal le plus noble est protégé. Supprimez l'une des trois conditions et la pile galvanique s'arrête.

Faut-il revêtir l'anode ou la cathode pour prévenir la corrosion galvanique ?

Revêtez la cathode, le métal le plus noble, ou les deux. Ne revêtir que l'anode est risqué : toute porosité dans ce revêtement devient une très petite anode reliée à une grande cathode nue, ce qui concentre l'attaque. TWI précise que le revêtement de la cathode est le plus important et doit être maintenu en bon état.

Quelle quantité de zinc un primaire riche en zinc contient-il ?

SSPC-Paint 20 classe les primaires riches en zinc selon la poudre de zinc dans le film sec en poids : niveau 1 à 85 % ou plus, niveau 2 de 77 % à moins de 85 %, et niveau 3 (zinc réduit) de 65 % à moins de 77 %. L'ISO 12944 considère les primaires comme riches en zinc à plus de 80 % de poudre de zinc dans le film sec.

Quelle préparation de surface les primaires riches en zinc exigent-ils ?

Les primaires riches en zinc sont normalement appliqués sur de l'acier sablé, généralement au moins Sa 2½ / SSPC-SP 10, avec un profil de surface fixé par la fiche technique. Les silicates de zinc inorganiques sont les plus exigeants. Certains époxy au zinc organiques acceptent d'autres degrés pour les travaux de réparation ; suivez donc toujours la fiche technique du produit et la spécification du projet.