MINISTÈRE DE L'INDUSTRIE ET DE LA RECHERCHE BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL B.P. 6009 - 45018 Orléans Cedex - Tél.: (38) 63.00.12 LA CORROSION ET L'INCRUSTATION DANS LES FORAGES D'EAU (choix de l'équipement adapté) par M. BOURGEOIS Département géologie de l'aménagement Hydrogéologie B.P. 6009 - 45018 Orléans Cedex - Tél.: (38) 63.00.12 76 SGN 379 AME Octobre 1976 Rapport BRGM : 76 SGN 379 AME ERRATUM Résumé : 7ème ligne avant le bas de page : corrosité ; lire corrosivité m ê m e remarque dans le rapport, p . 6 , 1ère ligne " " à l'annexe D , p . 1, note infrapaginale Rapport : - page 1, 4 è m e paragraphe, 3 è m e ligne : le mesure ; lire : la mesure - page 3 , 2 . 2 . 1 . , 1er paragraphe, 5 è m e ligne : plus de 30 ; lire plus de 130 publications - page 1 6 , 8 è m e ligne : alises ; lire alésés - page 2 0 , 3 è m e ligne : jaunâtres ; lire saumâtres - page 2 2 , 1ère ligne : dates, des devis ; supprimer la virgule Annexe A : - page 8 , 3 è m e paragraphe, 1ère ligne : créée ; lire crée - page 1 8 , 6 è m e ligne : on a vue ; lire vu Annexe B : - après la page 2 3 , annexe B l , 12ème ligne : molécule-gramme/litre concentration en équivalent-gramme/litre ; lire valence valence - m ê m e page, début de la 15ème ligne : (mé.) ; lire (méq.) - annexe B 3 b , page B , calcul de pKs : soutien Ç. ; lire soustraire - annexe B 4 , planche B rectifiée (ci-jointe) - annexe B8 rectifiée (ci-jointe) 4,0 .J ; s t 3.0- - "X = ~ — t. _ | • • • — -4r- 2,0 ^i 1,5 10 50 100 Co++ ou C 0 - H " (enmg/l) 500 1000 ANNEXE B Eh 1,23 ! 1.2 • l 0,8- •Pa s siv a t i 0,4- 0,4 Corrosixn 0,4 J 56.000 mq/l I M i I I i 0,056 mg/l -0,826 0,8 P-a-s-s-i-v-i-tTe 1,2 2 4 6 8 10 12 14 pH 0,4 -0,826 0 / 2 4 6 8 10 12 14 pu DIAGRAMME DE POURBAIX d'après le Mémento technique de l'eau, Dégrémont RESUME La corrosion et l'incrustation ont été beaucoup plus étudiées et combattues sur les canalisations d'eau et installations de surface que sur les forages, où des dégâts très importants, difficiles ou impossibles à réparer, peuvent parfois se produire un à deux ans seulement après les travaux sur des forages exploités ou au repos. Ce rapport, accompagné de cinq annexes rappelle les causes des phénomènes, les moyens de les prévoir et d'y remédier en choisissant l'équipement adapté aux conditions de terrain. L'annexe A est une traduction du chapitre "Corrosion et incrustation dans les puits" d'un manuel américain. Les auteurs, qui ont analysé une trentaine de publications récentes sur la question, déclarent que ce sujet complexe fait encore l'objet de recherches de la part des pétroliers surtout, et donnent des conseils utiles. L'annexe B rappelle les notions de chimie relatives à ces phénomènes et comporte un abaque permettant la détermination facile du pH de saturation de W.F. LANGELIER, dont l'index de Ryznar est dérivé. L'annexe C est une traduction des conseils pratiques donnés par un homme qui a 40 ans d'expériences de terrain à la Société JOHNSON U3P, St-Paul, Minnesota. L'annexe D est également une traduction d'une note de J.W. RYZNAR chimiste à la National Aluminate Corp. Chicago - Illinois. Partant du pH de saturation de W.F. LANGELIER il a créé un index de stabilité de l'eau basé sur une série d'essais d'incrustation en laboratoire. Il extrapole la validité de son index aux eaux agressives, d'après les dégâts réellement constatés sur des réseaux de distribution d'eau. L'annexe E, copie d'un article de R.M. BERTHIER et M. VERIT publié en 1956, donne une bonne description de la protection cathodique avec exemple d'application sur des puits en terrains salifères du Chott ech Chergui (Algérie]. Ce type de protection à réaliser par un spécialiste serait à comparer aujourd'hui avec les équipements plus classiques en alliages spéciaux, matières plastiques et fibres de verre. Le rapport analyse les méthodes de détermination des caractérisques de l'eau à capter : - en calculant l'index de RYZNAR d'après les éléments de l'analyse - en faisant des mesures in situ au corrosimètre. Les résultats présentés par F.E. CLARKES qui a utilisé cet appareil au Sahara ne sont pas entièrement convainquants ¡ une mise au point des conditions opérationnelles est peut-être nécessaire, si toutefois la corrosité peut se résumer à une simple mesure valable dans tous les cas ! L'index de RYZNAR paraît en définitive plus représentatif et 1'hydrogéologue aura intérêt à le connaître pour choisir l'équipement dt ses forages. Des renseignements sur les dimensions courantes, caractéristiques mécaniques et prix comparés sont fournis pour les tubages et crépines en matériaux divers : acier doux, semi-inox, inoxydable, PVC etc.. Parmi les principales dispositions pratiques on retiendra : - Que les incrustations se déposeront sur les tubages et crépines quelque soit le matériau qui les constitue. On limitera les dépôts en évitant les entrées d'air dans le puits, en réduisant le rabattement et en s1efforçant de ne jamais dénoyer les crépines. Il sera rentable de traiter périodiquement les puits qui s'incrustent et de prévoir en conséquence l'équipement de l'ouvrage et son accessibilité future au cours de l'exploitation. - Que la corrosion bactérienne ne justifie pas à elle seule un équipement spécial ; on pourra la supprimer ou la réduire notablement en évitant d'introduire des bactéries en profondeur avec les fluides et ingrédients de foration et de cimentation et avec le matériel de forage et de pompage. Avant de réceptionner le puits on procédera à une désinfection au chlore qui sera renouvelée si nécessaire au cours de l'exploitation. - Pour se prémunir contre les dégâts de la corrosion électrochimique on examinera, selon la profondeur et le diamètre de l'ouvrage, la nature des terrains aquifères, le degré de corrosivité de l'eau, le matériau le mieux adapté pour les tubages et crépines en retenant qu'un alliage résistant et relativement coûteux peut s'avérer beaucoup plus économique qu'une réfection de l'ouvrage. Un tubage en acier doux, épais, bien centré, revêtu de peinture bitumineuse et bien isolé du terrain par une gaine de ciment continue de 7 à 8 cm d'épaisseur résistera longtemps surtout s'il est bien isolé de la crépine en métal différent. On évitera les crépines dans les terrains bien consolidés où elles sont souvent plus nuisibles qu'utiles. Pour le captage en terrains meubles on réservera les crépines en matière plastique, fibres de verre et alliages nobles aux eaux très corrosives, les aciers semi-inox ou ordinaires à celles qui le sont moins ou pas du tout, en isolant électriquement tubages et crépines. Ce rapport a été rédigé dans le cadre des études méthodologiques du Département géologie de l'aménagement du territoire sur crédits du Ministère de l'Industrie et de la Recherche. SOMMAIRE page 1. OBJECTIFS ET STRUCTURE DU RAPPORT 2. LES ANNEXES 2.1. Enumération des annexes 2.2. Que retenir des différentes annexes 2.2.1. Annexe A 2.2.2. Annexe B 2.2.3. Annexe C 2.2.4. Annexe D 2.2.5. Annexe E 3 3 3 3 5 6 7 8 3. PRECAUTIONS A PRENDRE A LA CONCEPTION ET LORS DE L'EXECUTION DES FORAGES 3.1. Détermination des risques 3.1.1. Index de Ryznar 3.1.2. Mesures au corrosimètre 3.1.3. Conditions de choix des analyses 3.2. Contrôle de l'incrustation 3.3. Contrôle de la corrosion 3.3.1. Corrosion électro-chimique 3.3.2. Corrosion bactérienne 10 10 10 10 14 14 16 16 23 4. CONCLUSION 24 BIBLIOGRAPHIE 25 - 1- 1 - OBJECTIFS ET STRUCTURE DU RAPPORT Le but de ce rapport est d'attirer l'attention des hydrogéologues sur les problèmes de corrosion et d'incrustation dans les forages d'eau, de leur fournir des informations sur les moyens de prévoir ces phénomènes et sur les précautions pratiques à prendre à la construction des puits. L'incrustation qui se manifeste d'une façon souvent spectaculaire à l'air libre, dans les conduites d'eau, les réservoirs, les appareils de chauffage, etc. existe également dans les puits. Elle est souvent responsable de la réduction progressive de leur débit qui nécessitera un traitement pour retrouver la productivité initiale. Pourtant, elle affecte peu la qualité du matériau des tubages et crépines : elle les protège même le plus souvent, à l'inverse de la corrosion qui provoque leur destruction plus ou moins rapide. Il semble que les méfaits de la corrosion et de l'incrustation aient été étudiés spécialement dans les installations de surface, les conduites et accessoires des réseaux de distribution, les chaudières, bouilleurs, radiateurs, appareils industriels etc. où les phénomènes sont éventuellement amplifiés par les hautes températures mais où il est également plus facile d'observer les dégâts et d'appliquer les palliatifs. Avant d'envoyer l'eau dans le réseau on pourra favoriser le dépôt des carbonates par aération ou au contraire la neutraliser par addition de chaux ou magnésie ; en circuits fermés on utilisera de l'eau déminéralisée transformée, stabilisée (aux polyphosphates), vaccinée, dégazée, inhibée par des amines, des huiles, des chromâtes etc.. On protégera aisément les conduites métalliques enterrées à quelques décimètres par un enrobage isolant, on pourra les sonder avec des appareils de contrôle pour détecter les courants vagabonds qui seront "renversés" jusqu'à l'annulation par envoi de courants opposés ou "déversés" vers des électrodes sacrifiés plus corrodables que le métal des conduites. Dans les forages l'observation est impossible ou difficile, de même que la parade : la télévision en circuit fermé peut apporter des renseignements dans le mesure où il est possible d'interrompre l'exploitation, de retirer la pompe, où caméra et projecteurs peuvent être descendus et remontés sans problème ; l'inspection, limitée toutefois à la face interne des tubes et crépines, permettra donc un diagnostic partiel mais les retraits et remplacement des éléments détériorés resteront compliqués et coûteux, voire impossibles. C'est pourquoi il convient de prendre le maximum de précautions au moment de l'exécution du puits j pour cela il faut être en mesure de déterminer les risques, de savoir comment équiper le puits pour supprimer ou réduire les dégâts dus à la corrosion et à l'incrustation et y remédier par traitement éventuel. Au départ, il est difficile d'apprécier exactement les risques de corrosion puisque les causes de celle-ci sont multiples ; de même n'est-il pas toujours facile de choisir la completion ou le matériau qui résisteront à la corrosion, pour des raisons de diamètre de l'ouvrage, de conditions d'installation , de disponibilité du matériau aux caractéristiques mécaniques adaptées et surtout du coût des équipements de meilleure qualité. Le maître d'ouvrage estimera parfois que ce coût est prohibitif, mais il doit être averti de l'étendue des risques et des dispositions à prendre pour les supprimer ou les réduire. Pour aider 1'hydrogéologue à jouer ce rôle, ce rapport, assorti de cinq annexes, donne un certain nombre d'indicatiuns théoriques et pratiques qui devraient être améliorées ultérieurement par les résultats des recherches et essais, dans le domaine technologique en particulier. - 2 - En passant d'une annexe à l'autre, le lecteur trouvera peut-être des redites ou des points de vue divergents, ce qui n'est pas surprenant compte tenu des dates des publications,de l'objectif et de la spécialisation différente de chacun des auteurs. On a généralement précisé, actualisé ou rectifié ce qui méritait de l'être en notes infrapaginales ou en commentaires dans le rapport. Il peut toutefois subsister quelques incohérences et oublis puisque ce travail étalé sur plusieurs mois avec de nombreuses interruptions s'est déroulé de la façon suivante - traduction du texte devenu l'annexe C _ » » H ii ii n - complément d'étude bibliographique et rédaction de l'annexe B - début de rédaction du rapport, puis traduction de l'annexe A - lecture du texte ajouté en annexe E et rédaction finale du rapport. - 3- 2 - LES ANNEXES 2.1 - Enumeration des annexes L'annexe A est une traduction du chapitre "CORROSION et INCRUSTATION DANS LES PUITS" du manuel américain "WATER WELL TECHNOLOGY par M.D. CAMPBELL et J.H. LEHR, édité en 1973 par Mac GRAW-HILL BOOK COMPANY. L'annexe B rappelle certaines notions de chimie, à la fois utiles pour l'étude des phénomènes d'agressivité et de corrosion, et pour comprendre plus facilement certaines publications sur ce sujet. L'annexe C est une traduction des conseils pratiques pour lutter contre la corrosion et l'incrustation dans les forages d'eau exposés par J.L. MOGG, ingénieur en chef à JOHNSON Division U.O.P. Co, St-Paul, Minnesota, dans le Water Well Journal de mars 1973. L'annexe D est une traduction de la note de J.W. RYZNAR : "Un nouvel index pour déterminer le dépôt de carbonate de calcium formé par une eau". Journal de l'Aww^, avril 1944. L'annexe E est la copie d'une note de MM. R.M. BERTHIER et M. VERIT : La protection cathodique des tubages des puits à grand diamètre au Chott Chergui. Revue Terres et Eaux n° 27, Alger 1956. 2.2 - Que retenir des différentes annexes ? 2.2.1 - Annexe A : Water Well technology Les auteurs du manuel "Water Well Technology" ont écrit leur ouvrage en reproduisant très largement les extraits principaux et conclusions des publications diverses concernant les divers aspects théoriques et pratiques des travaux de forages d'eau. Pour le chapitre faisant l'objet de l'annexe A plus de 30 publications ont été analysées ; on peut donc penser a priori que le texte est assez représentatif des principales connaissances en la matière des techniciens américains en 1972. Or les auteurs n'en tirent pas une méthode simple et infaillible pour déterminer la corrosivité de l'eau et des moyens également simples et sûrs pour s'y opposer '. Ils déclarent au contraire que le problème est complexe, que les pétroliers travaillent activement sur ce sujet et que la recherche a été jusqu'ici insuffisante dans le domaine des forages d'eau aussi bien que la volonté d'expérimenter méthodiquement les procédés de détection ou les techniques de lutte en observant et publiant systématiquement les résultats. - 4 - Ils énumèrent les facteurs habituels de la corrosion : pH bas,excès de C02»d'oxygène, d'H 2 S, augmentation du résidu sec et de la température, les conditions naturelles de protection du métal par les sels qui les recouvrent efficacement [ou non s'ils sont poreux],les causes de destruction du dépôt protecteur, le comportement des divers métaux et alliages en milieu agressif, e t c . ! Il ressort également de ce texte que le meilleur moyen de caractériser l'agressivité d'une eau naturelle serait actuellement encore de déterminer son pH de saturation selon la méthode de LANGELIER, puis l'index de stabilité de RYZNAR, et de prendre les précautions qui en découlent pour choisir l'équipement du puits. L'essai d'explication de l'incrustation - corrosion basée sur la théorie électrocinétique semblerait, d'après le résumé des conclusions, concerner essentiellement l'incrustation ; la parade imaginée par MANDAL et EDWARDS, qui consiste à empêcher le dépôt entartrant par un envoi de courant, est fortement mise en doute par J.S. FRYBERGER qui craint de déclencher ainsi une corrosion galvanique plus grave que l'incrustation. On peut extraire de ce chapitre les dispositions à prendre pour supprimer ou réduire les problèmes de corrosion et d'incrustation : a) Lutte contre la corrosion électro-chimique - évaluer le risque par détermination du pH de saturation et de l'index de RYZNAR de l'eau et faire des mesures au corrosimètre [voir 5 3.1.2), - prévoir des matériaux résistants stlon le degré de corrosion mis en évidence spécialement pour les organes délicats [les crépines) ; choisir les métaux ou alliages adéquats,éventuellement prendre des éléments en plastique ou fibres de verre. Pour les tubages, se souvenir qu'en doublant l'épaisseur on quadruple leur durée de vie. - éviter la désagrégation des couches de protection naturelles des tubages et crépines par des vitesses d'entrée d'eau trop élevées ou des apports de sable érosif , - éviter l'équipement du puits avec des métaux éloignés dans l'échelle de Nemst [voir annexe B6a, b et c) ou assurer une isolation efficace entre eux, - éviter les points de fragilité sur les colonnes : zones de forte tension, fatigue du métal par choc, chauffage, refroidissement brusque, les grains et autres hétérogénéités de surface, - protéger les métaux courants par des revêtements métalliques ou organiques résistants ¡ éviter le zinc, qui sera très facilement déplacé, et prendre des précautions a la pose des tubages pour éviter les déchirures des revêtements organiques, - appliquer plus fréquemment la protection cathodique qui atténuera l'attaque de la partie externe des tubages. '.es auteurs estiment : - que le bon revêtement organique, électriquement isolant, assurant un recouvrement complet et continu, et n'évoluant pas avec le temps, n'a pas encore été mis au point, - que les courants induits dans le terrain par les pompes électriques immergées posent des problèmes sur les puits profonds. - 5- b) Lutte contre la corrosion - -incrustation bactérienne les bactéries sont introduites le plus souvent dans les terrains par le fluide de foration, le ciment ou le fluide de fracturation hydraulique ; les tubages, crépines, gravillons, la pompe et ses accessoires, etc. peuvent également être contaminés. On prendra donc le maximum de précautions pour réduire cette contamination artificielle et l'on désinfectera les puits avant la mise en production, le produit de destruction des bactéries le plus courant reste le chlore qui se révèle efficace dans la mesure où il est appliqué assez tôt : les sulfures produits par les bactéries anaérobies pourraient en effet former des tubercules protecteurs où le chlore ne les atteindrait pas, autre bactéricide efficace : un chlorure alkylbenzyl triméthyle d'ammonium quaternaire cathionique ¡ il peut perdre une partie de son efficacité par réaction sur les argiles. c) Lutte contre l'incrustation éviter au maximum les entrées d'oxygène en isolant la pompe et les crépines de l'atmosphère extérieure par des joints étanches, éviter le départ de C0 2 dû à la différence de pression de l'eau entre l'intérieur et l'extérieur du puits soumis à un fort rabattement, pour éviter le fort rabattement générateur indirect de l'incrustation, bien développer les puits, ne pas les surexploiter, pomper un faible débit continu plutôt qu'un fort débit discontinu. Au besoin prévoir un nombre suffisant de puits exploités en continu à débit moyen plutôt que quelques puits exploités a fort débit avec rabattement important, traiter périodiquement les forages soumis à l'incrustation, avec de l'acide sulfamique, ou chlorhydrique, ou du chlore gazeux etc. pour récupérer la productivité d'origine des puits. 2.2.2 - Annexe B : Rappel de notions de chimie 2.2.2.1 - Í2Á ¿oZu.tA.oni> : dans l'eau les sels minéraux sont dissocias en ions pour former des solutions conductrices ou electrolytes. Le degré de dissociation - qui conditionne la "force" de 1'electrolyte - dépend des constantes de dissociation K, propres à chaque équilibre entre 2 ions donnés. K, égal au produit du rapport de concentration des ions des deux membres de la réaction par le rapport de leur coefficient d'activité, est donné dans des tables et utilisé le plus souvent sous la forme de son cologarithme pK. On donne les formules de calcul de la force ionique u_ des ions présents dans l'eau et de leur coefficient d'activité f. - 62.2.2.2 En raison de l'interdépendance des notions d'agressivité, corrosité et incrustation, il convient de rappeler pourquoi une eau est agressive vis-à-vis du calcaire et comment on calcule ce degré d'agressivité. W.F. LANGELIER a présenté en 1936 une formule pratique pour illustrer le caractère agressif ou incrustant d'une eau naturelle, dont la plupart des auteurs se sont inspirés. A partir de cette formule, qui donne le pH de saturation, ou pHs, de l'eau étudiée, un abaque simple est fourni en annexe B4, avec exemple de détermination du pHs par le calcul et par utilisation de l'abaque. Un survol des autres méthodes montre que celle de MM. HALLGPEAU et DUBIN est particulièrement appréciée des exploitants pour connaître la nature et la quantité de produits neutralisants à utiliser avant d'envoyer l'eau dans le réseau de distribution. 2.2.2.3 L'eau peut être réductrice, si elle cède des électrons, ou oxydante, si elle en accepte. En présence d'eau un oxydant libère de l'oxygène et un réducteur libère de l'hydrogène, qui se dégageront si leur pression est supérieure à la pression ambiante. Dans l'eau, le fer cède des électrons et l'eau devient oxydante en libérant de l'oxygène. L'ion fer entre en solution dans une proportion qui dépend de la nature de l'électrolyte (degré de minéralisation de l'eau), de la température et de la pression. A l'équilibre il existe une différence de potentiel entre le métal et la solution, c'est le potentiel d'électrode E, pris par référence à l'électrode d'hydrogène, dont le potentiel E = 0 par convention. Le potentiel normal d'électrode Eo, d'une solution normale d'un ion (renfermant un ion-gramme par litre) est donné dans des tables, ou échelle de Nernst, en annexe BB. On donne les conditions théoriques de corrosion du fer en eau pure désaérée, avec ou sans précipitation, en solution acide, en eau aérée ; les produits de solubilité des hydroxydes de fer, des carbonates de fer et de calcium sont indiqués, ainsi que le diagramme d'évolution de la corrosion en fonction du pH et de C 0 2 total. Enfin l'annexe se termine par trois diagrammes Eh - pH du fer : le diagramme de Pourbaix, le diagramme simplifié explicité par les équations des limites et le diagramme comportant quelques ions complexes d'hydroxyles. 2.3 - Annexe C : Note de J.L. MOGG L'expérience de M. J.L. MOGG, ingénieur en chef à JOHNSON Division est intéressante en raison des cas concrets qu'il rapporte. Le tableau 3, qui sert de guide pour le choix du matériau de la crépine en fonction de l'index de RYZNAR, accorde une position privilégiée à l'acier inox utilisé dans la plupart des cas pour \a fabrication des crépines JOHNSON. En annexe B6b la table 40 , d'après International Nickel Co, montre qu'il existe d'autres métaux ou alliages plus résistants à la corrosion que l'acier inox j la situation avantageuse de celui-ci au bas de l'échelle, lorsqu'il est passive, n'est pas comparable avec celle des autres métaux ou alliages qui ne sont pas présentés dans le même état (sauf le nickel, l'Inconel et le ferrochrome). - 7 - Par ailleurs le tableau 3 ne donne pas de place aux métaux très résistants cités par J.L. MOGG : l'Hastelloy B et C - 276 et le Carpenter 20. Il serait instructif de connaître le potentiel d'oxydoréduction de ces différents matériaux, les conditions de passivation de chacun, leurs caractéristiques mécaniques et leur prix pour apprécier correctement celui qu'il convient de retenir selon la composition de l'eau Métaux usuels Métaux spéciaux Acier inoxydable 304. Le plus e m ployé des aciers inoxydables 18-8 à cause de sa grande résistance à la corrosion dans de nombreux types d'eaux, sa bonne soudabilité et sa grande résistance mécanique. Acier inoxydable Carpenter 20 CB.3. Acier spécial résistant à l'acide sulfurique ; contient environ 2 0 % de chrome et plus de 3 0 % de nickel. Acier inoxydable 316 L. Faible teneur en carbone qui facilite l'usinage et augmente encore la résistance à la corrosion. Acier au carbone. Acier classique à faible teneur en carbone et galvanisé pour augmenter sa protection. Inconel 6 0 0 * . Métal possédant d'excellentes qualités mécaniques et très résistant à la corrosion sous des températures supérieures à la normale. Hastelloy B ou C *. Bonnes qualités mécaniques et excellente résistance à la corrosion dans des Monel 400 *. Alliage d'environ conditions sévères telles que celles 7 0 % de nickel et 3 0 % de cuivre, causées par la présence d'acides particulièrement résistant à la corforts et des solutions chlorées. rosion par l'eau de mer, très e m - Ces métaux spéciaux ne sont pas ployé dans la marine. tenus en stock : renseignements sur demande. * Monel et Inconel sont des marques déposées de l'International Nickel C o . . Hastelloy est une marqua déposée de l'Union Carbide Corp. Propriétés de quelques métaux et alliages Document des Crépines JOHNSON S.A., Naintré (Vienne) On notera que, selon M. MOG^, l'acier ordinaire convient pour les eaux dont l'index de RYZNAR (voir 5 24. Annxe D) est inférieur à 8, ce qui est assez souvent le cas sur des forages où pourtant les foreurs proposent de placer de l'inox. Enfin dans ses conseils pratiques, l'auteur souligne à juste titre qu'il faut éviter de raccorder dans un même forage 2 métaux différents entre lesquels apparaîtra une pile galvanique, et donc prendre la précaution de les isoler sur une longueur égale au minimum à 3 fois le diamètre du tube. On comprend moins bien le deuxième conseil sur la rapidité de corrosion de l'acier doux dans une bonne electrolyte, qui serait "plus rapide que celle de 2 métaux différents". Il faudrait certainement ajouter que ce 2ème conseil est vrai dans la mesure où la crépine en métal résistant tiendra mieux que celle en acier doux, et que la corrosion sera réduite dans la mesure où l'on assurera sa bonne isolation du tubage en acier doux. 2.4 - Annexe û : L'index de RYZNAR W.L. LANGELIER a défini le pH de saturation de l'eau = pHs et l'indice de saturation qui en découle : IS = pH mesuré - pHs. RYZNAR constate le manque de représentativité de IS en prenant l'exemple suivant : eau N° 1 : pH = 6,5 et pHs = 6, donc IS = 0,5-,3au l\l°2 = pH = 10,5 et pHs = 10 donc IS = 0,5 également. - 8 - Pour mieux caractériser ces deux eaux très différentes RYZNAR invente un index de stabilité, appelé généralement aujourd'hui index de RYZNAR = IR, avec IR = 2 pHs - pH mesuré. Sur les 2 eaux sus-indiqués : IR = 5,5 pour la première et IR = 9,5 pour la seconde. Une eau sera neutre (ni agressive, ni corrosive) si IR = 6,65.Au-dessus de 6,65 elle sera de plus en plus corrosive et au-dessous de plus en plus incrustante. Pour vérifier si son index avait une valeur provoqué expérimentalement le dépôt de Co3Ca avec une bles et IR identiques ; les résultats reportés sur un effectivement un bon regroupement des poids de Co3Ca, décroît. quantitative, RYZNAR a série d'eaux à IR variadiagramme montrent qui croissent lorsque IR Pour les quelques eaux dont IR est proche, ou supérieur à 7, le dépôt est évidemment faible ou nul mais RYZNAR n'a pas fait d'expériences sur les eaux corrosives. Il poursuit seulement sa courbe en calculant IR sur des eaux connues par les problèmes de corrosion qu'elles occasionnent à l'exploitation. LANGELIER fait remarquer à RYZNAR que son index n'est qu'une présentation différente de ses propres découvertes et lui suggère de faire des .Mesures de corrosivité pour prouver la représentativité de IR dans les valeurs élevées. RYZNAR répond que ses résultats sont bons, puisqu'ils confirment les observations des exploitants et déclare que ses expériences sur la corrosion font l'objet d'une recherche séparée. On ne connaît malheureusement pas les conclusions de cette deuxième recherche expérimentale, mais il est admis aujourd'hui que l'index de RVZNAR permet de prévoir assez correctement le comportement d'une eau : M. GUIGUES, ingénieur conseil, l'a rappelé le 17 janvier 1975 à l'occasion d'une journée d'étude de l'eau organisée par le C.I.D.B. et la Chambre des ingénieurs conseils de France (cf. réf. bib. n° 2 ) . 2.5 - Annexe E : La protection cathodique En 1956 les auteurs rappellent que depuis plus de 20 ans la protection cathodique appliquée aux canalisations enterrées s'est révélée rentable, et que le Service Hydraulique de l'Algérie a été le premier à extrapoler la méthode à la protection d'ouvrages en béton (conduite du HAMIZ en 1941) puis aux tubages métalliques des forages en grand diamètre. Les courants électriques dans le sous-sol ont diverses origines ; ils pénètrent dans le fer par les plages cathodiques, circulent dans l'eau conductrice et ressortent par les plages anodiques qui cèdent du métal. Il est possible de supprimer la corrosion en réalisant un revêtement isolant protecteur ou de la reporter sur des métaux très corrodables (élevés dans l'échelle de Nernst), c'est la protectior galvanique, ou encore de renverser artificiellement les courants en envoyant des courants opposés par une génératrice continue, c'est la protection cathodique proprement dite. - 9 - Le renversement des courants de corrosion se fait en branchant le pôle "moins" de la source de courant continu sur le tubage à protéger tandis que le pôle "plus" est raccordé à une prise de terre, qui joue le rôle d'anode ; celle-ci peut être en fer consommable ou graphité inattaquable. La mise en oeuvre de la protection cathodique est assez compliquée : pour faire parvenir l'intensité de courant voulue à toutes les parties de l'ouvrage il faut relier chacune des colonnes de tubes et crépines par des câbles séparés à la génératrice, ce qui implique certaines sujétions pour les colonnes qui ne remontent pas jusqu'au niveau du sol, et l'anode enterrée nécessite une installation relativement importante, après détermination de ses meilleures caractéristiques et position par calcul ou simulation. Dans l'exemple donné d'un ouvrage en grand diamètre d'une centaine de mètres de profondeur, la consommation de courant est voisine de 1,5 kwh en permanence. Les crépines a travers lesquelles passe l'eau (l'électrolyte) sont protégées sur leurs 2 faces, mais les tubages étanches ne sont protégés qu'à 1'extérieur. En définitive cette note montre, qu'avant d'entreprendre la protection cathodique d'un forage, il convient de consulter un ingénieur spécialisé pour programmer l'opération, en déterminer l'efficacité prévisionnelle et les coûts d'investissement et fonctionnement afin de savoir si elle se justifie. - 10 - 3 - PRECAUTIONS A PRENDRE A LA CONCEPTION ET LORS DE L'EXECUTION DES FORAGES Les annexes A et C donnent de bonnes informations pour déterminer les risques de corrosion-incrustation et les moyens pour maîtriser ou limiter ces phénomènes. Un certain nombre de renseignements pratiques sur les dispositions à prévoir peuvent être apportés en complément. 3.1 - Détermination des risques Pour évaluer la tendance d'une eau à l'attaque ou à l'incrustation du métal, les annexes A et C préconisent de calculer son index de RYZNAR ; l'annexe A évoque en outre brièvement la mesure au corrosimètre. 3.1.1 - Index de RYZNAR Nous avons vu la simplicité du calcul de l'Index de RYZNAR : IR. Il suffit de connaître le pH et la température de l'eau, mesurés sur le terrain, le résidu sec, la teneur en calcium et le T.A.C. (carbonates plus bicarbonates] pour calculer le pHs de LANGELIER au moyen de l'annexe B4. Le calcium et le T.A.C. peuvent être déterminés assez correctement sur le terrain avec des trousses portatives, et l'on peut trouver le résidu sec CR.S.) approchéd) en connaissant la résistivité pCen ohm/cm à 20°CJ pu la conductivité C(à 20°C en micrcmho) rappelons que C x p = 10 b , ou C = 10 6 , ou P = 10 6 . A partir de P ou C à 20°C le résidu sec, exprimé en mg/1, p C sera proche de : p ^ 100 ohms/cm ; ou 0,85 x C pour C >, 10 000 micromhos 850 000/p pour - 830 < C < 10 000 micromhos 100< p < 1200 - j ou 0,759 x C 759 000/p - 330 < C < 830 1200< p < 3000 - ; ou 0,716 x C 716 000/p - 170 < C < 330 3000< p < 6000 - ; ou 0,77 x 770 000/p - 50 < C < 170 6000< p < 20000 - ; ou 0,,948 x 948 000/p p > 20000 ; ou 1,,365 x - C < 50 1 365 000/p Connaissant le pHs on calcule IFi _ 2 c c c pHs - pH mesuré m i-i D'après la figure 5 de l'annexe D, eau sera stable, ni corrosive ni incrustante , si 6,6 < IR < 6,7 1'eau sera légèrement incrustante si 6,4 < IR < 6,6 " " " " " " " " moyennement " fortement légèrement corrosive moyennement " fortement " 11 11 4 < IR < 6,4 IR < 4 6,6 •< IR < 6,9 6,9 < IR < 8,7 " IR > 8.7 Nous savons que pHs, donc IR, varient en raison inverse de la température à composition chimique supposée constante une mime eau sera plus corrosive à basse température et plus incrustante à haute température. L'hydrogéologue peut s'en souvenir pour informer le maître d'ouvrage mais, son premier souci est de savoir comment se comportera l'eau souterraine dans le puits où la température variera peu selon les saisons, sauf cas spéciaux, par exemple appel rapide de l'eau d'une rivière dont les températures d'été et d'hiver seront assez différentes. 3.1.2 - Mesures au corrosimètre N'ayant pas eu l'occasion d'utiliser un corrosimètre, nous rapportons les indications données par d'autres praticiens. (1) Formule de DOROSCHEWSKI (ROD1ER J. - L'analyse chimique et physico-chimique de l'eau - Dunod - Paris). - 11 - Dans une étude saharienne (cf.réf.bib.n° 5) F.E. CLARKE a travaillé avec un corrosimètre Magna 1170 qu'il décrit ainsi : Ccf. photographie ci-après ) "L'emploi de cet instrument consiste à plonger dans l'eau la sonde à double électrodes de métal et à envoyer un voltage prédéterminé à travers les électrodes. Le flux de courant résultant est proportionnel à la corrosivité de l'eau. Le sens du courant est renversé périodiquement pour éviter les erreurs de polarisation et les inévitables différences dans la paire d'électrodes. Le taux de corrosion est estimé en prenant la moyenne des lectures et en comparant la valeur avec des courbes types basées sur la résistivité spécifique égale à celle de l'eau étudiée. Cette mesure est affectée par des différences de géométrie entre les électrodes et les parties du puits étudiées. Cet effet peut être significatif selon le mécanisme de corrosion. Cependant le corrosimètre est un appareil de terrain excellent et rapide pour estimer le taux de corrosion des éléments du puits, particulièrement pour comparer la corrosivité des eaux de plusieurs puits vis-à-vis d'un acier particulier, ou la résistance à la corrosion d'une série de métaux vis-à-vis d'une eau donnée. On a fait des mesures de corrosion sur les puits profonds (4 puits de 1 126 à 1 774 mètres) et sur des forages courts (5 forages de 69 à 185 m] par "piquage" sur le tuyau de sortie pour brancher le raccord fileté de la sonde. Dans plusieurs forages courts il a fallu dévisser la tête de tubage et tenir la sonde dans le jet d'eau débordante. Dans tous les cas on a poursuivi l'essai jusqu'à stabilisation des lectures, ce qui a demandé entre 1/2 heure et deux heures". . . Les valeurs obtenues sont regroupées dans le tableau ci-après auquel nous avons ajouté le pHs et l'index de RYZNAR calculés d'après les résultats d'analyses données dans la note de F.E. CLARKE . On constate que le taux de corrosion est exprimé en épaisseur de métal "mangé" annuellement par la corrosion, soit 2,11 mm/an pour l'eau du dernier forage ICM 3 où le taux de corrosion est qualifié "d'extrême". Dans 6 puits sur 9 on observe une assez bonne relation entre la teneur en C 0 2 libre et le taux de corrosion donné au corrosimètre, soit approximativement 0,4 mm/an pour 10 mg/1 de C 0 2 . Pour le dernier puits ICM 3 ce taux serait majora d'environ 20 % et la relation n'est pas du tout vérifiée pour les forages Ouargla 1 et Menchia 1;il est vrai que sur ces forages profonds, fortement en charge, la valeur de C 0 2 mesurée en surface après détente, est très différente de ce qu'elle est dans le forage où la corrosivité nous intéresse. Quelle est la représentativité de ces mesures alors que les index de RYZNAR montrent que seules les eaux des 3 forages d'Ain Toula,Rahmat 2 et ICM 3 sont légèrement corrosives alors que les 5 autres sont légèrement à moyennement incrustantes ? Il semble que les qualificatifs "sévère" et "extrême" soient assez exagérés et en réalité les phénomènes de corrosion observés dépendent très peu des caractéristiques chimiques de l'eau. Par ailleurs, la remarque de F.E. CLARKE sur les différences enregistrées selon les parties du puits laisse à penser que la masse métallique des tubages de sortie de l'eau peut influencer les mesures de courant. Ces mesures seraient peut-être meilleures si la sonde était branchée en dérivation sur 1 tuyau en PVC de 4 à 5 m de long raccordé directement au piquage sur la conduite. F.E. CLARKE observe d'ailleurs des dépôts, qu'il appelle "dépôts de corrosion", mais surtout il attribue les piqQres ou tubercules de corrosion à deux causes principales, les chlorures et les bactéries sulfato-réductrices. Du point de vue chimique, l'équilibre carbonique et la minéralisation totale ne sont pas spécialement défavorables ¡ les dépôts poreux dus aux M I MODEL 1170 MAGNA CORRATER ® RESULTATS DE MESURES DE CORROSION-INCRUSTATION SUR DES PUITS SAHARIENS (PAR F.E. CLARKE 1970) Désignation n° classement Ouargla 1 447 J1O Profondeur (m) 1 350 A. Toula D4 F. 77 65 Ouargla 3 511 J 10 1 126 Conductivité R. sec Ca++ CO3H (micromho) fJ) en mg/l (résistivité) ohm/cm 49 7,25 3 010 (332.2) 1 990 186 18L 12,3 564 +22 0,006(mJ (0,15) 6,54 5.83 24 7.2 3 710 (296.5) 2 560 228 132 9.2 708 +357 0.012(m) (0.305) 7.06 6.92 49 7.3 2 630 C380) 1 740 167 188 11.6 446 +22 0.016(m; (0,41) 6.60 5,90 0.024 - 6,63 6,21 6.71 6.32 6,35 5,50 7.25 6.95 6.31 5.47 0.083(5) 6,78 (211)^ 6,81 0,2 25 169 0.1 26 7.05 6 400 (156) 4 920 532 130 13.8 1 250 + +412 A. Tarfaia D25 F 12 120 0,11 26 7.1 5 610 Í178) 4 100 136 136 8,9 1 080 +402 S. Slimane 1 774 1 571:i 2 800 ((357) 1 980 Menchia 1 9346/5 ICM 3 9251/5 185 1 458 150 1R 25 °C A. Meroua. D29 F73 Rahmat 2 5692/5 Taux de pHs corrosion (pouce/an) (mm/an) (2) Température CO2 Cl Potentiel d'électrode Eh (millivolt) Pression en tête kg/cm2 27 57 7.2 (0,46) 221 190 14,9 474 -108 (0.63) 1,56 23 7.55 2 310 (433) 1 570 146 140 432 +442 7,4 50 7.15 7 030 (142) 4 700 458 125 6.2 1 680 -133 4 250 (235) 3 100 2.06 (1 JCO3H est toujours nul (pH < 8,3) ( ") profondes initiale et finale ; ; 24,5 6,75 0,012(m) (0.30) (1.09) 355 156 38.2 696 +452 (2) taux de corrosion ; m = modéré ; s = sévère ; m/s = modéré à sévère ; e = extrême. - 14 chlorures permettent la corrosion sous-jacente essentiellement par les bactéries. L'analyse d'une incrustation indique d'ailleurs une forte proportion de sulfure 12,6 % et de soufre = 7,2 % avec des traces de cuivre, nickel et manganèse (provenant de la crépine en inox ?) qui témoignent de l'action des bactéries sulfato-réductrices. L'auteur rappelle que les bactéries sont généralement introduites en profondeur par les outils, fluides et matériel d'équipement du forage mais qu'elles peuvent exister dans les terrains, sous forme de kystes, quelques soient la profondeur et l'âge de ceux-ci. En définitive les résultats obtenus par F.E. CLARKE avec le corrosimètre ne sont pas suffisamment convainquants de même que le rôle qu'il attribue aux chlorures, qui arrivent en cinquième position par ordre d'importance décroissante sur le forage ICH 3. Il serait intéressant de savoir si les bureaux d'études spécialisés utilisent ce type d'appareil et si les valeurs mesurées sont conformes au degré de corrosion observé. En attendant il paraît préférable de calculer l'index de RYZNAR pour avoir une approche correcte du risque de corrosion-incrustation. 3.1.3 - Conditions de choix des analyses On pourra utiliser les données d'analyses disponibles sur les ouvrages captant déjà l'aquifère dans lequel on va forer, et à défaut d'analyses disponibles, on fera sur le terrain les déterminations nécessaires. En cas de recherche dans un nouvel aquifère 1'hydrogéologue proposera un forage de reconnaissance pour faire ce test en plus de ceux dont il a besoin par ailleurs : nature et épaisseur des terrains, caractéristiques hydrauliques, piézométriques, qualité physico-chimique de l'eau, etc.. Si le forage de reconnaissance est refusé, il fera éventuellement des prélèvements d'eau à l'occasion des essais de nappe sur le puits définitif, bien que cette formule soit souvent mauvaise : - elle perturbe le déroulement normal des opérations et présente éventuellement certains risques, - elle donne des résultats partiellement significatifs, - surtout il est difficile pour l'entreprise d'obtenir dans les délais voulus le matériel demandé d'après les résultats de ces tests. Comme 1'hydrogéologue doit normalement Cou obligatoirement] prévoir dans le détail toutes les opérations et toutes les. caractéristiques du matériel à approvisionner en rédigeant les spécifications techniques, cette troisième éventualité est rarement applicable. Il ne lui restera alors qu'à prendre une bonne marge de sécurité en demandant des matériaux très résistants et un équipement très complet qui pourront s'avérer ensuite luxueux et peut-être inadaptés. 3.2 - Contrôle de l'incrustation Les incrustations peuvent se déposer sur les crépines et tubages quel que soit le matériau avec lequel ils sont fabriqués. En pratique, le dépôt le plus commun et le plus facile à supprimer est le carbonate de calcium provenant de l'eau qui cimente éventuellement des grains de sable véhiculés par celle-ci. Le dépôt est plus complexe et plus dur à dissocier lorsque s'y intercalent des lits d'oxydes ou hydroxydes de fer j or le fer provient dans la très grande majorité des cas des tubages, crépines, pompe et colonne d'exhaure. Sur les puits de profondeur faible à moyenne on peut envisager l'emploi de tubage en matière plastique ou fibres de verre. Voici à titre indicatif un tableau donnant des caractéristiques de tubes en polychlorure de vinyle. - 15 - CARACTERISTIQUES DE TUBES P.V.C. (Extrait du catalogue SOCAZAF. MAM. Seil h 31700 Blagnac) PRESSIONS MAXIMALES EN SERVICE - PMS SERIE 1 diamètre extérieur nominal branchement SERIE 2 SERIE 3 adduction et irrigation gravitaires refoulement et distribution refoulement eaux usées DE 20 25 25 32 32 40 40 50 50 63 63 75 90 90 110 110 125 125 140 160 200 200 225 250 250 315 bar bar refoulement d'eau potable refoulement d'irrigation bar 16 '•0 13 10 16 10 16 10 16 10 16 16 10 16 10 16 10 16 10 10 6 10 16 16 6 6 10 6 10 6 10 6 10 6 6 3 6 10 10 3 3 diamètres intérieur et extérieur masse métrique ükiu 14,Bx 20 21,Ox 25 18,6x 25 26,8x 32 24,Ox 32 33,6x 40 30,Ox 40 42.Ox 50 38,2x 50 53,Ox 63 47,6x 63 63,2x 75 80,6x 90 75,8x 90 98,8x110 92,4x110 112,4x125 105,0x125 125,8x140 143,2x160 187,0x200 179,0x200 201,8x225 224,2x250 233.2x250 291,2x315 kg/m 0,199 0,203 0,307 0,336 0,493 0,520 0.770 0,810 1,150 1,280 1,880 1,800 1,770 2,590 2,580 3,920 3,290 5,050 4,150 5.610 5,540 8,760 10.880 13,460 8,930 15,490 Dans un forage bien calibré et rectiligne les tubes de la série 2 pourraient convenir dans beaucoup de cas si les racr.ords .3ont soignée (des ranchons vissables pourraient être mis au point ? ] . En ce qui concerne la pompe et la colonne d'exhaLre, elles sont plus faciles à protéger que les tubages par des peintures résistantes. Quelle que soit la completion, les dispositions proposées dans le manuel "Water Well Technology" sont assez faciles à appliquer qu'il s'agisse du bon développement, de l'exploitation continue à débit réduit, avec niveau dynamique relativement bien stabilisé, et de la suppression des entrées d'air par fermeture étanche de la tête de puits. - 16 II va de soi qu'à la conception de l'ouvrage et au moment du choix de la pompe on évitera au maximum les occasions d'un dénoyags partiel des crépines, ce qui constitue un risque élevé d'incrustation de cette tranche aérée. En nappe libre, dans des calcaires particulièrement, il arrive toutefois que la partie supérieure soit la seule zone fissurée et que la productivité du puits diminue fortement si on la masque par un tubage ; or c'est précisément le cas où la crépine est très souvent inutile, la pompe pouvant être descendue sans risque dans des calcaires cohérents, alises dans un diamètre assez large, après développement et traitement énergiques. Si l'on a un doute sur la tenue des calcaires aquifères, qui sont dans ce cas généralement peu profonds, il peut être envisagé de placer des crépines prolongées vers le haut par une colonne pleine jusqu'au sol j on pourra retirer facilement celle-ci et remplacer les éléments de crépines incrustés ou dissoudre les incrustations sans traiter tout le forage. Dans beaucoup de cas il sera impossible ou sans intérêt de toucher à la completion du puits et donc préférable de traiter celui-ci à l'acide chlorhydrique ou sulfamique après retrait de la pompe. Ce type de traitement devient très rentable si les crépines et les terrains périphériques s'entartrent progressivement, ce qui se vérifie par la baisse de productivité du puits par rapport à celle d'origine, sans baisse corrélative locale du niveau piézométrique du repos. Il y a quelques précautions à rappeler pour les ouvrages sur lesquels on prévoit que des traitements périodiques s'imposeront : - la colonne de protection jusqu'à l'aquifère sera bien cimentée de manière à permettre l'injection sous pression de la solution acide, - la solution acide additionnée d'un inhibiteur sera injectée à pression et débits suffisants pour être efficace et l'entreprise aura le matériel voulu pour nettoyer énergiquement les produits de dissolution et évacuer' l'eau polluée par les produits de traitement, - la station de pompage sera conçue pour faciliter cette opération : accès facile des camions jusqu'aux forages qui resteront hors du bâtiment de la station ; on prévoiera toutes facilités pour le retrait des pompes d'exploitation, l'évacuation de l'eau polluée, etc.. 3.3 - Contrôle de la corrosion 3.3.1 - Corrosion électro-chimique En milieu corrosif, les structures du puits resteront théoriquement intactes si elles sont constituées de matériaux suffisamment résistants et correctement installés, c'est-à-dire bien isolés les uns des autres et vis-à-vis des terrains encaissants. Les tubes et crépines en matière plastique ou en fibres de verre sont les plus résistants à la corrosion et on les utilisera de préférence dans les conditions les plus sévères et dans les cas spéciaux : pompage d'eau de mer, sondages en terrains salifères humides, réinjection d'eaux acides etc.. Par comparaison aux métaux on leur fait généralement les reproches suivants : - caractéristiques mécaniques nettement plus faibles., qu'il s'agisse de la résistance à la traction, à l'écrasement ou à l'éclatement, au frottement (risques de déchirure], - 17 - - faiblesse des raccords, qui sont les points de fragilité de toutes les colonnes de tubages, quelque soit le matériau, - polymérisation modifiant la résistance des plastiques après un certain temps(1]. Cette dernière remarque, de même que les risques de déchirures, jouent également sur les revêtements isolants en couches minces des tubages métalliques, - difficultés de réalisation de crépines en plastique ou fibres de verre comportant des fentes suffisamment minces avec un bon pourcentage d'ouverture totale. Il est toutefois possible d'utiliser le plastique et les fibres de verre dans le captage des eaux très corrosives si les forages ont une profondeur faible à moyenne (inférieure à 200 m ? ) , en prenant des précautions qui s'imposent : - rectification et bon alignement des parois du forage alésé dans un diamètre assez grand pour limiter au maximum les frottements à la pose, - renforcement des raccords, - précautions à la mise en place et au retrait des émulseurs, des pompes et des colonnes d'exhaure au développement et à l'exploitation, - utilisation possible de crépines en plastique comportant des ouvertures de plusieurs millimètres dans les terrains à granulométrie grossière ou dans les terrains consolidés où la crépine sert uniquement à éviter l'entrée possible de gravillons ou petits cailloux en provenance des fissures. Les tubes et crépines métalliques restent les plus utilisés en raison de leurs bonnes caractéristiques mécaniques et du choix très large de la production. Les tubages en acier doux répondant aux normes A.P.I, donnent le maximum de sécurité - dans la mesure où ils sont neufs ou en très bon état, spécialement les filetages et manchons - en raison de la qualité des diverses nuances d'acier, de leur épaisseur toujours assez grande, des divers types de filetages et manchons (voir toutes ces caractéristiques dans le Formulaire du foreur - Edition Technip 1974] ; ils sont de plus, généralement faciles à trouver par suite de l'importance de la fabrication pour l'industrie du pétrole. Voici les principales caractéristiques mécaniques des aciers de ces tubages données par la planche Ci du formulaire du foreur, pour les casing (diamètres extérieurs compris entre 4"1/2 et 20"(114,3 mm/508 mm], et les tubing (diamètres de 1,05" = 26,7 mm à 4"1/2 = 114,3 mm. On notera la remarque "spécial corrosion" pour la nuance C 75. (1) Dans un article récent J. BORZACCHINI (Réf. bib. n° 3) constate, après essais mécaniques sur des échantillons de conduites en PVC en usage depuis 11 à 19 ans "que les pertes de performances (par rapport à celles d'origine) sont inférieures à celles que l'on aurait pu attendre..." NUANCES ET CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES ACIERS TUBES CASING ET TUBING (D'après API Stds 5A, 5AC, 5AX - 1973) extrait du Formulaire du Foreur, Ed. Technip» 1974 NUANCES CARACTERISTIQUES Unités Marquage bande de couleur (5) Limite élastique minimale hbar psi Limite élastique maximale hbar Charge de rupture minimale hbar H40 J55 K55(2) C75(l) 1 noire 1 verte 2 verte 1 bleue hbar Limite élastique moyenne psi Allongement (%)(API) 1 rouge C95(l)(2) 095(l)(4) 1 brune 37,9 37.9 51,7 55,1 65,5 65,5 40 000 55 000 55 000 75 000 BO 000 95 000 95 000 55,1 55,1 62,0 75,8 75,8 86,1 110 000 110 000 125 000 68.9 72,4 75,8 100 000 105 000 110 000 69,0 72,4 100 000 105 000 80 000 80 000 90 000 41.3 51.7 65,5 65,5 60 000 75 000 95 000 95 000 34.4 44.8 51.7 58,6 62,0 50 000 65 000 75 000 85 000 90 000 29,5 24 19.5 19.5 18.5 P1O5(3) PllO 0125(4) V150(4) 86,1 103.4 1 blanche 1 blanche 27,5 psi psi N80 17 18 72,4 75,8 105 000 110 000 93.0 96,5 135 000 140 000 82,7 120 000 82,7 120 000 16 86,1 125 000 86,1 125 000 15 125 000 150 000 106,8 155 000 93,0 110.3 135 000 160 000 93,0 135 000 110,3 160 000 13 11 X65« X70 (1) Spécial corrosion (2) Pour casing seul (3) Pour tubing seul (4) Nuances non standardisées par l'API (5) Les manchons spéciaux (diamètre plus faible) doivent comporter une ligne noire au centre de la bande de couleur. TUBES LINE-PIPE (d'après API Stds 5L et 5LX - 1973) ' Caractéristiques Nuances d'acier • Limite élastique minimale Résistance à la traction minimale Allongement sur section de tube (%) A B X42 X46 X52s: X56!! hbar 20,7 24.1 28.9 31,9 35.9 38.5 41,4 44.8 48,3 psi 30 000 35 000 42 000 46 000 52 000 56 000 60 000 65 000 70 000 hbar . psi 33.1 41.4 41.4 43.5 45.5 49,0 51,7 53.1 56.5 48 000 60 000 60 000 63 000 66 000 71 000 75 000 77 000 82 000 35/21 30/18 23/13 22/10 25/17.5 X60« Pour les tubes de nuance X52, X56, X60 et X6S de dimensions 20" (50&.0 mm) et au-dessus dans les épaisseurs 9,52 mm (0,375") et au-dessous la résistance à la traction minimale est respectivement de 49,6 hbars (72 000 psi), 51,7 hbars (75 000 psi), 53,8 hbars (78 000 psi) et 55,1 hbars (80 000 psi). - 19 - Nous donnons en annexe les caractéristiques de tubes Vallourec à souder qui sont également utilisés dans les forages d'eau de profondeur faible à moyenne. Il existe également des tubes en acier inoxydable dont voici les prix en octobre 1975 pour du matériel livré en Libye, toutes taxes comprises, par la société EFIMEX SA, 8 place des Eaux Vives - Ch. 1207 Genève tél. 36.66.10 ; les prix sont donnés en dollars U.S. par m. PRIX INDICATIF A TITRE D'INFORMATION Diamètre extérieur effectif Tube en acier inox 304 avec raccords filetés API Epaisseur (mm) 41/2" Prix $/m. Tube sans soudure API 8 Rd St et C - grade H 40 Epaisseur (mm) Prix $/m. sur demande 5,21 21 6 5/8" 4,0 129 b 7,32 41 8 5/8" 5,0 145 c 7,72 59 c c c 166 b 9 5/B" 5,0 207 b 7,92 63 13 5/8" 5,0 273 b 8,38 101 sur demande 11,05 243 18 5/8 en longueurs de : a = 5 à 6 m ; b = 8 m ; c c a c = 10 m. D'après un dépliant des crépines JOHNSON l'acier inox 304 a une résistance à la traction de 63 Kg/mm2, donc très proche de celle du grade C 75 = 65,5 hbars.et environ 3/2 de celle du H 40 = 41,3 hbars ; malgré les réductions d'épaisseur des tubes en inox du tableau ci-dessus, la résistance à la traction reste donc du même ordre que celle des tubes API H 40 et les rapports de prix en acier H 40 et inox sont voisins de 1 à 3. Quelque soit le métal des tubages, et surtout si l'on prend l'acier normal, on aura intérêt à prévoir une bonne cimentation sous press:nn à 1'extrados pour éviter la corrosion externe c à d, aléser un grand diamètre pour que la gaine de ciment ait partout une bonne épaisseur [3" au moins si possible) ; le trou sera bien rectifié à la foration faite avec des massestiges de grand diamètre sur une assez grande hauteur (ce qui suppose une machine assez puissante) et les tubages seront équipés d'un nombre suffisant de centreurs pour éviter les contacts tube-terrain sans ciment. Il sera utile de prévoir une peinture résistante et non toxique appliquée sur le chantier (ou retouchée si elle a été faite en usine), sur la partie externe du tubage ; on appliquera la même peinture à l'intérieur de ceux-ci, tout au moins sur les éléments situés dans la tranche de variation du niveau de l'eau entre périodes de pompage et d'arrêt, et sur 10 mètres au moins au-dessus du niveau de l'eau au repos où la corrosion s'exerce préférentiellement pendant les longues périodes d'arrêt. - 20 - Enfin si les terrains encaissants sont particulièrement corrosifs parce qu'ils contiennent des horizons à évaporite avec présence d'eau, ou des eaux jaunâtres ou salées, on pourra assurer la protection galvanique externe par raccordement à des électrodes sacrifiées ou consulter un spécialiste de la protection cathodique. Les crépines métalliques sont les plus nombreuses sur le marché par les diamètres, les épaisseurs, les types et dimensions d'ouvertures, de raccords, etc.. Les métaux les plus courants sont l'acier ordinaire, qui peut être laissé sous cette forme ou galvanisé (à déconseiller pour les eaux corrosives) enduit de peinture ou revêtu de plastique, l'acier semi-inox et les aciers inoxydables. Des métaux moins répandus sont signalés page 7 et certains fabricants peuvent les fournir sur demande. Les annexe A et C donnent des conseils sur le choix du métal en fonction de la corrosivité de l'eau et l'on pourrait suivre les conseils pratiques de J.H. MOGG et être même plus prudent en réservant l'acier semi-inox pour 7 < IR < 8,puis les aciers inox et alliages spéciaux pour les valeurs plus élevées de IR ; malgré les imperfections des revêtements du type RILSAN ou similaires 1'hydrogéologue pourra proposer ces matériaux très résistants à la corrosion si les conditions de transport de mise en place, de développement et de pompage lui permettent de penser que les crépines resteront intactes jusqu'à la mise en exploitation. L'adoption de l'acier ordinaire, si la faible corrosivité le permet, supprime le problème des courants de corrosion entre 2 métaux dissemblables auquel il faudra penser si l'on prend des crépines en semi-inox ou inox. Certains déclarent que dans ce deuxième cas le problème est mineur puisque la corrosion se fait sur le tubage moins résistant mais très capable de supporter quelques lésions en raison de son épaisseur. Ce point de vue est contestable car les produits de corrosion qui se traduisent par des hydroxydes ferriques "rougissent" l'eau et les dépôts peuvent favoriser l'action néfaste des bactéries de fer. Il est en réalité possible d'isoler électriquement la partie télescopée du tube porte crépine jusqu'à quelques décimètres au-dessus de sa partie supérieure(3 fois son diamètre),si la colonne crépinée reste relativement légère; à grande profondeur ou en captant une tranche assez longue (150 à 200 m) on devra prendre des crépines renforcées, donc la colonne sera assez lourde, et techniquement il sera plus satisfaisant de la suspendre par un dispositif du type "liner hanger" accroché à l'intérieur du tubage, compliquant ainsi l'isolation. La différence de prix entre acier ordinaire et autres matériaux est souvent un élément déterminant du choix, parfois injustifié à court ou moyen terme. A titre d'information voici une estimation donnée dans. Water Well Technology (d'après R.J. MOSS 1964). - 21 - DESIGNATION DU METAL du matériau RAPPORT DU COUT du de la tubage crépine de la pose Acier ordinaire étiré ASTM A. 7 1 1 1 1 Acier au cuivre étiré 1 1 1 1 Kai-well (renforcé, cuivré, pour tubage double 1,2 1,3 1.2 1.1 Acier étiré renforcé ASTM A-242 1.4 1,3 1.2 1,1 Supro-nickel [10 % de nickel) 15,6 15,5 15,3 6,9à9,3 Bronze siliceux 15 14,9 14,7 6,6à8,9 Acier inox 304 6,8 6,6 B.4 1,5à2 Acier inox 316 9,7 9.5 9,3 2,2à3 Transite - 1,3 2,5 1,4à1,9 Voici des prix hors taxes fournis par une entreprise du midi de la France, dans un devis du 28 décembre 1971, pour un forage d'une trentaine de mètres. FOURNITURE ET POSE TUBE PLEIN &> ] 50mm CREPINE <J> 150mm prix au ml. en FF. prix au ml. en FF. Acier inox 304 [JOHNSON) 700 9G0 316 [JOHNSON] 820 970 Acier galvanisé (JOHNSON IRRIGATOR) 330 500 PVC (SBF-KR) 230 280 Acier revêtu (HAGUSTA) 320 520 Acier ordinaire 1Q0 140 - 22 - En appelant (/^l'entreprise ci-dessus, voici,avec les dates^des devis d'autres prix hors taxes du ml. de tubes et crépines fournis et mis en place par six entreprises A, B, C, D, E, F. - colonne acier galvanisé 592 x 600 mm:Fle 18-12-74 «tube plein 470 F < "' crépine 630 F - tube acier ordinaire avril 1973 : B = 275 ; C = 250 a) 465 x 475 mm : j b) c) d) e) f) g) h) 340 312 261 232 207 159 132 x 356 mm x 320 mm x 273 mm x 244,5 mm x 219 mm x 168 mm x 14C mm 21-8-1974 : B = 375 janvier 1973 : A = 312 avril 73 : C = 130 1-73, A = 188 ; E = 170 : 4-73, B = 130 ; C = 140 2-73, E = 130 E = 75 E = 55 - tube acier galvanisé 313 x 321 mm : 1-73, A -> - tube API 1 3 " 3 / 8 , tube ^ ? 7 2B° crépine = 3 1n 0 épaisseur 8,38 mm : 4-73 : B = 260 ; C = 260 ; D = 310 4-74 : B = 410 - tube 8" acier ordinaire : 4-73, B = 120 (épaisseur 4 mm) idem en inox = 440 - , D = 110 (" - 5,4 mm) - idem crépine - , B = 190 ; C = 170 (en 5,4 mm) - tube en acier semi-inox, tube plein 180 mm, 4-73, C = 200 " crépine " " •' = 260 - tube en acier inox " plein " " = 350 " crépine " " " = 425 - crépine à persiennes en acier inox, 8", (épaisseur 4 mm), 4-73, B = 490 - crépine à fil enroulé JOHNSON inox, 8", 4-73, D = 1180 6", - D = 950 - tube PVC, épaisseur 3 mm, <(> i= 200 mm, t. plein : 2-73 : A = 170 t. crépine : A = 260 ; E = 230 150 mm, tube plein : - A = 105 tube plein : - A = 170 ¡ E = 190 Les prix des métaux et alliages, des matériaux usinés, de la main d'oeuvre ne varient pas parallèlement dans le temps ; par ailleurs les conditions d'installation des crépines, l'incidence du coût des accessoires exigés peuvent être assez différents ; c'est pourquoi il est difficile d'établir un barème de prix en ml. des différentes crépines mises en place, qui soit à la fois représentatif et valable longtemps. Dans le devis du 28.12.1971 de l'entreprise A les prix présentés dépendent davantage du type de crépine proposé que du matériau utilisé ; l'incidence pratique du coût de l'acier inox par rapport à l'acier ordinaire est donnée par l'entreprise B qui propose en avril 73 une crépine 8" en acier ordinaire d'épaisseur 4 mm à 190 francs le ml ou une crépine de mêmes diamètre et épaisseur en inox à 490 francs le ml, toutes deux étant crépinées mécaniquement par l'entrepreneur ¡ le crépinage est d'ailleurs chiffrable à 70 F le ml pour l'acier ordinaire (puisque le tube lisse est fracturé 120 F) et à. 50 F le ml pour l'inox (prix du tube lisse = 440 F ) . En résumé, l'importance de la crépine est telle, dans un forage, qu'il est éconcTiiquement rentable de prévoir dès l'origine un matériau de qualité supérieur3, s'il existe un risque de corrosion. Accessoirement il faut rappeler que la cr.ipine est souvent inutile lorsque l'aquifère est constitué par des terrains bien consolidés, calcaires, dolomies, grès, basaltes etc, où des problèmes de corrosion ou d'incrustation pourront donc se limiter au tubage. - 23 - 3.3.2 - Corrosion bactérienne La corrosion bactérienne stimule les réactions de corrosion électrochimique aussi bien sur les plages anodiques que cathodiques, en particulier en détruisant le film protecteur qui se développe naturellement sur celles-ci. Il n'est pas justifié de prévoir un équipement du puits en métaux ou alliages coûteux pour s'opposer uniquement à une éventuelle corrosion bactérienne. L'annexe A expose les remèdes préventifs et curatifs à mettre en oeuvre : - éviter au maximum d'introduire des bactéries dans le puits avec les fluides de foration, les tubages, crépines, pompes, etc., - désinfecter le puits au chlore à la fin des travaux, - nettoyer et "stériliser" la pompe d'exploitation, la colonne d'exhaure, les appareils de mesures, etc. installés dans le puits sans oublier de répéter l'opération aux changements de pompe pour réparation, - obturer la tête du puits pour exclure l'entrée de toutes poussières ou matières organiques favorables au développement des bactéries Cet l'oxygène nécessaire aux bactéries aérobies], - traiter au chlore et autres produits efficaces si les bactéries apparaissent néanmoins après avoir pris toutes les précautions indiquées. - 24 - 4 - CONCLUSION Parmi les nombreuses questions auxquelles 1'hydrogéologue doit songer en préparant ses projets de forages, il convient de tenir compte des risques de corrosion et d'incrustation des tubages et crépines et de programmer les travaux de foration et d'équipement en conséquence. Le supplément de prix d'un équipement adapté doit s'avérer très vite bénéfique pour le maître d'ouvrage, qui souhaite exploiter son puits pendant plusieurs dizaines d'années sans ennuis. Le calcul de l'index de RYZNAR à partir du phi de saturation d'une eau, qui prend en compte son équilibre carbonique ainsi que la correction découlant de sa force ionique et de sa température, semble être actuellement la meilleur méthode pour évaluer le risque de corrosion. Des progrès dans ce domaine sont certainement possibles en considérant l'influence directe d'autres éléments : C 0 2 libre, O2 dissous, SH 2 , Cl , SO^, etc.. On peut également espérer des améliorations dans le choix et les prix de tubages, crépines, raccords, dispositifs d'isolation, etc., à la fois résistants mécaniquement et aux eaux corrosives, qui seraient fabriqués à partir de matériaux non métalliques utilisés seuls ou en revêtements d'acier ordinaire. - 25 - REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 1 - Revue BATIR n° 41 juin-juillet 1975 CORROSION - Protection des installations de distribution d'eau sanitaire - Article rédigé par la Division corrosion du CEBTP. 2 - Idem n° 42 - Octobre 1975 - L'eau et ses problèmes - Comment corriger la qualité de l'eau - Résumé d'une intervention de M. F. GUIGUES, ingénieur conseil. 3 - J. BORZACCHINI - 1975 - Vieillissement en service des conduites en PVC utilisées pour la distribution de l'eau et du gaz - Revue TSM l'eau n° 5 mai 1975. 4 - R. BREMOND - 1966 - Note sur l'agressivité et la corrosittité des eaux naturelles - Comité inte~-africain d'études hydrauliques - Bureau technique - 15 Square Max-Hymans - Paris XV. 5 - F.E. CLARKE - Avril 1970 - Appraisal of corrosion and encrustation in north Sahara tube wells of Algeria and Tunisia - Unesco report. 6 - DEGREMONT - 1972 - Memento Technique de l'eau - 12ème edition 7 - PH. DIFFRE et M. RICHARD - Octobre 1975 - Les bactéries du fer et sulfato-réductrices dans les eaux de forages à Paris - rapport BRGM 75 SGN 316 BDP. 8 - J. FRANQUIN - mars 1975 - Erosion et corrosion chimique dans les canalisations en béton - revue TSN - L'eau mars 1975. 9 - I.F.P. 1974 - Formulaire du foreur - Editions Technip - Paris 10 - R. GIRARD - 1960 - Essai de théorie générale des eaux douces - 2 articles parus dans la revue l'Eau n° 3 et 4 - 1960. 11 - R. GIRARD - 1963 - La corrosion des métaux ferreux par les eaux naturelles - 2 articles parus dans la revue l'Eau n° 3 et 4 - 1963. 12 - R. GIRARD - 1964 - Le problème de la corrosivité des eaux naturelles Revue corrosion et anti-corrosion vol. 12, n° 8, décembre 1964. 13 - R. GIRARD 1970 - Modifications de la composition des eaux naturelles pendant la corrosion du fer - revue TSM l'Eau novembre 1970. 14 - J. GREFFARD - 1970 - Equilibres carboniques et corrosion bulletin BRGM section III n° 4 - 1970. 15 - J. HALLOPEAU - 1960 - Les équilibres carboniques dans les eaux Revue Terres et Eaux - Alger - n° 35 - 4ème trimestre 196.0 - 1er trimestre 1961. 16 - Filtres et crépines JOHNSON-FRANCE - Dépliant d'information FCJ 74Q1, et le COURRIER JOHNSON. 17 - L. LEGRAND et G. POIRIER - 1972 - Théorie des eaux naturelles édition Eyrolles - Paris - 1972. 18 - L. LEGRAND et G. POIRIER - 1976 - Chimie des eaux naturelles. Ed. Eyrolles. - 26 - 19 - A. MABILLOT - 1971 - Les forages d'eau - Guide pratique - Edition Crépines JOHNSON-FRANCE S.A. 20 - M. NEVEUX - 1974 - La corrosion des conduites d'eau et leur protection Revue TSM l'Eau n° 3 mars 1974. 21 - J. RODIER - 1966 - L'analyse chimique et physico-chimique de l'eau Ed. DUNOD - Paris. 22 - SOGAZAF - MAM - Seilh - 31700 Blagnac - Catalogue 1974. 23 - M. TREUIL - 1970 - Les diagrammes d'équilibre en hydrogéochimie - Bulletin BRGM section III - n° 4 - 1970. ANNEXE 1 CARACTERISTIQUES DE QUELQUES TUBES VALLOUREC (d'après le catalogue SOFAGAZ M A M SEILH 31700 BLAGNAC) TUBES VÀILOUREC TUBES VALLOUREC SERIES1 M E C A N I Q U E " 1A / 2 A / Présentation : Nous utilisons la nuance 18 M 5 pour l'élaboration de tubes de nos séries "Mécanique " e n vue de répondre à la d e m a n d e de nos clients qui désirent des tubes en acier au carbone á haute limite élastique tout en présentant une bonne soudabilité. • a) b) B C D 0,50/0,83 TUBES VALLOUREC SERIES M E C A N I Q U E " 1 / 2 / 3 SERIE MECANIQUE SUPPLEMENTAIRE • en acier XC 35 TU ou en 18 M 5 ' sans soudure • en acier XC 35 TU ou en 18 M 5* sanssoudure P'et S max. 0,10/0,40 0.32/0,38 0.035 Re 560-660 N / m m 2 320 N/mm2 Caractéristiques mécaniques sur tube : 1 N / m m 2 • 0,102 K g f / m m 2 22% • a) b) B C O 0,50/033 560-660 N/mm2 >- 320 N/mm2 • Ces tubes seront livrés dans las mois a venir en 18 M 5 >. 22°lo massa moyenne épaisseur diamètre intérieur masse moyenne épaisseur diamètre intérieur masse moyenne diamètre extérieur épaisseur diamètre intérieur 3 2 masse moyenne épaisseur diamètre intérieur massa moyenne épaisseur diamètra intérieur 273 masse moyenne • {"aractéristiques mécaniques : Sur tubes en t'état de livraison. Epr N/rom2 < 16 510 Epr 5 16 490 Allongement à la rupture R e mini Limita élastique R m mini Résistance à la traction Epr < 16 350 Epr > 16 Epr < 16 325 21°/o Ki/mm2 52 50 36 34 Traitement thermique : Suivant la géométrie des pièces, les caractéristiques mécaniques peuvent être notablement améliorées par des traitements thermiques appropriés. Soudabilité : Pour cet acier a faible teneur en carbone des précautions spéciales lors de la soudure ne sont pas nécessaires. Pour las épaisseurs fortes à partir de 40 m m , il est bon toutefois de maintenir une température de 150°. Notre acier 18 M 5 répondra à l'acier T u 5 2 b des N o r m « A F N O R A 4 9 311 «t A 4 9 3 1 2 actuellement en préparation. CORRESPONDANCE DANS LES CLASSIFICATIONS ETRANGERES FRANCE 18 M 5 ALLEMAGNE DIN 1629/3-ST 52 SUEDE SIS 2 172 Epr $ 1 j 19°/o mm mm 32 35 36 40 45 50 56 63 4 4 4,5 5 71 75 80 85 90 95 100 106 112 118 125 132 140 150 160 170 180 190 200 212 224 236 250 5,5 5 5,5 6 6,5 7,5 75 75 7,5 B 8.5 9 9,5 10 11 9 12 125 12,5 12,5 mm 25 28 32 36 40 45 53 60 63 67 70 75 80 85 90 95 100 106 112 118 132 136 145 155 165 kg/m mm mm kg/m mm mm kg/m 32 23 35 4.0 5.0 6,1 75 8.0 9,9 11,4 13.1 153 17,0 18,0 19,3 21.7 24,3 272 30,4 333 392 362 49,3 55,0 58,6 62,5 mm 9 105 95 12 12 115 12 12.5 15,5 135 16.5 15 17 17 16 19 20 20 22 45 50 56 56 61 67 71 75 75 85 85 12,7 16,6 16,4 31,3 23.0 95 433 98 106 118 51.6 55,4 57 5 122 712 130 140 146 80,0 233 26,3 29,0 36,7 352 44,0 855 98,5 15 175 17.5 17 18 185 215 20,5 235 22,5 26 25 275 30 30 34 36 45 232 45 28.1 30.3 32.0 35,7 39,0 46.7 48,5 572 59,7 71,0 745 87,0 101,0 108,5 128,0 143,0 50 56 59 63 53 71 71 80 80 90 95 100 110 112 118 36 40 45 50 56 63 71 75 80 85 90 95 100 106 112 118 125 132 140 150 160 170 180 190 200 212 224 236 250 mm mm kg/m mm mm . kg/m mm mm kg/m 298,5 6 20 4,22 5.5 25 45 6 6,5 7 8 IÍ32 36 40 50 56 60 63 67 71 75 80 80 90 90 100 106 112 125 132 140 150 160 160 170 180 190 200 5,4 6,6 7,9 10,0 65 75 7.5 8,5 9 95 10 10 13 11 14 125 13 14 12.5 14 15 15 15 20 21 22 23 25 95 12.7 13,6 16,3 18,3 20.5 225 24,2 32,0 30,0 383 37 3 413 47,5 47,0 553 63,4 68.0 72,3 963 108,0 120.0 1322 1513 8 '.5 85 9 10 115 13 12,5 15 20 25 28 32 36 40 45 152 195 50 20,3 50 252 272 15 55 135 14 14,5 17.5 16 19 17,5 21 20 63 67 71 71 22 24 26 27,5 29 30 31 32 33 35 • • Composition chimique sur coulée : épaisseur masse moyenne Mn PetS ' < 0.75 < 0.04 R > Caractéristiques mécaniques sur tube TUBES. épaisseurs A Re 220 360-480 N / m m 2 1 N / m m 2 • 0.102 Kgf/mm2 diamètre intérieur 0.18 Si 0,35 N/mm2 80 80 90 90 100 106 112 118 125 132 140 150 160 170 180 5.S 6,4 8.1 9.6 11.9 27,0 29.7 32.4 40.0 40.1 48.9 49,4 60,7 63.0 73,7 85,0 973 109.5 121.5 133.1 147,0 161,0 176,0 197,4 8 10 10 125 125 14 155 17.5 17,5 20 20 20 22,5 22 25 24,5 275 27 30,5 30 35 35 35 40 42 44 43,5 46 48 50 16 1(. 20 20 25 28 32 36 40 40 45 50 50 56 56 63 63 71 71 80 80 90 100 100 106 112 125 132 140 150 5,0 6.7 7,7 10.4 12,0 15.0 18.7 23.7 323,9 • Tolérances : A ) sur diamètre extérieur : ± 1 o / o a v e c m ¡ n . de ± 0,5 m m , B ) sur épaisseur : ± 15 °/o sauf pour e -Í 3 2 m m : -|- 0,5 m m — 15 °/o et pour e > 2 0 m m : ± 12,5 °/o avec max. de ± 3,6 m m , C ) sur rectitude : flèche locale inférieure á 3 m m par mètre- * nominal • Eprouvés hydrauliquement è 6 0 bars, o u contrôle équivalent. • E n longueurs d e 2 5 0 0 mètres à 8 mètres. pouce • C o u p a i à longueurs fixes sur d e m a n d e . 355.6 353 41.6 433 513 545 63,7 368 673 79,1 84,7 102,9 112,0 121,0 143,4 159,0 176X) 188.4 210,5 232.0 257.0 mm kg/r.) 20 25 32 40 50- 233 223 209 193 173 124,78 152.90 190,19 229 3 4 175,30 20 25 32 40 50 2585 248,5 234,5 218,5 198,5 137,36 168,62 210,32 255.00 306,79 20 25 32 40 50 2835 273,9 259.9 243,9 223.9 149.90 184,34 230,44 280,15 337,70 S* Is 2,6 2.9 32 4 406,4 20 25 32 40 50 20 25 32 40 50 20 25 32 40 50 315.6 305.6 291.6 275.6 255,6 328 318 304 288 268 366,4 356,4 342,4 326.4 306.4 165,50 203,76 25525 31123 37632 171.64 211,47 265.16 32356 392.12 190,60 23520 295,45 361,44 439,47 mrn 102 1,44 1.56 1,76 1.99 1,72 137 154 220 2.11 2,41 2,75 3.09 36 2,51 42,4 232 445 2,98 48.3 51 54 57 60,3 325 326 356 3,65 4,01 70 76,1 825 885 95 101,6 106 1143 1.72 2.26 193,7 219,1 2445 419,1 379,1 369,1 355.1 339,1 319.1 19635 242,98 305,49 37357 455,13 3235 355,6 10 12.5 16 20 25 32 20 30 40 schedule schedule schedule double ext.-fort; B0 60 120 160 237 351 5.53 7 32 1 33,40 3.38 4,55 6,35 9.09 1 1/4 4 2 . tu 356 435 6,35 9.70 1 1/2 4826 3,68 5,08 7.14 10.16 i 2 60,32 351 5.54 8.71 11.07 1 2 1/2 73,02 5.16 7,01 952 14.02 : ! métra (kg) 1 2,01 2,93 3,35 3,79 4,00 4,37 3,54 4,07 4,61 437 5,34 5,67 6,04 6.41 425 453 523 4.51 5,55 632 721 527 651 5,75 7,11 8,01 8,77 9,56 10,3 8,38 426 4,93 5,61 5,94 6,53 6,95 7,41 738 8,39 8,91 9,90 103 115 123 9,63 10,3 115 14,8 12,7 105 135 153 163 alésage 153 16,6 1 19,0 20,1 8,43 9,67 10,3 10,9 122 13,4 14,6 16,0 18,5 19,7 21,0 195 21.0 22,6 242 17,7 19,6 21.7 23,6 275 29,4 31,4 223 23,7 293 363 452 252 31,6 33,4 36,6 41,6 46,7 52,3 62.3 39,0 41.4 45,3 51,6 48,0 51.3 29,1 33,1 3 1/2 101.60 5.74 8,08 4 114,30 6,02 8,56 141,30 6.55 5 13.2 143 16.3 17,9 573 645 77,4 852 368 88.3 406,4 419 973. diamètre Bxtéritur X épaisseur 11.13 7,62 15.24 autres 35,5 37,2 392 43,4 555 63,7 715 80,3 96,0 106 110 121 125 6 9.52 1057 7.11 16827 11,13 13.49 12.70 1537 1427 25 33,8 36,3 402 383 43,4 46.5 43.6 523 462 483 53,6 56,4 60,1 63,6 70,1 80,1 902 101 121 134 139 154 159 8 55.7 59,0 65,3 68,6 73.1 .773 85,7 -982 111 125 150' 166 172 191 197 10 51,2 55.1 23Ö 243 6.35 7,04 8,18 1824 12,70 927 730 12,70 12.70 32335 6,35 8,38 952 10.31 12,70 14 108 128 148 168 190 230 16 355,60 406,40 7,92 752 952 952 952 952 11.13 12.70 12.70 12,70 457 2 0 752 11.13 952 14.27 12.70 15,06 21,41 17,45 25.40 19.05 21.41 27,76 30,94 2330 508 952 12,70 952 15,06 12,70 26,19 38.10 255 265 295 24 609,60 952 1427 9,52 17,45 12,70 3054 46,03 1824 23.01 305 30 153? 9,52 12,70 28x4 - 0.10 - 023 0,10 20 2.40 023 0,10 25 2.50 0.10 - 0,23 0,10 28 320 40x4 - 0.10 - 023 0.10 21,95 32 3,60 45x45 - 0.10 - 0,23 0,10 36 450 50x5 - 0.10 - 026 0.12 40 5,60 55x5 - 0.10 - 026 0.12 45 630 60x5 - 0,10 - 026 0.12 50 6.90 70x6 - 0.10 - 026 0.12 60 8,10 73x5 - 0.15 - 0.34 0,14 63 850 80x5 - 0.15 - 0,34 0.14 70" 9,40 90x5 - 020 - 050 022 80 10.70 100x5 - 025 - 0,60 026 90 112x6 - 025 - 0,60 026 100 1620 118x6 - 025 - 0.60 026 106 17,10 125 140x7,5 - 0.30 _ 030 0,37 125 25,40 160 178x9 - 0,30 - 1 0.52 160 3830 32 2222 - 40 45 28,57 33.32 35.71 63 70 40.46 90 100 106 12.70 kg 0.10 34,93 20 762 mrr - 80 18 mm masse au métré - 60 66,6 70,7 104 120 135 153 184 204 211 273,05 6,35 mm mm cote minimale de rodage 36x4 28 50 12 82,6 88,4 219,05 ovalisation maximale 32x3,5 19,05 36 34,0 tolérances sur alésage 17.12 262 283 O/Q 16,15 20 10,1 23,4 24,7 26,0 28.4 19,7 20,7 5,49 nomo 25,7 27,4 28,9 30,3 32,0 35,1 183 83,90 A G A M M E DIMENSIONNELLE mm 3 fcgf/mm2) M n 0,70 °/o 0,04% > 65 daN / m m 2 • Etat de livraison ; recuit d e détente à 5 5 0 ° . traitement qui supprime les tentions sans réduire les caractéristiques dues à I ëcrouissage • Etat de surface extérieure : aspect gris sans trace d e calamine • Etat de surface intérieure : alésage très soigné permettant le rodage à la cote indiquée • Tolérances : A ) sur diamètre extérieur : ± 0 , 5 ° / o avec m i n . d e ± 0 , 1 5 m m B ) sur épaisseur : ± 8 ° / o avec m i n . d e i 0,25 m m C ) sur diamètre intérieur : celles indiquées dans le tableau ci-dessous D ) dbvalisation : I bvglisation dans u n e section n est pas supérieure à 7 5 ° / o de l'écart total de la tolérance sur diamèire intérieur (voir valeurs maximales indiquées dans le tableau dimensionnel ci-dessous) E ) de rectitude : flèche m a x . de 1 m m par mètre • Longeurs : 3 , 4 0 0 m env.(alésage£ 8 0 m m ) ___, 5 . 0 0 0 m env.lalésage > 8 0 m m l a v e c 2 0 ° / o e n longueur > 2 m •Conditionnement : a ) huilage iniérieur et extérieur â I huile minérale neutre b ) bouchage des extrémités après huilage 256 121 127 133 139,7 152,4 159 1683 1773 8 0,76 1,03 172 21,3 26,9 30 33,7 6.3 mm ¡ 0.49 13.5 273 20 25 32 40 50 5 épaisseur ( m m ) * exschedule schedule Standard schedule schedule extra térieur fort (1 d a N / m m 2 = 1 hbar = 1,02 26,67 3/4 masse au 635 253 30,6 33,3 mm • Composition chimique (moyenne) : C 0,33 °/o Si 025 % S max. 0 . 0 4 % P max. • Caractéristiques mécaniques ¡à I état de livraison) : R Seules les épaisseurs ci-dessous sont normalisées et retenues par les A S A B 16-9 et 36-10 23 i mm 1 3A 2A 1 A • en acier A 56 étirés à froid sans soudure épaisseur ( n : m ) " Voir caractéristiques page 4 0 • Voir caractéristiques page 4 0 APTES AU RODAGE EPAIS/N FA 49 112 • enacier'TU37b finis à chaud sans soudure • Voir caractéristiques page 4 0 diamètre extérieur • Ces tubes »eront livres dans les mois i venir en 1 8 M 5 diámetro intérieur • Ces tubes seront livrés dans les mois à venir en 1 8 M 5 Tolérances : A ) sur diamètre extérieur : séries "mécanique " : + 2 °/o - 0 avec min. d e + 1 m m — 0 série "mécanique supplémentaire " : ± 1 °/o ) sur diamètre intérieur : séries "mécanique" : + 0 - 2 °/o avec min. de + 0 - 1 m m ) sur épaisseur : une épaisseur minimale est garantie pour chaque épaisseur . ) sur rectitude : flèche locale < 1 m m par mètre. • Coupes à longueurs fixas sur demand« épaisseur 0.035 Re • C o u p e s à longueurs fixes sur d e m a n d » diamètre extérieur 0,10/0.40 M ê m e s caractéristiques chimiques, mécaniques et tolérances que les séries " m é c a n i q u e " ! / 2 / 3 (voir page 4 1 ) TUBES VALLOUREC PETROLE r P et S m a x . Mn Composition chimique sur coulée Tolérances , A ) sur diamètre extérieur : séries "mécanique " : + 2 n / o — 0 avec m i n . de + 1 m m — 0 série " m é c a n i q u e supplémentaire " : i l °/o ) sur diamètre intérieur : séries " m é c a n i q u e " : + 0 - 2 °/o avec m i n . d e + 0 — 1 m m ) sur épaisseur : une épaisseur minimale est garantie pour chaque épaisseur . ) sur rectitude . flèche locale < 1 m m par mètre. 0.040 0.040 1,6 0.55 0.22- tube 0.035 0.035 15 0,50 0,20 • coulé« P S Mn Si C 0.32/0,38 Caractéristiques mécaniques sur tube 1 N / m m 2 -0,102 K g f / m m 2 Composition chimique : Teneur maximale des principaux éléments sur lingotin de coulée et sur tube (en °/o). * Pour les tubes d'épaisseur supérieure à 16, le carbone peut être porté à = coulé 0,22 • tubes = 0,24. Si Mn Composition chimique sur coulée 1 CES TUBES NE SONT PAS TOUS TENUS EN STOCK • en acier XC 35 TU ou en 18 M 5* sans soudure au carbone, soudable, à hautes caractéristiques mécaniques. acier 18 M 5 3A TUBES VALLOUREC TUBES VALLOUREC 11,70 ANNEXE A CORROSION ET INCRUSTATION DANS LES PUITS Traduction des pages 329 à 351 du manuel 'Water Well Technology" par Michael D . Campbell et Jay H . Lehr, Mac Graw-Hill Book Company, copyright 1973, National Water Well Association CORROSION ET INCRUSTATION DANS LES PUITS La maîtrise de la corrosion s'est révélée d'une importance primordiale dans l'entretien des puits pétroliers pendant de nombreuses années en raison du coût élevé des opérations de reconditionnement et de remplacement des puits. Toutefois, on n'a pratiquement pas entrepris de recherche détaillée sur le contrôle de la corrosion dans le domaine des ouvrages d'eau sauf sur des produits cpmmerciaux courants. Cette négligence ne résulte pas-seulement d'une lacune dans la connaissance détaillée des principes de maîtrise de ce phénomène, mais du manque "'de motivation économique adéquate pour appliquer les méthodes de contrôle. La plupart des eaux souterraines renferment des éléments corrosifs ou incrustants. La différence d'effet de ces éléments est uniquement une question de degré et de nature. On rencontre rarement ces deux phénomènes à la fois puisque la corrosion, normalement, tend à gêner l'accumulation de produits incrustants; de même, les produits incrustants tendent à protéger ou à isoler les tubages et crépines contrel'action de la corrosion. Ce n'est qu'occasionnellementque la corrosion résulte de la formation d'une incrustation essentiellement due aux produits d'érosion qui ont pu se déposer à l'aval. Aucun métal ou alliage n'est capable de résister à tous les types de corrosion, mais certains ont une plus grande résistance que d'autres. La recherche en métallurgie est d'importance secondaire pour résoudre le problème de l'incrustation. L'incrustation est provoquée, dans la plupart des cas, par des facteurs très différents de ceux qui causent la corrosion. On peut utiliser des métaux résistant à la corrosion, mais l'incrustation pourra se faire sur n'importe quel métal ou matériau selon le caractère chimique de l'eau,ce qui obligera à revenir sur le puits pour éliminer des dépôts, encore que les caractéristiques du métal utilisé doivent être capables de tenir aux techniques de reconditionnement. LA CORROSION La corrosion est un sujet complexe. On admet généralement aujourd'hui que les métaux sont corrcdés pour plusieurs raisons, sous différentes conditions et à différents degrés. N'importe lequel des éléments suivants peut contribuer à la corrosion : les huiles, les acides, les oxydants, l'eau souterraine à faciès géochimique varié, les eaux salées, les composés organiques, les températures élevées, les composés du soufre, et les alcalis. Aussi bien dans le matériau que dans l'environnement, on ne peut facilement discerner un facteur unique de causalité dans la série des phénomènes de corrosion observés. Le type de corrosion qui apparaît habituelisment peut être l'un de ceux-ci : corrosion chimique directe, dézincification, graphitisation, corrosion galvanique ou bimétallique, corrosion concentrée ou dissolution alvéolairs, piqûre, fatigue, ou craquelure de corrosion. Un examen visuel et (ou) mécanique indiquent habituellement de quelle forme de corrosion il s'agit. La corrosion peut limiter sérieusement la durée de vie d'un puits de 3 manières : 1) Agrandissement de la dimension des fentes de la crépine, entraînant la défaillance de l'ouvrage par pénétration de sable 2) Réduction de la résistance du tubage ou de la crépine qui peuvent alors s'écraser 3) Accumulation des produits de corrosion provoquant l'obstruction de la crépine. L'intensité initiale de la corrosion dépend aussi de plusieurs facteurs du milieu : 1) l'acidité de l'eau (le pH) 2) la présence ou l'absence de caractéristiques oxydantes de l'eau, 3) la vitesse de l'eau sur les surfaces corrodées (vitesse d'entrée de l'eau dans les crépines) 4) la température de l'eau. L'étendue de la corrosion dépend aussi de certaines propriétés des métaux corrodés, lesquelles peuvent être inhérentes aux métaux ou acquises en fonction des conditions de démarrage de la corrosion. Les propriétés métalliques qui conditionnent l'importance de la corrosion sont : 1) l'affinité chimique, 2) la passivation par les oxydes, 3) les propriétés des produits dérivés de la corrosion, 4] la composition du métal, 5) les changements (de structure] dus aux déformations par chauffage ou refroidissement, 6) l'état originel de la surface du métal, 7) la position dans la série galvanique de plusieurs métaux différents. POTENTIEL VE CORROSION MOSS enumere les facteurs ci-après comme indicateurs d'une eau corrosive : 1) pH acide : lorsque le pH décroît au-dessous de 7 la corrosivité croît 2) l'oxygène dissous est habituellement présent dans l'eau lorsqu'il y a corrosion sérieuse. L'oxygène accélérera la corrosion des eaux acides, neutres ou légèrement alcalines 3) l'hydrogène sulfuré : lorsque sa concentration croît, les possibilités de corrosion croissent également 4] le résidu sec (R.S.) : en général une augmentation du R.S. de l'eau augmente sa corrosivité . Une corrosion sérieuse peut apparaître lorsque le R.S. dépasse 1 g/1 5) le gaz carbonique : au-dessus de 50 mg/1, même en l'absence d'oxygène dissous, CO accélère le processus de corrosion 6) le chlore, au-dessus de 300 mg/1 est capable, en milieu acide, de détruire les pellicules de protection et d'accélérer la corrosion de la plupart des métaux 7) la température : les réactions chimiques de la corrosion sont plus rapides lorsque la température croit. L'augmentation de la température diminue la viscosité de l'eau, augmentant ainsi le taux de diffusion de l'oxygène. La conductivité croît avec l'élévation de température produisant ainsi un effet analogue à l'augmentation du résidu sec. L'eau très minéralisée provoque l'incrustation, et les dépôts de carbonate de calcium freinent la corrosion par protection de la surface du métal. Langelier a inventé une méthode pour déterminer les paramètres d'incrustation exprimés en dépôt de CO Ca qui se traduisent par un Index de Langelier (ou Index de saturation]. Pour calculer cet index, il faut préalablement disposer des éléments ci-après sur l'eau en question : 1] L'alcalinité, qui est fonction de la concentration de l'ion carbonate (en p.p.m) = mg/1 2) La concentration (en p.p.m) des ions existants 3) Le pH 4) La température 5] Le résidu sec Les auteurs exposent les méthodes de Langelier et Ryznar (voir annexes B et D) et concluent ainsi, en commentant la figure 5 de la note de Ryznar : Un Index de Stabilité ( = Index de Ryznar) inférieur à 7,00 est signe d'incrustation j au-dessus de 7, la corrosion dans les réseaux ("eau rouge") devient de plus en plus sévère. Une recherche importante sur ce sujet est nécessaire, puisque les résultats de terrain montrent que l'on connaît peu ce problème. L'Index de Stabilité de Ryznar est encore largement utilisé comme indicateur général du caractère corrosif-incrustant des eaux souterraines. MANIFESTATION VE LA CORROSION SUR LE TERRAIN On ne décrira ici que les formes les plus communes de corrosion. Les types inhabituels, plus importants pour l'industrie pétrolière, sont traités par Ostroff. La première forme de corrosion, attaque chimique directe, détruit uniformément la surface du métal en laissant généralement le corps du métal sous sa forme initiale. Par exemple, ce type de corrosion peut attaquer les crépines en agrandissant les ouvertures. La crépine est affaiblie uniquement par réduction de l'épaisseur du métal corrodé. ñOGG rapporte des cas typiques de corrosion chimique par l'eau ayant provoqué une défaillance prématurée des crépines. Dans beaucoup de cas la défaillance est due à tel ou tel facteur chimico-physique ou à l'influence de plusieurs facteurs : CCL, 0 2 , H 2 S, pH, température (et parfois des composés chimiques inhabituels tels que HC1, Cl SO.hU présents dans les solutions] provoquent ou ralentissent * le processus de la corrosion. Le deuxième type de corrosion, la dézincification ou graphitisation est parfois appelé : corrosion sélective.Ce type de corrosion consiste essentiellement dans la mobilisation de l'un des métaux de l'alliage laissant à la structure sa forme originale mais affaiblie par son état "spongieux". Dans le laiton par exemple, le zinc est déplacé sélectivement. La corrosion sélective est d'apparence trompeuse car les défaillances surviennent souvent d'un seul coup sur les crépines des pompes ou tous autres accessoires en laiton, dont la structure paraît saine. La dézincification résulte d'une différence de potentiel galvanique entre les métaux constituant l'alliage. Les conditions les plus favorables pour ce type de corrosion sont celles qui combinent 1) des solutions très conductrices, telles les eaux saumâtres ou légèrement acides, 2) la présence d'oxygène dissous, et 3] un alliage bi-métallique. On considère souvent la dézincification comme une forme spéciale de corrosion galvanique, différente de la corrosion chimique où cathodesetet anodes sont séparées. La graphitisation de l'acier doux et de la fonte est souvent associée à la présence de bactéries sulfato-réductrices, ou autres, dans les puits. Le troisième type, la corrosion galvanique, résulte de la formation d'une pile électrolytique entre deux métaux. La corrosion galvanique se produit lorsque deux métaux différents sont reliés dans une solution conductrice. Il se produit un courant électrique entre les métaux provoquant le processus de corrosion, la partie de la pile corrodée étant l'anode et la partie protégée étant la cathode. Si le courant électrique augmente, le taux de corrosion s'accroît. Le taux de corrosion est influencé aussi notablement par l'action de décapage de 1'electrolyte qui circule sur la surface en cours de corrosion, par les dimensions relatives de l'anode et de la cathode et par les caractéristiques de résistance à la corrosion des deux métaux concernés. Lorsque les deux métaux concernés sont très résistants à la corrosion, le taux d'attaque est faible. La corrosion de type galvanique. On d'electrolyse, et à la série galvanique (voir électrolytique la plus fréquente sur les crépines est la reconnaît à l'accumulation importante des produits détérioration sévère du métal le plus élevé dans la table B 6 b en annexe B ) . Lorsque deux métaux différents (quelque soit leur distance dans la série électromotrice) sont raccordés et immergés dans un electrolyte, de l'eau souterraine par exemple, le métal le plus haut dans la série sera corrodé. Des métaux proches dans la liste ont une tendance peu marquée à donner une forte corrosion galvanique. La table s'applique aux electrolytes du type solutions habituelles dans l'eau : eau salée, acides faibles, bases faibles, qui sont communs; dans le domaine des eaux souterraines. La corrosion bi-métallique prend naissence uniquement lorsque le courant circule entre les métaux à N.T. : En dehors du pH (s'il est élevé), tous les éléments cités sont en fait favorables à la corrosion. travers le liquide dans lequel ils sont plongés. Les métaux peuvent changer de position relative par rapport à celle qu'ils ont dans les tables, sous l'effet d'influences extérieures. Par exemple, les alliages d'acier inoxydable peuvent changer de position selon les caractéristiques oxydantes de 1'electrolyte. C'est pourquoi les aciers inox sont placés dans la série galvanique à la fois en "passive" (stable] et "activé". Pour un milieu donné, on examinera donc soigneusement les matériaux qui ont cette caractéristique afin de déterminer si l'état d'activation indésirable est possible. Les métaux d'alliages présentant la meilleure résistance aux agents de la corrosion qui attaquent les crépines sous de nombreuses conditions de terrain, d'eau, d'utilisation, et de pression ambiante sont enumeres ci-dessous, en ordre décroissant de résistance : 1) Monel (environ 70 % de nickel, 30 % de cuivre) ; 2) L'acier inoxydable, (74 % d'acier doux, 18 % de chrome, 8 % de chrome, 8 % de nickel) * (pourvu que les conditions de terrain, d'eau et d'ouvertures de crépines soient telles que le film protecteur est maintenu) ; 3) Everdur (96 % de cuivre, 3 % de Silice, 1 % de fin) ; 4] Laiton rouge siliceux (83 % de Cu, 1 % de Silice, 16 % de zinc) ; 5) Laiton rouge Anaconda (85 % Cu et 15 % Zn) ; 6) Laiton jaune commun (environ : 67 % Cu et 33 % Zn) 7) Fer Armco ; 8) Acier doux. Voici les facteurs habituels qui causent le plus souvent la corrosion 1) Un bas pH, combiné avec une faible alcalinité, un faible résidu sec et une teneur élevée en CO libre (Index de RYZNAR élevé). 2) Une eau à haute teneur en oxygène dissous, qui va se combiner à l'hydrogène dégagé pour empêcher la formation d'une pellicule protectrice. 3) La présence de SH«, SO ou gaz similaires 4J La présence d'acides organiques 5) La présence de sulfate de fer. CONTROLE VE LA CORROSION MOGG énumère quelques conseils pratiques applicables au contrôle des principaux facteurs de corrosion. * " —- -e Le chrome est répète 2 fois et le total donne 98 %. Dans l'ouvrage "Les forages d'eau'; édité par les crépines Johnson-France, on trouve la composition de, : " 1'acier inox 304 : au maximum : 0,08 % de carbone, 0,045 % de phosphore, 0,03 de soufre, 1% de silicium, 2% de manganèse, environ 8 à 12% de nickel et 16 à 20% de cirome. - l'acier inox 3 16 : Mêmes teneurs maxi en C, P, S, Si et Ma que le 304, avec environ 16à18% de chrome, 10à14% de Ni et 2à3% de molybdène. (voir les conseils pratiques donnés par MOGG en annexe C p. 5 et 6 .) Le type le plus commun de corrosion est un phénomène électrochimique entraînant l'oxydation par suite d'une perte d'électrons et de l'ionisation du métal. La réaction chimique avec départ d'électrons conduit à d'autres réactions telles qu'il y a formation d'oxydes (rouille) (voir fig. 128 et 129). tubercule da rouilla 'surface pique'«, rongée (anode) ion$ Fig. 128 - Faciès de corrosion du fer avec dépôts d'oxyde et d'hydroxyde de fer sur des plages anodiques la pellicule d'hydrogène constitue une zone cathodique •» —— zona onodique corrodée ig. 129 - Une anode et une cathode peuvent s'individualiser en des points très rapprochés sur la surface d'un seul métal, entrafnant une corrosion locale L'une des formes de rouille est l'hydroxyde ferrique qui se développe selon la réaction générale : 4 Fe + 3 02 + 6H 2 0 + 4 Fe (0H) 3 Pour qu'il y ait rouille du fer, et que la réaction ci-dessus puisse se produire, il faut à la fois présence d'oxygène et d'eau. Le fer ne rouillera pas en atmosphère uniquement oxydante (étant entendu, naturellement, qu'il n'y a pas de gaz carbonique, hydrogène sulfuré ou d'autres sels en quantité significative). Deux points méritent une explication : 1°) Les métaux ont un potentiel d'oxydation qui exprime la quantité d'énergie requise pour déplacer les électrons. 2°) Le potentiel d'électrode, pour qu'il y ait dissociation des ions et départ d'électrons dépend de : a) la nature du métal ou alliage, b) de la nature de 1'electrolyte ou de la corrosivité du milieu. En ce qui concerne les métaux, les facteurs qui interviennent sont : 1) La nature du métal ou alliage, c'est-à-dire sa composition, 2) le comportement de l'alliage - phase simple, double, répartition des phases, 3) les imperfections - granularité de la surface, texture, impuretés ou inclusions, 4) les facteurs mécaniques : efforts en certains points, poli de la surface. Des crépines assez coûteuses en alliages résistants à la corrosion sont nécessaires dans certaines zones de forte corrosion, car en raison de leur structure, qui offre une grande surface au liquide corrosif constamment renouvelé, elles sont particulièrement exposées à l'agression. Au contraire, les tubages épais offrent une surface beaucoup moins grande, protégée souvent en grande partie par le dépôt des produits de corrosion. Les tubages en acier doux sont relativement bon marché et le doublement de leur épaisseur peut quadrupler leur durée de vie. Toutefois, s''ils sont raccordés directement au métal plus résistant des crépines par soudure ou manchons, on peut craindre une défaillance du tubage au voisinage du raccordement. La mise en place d'un manchon isolant relativement peu coûteux et de résistance mécanique suffisante est très souhaitable, au stade de la conception de l'ouvrage, pour accroître sa durée de vie. Dans l'équipement profond des puits pétroliers, la corrosion est particulièrement complexe. Dans un champ où l'on peut penser qu'il n'y aura pas de corrosion sur les puits, celle-ci peut parfois devenir une question critique, et les méthodes spécifiques de contrôle de la corrosion utilisées dans des champs anciens peuvent s'avérer inapplicables sur des champs nouveaux. Le puits diffère notablement de presque toutes les autres structures qui peuvent être sujettes à la corrosion. Les puits diffèrent des conduites, non seulement par la variété de 1'environnement (diversité des terrains recoupés et contact direct des tubages et crépines avec le fluide agressif, à l'intérieur et à l'extérinur) mais par une accessibilité (aux interventions) beaucoup plus faible. Ce problème de l'accessibilité des pjits est important - c'est-à-dire que l'on ne peut facilement observer 8 les méfaits de la corrosion et que les méthodes de protection, telles que ^ la protection cathodique utilisée pour les conduites, n'est pas applicable. La protection cathodique, correctement conçue, s'oppose théoriquement à l'attaque de l'extérieur des tubages, mais la nature de la distribution du courant électrique la rend moins utilisable contre la corrosion interne. Il existe un important domaine de recherche à faire sur le problème de la corrosion galvanique provoquée par les courants induits à partir des pompes 'immergées. Les puits peu profonds, où les courants induits dans le terrain à partir de la pompe ou des lignes électriques proches augmentent la corrosion galvanique, peuvent être protégés par l'emploi d'anodes sacrifiées. La corrosion interne d'une conduite peut souvent être contrôlée par injection continue d'un neutralisant de la corrosion, d'un inhibiteur ou d'un agent mouillant. L'application de cette technique dans le puits pétrolier productif, présente au moins 2 causes de complication : d'abord, le puits n'est accessible qu'a l'une de ses extrémités par laquelle il est possible ou non d'injecter un produit non toxique j ensuite l'agent responsable de la corrosion varie à la fois avec le temps et la profondeur. Néanmoins, l'emploi d'inhibiteurs et autres traitements s'est avéré être un outil efficace de lutte contre la corrosion des puits pétroliers. La méthode de pose des tubages dans les puits, créée un problème d'utilisation des matériaux revêtus. Au cours de l'installation, il peut y avoir déchirure ou rupture du revêtement à l'intérieur du tubage exposant ainsi le métal à la corrosion. On a modifié le procédé de revêtement par application en usine, en utilisant des revêtements plus minces et généralement plus chers que ceux que l'on applique à l'extérieur des conduites. A noter une autre distinction importante à considérer entre les colonnes métalliques verticales des puits, et les conduites métalliques horizontales : en raison des difficultés d'accès accrues par unité de surface d'une colonne verticale, n'importe quel accident qui peut se produire sera plus coûteux. Ce n'est pas tellement le coût de réparation ou de remplacement du morceau de tube détérioré qui compte, c'est l'importance de l'opération de remontée de la colonne à réparer. Assez souvent, on aboutira à une perte complète de l'ouvrage. En définitive, vu les difficultés d'accès et le coût élevé des réparations d'une colonne de tubages, les moyens même coûteux de précautions initiales contre la corrosion sont pleinement justifiés. Aussi des alliages spéciaux de prix élevé sont-ils facilement adoptés pour les tubages et autres accessoires métalliques vulnérables des puits, dès que leur supériorité vis à vis de la corrosion a été prouvée. La méthode standardisée de contrôle de corrosion des conduites n'a pas encore été parfaitement mise au point. Cependant des techniques pratiques ont été inventées pour supprimer plusieurs types de corrosion. La probabilité de corrosion des conduites en différents milieux est relativement bien prévisible, aussi est-il possible de prendre les mesures de protection qui s'imposent. Au contraire, il est difficile de prédire avec exactitude où se fera la corrosion dans l'équipement souterrain d'un puits de production. Bien que le degré de répartition de la corrosion ne soit jamais connu d'avance après de sérieuses observations sur la corrosion dans les premiers puits d'un champ, on peut appliquer l'expérience acquise aux autres puits. Si la corrosion est un problème critique sur un champ de captage, il est difficile de définir des mesures correctives efficaces standardisées. Voir à ce sujet l'annexe E. Les techniques mises au point sur d'autres champs sont rarement transposables et l'on ne peut même pas être sûr que leur application retardera la corrosion. Autant l'agression peut varier autant les méthodes de contrôle doivent-elles, elles-mêmes, varier. En résumé, les mesures de contrôle disponibles sont les suivantes ; 1) L'injection de produits chimiques pour transformer le fluide corrosif et traiter la surface du métal attaquée ; il s'agit de substances basiques pour contrôle du pH, d'inhibiteurs et de produits mouillants préférentiels. 2) L'emploi d'alliages résistants à la corrosion, soit comme constituants, soit comme revêtement de surface. 3] Les revêtements non métalliques ou matériaux de doublage tels que les tubages plastifiés qui ont été longuement répandus en milieu corrosif. 4) La protection cathodique, quoiqu'elle ne convienne pas pour protéger l'intérieur (avec quelques exceptions), elle pourrait être plus largement utilisée pour atténuer l'attaque externe des tubages. Dans les dernières années, l'industrie pétrolière a utilisé la protection cathodique de plus en plus souvent pour garantir la surface externe des tubages de puits contre la corrosion. Le coût du reconditionnement des puits producteurs d'huile ou de gaz consécutif aux fuites des tubages causées par la corrosion, ont fortement accéléré la recherche de systèmes de protection cathodique. Si l'on s'attend à trouver de l'eau corrosive ou si on en a rencontré sur des puits existants, un équipement de mesure de corrosion permettra de déterminer la passivité relative des métaux disponibles et amener de substantielles économies. M05S relate un grave problème de corrosion, dans la région de l'oasis d'El Kharga, en Egypte occidentale, où les colonnes en acier noir lâchaient en moins de 12 mois, en raison des teneurs élevées de l'eau en CO2, H2S, avec des pH compris entre 6,6 et 7. Divers matériaux, y compris l'aluminium et les plastiques, ont été utilisés, mais ils cédaient également en raison de leurs propriétés physiques inadaptées et des hautes températures en fond de trou. Dans le Pakistan occidental, par ailleurs, là où les tubages d'acier doux lâchaient en 2 ans sous l'effet de la corrosion, on a pu progresser en utilisant des tubages de fibres de verre renforcées de plastique, et les premiers résultats donnent satisfaction. Des mesures de corrosion ont été faites au corrosimètre. On a remarqué que les caractéristiques de l'aluminium, quoique supérieures à celles des aciers, ne convenaient que pour des applications spécifiques et pour un temps limité. MOSS a également observé que le taux de corrosion d'un acier au cuivre, quoique élevé, était inférieur à la moitié de celui de l'acier doux. 10 L'acier inox 304 s'est révélé relativement passif à l'eau souterraine et, par conséquent, il a été retenu pour équiper les futurs puits de cette région. Barnes et Clarke ont fait, eux aussi, un vaste travail sur ce sujet.* La détection de la corrosion a l'extérieur des tubages et la détermination de son extension sont les 2 problèmes les plus difficiles de tout le domaine du contrôle de la corrosion. L'inacessibilité de la surface externe du tubage interdit pratiquement son observation, non seulement pour estimer la question mais aussi pour définir la possibilité de la protection cathodique. L'industrie pétrolière a mis au point des techniques avancées pour inspecter l'extérieur des tubages, la plupart impliquant un équipement électrique sophistiqué. L'observation par télévision peut aider à évaluer les micro-caractéristiques d'une corrosion naissante. L'augmentation du prix des forages ont obligé l'industrie du pétrole et celle de l'eau à s'intéresser aux moyens de prstection existants contre les méfaits de la corrosion. L'impártanse des revêtements dans le contrôle de la corrosion est parfaitement'illustré par la forte dépense consentie à cet effet par l'industrie pétrolière. Les premiers résultats d'une étude conduite par l'Association Nationale des Ingénieurs de la corrosion montrent que l'on dépense près d'un milliard de dollars annuellement pour les peintures et revêtements utilisés par la seule industrie des puits de pétrole. Barnes, I et F.E. Clarke, 1969 : Les propriétés chimiques de l'eau souterraine et leurs effets corrosifs ou incrustants sur les puits. U.S. Geological survey. Prof Paper 498-D, 58 pp. 48 refs. - Résumé de la note : "On peut déterminer certains problèmes pratiques avant de faire un puits et avant qu'il ne se détériore. On a étudié les propriétés chimiques de l'eau et le comportement à la corrosion-incrustation de plusieurs puits en Egypte, Nigeria et Pakistan occidental. A partir de la composition chimique des eaux, des vitesses de réaction par rapport à l'équilibre ont été essayées pour 29 compositions possibles comprenant des oxydes carbonates, sulfures et éléments divers. Seuls, la calcite, C03Ca, et l'hydroxyde ferrique Fe(0H)3 ont montré une corrélation avec la corrosivité des eaux vis à vis de l'acier doux [fer métal]. Les 39 eaux expérimentées étaient toutes en déséquilibre avec le fer métal, mais ces eaux en équilibre ou sursaturées avec à la fois la calcite et l'hydroxyde ferrique étaient les moins corrosives. La sursaturation avec les autres phases solides n'avait apparemment aucune relation avec les conditions de corrosion, se traduisant ou bien par la corrosion (liée à l'absence de sursaturation des phases protectrices) ou par l'incrustation (sursaturation des phases qui précipitaient] ou par les deux qui ont pu être identifiées. 11 Les revêtements de protection peuvent se diviser en 2 catégories : organiques et inorganiques. Ces derniers se composent de métaux et autres composés non carbonés. Par exemple on galvanise avec du zinc ; celui-ci limite la corrosion par protection cathodique du métal recouvert... jusqu'à ce que le zinc soit consommé. On fait également des placages avec du cadmium ou des alliages de nickel pour protéger les métaux ainsi recouverts contre la corrosion. Les revêtements organiques utilisant les composés du carbone comprennent : la paraffine, la bitume, le goudron de houille et les plastiques. Ce type de revêtements empêche la corrosion par isolation de la surface du métal revêtu du milieu environnant en créant une "barrière" à la fois imperméable et électriquement isolante. On peut combiner matériaux organiques et minéraux pour faire un revêtement efficace, par exemple une première couche de zinc sera recouverte d'un film organique (la toxicité du revêtement doit être appréciée]. Pour constituer une bonne protection du métal, un bon revêtement organique devrait avoir les propriétés ci-après : 1) électriquement isolant 2) recouvrement complet et continu 3] inchangé avec le temps. Un revêtement possédant toutes ces propriétés n'a pas encore été mis au point. CORROSION - INCRUSTATION BACTERIENNE La présence de bactéries sulfato-réductrices a été mise en évidence dans de nombreux cas de corrosion, comme le rapporte Postgate. Von Volzogen Kuhr a proposé la première théorie largement acceptée de l'activité corrosive des bactéries sulfato-réductrices. Cette thèse a fait l'objet de recherches par Starkey, et Wight puis discutée par Starkey et Sharpley. Bien que l'importance des bactéries sulfato-réductrices dans la corrosion externe des canalisations soit bien connue, l'activité des bactéries dans les conduites d'eau a été souvent oubliée. On peut fréquemment attribuer aux bactéries sulfato-réductrices l'eau noire, rouge ou "rouilleuse" ou les odeurs nauséabondes en certains points. Trautenberg a exposé les principales caractéristiques des bactéries aérobies et anaérobies dans les opérations d'injection d'eau dans les gisements d'huile. Ostroff a apporté une contribution importante dans ce domaine de la technologie pétrolière en analysant les principaux aspects du point de vue chimique et bactérien ; Case traite également des nombreux problèmes rencontrés dans ces opérations d'injection. ROLE VES BACTERIES Le genre aérobie, Pseudomonas_comprend quelques 30 espèces rencontrées dans l'eau douce et l'eau de mer. Ce sont des petits bâtonnets fusiformes, sans spores. Les Çseudomonas produisent un pigment bleu-vert hydrosoluble. Ces micro-organismes produisent des enzymes et peuvent engendrer, dans certaines conditions, la décomposition de la cellulose et de nombreux hydrocarbones. 12 On dit que les chlorures et les sulfates favorisent le développement des Pseydomonas. Ce genre est l'un des plus difficile à contrôler et l'on sait qu'il peut résister à la toxicité des composés d'ammonium quaternaires et qu'il peut créer une corrosion sévère. Par ailleurs, la corrosion bactérienne de l'équipement des puits est due fréquemment à l'activité métabolique de Desulphovibrio_desulfuricans. Ces bactéries anéorobies sulfato-réductrices (qui n'assimilent pas l'oxygène libre] utilisent le sulfate (SO^) comme source première d'énergie en présence d'enzymes, d'hydrogénase et autres composés naturels. L'oxygène des sulfates des matières organiques naturelles et d'origine minérale est assimilé par ces organismes utilisant l'hydrogène comme source d'énergie. King et Miller voient plusieurs raisons au déclenchement de la corrosion du fer et de l'acier par les bactéries sulfato-réductrices en milieu réducteur : 1°) Stimulation de la partie cathodique de la pile de corrosion par déplacement et utilisation de l'hydrogène polarisant par les bactéries. 2°) Stimulation de la réaction à la cathode par les sulfures de fer solides formés par la réaction des ions farreux avec les ions soufre produits par les bactéries. 3°) Stimulation de la réaction à l'anode, dissolution du métal, par les sulfures bactériens. 4°) Formation d'élément acide localement. 5°) Formation de phosphure de fer par réaction du métal avec les phosphates réduits par les bactéries. Les deux dernières raisons ne sont pas significatives, sauf dans des cas isolés, tandis que la troisième raison n'intervient probablement qu'au début du processus de corrosion par suite de la formation éventuelle d'un film de sulfures protecteur en présence d'ions libres de soufre. La théorie de la corrosion par dépolarisation cathodique généralement admise est celle de King et Miller, qui s'est révélée défectueuse. On a proposé une nouvelle théorie : la réaction cathodique (évolution de l'hydrogène) apparaît sur le sulfure ferreux obtenu par réaction de l'ion F e + + avec l'ion Soufre produit par les bactéries. L'activité du sulfure ferreux diminue avec le temps probablement par capture de l'atome d'hydrogène dans les cristaux de sulfure ferreux. Certaines bactéries aérobies peuvent également utiliser l'hydrogène. On a trouvé l'enzyme hydrogénase dans des produits carbonates et par conséquent des bactéries peuvent être à l'origine de la corrosion par exemple Aergbacter_aerogensi_Escherichia 5Clii_et Proteys_yulgaris, qui sont toutes des bactéries aérobies. Les bactéries du fer comprennent des variétés filamenteuses telles les genres Çlonothrix,_Crenothrix1_Leptothrix, et la»vraie»bactériej Gallionella. Cette dernière est un bâtonnet en forme de rein qui sécrète de longues bandes fuselées et torsadées ou "tiges" d'hydroxyde de fer. La figure 130 illustre la dimension relative de la plupart des bactéries du fer. 13 SIZE REFERENCES HUMAN HAIR -100—80- SMALLEST PARTICLE VISIBLE TO NAKED EYE • -60•50- PORE S O U Of SOME TYPICAL MILUPORI ntTHM — SO— - , . - < REO BLOOD CELL- IRON BACTERIA SMALLEST YEAST CELL RANGE Of OPTICAL V MICROSCOPE f TOBACCO SMOKE 0.4S MICRON SMALLEST BACTERIA - 5 CARBON BLACK POLIO VIRUS - RANGE OF ELECTRON I MICROSCOPE I Figure 130 - Echelle montrant la dimension relative des microorganismes et autres particules 14 Toutes les bactéries du fer oxydent le fer ferreux e" ^sr ferrique en utilisant l'énergie correspondante pour l'assimilation chimio- synthétique du carbone. Ces conditions de satisfaction de leurs besoins énergétiques s'accompagnent d'une production importante d'hydroxyde ferrique par les bactéries. Les bactéries du fer se développent mieux à basse température, et on les trouve plus couramment dans les puits, sources et rivières renfermant des sels de fer solubles. Elles ont malheureusement une large gamme de tolérance à l'oxygène et peuvent se développer dans les eaux renfermant 0,3 à 9 p.p.m. d'oxygène dissous. Les types aérobies habituels de bactéries colmatantes (bactéries assimilant l'oxygène libre] sont généralement responsables des problèmes d'incrustation d'origine bactérienne dans les puits. Les bactéries du fer peuvent également provoquer la corrosion. Lorsqu'il se forme un peu de sel ferreux (dans les secteurs ou la concentration en oxygène est faible] par attaque à l'anode, les bactéries du fer transforment ce sel en hydroxyde de fer. Ce produit recouvre la surface du métal et la corrosion devient plus accusée. La présence de bactéries aérobies indique un environnement peu favorable aux bactéries sulfato-réductrices qui ont besoin d'un milieu anéorobie pour le développement optimal de leur activité métabolique. Toutefois, les bactéries aérobies se développant en masse "boueuse" sur les surfaces métalliques ou dans les espaces poreux des sédiments,créent localement un micro-milieu anaérobie favorable au développement maximal de Desulghovibrio et autres espèces de mêmes types. La corrosion anaérobie des métaux ferreux est communément attribuée à l'action des bactéries sufato-réductrices. L'hydrogénase fabriquée par ces bactéries dépolarise la surface du métal par suppression de l'hydrogène à la cathode. Les systèmes dfhydrogénase ne se limitent pas aux bactéries sulfatoréductrices, mais, comme on l'a dit, proviennent de nombreuses bactéries ou micro-algues. Une souche d^Escherichia coli, organisme qui possède un système d'hydro gánase, s'est révéïi capable d'utiliser le nitrate comme accepteur d'hydrogène en milieu expérimental anaérobie réalisé par Mara et Williams. Les résultats indiquent que l'organisme utilise depréférence le nitrate pour l'oxydation de la matrice organique, et aussi que lorsque les éléments sont au repos, la réduction du nitrate apparaît, avec tendance à la corrosion si des métaux ferreux sont présents. Compte-tenu de la diversité des bactéries nitroréductrices et de leur présence importante dans les sols, la corrosion causée par ces organismes mérite une étude complémentaire pour résoudre les problèmes courants, actuellement attribués aux bactéries sulfato-réductrices. D'autres types de bactéries qui ont été récemment isolées, peuvent jouer un rôle important, bien qu'encore mal défini aujourd'hui, dans le processus complexe de corrosion-incrustation. 15 CONTROLE VES BACTERIES Updegraff fait valoir que la chloration a une efficacité limitée contre les bactéries anaérobies qui provoquent la corrosion,car le sulfure produit par ces organismes gêne l'action du chlore. Lewis indique que cette affirmation n'est vraie que dans le cas où les sulfures produits forment un tubercule abritant les bactéries. Puisque le chlore peut tuer les éléments isolés, le maintien de chlore résiduel dans un réseau de distribution,est encore toutefois le meilleur moyen actuellement disponible pour empêcher la formation des tubercules. Une fois que les tubercules sont formés, il faut les détruire mécaniquement et l'on peut alors réduire l'activité bactérienne pour éviter la formation de nouveaux tubercules. La contamination bactérienne d'un puits,provoquée par la boue de foration ou le fluide de fracturation a été méconnue pendant de nombreuses années en dépit de ce que l'on savait sur les bactéries introduites avec l'eau injectée dans les gisements d'huile. Mais le problème a été reconnu récemment et l'on peut y remédier en utilisant assez tôt les produits chimiques convenables pour un bon programme d'entretien efficace. Les puits forés pour le pétrole, le gaz ou l'eau sont contaminables par le fluide de forage, le filtrat de ciment et le fluide de fracturation hydraulique. La plupart des ennuis, en cas de contamination, proviennent d'une ou deux causes : les bactéries ferro-oxydantes ou suifato-réductrices. Toutes deux sont susceptibles de réduire la perméabilité de la couche productrice, ou bien par la place qu'elles occupent en raison de leur nombre, ou bien par colmatage des vides par leurs sous-produits. Ayant identifié le problème, la prochaine étape consiste à trouver le produit pour réduire la contamination. Un chlorure alkylbenzyl triméthyle d'ammonium quaternaire cathionique s'est révélé être un bactéricide efficace, qui se comporte en plus comme inhibiteur de corrosion en raison de ses propriétés tensio-actives. Ce composé n'est pas emulsionnable et ses propriétés tensio-actives empêchent le gonflement des argiles. On dit cependant que ce bactéricide réagit avec bon nombre d'argiles et perd de son efficacité. Dans le traitement d'hydro-fracturation utilisé par les pétroliers, l'eau renfermant d'infimes quantités de bactéries est injectée en pression dans le terrain, contaminant ainsi la partie environnante du réservoir. Les bactéries ferro-réductrices et suifato-réductrices peuvent s'adapter aux milieu en très peu de temps, comme on l'a déjà indiqué. Les terrains contenant du lignite peuvent faciliter cette adaptation puisque le lignite et autres matériaux carbonés peuvent être le plus souvent utilisés comme sources d'énergie, par exemple l'oxydation de la pyrite produit de l'hydrogène sulfuré corrosif, e t c . . INCRUSTATION L'incrustation se définit comme "une fermeture, une cimentation, ou l'obstruction d'une crépine et d'un aquifère qui résultent de l'accumulation de matériaux dans et autour des ouvertures de la crépine et dans les vides du terrain aquifère". Si les conditions s'y prêtent l'obstruction ou incrustation interviendra, quelque soit le matériau de la crépine et le type de conception du puits. 16 COMMENT SE MANIFESTE PRATIQUEMENT L'INCRUSTATION ? L'incrustation peut prendre la forme d'un dépôt dur, cassant, semblable au ciment, et dans certains cas il peut être tendre, d'aspect pâteux, boueux ou analogue à une gelée durcie. Les causes d'incrustation en ordre de probabilité d'apparition sont les suivants : 1) Précipitation de matériaux amenés en solution vers la crépine, tels que le carbonate de calcium et de magnésium. 2) Dépôts de matériaux amenés en suspension vers la crépine, tels que silts, argiles, etc. .. 3] Présence de bactéries du fer dans l'eau 4) Présence de vase d'organismes autres que les bactéries du fer (tels qu'organismes de fermentation ammoniacale et matière organique). L'incrustation est habituellement du premier type, c'est-à-dire incrustation à partir de minéraux en solution dans l'eau souterraine. Dans la plupart de ces cas-là, il y a peu ou pas de matière organique et le principal agent incrustant est le carbonate de calcium qui sert à cimenter ensemble les grains de sable. Avec lui, on trouve souvent du silicate d'alumine, du sulfate de fer et quantité d'autres minéraux remplissant les vides entre les grains de sable et de gravier. Bien que n'étant qu'une partie de l'incrustation totale, le carbonate de calcium en est cependant le liant essentiel. Il existe quelques zones géographiques où le matériau incrustant est totalement d'origine mécanique. Si l'aquifère renferme beaucoup de lignite, qui peut se décomposer partiellement pour former un manteau limoneux autour des crépines on sait qu'il y aura incrustation aussi bien des pièces en métal qu'en plastique. La combinaison du gaz carbonique avec l'eau donne un acide faible. L'eau ne peut dissoudre qu'une quantité limitée de carbonate de calcium, mais en présence d'une quantité notable de C0„, l'eau peut dissoudre du carbonate de calcium et d'autres carbonates sous certaines conditions de température et de pression. CONTROLE VE L'INCRUSTATION En plus du résumé de l'étude de Barnes et Clarke donné à la page 10 3 cette note indique : un certain nombre de corps peuvent donner des dépôts superficiels dans les puits et entraîner une diminution du débit par encrassement des arrivées ifentes des crépines ou vides du massif de gravier) ou augmentation des pertes de charge dans les tubages. Dans les dépôts échantillonnés, on a identifié, au moins à titre expérimental, de la calcite Ca C0„, de l'hydroxyde ferrique Fe (0H3) de la magnésite Fe 3 0 4 , de la sidérite Fe C 0 3 , de l'hausmannite rn„ ü\ e t c . . 17 Du point de vue géochimique il a été démontré que les modèles d'équilibre stable et simple étaient en défaut dans presque tous les cas pour prédire la composition de l'eau extraite des puits étudiés. Dans un cas, une phase stable (de calcite) s'est révélée à peu près conforme aux prévisions faites en partant de considérations sur la stabilité d'équilibre. Le comportement prévu des autres phases stables, à partir des mêmes considérations, ne s'est jamais révélé conforme à la réalité. Tous les corps précipités (sauf la calcite] sont métastables par le fait qu'ils ne sont pas les phases les moins solubles possibles des systèmes étudiés. L'étude de Barnes et Clarke a montré que les considérations d'équilibres sont utiles comme référence des propriétés réelles et prévision des effets corrosifs des eaux naturelles. Les calculs physico-chimiques détaillés sont très utiles pour comprendre la nature et pour prédire les comportements de telles solutions dans les puits et ailleurs. Les résultats pratiques de l'étude montrent que le caractère corrosif ou incrustant de l'eau sur l'acier doux est prévisible à partir de quelques mesures de terrain, rapides et bon marché, couplées avec des analyses de laboratoire faites sur échantillons d'eau convenablement traités. A partir des mêmes données on obtient d'utiles informations sur le potentiel d'incrustation. La connaissance des potentiels de corrosion-incrustation des eaux facilite le choix des matériaux appropriés pour l'équipement du puits (voir annexes B, C et D ) . Dans un puits, il y a débit par suite d'une différence de pression provoquée. Au début du pompage, l'eau descend dans le puits, créant ainsi une pression différentielle entre l'eau du terrain extérieur et le niveau d'eau dans le puits. Par suite de ce changement de pression nécessaire au débit du puits, le C 0 2 dissous s'échappe de l'eau. Lorsque ce gaz s'échappe, les carbonates, et principalement CO3 Ca, précipitent et se déposent autour de la zone d'entrée d'eau dans le puits. Comme les conditions de départ du CO2 sont plus favorables dans cette zone d'entrée de l'eau, la plus grande partie du dépôt s'accumule comme un ciment sur et autour des crépines. Une incrustation partielle peut s'étendre sur plusieurs pieds (1 pied = 30,48cm] derrière la paroi des crépines, à l'intérieur du terrain aquifère. Partant de cette description, il apparaîtra clairement qu'une réduction de pression est susceptible de réduire l'incrustation. Pour cela, on considère généralement que cinq facteurs entrent en jeu dans la réduction d'incrustation dans les puits : 1) Le puits doit être équipé de telle façon que l'eau puisse entrer avec le minimum possible de résistance et qu'il puisse être développé facilement. Le développement d'un puits consiste à mettre en oeuvre une ou plusieurs méthodes pour déplacer énergiquement les silts, sables fins, etc.... de la formation autour de la crépine, pour obtenir finalement des sables et graviers de dimension plus homogène et bien graduée évitant les entrées de sable. Le pompage ne constitue pas une méthode de développement efficace et suffisante à moins de le combiner avec d'autres moyens. Lorsqu'un puits est correctement développé son débit spécifique est le meilleur possible et l'on est sûr de ne pas pomper de sable sauf dans des cas très spéciaux. 18 2) Réduction du débit et augmentation de la durée du pompage. On connaît de nombreux cas où les ennuis ont été bien diminués de cette façon. On connaît l'exemple où l'on a éléminé une bonne partie des ennuis en remplaçant une pompe de fort débit»fonctionnant par intermittence, par une pompe de moindre capacité tournant en continu. Il faut se souvenir qu'il est économiquement intéressant, aussi bien pour le puits que la pompe, de concevoir autant que possible l'exploitation en continu 3} II convient de répartir le débit d'exploitation entre plusieurs puits plutôt que de vouloir tirer un gros débit d'un seul ou de quelques ouvragss.Un groupe de puits légèrement plus petits, correctement espacés, permet une meilleure exploitation des capacités d'un aquifère. On diminue ainsi les vitesses d'entrée de l'eau ainsi que le rabattement sur chaque puits et en même temps on diminue les possibilités d'incrustation tout en réduisant le coût du pompage. 4) Puisqu'un excès d'oxygène est nécessaire pour que l'incrustation puisse se produire, on utilisera des packers de fond ou des joints étanches pour isoler 1'aquifère de l'oxygène atmosphérique si le niveau dynamique est très au-dessus du sommet de la zone crépinée (ce qui devrait être applicable pour le niveau de l'eau des puits en terrains meubles). 5] L'entretien périodique ou nettoyage est à prévoir dans les secteurs où l'on sait par expérience qu'il y a des problèmes d'incrustation. RECHERCHE SUR LA CORROSION-INCRUSTATION La théorie généralement admise est que la tendance à l'incrustation ou à la corrosion dépend de la nature et de la quantité des sels minéraux et gaz dissous dans l'eau. Cette théorie a été récemment contestée. L'étude» basée sur la théorie électrocinétique s'est orientée vers un effort de compréhension des raisons profondes de l'incrustation et de la corrosion dans le puits. A partir de ces recherches on a pu tirer les conclusions suivantes: 1) Lorsque l'eau s'écoule d'un aquifère saturé il y a création d'un potentiel d'électrofiltration. 2) Le potentiel d'électrofiltration joue le rôle d'un catalyseur dans la formation de l'incrustation dans les crépines (pour supplément d'information se référer à la théorie du potentiel spontané en géophysique). N.T. En dehors de l'influence sur 1'incrustation, qui est coûteuse par la réduction progressive de débit et par les traitements qu'elle entraîne, les notions rappelées ici ont une incidence économique non négligeable: - économie de pompage sur un puits de meilleure productivité, qui pour un débit donné aura une faible hauteur de relevage, donc réduction de la dépense d'énergie. - économie d'investissement sur l'équipement de pompage, qui doit fournir par exemple, 10 l./s en continu par rapport à celui qui en donnera 30 en tournant à 1/3 de temps. A noter en outre que la pompe plus importante entraînera éventuellement un surdimensionnement inutile de l'ouvrage et que très souvent des pertes de charge inexistantes à 10 1/sec apparaîtront à 30. 19 3) L'incrustation se fait uniquement sur les crépines chargées négativement. 4] II n'y a pas d'incrustation si les crépines sont chargées positivement. Manda, et Edwards disent, que peut être, on pourrait envoyer un courant dans l'aquifère pour empêcher la formation de dépôts sur les crépines des puits. Le potentiel nécessaire pourrait être fourni par une source de courant continu fonctionnant en coïncidence avec la pompe. Des recherches complémentaires devraient préciser l'efficacité de cette approche. Toutefois, J .S. Fryberger (communication personnelle) dit que cette solution pourrait éventuellement entraîner plus de dégâts par augmentation de la corrosion galvanique que d'améliorations par diminution de l'incrustation. W.H. Walker (communication personnelle) indique que dans beaucoup de cas l'incrustation provient d'un surpompage sur des puits mal conçus, mal exécutés ou développés, ou de l'installation d'une pompe surpuissante par rapport à la productivité du puits. Si le puits est équipé en tenant compte de l'équation ci-dessous et que l'on utilise une pompe ne produisant pas plus que le débit Q qui en découle, le potentiel d'incrustation sera très réduit : *~ = Ä — V — 7 A» ex c ' A avec L = longueur de la crépine (en pieds) Q = débit (en gallons par minute) = Superficie efficace des ouvertures de crépine (en pieds-carrés par pied) avec superficie efficace = 1/2 de la surface réelle calculée V c = Vitesse critique (en pied par minute) à partir de laquelle un grain de sable est transporté * ( En unités S.i. on a L = _' ,, avec L (en m) ; A e xV c Q (en m /s ; V c (en m/s);Ae (m^ d'ouvertures par ml de crépine). Walker fait ressortir que lorsqu'on pompe un débit trop élevé sur un puits à faible productivité, on peut provoquer l'entartrage de (ou près de) l'interface paroi du trou - crépines, augmentant ainsi sérieusement les pertes de charge sur cet interface. On doit accorder la plus grande attention à toutes les méthodes de prévention ou ralentissement de l'incrustation mais dans beaucoup de cas l'entartrage interviendra tôt ou tard de telle sorte qu'un traitement sera nécessaire. On pourra généralement faire ce traitement de 3 façons : 1) retrait de la crépine, nettoyage de celle-ci et remise en place ; N.T. Rappelons l'ordre de grandeur ries vitesses critiques pour des grains de diamètre : d = 0,1 mm : V c = 2 cm/seconde d = 1 mm : V c = 10 cm/seconde d = 4 mm : V = 30 cm/seconde C Ces valeurs sont extraites d'un tableau donné par S. COTTEZ (rapport BRGM DS A26) d'après R.C. SMITH et la Cié W.S. TYLER. En reportant en diagramme log V c en fonction de log d, les points bien alignés permettent le tracé d'une droite fournissant les valeurs intermédiaires. On peut également se référer au graphique de HJULSTROM, donné par A.VATANManuel de sédimentologie - Edition Technip - D'après le graphique de HJULSTROM, pour d ^ 10 mm : Vc (en mm/seconde-) = 75 d (en mm). 20 2) retrait de la crépine et remplacement par une neuve ; 3) traitement de la crépine et de l'aquifère avec diverses solutions acides inhibées, sans retirer la crépine. On emploie habituellement de l'acide sulfamique, de l'acide chlorhydrique, du chlore gazeux à forte concentration, de l'acide acétique, etc.. On peut également utiliser des dispersants. L'industrie pétrolière a une sérieuse avance dans le domaine de l'évacuation et de l'inhibition des divers types d'encroûtements. Vitesse d'entrée de l'eau dans les crépines en fonction de la granulométrie Vitesse pritique pour un élément n = Vitesse au delà de laquelle l'élément n est entraîné 1\J- 1 • * • 2 y vitesses :ritiqu< 4 I i I to 10 / e > 6 y 4 • J í > r 2 <f* — 1 M, 0,01 dirr ensiont • desi irair s( nm • 6 8 0,1 e e I Diagramme établi d'après les données de R . C . SMITH et Cie W . S . rapport BRGM DS 65 A 26 6 S 10 TYLER, citées par S. CCTTEZ, ANNEXE B RAPPEL DE NOTIONS DE CHIMIE POUR L'ETUDE DES PHENOMENES D'AGRESSIVITE, CORROSION, INCRUSTATION - 2 - SOMMAIRE Page 7. LES SOLUTIONS 4 2. AGRESSIVITE 7 27. GinëAaLUU 7 22. Çqnd^qn6_de._llequi^^e.çqAbqnlque: 8 23. ReIatçqn_de._LANGELJER 9 24. M&thodte de. dit2Amincition._d<L VaqttL&itÁ.vÁJjí carbonique. 3. CORROSION 11 14 31. G^níJwZ^í6_i_l'_oxt¿do-rédacXX.qn 14 32. Th£qtáe._He.<^qchÁ^que._de:_pi_cqMq¿¿qn 15 33. CoAAo-ó-coia_dan4_-£^ea£i_ga^e._déóaéA|e_ 16 34. Zonjio&Àjm involution aa¿dz 35. Co^o4^on_da_^e^_en_eatx_d|4aé^ée_4an4_^écxg^a^on_d^_g^odu¿t¿ 36« ^°.fyhO¿-iqn_du_^eA_e.n_zaxi 16 16 douce. dé.¿>aé.iíz_a.vzc fconmat<Lon de. j£^.ícÁ.^ÁXÍ6 18 37. Cqwiq¿'Lqn_du_£eA_dayii> le taux a.éAé.eA._ Rôle cíe ¿'oxygène. eX ¿nfalu.- 20 3S. Q¿&Q/LCume.Ek2]pH du £eA FIGURE 7. P^óig/icünme d<¿ ¿tabUJjtí thenmodynamique de £'eau VIGLRE 2 . VAjOLgxarme de. conno&lon du £eA en eau douez d$.&a.éAQ.e 21 - 3 - FIGURES, TABLEAUX ET DIAGRAMMES HORS TEXTE Annexe B1 ; Rappel sur la concentration des solutions , tableaux de masses atomiques, masses molairss et équivalence de concentration en différents degrés. Annexe B2 ; Abaque logarithmique donnant la force ionique u des principaux éléments dissous dans l'eau (en mg/1] Annexe B3 j a) et b] mode de calcul et tableaux de constantes d'équilibres carboniques c) constantes des couples acide-base usuels Annexe B4 ; Abaque de calcul du pH de saturation = pH ii -—il- g Annexe B5 j Echelle de NernstO tableaux) Annexe B6 ; Diagramme de corrosion en fonction de la teneur en oxygène Annexe B7 ; Diagramme de corrosion en fonction du pH Annexe B8 j Diagramme de Pourbaix Annexe B9 ; Diagramme Eh-pH simplifié du fer à 25°C Annexe B10 ; Diagramme Eh-pH du fer avec quelques ions complexes hydroxylés. - 4- /. LES SOLUTIONS Dans l'eau naturelle les sels minéraux sont dissociés en ions et la solution obtenue, qui conduit le courant électrique, est un electrolyte : si l'on place des électrodes dans la solution, les anions à charge négative se portent sur l'anode et les cations à charge positive, se portent sur la cathode. Les sels sont plus ou moins dissociés : si la dissociation en ions est totale, la solution sera très conductrice et donnera un electrolyte fort j si la dissociation n'est que partielle on obtiendra un electrolyte faible. Le degré de dissociation dépend de la loi d'action de masse qui s'applique aux équilibres chimiques entre les divers sels et ions présents dans une solution, lesquels peuvent réagir entre eux ; pour un équilibre donné, il existe une constante thermodynamique de dissociation K caractéristique de cet équilibre. Si l'on met en solution deux composés AB et CD constitués par les ions A, B, C et D, la solution obtenue renfermera des molécules AB, CD, AD, BC en équilibre avec les ions A, B, C et D. Afin d'expliciter K, rappelons que cette constante est égale au produit du rapport de concentration des ions (cf. annexe B1) par le rapport de leur coefficient d'activité. Si les ions A, à la concentration m, et B, à la concentration n réagissent avec les ions C et D à concentration respective, m' et n', la réaction à l'équilibre s'écrira : m A + 1 n B ~7 m'C + n'D 2 Cet équilibre signifie que m n la vitesse de réaction dans le sens 1 : V-, = k1 (A) x (B) est égale à la vitesse de réaction dans le sens 2 : V 2 = k2 CC)m'x n> - 5 - Cette égalité M. = V„ „ amène amène :: 1 1 2 2 (A) m (B) n k r 2 k Pour satisfaire à la loi d'action de masse, il faut faire intervenir l'activité [a] et non la concentration Ce]des ions mis en jeu : [a] = (c)f ; f est appelé coefficient d'activité. Dans l'exemple précédent la loi s'exprime alors : (A) m (B) n f A f f Cf D B x (C) m '(D) n ' = K. (constante thermodynamique de dissociation) On peut encore écrire : (A) m (B) n f C fD = K (C)m'(D)n> = K' (constante de dissociation apparente) f AfB II est possible de calculer le coefficient d'activité f d'un ion de force ionique y par la formule de Debye 1+1, Z étant la charge (ou valence de l'ion) et A étant la constante de température : A - 0,503 à 15°C ; 0,511 à 25°C ; 0,520 à 35°C j 0,61 à 100°C . La force ionique (u) dès principaux ions en solution dans l'eau est donnée directement par le diagramme en annexe B2 en fonction de la teneur exprimée en mg/litre. On peut également la calculer pour un ion quelconque à partir de la formule : u = 0,5 (^ Z 2 + C 2 Z^ + C 3 Z^ etc ) C , C„, C correspondent aux concentrations molaires des ions de valence Z., Z„, Z etc.... Par exemple, dans une analyse d'eau, on sait que pour COgH" monovalent, la solution normale à.une mole/litre contient 61 g litre de COgH j de même pour Ca bivalent la solution normale est de 40 g/litre ; si l'analyse donne 61 mg/1 de CD H" et 80 mg/1 de Ca on aura : - 6- p o u r CO „ H " la c o n c e n t r a t i o n sera à ++ pour Ca fi *1 bi.UUU ñn p . -__ la concentration sera =10 —r-\r? — *^ ; u = 0,5 (10 x 1 ) = 0,0005 — *^ = 2x10 — *^ *? ; u = 0,5(2x10 x2 )=0,004 40.000 Des tableaux donnent les constantes K et K' ainsi que leurs variations en fonction de la température, (voir annexe B3). Les tables donnent plus souvent le cologarithme pK. des constantes K , par analogie au pH, cologarithme de (H ), qui est bien connu. Rappelons que dans l'eau pure : K D = 10 (H ) = (OH ) = 10 -14 à 23° et pKe = 14 ¡ avec moles/litre. En milieu acide (H ) augmente, donc la va- leur absolue de l'exposant diminue et en milieu basique c'est l'inverse. Par convention, on prend la concentration en ions H , ou potentiel d'hydrogène = pH pour mesurer l'acidité ou la basicité d'une solution. Ce cologarithme de (H ) est de 7 pour une solution neutre, inférieur à 7 pour une solution acide et supérieur à 7 en milieu basique. - 7- 2. AGRESSIVITE 27. Les eaux naturelles sont des solutions ioniques contenant : - un certain nombre d'ions et molécules conditionnant l'équilibre carbonique, à savoir l'hydrogène H , l'ion hydroxyie OH t les carbonates C0_ et bicarbonates HCO3 , le calcium Ca et l'acide carbonique C0 3 H 2 = C 0 2 + H 2 0 - des ions sans rapport avec l'équilibre carbonique : Mg , Na , K , Cl , SO4 etc... - des gaz dissous : 0 2 , H 2 S, N etc Dans une solution, il existe une relation de conservation des charges électriques des divers ions de telle sorte qu'il y ait égalité des charges de sens contraire entre cations (ions métalliques)et anions : P+ H+ + 2 Ca + + OH" + HCO3 + 2 Mg + + + Na + + K + , etc + 2 C0 3 = + Cl" + 2 SO* v1 N~ + etc On désigne par P + et N~ la somme des charges des éléments étrangers à l'équilibre carbonique. Pour ceux qui conditionnent cet équilibre, les réactions sont régies par les constantes thermodynamiques de dissociation (ou d'ionisation) K ¡ ainsi pour l'eau : H20 - ^ _ H + + OH" ; et (H+)X(OH ~ ) • Ke (H 0) (1) 2 comme la concentration en molécules d'eau est constante, on a + -14 (H ) x (OH ) = Ke = 10 à 23°C ; cette valeur augmente avec la tempé-14. Q"3 -19 74 rature : à 0°C Ke = 10 ' ; à 100°C Ke = 10 ' Les autres ions de l'équilibre carbonique donnent les réactions suivantes : (CO H ) C0H ~* H °+ C° °U S et - B (C0 H ] 3 2 — , „ _ -, = K. ou est constante dans une solution (C03H2) = K„ x (C02) C 0 3 H 2 ~t- C03H" + H+ et (H+)x(C03H~) = K /] x (COgH^ (3) CO H~ ~t- C03 + H+ et (H + )xCC0 3 ) (4] = K 2 x (COgl-f) _3 A 25°C la valeur des constantes est K R = 10 ; -R ^4 -in ?q = 10 ' ; K 2 = 10 ' ; ou encore pKe = 14 ; pKg = 3 K1 pK = 6,34 et pK2 = 10,29 (voir Annexe B3). Pour tenir compte de l'influence des autres ions présents dans l'eau, on utilisera en pratique K' K' K' etc.... avec pK' = pK - e , pK.' = pK' - e, etc.... 6 6 II e représente la correction à appliquer en fonction de la somme des forces ioniques u des divers ions en solution, et l'on calcule e à partir des for/LT mules suivantes (voir Annexe B3a) : pour pK', e = 1 + 1,4/7 v, pour pK.' : e 2 ^û „. ; pour pK 1+1,4/û~ : e= S 22. Dans une eau naturelle le C0„ peut être lié aux carbonates, aux bicarbonates ou non combiné : c'est le C0„ libre. Dans une eau donnée, il existe une certaine proportion de CO libre nécessaire au maintien en solution des ions C0~ et COgf-f : c'est le C0 2 équilibrant = C0 2 éq. ; si la teneur en CD libre est inférieure à C0„ éq., des carbonates et bicarbonates pourront précipiter et l'eau sera alors incrustante ¡ si au contraire C0 ? libre > C0 2 éq., le supplément est du C0„ agressif,qui rendra donc l'eau agressive vis à vis des carbonates. Les auteurs ont étudié l'équilibre carbonique dans les eaux naturelles en représentant sur divers types de graphiques l'évolution des éléments qui conditionnent celui-ci : H , OH , C0~ , HCO , Ca et C0QH ; ces diagrammes sont tracés avec pH en abscisse et C0„ total en ordonnée, ou ++ Ca en abscisse et CO- total en ordonnée avec Ca++ - 1 HCO¡ + COÏ+ ^ÏL^LJL + £ ¿ J L C0 2 total = HC0~ + CO 3 H 2 + CO^ Sur ces graphiques avec N et P constants (E constant) on obtient un point représentatif de l'équilibre carbonique d.'une eau donnée. - 9 - 23. A partir de l'équation (4) de dissociation des bicarbonates et de l'équation (5) LANGELIER écrit : (H+] X ( C ° ^ - K' avec pK' = P K 2 - 2 e 2 ^S"3 K — CCa (H+) ) • K' S d'où il tire : pH = pK 2 - pKs - log (CO3H~) - log (Ca ++ ) [6] Le pH ainsi obtenu par Langelier est appelé pH de saturation = pHs . Dans une eau naturelle : si le pH mesuré < pHs, l'eau est agressive si le pH mesuré > pHs, l'eau est incrustante. L'eau dont le pHs = pH mesuré est donc en équilibre carbonique.il ffiT est facile de calculer le pHs de l'équation si l'on connaît pK.' et pK* ; ¿L Ces constantes sont tabulées à partir de de la température et de la correction e, forces ioniques u des sels dissous, donc liter la détermination de pHs, Langelier ++ S pK„ et pK , qui varient en fonction elle-même fonction de la somme des du résidu sec de l'eau. Pour facia établi un abaque avec températures 3 en degrés Fenenheit et Ca et CCLH exprimés en CO Ca,qui a été repris en France en ramenant les courbes de température en degrés cslsius (°C). Nous donnons en annexe B4 un abaque pour déterminer le pHs qui a été établi sur les bases suivantes : a] recherche de la valeur moyenne de la force ionique u à prendre en compte à partir du calcul de u sur la totalité des ions de 29 analyses d'eau d'origine différentes, dont le résidu sec varie de 0,5 à 6 grammes/litre. - 10 - Les valeurs obtenues sont très bien regroupées autour d'une droite dont la pente correspond à : u = 22,5 x 10 — fi R.S. (R.S. étant exprimé en mg/litre) alors que la valeur de u adoptée dans les tables de LARSON et BUSWELL en —R annexe B3a est de 25 x 10 R.S. b) la correction e est calculée pour des résidus secs de 10, 25, 50, 75, 100, 150, 250, 500, 750 et ensuite tous les 250 mg 2/û en prenant pour pK„ : e = .. / et p pour p pK 1+14/û" 1+1,4/û" c) les valeurs de K„ et K jusqu'à B grammes/litre S e e = = 4/û" 1+3,9/ù" sont déterminées graphiquement tous les 5°C à partir des valeurs données tous les 10°C dans les tables de LARSON et BUSWELL. On en tire pK 2 , pK , puis pK„ et pK s dant à pK„ - pK et enfin le pHs correspons ¿. à O C pour tous les résidus secs choisis ; les courbes suivantes à 5°C, 10°C, e t c . . sont parallèles à la première et il suffit donc de calculer la distance entre 2 courbes successives, qui correspond à la différence de pHs entre ces 2 températures, pour une seule valeur de résidu sec. On notera que pHs varie beaucoup plus en fonction de la température de l'eau que de sa minéralisation ; une légère erreur sur la somme des forces ioniques réelles ou sur la formule de calcul d'e, sera donc sans conséquence. Par exemple, entre 10°C et 50°C le pHs de l'eau va croître de 0,8 tandis qu'entre 100 et 1500 mg/1 de résidu sec le pHs ne croîtra que de 0,07 et entre 100 et 5000 mg/1 le pHs n'augmentera que de 0,059. L'abaque en annexe B4 donne aussi le pHs correspondant aux te++ neurs en Ca - , C0 H =- et C0 exprimés directement en mgr. par litre. Exemple de calcul de pHs II suffit de disposer des résultats d'analyses ci-après : température^pH (mesuré in situ) teneur en Ca ' et en C0„H 3 (ou T.A.C.) et résidu sec. Sur une source captée pour la ville d'Alès (Gard) l'analyse donne: T° = 11,5°C ; pH = 7,25 ; Résidu sec = 4;?8 mg/1 Ca + + = 80 mg/1 et COghf = 164,7 mg/1. - 11 - a] Gn peut calculer pHs à partir de la formule de Langelier (6] : pHs = pK2 - pK's - log [CO H~) - log (Ca ++ ) • pK i et pK sont tirées des tables en annexe A3 par recherche entre les valeurs données à 10°C et 15°C et entre 250 et 500 mg/1 de résidu sec -, une approximation rapide donne : pK^ = 10,300 et pK^ pour (CCLH ) et (Ca = 7,887 ), en molécule-gramme dans la formule (6), on trans- forme les valeurs de l'analyse données en mg/1. pour C0 3 H~ : ^ pour C a + + 4 ^ Q :4Q°Qno = 0,0027, dont le log = - 2,569 = 0,002, dont le log = - 2,699 On obtient donc : pHs = 10,300 - 7,887 + 2,569 + 2,699 = 7,68 b) L'utilisation de l'abaque (annexe B4) est plus rapide : - sous la courbe 10°, en évaluant 11°5 en face de 428 mg de résidu sec pris en abscisse , on lit en ordonnée le pHs correspondant = 2,41 - sur la courbe Ca, en face de l'abscisse 80 mg, on lit en ordonnée : pHs = 2,70 - sur la courbe C0„H, en face de 165 mg en abscisse, on lit en ordonnée : pHs = 2,57 La somme de ces 3 valeurs : 2,42 + 2,7 + 2,57 = 7,68 est identique à celle obtenue par le calcul. Le pHs = 7,68, supérieur au pH mesuré = 7,25, indique donc que l'eau serait agressive. 24. M^^du_dz_d^&/unúia^on_dz_¿'aQKUA'Lv¿tí ccuiboyúquz Outre W.F. Langelier, un certain nombre de chercheurs ont étudié la détermination de l'agressivité de l'eau et M. R. Brémond a fait une analyse comparée de ces différentes méthodes, dont on peut retenir les éléments résumés ci-après : - 12 - - Tillmans travaillant sur les eaux carboniquement pures, sans tenir compte de l'influence des éléments étrangers à l'équilibre carbonique, a élaboré un diagramme avec l'acide carbonique libre en ordonnée et 1/2 CCLH en abscisse [en mg/1), sur lequel il trace une courbe d'équilibre en fonction du pH. A partir du point représentatif de l'eau réelle il détermine les conditions de neutralisation, soit addition de calcium si l'eau est agressive, soit aération si elle est incrustante. - Franquin Marécaux présente un diagramme qui tient compte de C 0 3 ¡ il porte en ordonnée C0~ + 1/2 CO H , en abscisse 1/2 CO H* + CD H (concentration d d d _d z + + en m. moles/litre], et trace la courbe d'équilibre (CO ) (Ca ) = K La force ionique des autres éléments n'est pas prise en compte. - Ch. Hoover, reprenant la méthode de Langelier a imaginé un nomogramme pour le calcul du pH de saturation = pHs - Hallopeau et Dubin ont inventé un diagramme avec l'alcalinité (en Ca 0 ou CCL Ca en mgr/litre) en abscisse logarithmique et pH en ordonnée arithmétique. Les auteurs s'inspirent donc de la formule de Langelier avec 2 simplifications : - log K s - log K + 9,2 = C (constante en fonction de T° et R.S.] ¿ ++ - les concentrations en CO H et Ca sont souvent tres proches sur les ô (CO3H~ eaux douces, donc — — (Ca - (log (CO H ) + log (Ca m (CO H") sfe 1. En posant log = m le terme (Ca + + ) ) ) ) peut s'écrire - 2 log (CO H ) + m, avec le + souvent négligeable. Le pHs obtenu par les 2 auteurs est donc un peu moins précis que celui de Langelier, mais leur diagramme comporte un réseau de droites d'éguifC0 3 H ) libre de C0„ libre, une droite de saturation de référence (T=15 C et • =1) ++ et il permet de trouver facilement les différentes formes de CO (total, libre, agressif, équilibrant] et de déterminer les produits de correction pour l'exploitant. Le professeur Girard trace deux types de graphiques carboniques log 1/2 (C0 3 H 2 ) et log (CO*) en fonction de log 1/2 (COgl-f), ainsi qu'un abaque simplifié pour le calcul de la correction e à partir d'une formule /û" unique pour les différentes constantes K : e - 1+0,9/ü - 13 Cet abaque est par ailleurs intégré dans un nomogramme qui permet d'obtenir le pHs et le C0 3 H 2 équilibrant. L'application de cette méthode n'est pas très simple et la température n'est pas prise en compte. Le pHs obtenu à partir de l'annexe B4 est plus précis et les exploitants préfèrent habituellement utiliser la méthode d'Hallopeau et Dubin pour la correction éventuelle des eaux de distribution. - 14 - 3. COKROSJON 3Í. Selon les conditions, l'eau peut être réductrice, si elle cède des électrons, ou oxydante si elle capte des électrons. En présence de l'eau, un oxydant libère de l'oxygène tandis qu'un réducteur va libérer de l'hydrogène. Dans les 2 cas, il y aura dégagement gazeux si la pression de l'oxygène ou de l'hydrogène produit est supérieure à la pression atmosphérique. L'electrolyse de l'eau avec des électrodes de platine provoque des phénomènes d'oxydo-réduction avec dégagement d'oxygène et d'hydrogène aux électrodes,qui possèdent un potentiel déterminé E, mesurable en volts. La dissociation chimique de l'eau en ions H et OH , se fait selon la réaction I-LO •«— H + OH ; il y aura neutralité acide-base si (H ) • (OH ) , c'est-à-dire concentration molaire identique des deux ions, avec pH • 7 . De même la décomposition électrolytique de l'eau selon la réaction 2 H 2 0 •*— 2H„ + 0„ sera neutre du point de vue oxydo-réduction si la pression de l'oxygène libéré est égale à celle de l'hydrogène libéré. Cette neutralité correspond à une pression de 10 bars, et par analogie avec le pH, on prend par convention le cologarithme rH de la pression d e l'hydrogène, avec rH = 2 7 pour la neutralité d'oxydo-réduction. Les diagrammes fig.1 illustrent ces différents domaines d e neutralité acide-base et oxydation-réduction d e l'eau. E ( volts) E (voltt) + 0,8 stabilité thermodynamique de l'eau sous 4 bar • 0,4 0 ^•* -0,4 -0,8 courbe de dégagement d'hydrogène - I I I I I 3 Figure 1 - I 9 I 7 I 9 I II milieux réducteurs —4 basiques I I 13 15 pH I I I I 9 R 13 15 pH Diagramme de stabilité thermodynamique de l'eau - 15 - 32. Au contact ds l'eau la dégradation, ou corrosion du métal, est d'origine électrochimique ; il y a ionisation anodique, ou oxydation par départ d'électrons du métal. Pour le fer on a : —• Fe *— L'ion Fe ++ Fe + 2e . entre en solution dans une proportion qui dépend de la nature de 1 I electrolyte de la température et de la pression. A l'équilibre il existe une différence de potentiel mesurable avec un voltmètre branché entre le métal et une électrode de référence placée dans la solution : cette différence de potentiel est appelée potentiel de dissolution ou potentiel d'électrode. Le potentiel normal d'électrode E est obtenu avec une solution normale des ions du métal (contenant un ion-gramme de métal par litre, par exemple 55,85 g/litre pour le fer). Plus généralement, si la concentration est (C), et la charge = ± (ou valence) . à 25°C on a : °' 0 5 8 2 log (C) z Pour le fer : E = EQ EP + (formule de NERNST) <= - 0,440 + 0,029 log (Fe++) r* S Pour l'hydrogène : E,, = E,, + 0,0582 log (H+) j comme E,, = 0 par définition : H Ho no E u = 0,0582 log (H+) * - 0,06 pH M Les tables en annexe B5 (échelle de NERNST) indiquent la valeur du potentiel d'équilibre ou potentiel d'oxydo-réduction, par rapport à l'électrode d'hydrogène prise comme référence, d'un certain nombre d'éléments simples et alliages. - 16 - 33. L'eau pure à pH = 7 se décompose en H et OH selon la réaction équilibrée : H o"*- Ohf + H + , avec (H+)x(OH~) = 1 0 ~ 1 4 Si l'on plonge dans l'eau pure une plaque de fer à surface hétérogène, des plages anodiques et cathodiques apparaissent à la surface créant ainsi des micropiles ; l'eau est décomposée et : - sur les plages anodiques le fer ionisé passe en solution - sur les plages cathodiques les ions (H ) sont réduits et l'hydrogène se dégage. Pour que l'hydrogène se dégage, il faut que le potentiel de la cathode soit inférieur à celui de l'anode de 0,063 volt. Le fer peut alors passer en solution, et comme l'ion (Fe ) augmente (H ) diminue, donc pH augmente. Le phénomène s'arrête lorsque E p e = - 0,06 pH ou log (Fe ++ ) = 15,17 - 2,07 pH L'étude quantitative montre que dans une quantité d'eau limitée, avec un échantillon de fer en excès, au repos et à la température ordinaire, la solution obtenue a un pH = 9 et elle contient environ 0,35 mg/1 de fer. Cette solution est limpide car l'hydroxyde ferreux formé ne peut précipiter, puisque son produit de solubilité, (Fe )x(0H ) = 10 ' , n'est pas atteint. 34. Conxo&ion en ¿oùition acÀdz L'expérience de corrosion en solution acide montre que 1'attaque du fer est proportionnelle à l'acidité totale de la solution. 35. CoMo&ion_fa_fc<QjLnjLC^_dz&a:ttáz_&q:M Dans une eau carboniquement pure, c'est-à-dire ne contenant que les ions ( C a + + ) , (COg), (CO H I , ( C O ^ ) , avec (CO total) constant et (Ca des ions (Fe (H+) et (0H~) si l'expérienee est faite ) invariable, à la fin de l'expérience ) apparaîtront dans la solution. Si le pH < 8,3, on peut né- gliger l'ion (C0~) et au pH d'équilibre on a : (CD H.) = 2 x 10 13 (H + ) 2 et une concentration en fer : (CO H J = 2 (Fe ). - 17 - La totalité du CO H libre est donc corrosif, et après corrosion le pH d'équi- libre est donné par l'équation : 2 x 1 0 1 3 ( H + ) 2 = (CQ 3 H 2 ) ou pH = l° ë t2x10 13 )-log(CO.H 2 ) 2 et la concentration en fer (Fe ++ )= 35 J. Produit Le produit de solubilité de (Fe ++ ) (0H~) 2 est de 1 0 " 1 4 ' S 3 = 2,35 x 10~ est assez rarement atteint, donc l'hydroxyde ferreux ne précipite pas. Par exemple sur l'eau d'un puits de Libreville, M» Brémond calcule ainsi cette caractéristique. L'analyse a donné 64,2 mg/1 de CO libre = 1,46 x 10~ 3 mole/litre. Le fer attaquable a été calculé (Fe ++ ) = 1/2 (CO H 2 ) = 1 '46 X 1D " 3 = 0.73 x ID' 3 mole/1. 2 On calcule le pH d'équilibre : PH éq = l p g [2X 1 ° 1 3 ] - l Q g M ' 4 6 * 1 ° " 3 ) = 8.06 2 Donc (H+) = lo" 8 ' 06 et (Oh") 2 = 10 -8.06 'fll = lO" 5 ' 94 806 ++ Le produit (Fe ] (OH") est égal ici à : (0,73 x 10 ) x (10 D '^)^ = 1,04 x 10 < 2,35 x 10 Le produit de solubilité n'est donc pas atteint, c'est-à-dire qu'il n'y aura pas formation de précipité. 352. VKoduJjt dz bolubiLctt du. tanbonato. Le produit de solubilité du (C0 ) (Fe ++ ) = 2,7 x 10~ 1 ° Sur la même eau de puits de Libreville, (C0 ) est tirée d'un dia«J gramme en fonction du pH éq après corrosion et de la valeur de 1/2 (COqH~) donnée par l'analyse j on a CCQ~] = 0,03 x 10~3 mole/1 et (Fe ++ ] = 0,73 x 10 mo.l - 18— fi Le produit de ces deux concentrations donne 2,2 x 10 — 10 > 2,7 x 10 Le carbonate ferreux peut donc précipiter, mais l'agressivité n'en sera pas réduite et la corrosion se poursuivra. 353. VKoduJLtfaj>qbdbUJjtz_du_avibona£<L_d& calcMm On a (CCU (Fe ++ ) = 0,48 x 10~ 8 = -3 Sur l'eau de Libreville on a vue que CCO ) = 0,03 x 10 lyse donne (Ca ++ ) = 50,4 mg/1 = 1,26 x 10~ et l'ana- mo./l. Le produit (CCL) (Fe ++ ) = 3,78 x 10" S > 0,48 x 10~ 8 Après attaque du fer, le CD^Ca pourra donc précipiter et protéger 1 ' ' ' o ' ' " • i • i • • i - le métal pour arrêter la corrosion En résumé, après corrosion du fer par une eau agressive, il y aura ralentissement, puis arrêt de la corrosion, si CO Ca peut précipiter. On a constaté que les eaux qui ne peuvent pas déposer de CD Ca après corro- sion sont celles dont la dureté est inférieure à 1,8°F = 0,36 méq = 7,2 mg/1 de Ca avec (CO total) < 2 m.mo.l. 36. C Le professeur Girard construit un diagramme avec pH en abscisse et 2 CD total de l'eau en ordonnée. Sur ce diagramme 3 courbes sont reportées : - une courbe A qui détermine la limite de la zone agressive aux carbonates (à gauche) et incrustante (à droite). - une courbe C qui sépare également les eaux corrosives (à gauche) des eaux non corrosives (à droite). Ces deux courbes se recoupant au point M déterminent quatre zones : AC : zone d'agressivité et de corrosivité ; A : zone d'agressivité uniquement ; C : zone de corrosivité uniquement ; N : zone sans agressivité ni corrosivité. - à partir du point M, une troisième courbe (Ca ) = 1,8°F détermine une li- mite au-dessus et à droite de laquelle les eaux deviennent calcifiantes après corrosion. Lorsque le point représentatif d'une eau 1 se situe dans cette - 19 - (Cat«) I,8°F A COjtotol en millimole/litre 4 i I Figure 2 sous-zone, on constate : - au depart le fer s'ionise et passe progressivement en solution - corrélativement [H + ] diminue, donc pH augmente jusqu'en m,où le carbonate ferreux précipite j à partir de m le CO total diminue et la corrosion se poursuit - la corrosion s'arrête lorsque [Fe++J atteint la concentration 10 [H } c'est-à-dire au point _n, sur la courbe C,qui correspond à une constante -6 mole/litre. du C0 2 libre = 10 En résumé : Sur le diagramme CCL total en fonction du pH les courbes A et C déterminent les 3 zones d'agressivité et de corrosivitê et la zone N où ces 2 phénomènes n'existent pas j le domaine de corrosivitê AC + C est lui-même divisé en deux sous-zones par la courbe (Ca } = 1,8°F au-dessous et à gau- che de laquelle le CO Ca ne peut se déposer après corrosion, tandis qu'il y aura dépôt de CO Ca et finalement arrêt de la corrosion à droite de cette courbe. - 20 L'agressivité totale est proportionnelle à (CD H ) initiale et la vitesse d'attaque du fer au début est proportionnelle à : CCO H ] , donc à la concentration en ions (H ] 37. Cofuioilon du de. ^ Dans les eaux aérées, l'oxygène joue le rôle de dépolarisant de la cathode, et il se combine a l'hydrogène pour donner de l'eau j le pH ne peut donc augmenter et l'ionisation du fer va se poursuivre tant qu'il restera de l'oxygène. En présence d'oxygène il y a formation d'hydroxyde ferrique Fe(0H)„ qui précipite très facilement puisque son produit de solubilité est très faible. CFe + + + ) (OH-Î3 = 1 0 " 3 8 ' 2 5 Selon les cas, l'hydroxyde ferrique formé est colloïdal, colorant l'eau en rouge, ou cristallin ; sous forme cristalline il peut se déposer sur le métal et arrêter la corrosion. Si le dépôt d'hydroxyde ferrique est hétérogène et poreux il y aura aération différentielle sur le métal (effet Evans) provoquant des piqûres du métal. L'action de l'oxygène varie selon le pH de la solution : - en milieu fortement acide, avec pH < 4,5, l'hydroxyde ferreux Fe (0H") 2 formé reste fortement soluble et la corrosion se poursuit - en milieu alcalin, avec pH > 10, Fe (0H~) est insoluble et forme un re- vêtement protecteur qui réduit progressivement la corrosion - avec 4,5 < pH < 10, ce qui est le cas de la plupart des eaux naturelles, le taux de corrosion varie selon la teneur en oxygène, le pH et la température. La figure B6 montre l'évolution du taux de corrosion en fonction de la teneur en oxygène, avec pH = 7 et B. La figure B7 illustre les 3 domaines du taux de corrosion avec 0 = 5 cm^/litre ; le taux est de plus en plus fort lorsque pH descend au-dessous de 4,5, il est stable pour pH compris entre 8 ou 9,5, selon que la température est de 40°C ou 22°C, et décroissant pour les pH supérieurs. - 21 Les ions Na + ; K + , Mg + , Cl SO" N 0 3 , etc étrangers à l'équi- libre carbonique, contribuent à relever le pH d'équilibre d'une eau naturelle, donc à déplacer vers la droite sur le diagramme (fig.2) les courbes-limites d'agressivité et corrosivité. Les sels dissous modifient la structure des dépôts de carbonates ou d'hydroxydes et ceux-ci exercent une moins bonne protection du métal. 38. 381. WLagfuumz de.J>OUKBAlX M. Pourbaix a étudié les conditions d'équilibre entre le fer et les divers composés obtenus lorsque le métal entre en solution dans l'eau. Son diagramme de potentiel d'électrode Eh (par référence à l'électrode d'hydrogène), en fonction du pH, détermine la zone de corrosion du fer selon la —R concentration de celui-ci dans la solution ; en prenant (Fe) = 1 0 = 0,05Bmg/l comme teneur limite inférieure pratique de corrosion le diagramme de Pourbaix (voir figure B8) délimite 3 zones : - la zone de corrosion (pH faible, Eh élevé) - la zone de passivité (Eh faible) dans lequel le fer nu se trouve protégé, c'est le domaine de la protection cathodique - la zone de passivation (pH et Eh élevés) dans laquelle le fer se trouve recouvert d'un film protecteur : c'est le cas du fer dans le béton ou d'un milieu oxydant alcalin (inhibiteurs chimiques). 382. 3821 - Diagramme simplifié Le diagramme de Pourbaix découle de diagrammes plus complets illustrant les divers domaines de répartition de l'ion métal et de ses composés. A titre indicatif nous empruntons à M. Treuil (Réf. bibl. N° 23) le diagramme simplifié du fer et de ses principaux hydroxydes (cf. fig. B 9 ) : a) : Limite de stabilité du fer métal et de l'hydroxyde ferreux Fe(0H)g A 25°C sous une pression de 1 bar, la limite considérée est : Eh = - 0,047 - 0,059 pH La droite 'A) dont j'ordonnée à pH = 0 est. - 0,047 a une pentR c,=> - 0,059 pH - 22 - b) : Limite de stabilité entre hydroxyde ferreux Fe (OH),, et ferrique Fe(QH) 3 L'équilibre entre les 2 formes d'hydroxyde est défini par l'équation : Eh = + 0,271 - 0,059 pH et la droite B correspondante, de même pente que A aura + 0,271 pour ordonnée à pH = 0 c) : Limite de stabilité entre Fe ++ et Fe + L'équilibre entre le fer bi et trivalent dépend de Eh non de pH +++ f FP Eh = + 0,771 + 0,059 log 1 (Fe++ Lorsque les concentrations en Fe C et Fe sont égales, la limite est une droite parallèle à l'axe des abscisses à Eh = + 0,771 . +++ On aurait = -|03 (courbe Eh = + 0,948 si - ~ j L + (Fe ) Eh = + 0,594 si IÊ? (Fe ] = 10~3(courbe ] C" ) ] d] : Limite de stabilité entre Fe Dans la réaction Fe (0H) 3 ^ — C et 1'hydroxyde ferrique Fe (0H) Fe + 3 0H~ les constantes d'ionisation +++ entre Fe et 0H donnent : log (Fe + + + ) = 6.176 - 3 P H ou : P H - 6,176 - log (Fe* ++ ) 3 Si la concentration de (Fe ] = 1 , on aura pH = 2,059 =10" 4 , " = 3,39 =10" 6 , " = 4,059 . Ces valeurs déterminent les droites D o . j D i , et D parallèles à l'axe des Eh au-dessus de Eh = + 0,771 , et dont les abscisses correspondent aux valeurs des pH 2,059 , 3,39 et 4,059 j cette dernière valeur de 4,059 fF +++ 1 étant retenue comme limite pratique de — -(•Fe+ + = 10 ) - 23 - e) : Limite de stabilité entre Fe et l'hydroxyde ferrique Fe (OH)^ Cette limite est régie par l'équation : Eh = 1,11 - 0,059 log (Fe ++ ) - 0,168 pH. En prenant les concentrations (Fe+ ) = 1, 10" et 10 , on obtient les équations des droites D' , D 1 et D'.avec Eh = 1,11 - 0,168 pH pour D1 ù Eh = 1,346- 0,168 pH pour D'j Eh = 1,464- 0,168 pH pour D1 f) : Limite de stabilité entre Fe et l'hydroxyde ferrique Fe (0H) 7 Cette limite correspond à log (Fe ++ ) = 15,4 - 2 pH . Pour (Fe ++ ) respectivement égal à 1, 10~ 4 et 10~ on trouve pH = 7,7, 9,7 et 10,7,qui donnent les segments de droite parallèles à l'axe des y D" , D",. et D" avec a = 7,7 ; 9,7 ; 10,7. 3822 - Diagramme plus complet M. Treuil donne également le diagramme Eh - pH du fer (cf. fig. B10) comportant quelques ions complexes hydroxylés. Les hydrogéologues anglo-saxons utilisent assez couramment de tels diagrammes pour l'étude des eaux. Eh et pH sont mesurés sur le terrain et le point obtenu sur le diagramme donne un premier aperçu des caractéristiques de l'eau : - généralement les eaux profondes moins oxygénées, ont un Eh proche de 0 ou négatif tandis que les eaux plus proches de la surface ont un Eh positif. - selon la position du point par rapport à la limite oblique Fe ++ - Fe (OH) on note une tendance plus ou moins marquée à la corrosivité, qui croit de droite à gauche, à l'inverse des pH. ANNEXE B 1 LA CONCENTRATION d'une solution s'exprime de plusieurs façons : a) en molécules par litre; Par convention la masse atomique d'un élément est celle d' un atome-gramme = 6,023 x 1023 atomes (nombre d'Avogadro). La masse moléculaire, somme des atomes constituant la moléculetcorrespond donc à une molécule-gramme ; pour quelques sels fréquents dans l'eau, celle ci est de : 58,45 gr pour Cl Na, 100,1 pour CO Ca, 246,5 pour Mg SO. 7H 0,etc. On dira qu'une solution de Cl Na a une concentration moléculaire (ou molaire) ou d'une molécule par litre si elle renferme 58,45 gr de Cl Na par litre, et la solution millimoléculaire contiendra 58,45 mgr/1 = 1 millimole. NOTA : L'écriture entre parenthèses ou entre crochets d'un ion (A) ou [AJ traduit une concentration en mole/litre (molaire). équivalent-gramme /litre b) eo équivalent par litre; Concentration en pour Na Cl = -£§¿5. = 58,5 g/litre ¡ pour CO Ca = — ö 1 2 ; ex : valence = 50 g/litre. Dans les analyses d'eau on utilise couramment le milliéquivalent par litre (mé ..) qui correspond à i n a o d'équivalent-gramme/litre soit 58,5 mgr/1 pour Na Cl, 50 mg/1 pour C0 Ca, etc.... c) le degré français °F ; 0,2 méq ¡ Exemple, le titre alcalimétrique complet (T A C) ,qui représente la somme des alcalis libres dans l'eau (OH + CO + CO H ~ ) , *J s'exprime généralement en °F. Pour traduire les formulations différentes, rappelons : 1°F = 0,2 méq = 6 mg/1 C0 =,=12,2 mg /I CO H~, = 10 mg/1 C03Ca = 5 , 6 mg/1 CaO d) Pour mémoire ; 1°F = 0,56 degré allemand = 0,7 degré anglais. (page suivante, tableaux extraits du Mémento technique de l'Eau de la Sté Degrémont, éd. 1974, qui donnent les masses atomiques, moléculaires et les valeurs de concentration de solutions). • •«/ • 3 ANNEXE B 1 (suite) MASSE ATOMIQUE DES PRINCIPAUX ÉLÉMENTS Élément Symbole Valence Masse atomique Al Ag As N Ba Br Cd Ca C Cl Cr Co Cu Sn 3 26.98 107.87 74.92 14.007 137.34 79.91 112.40 40.08 12.011 35.45 52,00 58.93 63,54 118.69 55,85 19.00 1.008 126,90 6,94 24.31 54.94 200.59 95.94 58.71 196.97 15.999 30.97 196.09 207,19 39,10 ÉVALUATION DE LA CONCENTRATION DES SOLUTIONS (valeurs des différents degrés) Aluminium Argent Arsenic Azote Baryum Brome Cadmium Calcium Carbone Chlore Chrome Cobalt Cuivre Étain Fer Fluor Hydrogène Iode Lithium Magnésium Manganèse Mercure Molybdène Nickel Or Oxygène Phosphore Platine Plomb Potassium Radium Silicium Sodium Soufre Strontium Titane Tungstène Uranium Zinc Fe F H |Li Mg Mn Hg Mo Ni Au 0 P Pt Pb K Ra Si Na S Sr Ti W U Zn 1 3-5 3-5 2 1 2 2 4 1 3 2 1-2 2-4 2-3 1 1 1 1 2 2 1-2 6 2 1-3 2 3-6 2-4 2 1 2 4 1 2-6 2 4 6 6 2 226 28.09 22.99 32.06 87.62 47.90 183.85 238.03 65.37 Nota. Ces masses atomiques, arrondies A la seconde décimale, sont conformes a la Convention Internationale de 1961 admettant que la masse a'omique du Carbone " C est exactement égale à 12. Elles correspondent aux mélanges d'isotopes d'un m ê m e élément les plus fréquemment rencontres dans la nature. Valeur « n mg/l deii différentes unités Formule t'Sels et oxydes de calcium et d e magnésium participant à la dureté d* l'eau (titre hydrotimétrique) Carbonate de calcium CeCO, Bicarbonate de calcium C a ( H C O , ) , Sulfate de calcium CaâO« Chlorure de calcium CaCI, Ca(NO,), Nitrate d * calcium Chaux vive CaO Chaux hydratée Ca(OH), Carbonate d e m a g n é sium MgCO, Bicarbonate de m a g n é sium Mg(HCO,), Sulfate de magnésium MiSO. Chlorure de magnésium MgCI, Nitrate de magnésium Mg(NO,), Magnésie MgO Mg(OH), 2« Anions Carbonate Bicarbonate Sulfate Sulfite Chlorure Nitrate Nitrite Phosphate Silicate 3* Acides Sulfurique Chlorhydrique Nitrique Phosphorique MASSE MOLAIRE DES PRINCIPAUX SELS Corps Formule 4 * Cation« et oxydes Calcium Magnésium Sodium Masse molaire sulfate nitrate nitrite sulfate chlorure hydroxyde (Baryte) carbonate chlorure carbonate bicarbonate chlorure sulfate sulfate chlorure (ferrique) sulfate (ferreux) — (ferrique) carbonate chlorure sulfate hydroxyde (manganeux) carbonate carbonate sulfate nitrate permanganate phosphate méta-aluminate carbonate chlorure o-phosphate (bisodique) — (trisodique) AI, (S0 4 ),. 18 H , 0 NH« N O , NH, N O , (NH 4 ), SO« AgCI Ba (0H) 2 . 8 H , 0 Ba C O , Ba CI,. 2 H , 0 Ca C Û , Ca ( H C O , ) , Ca CI,, 6 H , 0 Ca SO«, 2 H , 0 Cu S 0 4 . 5 H , 0 Fe CI,, 6 H , 0 Fe SO«, 7 H , 0 Fe, (S0«)„ 9 HjO Mg C O , Mg CI,. 6 H , 0 Mg SO«. 7 H , 0 Mn (OH), Mn C O , Pb C O , Pb SO« K NO, K MnO« K, PO« Na Al 0 , Na, C O , Na, C O , . 10 H , 0 Na CI Na,HPO«, 12 HjO Na, PO«. 12 H , 0 666.4 80.0 64,0 132.1 143,3 315.5 197.4 244,3 100.1 162,1 219,1 172,2 249,7 270.3 278.0 562.0 84,3 203.3 246.5 89.0 115.0 267.2 303.2 101.1 158.0 212.3 82.0 106.0 286.1 58.4 358.1 380.1 La masse molaire d'autres corps également utilisés en traitement des eaux est donnée p. 888 et 889. HCO, SO. SO, CI NO, NO, PO. Aluminium 6° Sels divers Bicarbonate de sodium Carbonate de sodium Sulfate de sodium Chlorure de sodium Phosphate de sodium Silicate de sodium Carbonate de potassium Bicarbonate de potassium Sulfate de potassium Chlorure de potassium Phosphate de potassium * - Sulfate ferreux Sulfate ferrique Chlorure ferrique Sulfate d'aluminium Degré Oegré allemand anglais 10.0 16.2 13.6 11,1 16.4 17.828.9 24.3 19.8 29.3 10.0 13.2 50 81 68 164 56 74 82 28 37 84 42 146 120 95 148 40 68 73 60 14.6 12.0 74 20 29 14.8 60 61 96 80 55.6 47.5 30 61 48 40 H,SO. 98 49 HCI SiO, Oegré français 100 162 136 111 62 46 35.5 31.66 60 5.6 7.4 8,4 9.6 4.0 5.8 6.0 12.2 9.6 8.0 7,1 12.4 9.7 6.32 12.0 9.8 7.3 12.0 20.9 17.1 13.5 21.2 7.1 10.3 10.7 21.8 17.3 14,3 12,7 22.1 16.4 11.25 21.4 17,5 12.8 22.5 11.64 36.5 63 98 63 12.6 6.52 Ca Mg Na 40 20 4.0 7.16 4.35 23 62 39 94 23 31 39 8.2 27 102 9 17 4.6 6.2 7,8 9.4 5.6 1.8 3.4 40 56 35 40 8.0 56 35 11.2 84 106 142 58.5 84 S3 71 K K,0 Fe Al NeOH KOH NH«OH NaHCO, Ns,CO, Na,SO. NaCI Na,PO« Na,SiO, K,CO, KHCO] K,SO. KCI K,PO, FeSO. Fe,(SO«), FeCI, AI, (SO«), 24,3 55.8 164 122 138 100 174 74.6 12.1 47.1 27.9 58.5 64.7 61 69 100 87 74,5 212.3 70,8 152 400 76 162.5 66,6 54.2 342 57 2.43 8.0 10.5 15.0 36.6 32.66 14.3 23.1 19.4 15,8 23.4 26.1 21.4 17.0 26.4 H NO, H.PO« AI,O, 5° Bases Soude Potasse Ammoniaque Milliéquivalent/l 35.5 62 46 95 60 Na,0 Potassium Fer Aluminium Ammonium — — Argent Baryum — — Calcium — — — Cuivre Fer — — Magnésium — — Manganèse — Plomb — Potassium — — Sodium — _ — — — CO, Masse molaire 11.1 13.9 16.8 10.0 3.2 6.1 6.7 8.2 6.6 17.4 13.7 11.4 10.2 17.7 13.1 9.03 17.1 14 10.3 18 9.31 6.7 3.47 6.6 8.8 11.2 13.4 8.0 2.6 4.85 14.3 20.0 12.5 11.4 16.0 16,8 10.6 14.2 11.7 10.9 12.2 13.8 30 24 18.9 25.3 20.9 19.5 21.8 24.6 15.1 20.3 16,7 15,6 17,4 19,7 20 17.4 14,9 35,7 31.1 26.6 38.5 24.8 21.2 14,1 15,2 13.3 10.8 11.4 25.2 27.1 23.8 19.3 20.3 20.2 21.7 7,0 10 19 15.4 16.3 ANNEXE B 2 A B A Q U E P O U R D E T E R M I N E R LA F O R C E I O N I Q U E u Nota : Lire la force ionique u (échelle à gauche ou à d#oite) sur l'horizontale passant par le poids (en mg/1) de l'élément. ex. : pour 150 m g / 1 de C a : u = 0 , 0074 (United States Department of the Interior, Geological Survey, Water-supply paper 1473, plate 1) u 0.2 r—10.2 CI mg/1 0.1 0.09 0.08 0.07 Fe+2 mg/1 2000 0.06 Ca mg/1 2000 M g mg/1 1000 900 800 Na mg/1 -15000 1U.UUU mg/1 3000 H mg/1 100 90 700 1000 900 800 700 0.05 0.04 1000 900 600 2000 500 80 60 500 700 300 600 1000 900 800 700 400 0.02 500 200 300 400 600 500 0.01 200 300 0.009 400 100 90 80 0.008 0.007 200 0.006 50 00 400 0.003 50 6 50 30 20 40 60 0 30 0.001 - 20 0.0007 0.0006 0.0005 10 9 8 7 0.0004 10 9 0.0003 _ 9 8 0.06 0.07 0.05 3000 500 - 300 - 0.03 600 500 400 0.02 1000 900 800 700 SOO 200 — 300 400 600 500 400 200 100 90 80 70 50 40 100 90 80 7e 30 300 200 100 90 . 80 60 100 90 80 50 70 F mg/1 100 90 80 70 60 500 -I 0.004 400 (- 0.003 300 0.002 200 0.001 &•> .*' 20 1.0 .9 .8 .7 40 30 6 30 — 20 70 60 _ 0.0007 0.0006 _ 0.0005 0.0004 40 -^ 0.0003 10 - .5 10 9 8 7 6 90 80 - 50 .6 6 0.005 40 40 - 20 0.006 50 50 6 0.01 0.009 0.008 0.007 N0 3 mg/1 1000 p 900 800 700 600 - 600 50 - 30 4 .4 20 O.OC02 .3 5 0.0001 0.00009 0.00008 0.00007 0=00006 .2 4 1.0 0.0001 0.00009 0.00008 0.00007 .9 .8 0.00005 1.0 .9 0.00004 .8 .7 0.00006 .1 .09 .08 .07 .6 .5 .7 0.00003 .4 .6 .5 0.00002 .3 .0 .9 .8 .4 .2 .9 05 .8 .7 .6 .5 .03 .4 l.o .9 .8 .7 1.0 .6 .9 1.0 .9 .8 0.00003 .7 0.00002 .6 .5 .8 Na mg/1 Ca mg/1 .06 .5 2 2 0.00004 1.0 .04 .6 mg/1 0.00005 .7 .3 0.000005 4000 1000 900 800 - 7 ~5 0.08 2000 70 - 5000 0.04 60 5 0.00001 0.000009 0.000008 0.000007 0.000006 600 _ 700 200 - 7 0.0002 2000 _ 1000 900 800 700 60 — 4 a 3000 300 00 90 80 0 40 50 4000 • ¡200 60 0.002 300 o.i 0.09 mg/1 1000 900 800 700 10 9 8 7 40 60 co 3 5000 20 500 7000 6000 6000 400 _ 600 200 0 7000 30 -11000 900 800 700 60 80 100 90 80 0 3000 2000 K mg/1 3C.Û 90 • 0.004 8000 40 70 0.005 - 9000 4000 • 70 400 600 800 0.03 5000 r- HCC-3 mg/1 10.000 4000 9000 8000 02 .3 1.0 HCO 3 mg/1 Mg mg/1 K mg/1 01 H mg/1 S0 4 mg/1 .2 C0 3 mg/1 .7 .6 1 N0 3 mg/1 .5 CI mg/1 1.00001 1.000009 1.000008 1.000007 .000006 .2 F mg/1 .000005 ANNEXE B 3 ANNEXE B3a : Calcul des constantes d'équilibres carboniques à partir des valeurs de K., K_» K , pK., pK„, etc.. de Larson et Buswell Extrait de : Hallopeau et Dubin - Terres et Eaux n° 35 - 1961 - ANNEXE B3b : Calcul des constantes d'équilibres carboniques à partir des valeurs de K^, K 2 etc.. de LARSON et BUSWELL Avec : u = 22,5 x 10~6 R.S (en mg/1). ANNEXE B3c : Constantes K des couples acide-base usuel Extrait du Mémento technique de l'Eau - Degrémont ANNEXE B 3a sujet une étude très documentée. Utilisant la notation pK = — log ÄT, voici les formules de ces auteurs : Le calcul des constantes (4 tableaux) Les différences (d'ailleurs «n général assez faibles) qui apparaissent entre les travaux des différents auteurs concernant les équilibres carboniques proviennent principalement des valeurs adoptées pour les constantes et, plus encore, des lois de variation de ces constantes en fonction de la température et de la composition de l'eau. Dans la détermination de ces constantes, tous les auteurs modernes se réfèrent à la théorie de 1' « activité » ionique : ils donnent pour les constantes des valeurs « réelles » de base K l t K 2 , K s , déterminées à différentes températures, et affectent celles-ci d'un coefficient de correction pour calculer les valeurs « apparentes » K \ , K \ , K's, qui figurent dans les équations. C e coefficient est calculé par des formules dans lesquelles intervient la « force ionique ». L a force ionique est définie par la demi-somme suivante : ¡.1 = 0,5 (iHj V-C 4 - «'2 V22 4 - . . . "'i, »'•-•> • • • v\, t'2, • • • étant les concentrations molaires et les valences respectives des divers ions se trouvant dans la solution. N o u s avons utilisé les valeurs données par les auteurs américains L A R S O N et B C S W E L I . qui ont publié sur ce 1 -1- 1,4 VIT p K\ = 2 V¡Í 1 + 1,4 V |i 4V7 1 4- 3,9 V 7 = pK, 1 -}- 1,4 V ¡i et la constante C de nos équations a pour valeur : C = pK'2 — pK\ + 9,195 c'est-à-dire : €-•=•= pK2 — pKs + 9,195- 2VJT 4 V s* E n toute exactitude, il faut calculer » par sa formule de définition à partir de l'analyse de l'eau qui donne les différents ions présents. Cette façon de faire, qui est évid e m m e n t la seule théoriquement satisfaisante, est d'une application pratique compliquée : il faut avoir l'analyse complète de l'eau et faire le calcul. ANNEXE B 3a(suite) toutefois que l'application des formules et en particulier de la formule simplifiée donnant la force ionique ne sont admises par les auteurs que pour R S inférieur à 500 (ou 800) m g / 1 . Les chiffres que nous donnons pour les minéralisations plus élevées sont indicatifs, mais l'importance spécifique des ions devient alors beaucoup plus grande et un calcul correct demande la détermination de la force ionique par sa formule de définition. O n peut m ê m e considérer que dans de tels cas des déterminations expérimentales (test du marbre, par exemple) sont très utiles. Pour l'utilisation pratique, nous avons adopté la valeur approximative de y. utilisée par L A R S O N et B U S W E U , (et aussi L A N G E L I E R ) qui ne tient compte que de la minéralisation totale, c'est-à-dire du résidu sec R S (mg/1) : |i = 0,000 025 R S C'est évidemment moins rigoureux puisque l'on ne tient pas compte de la nature des ions. Sur les quatre tableaux ci-joints, nous donnons le calcul complet des constantes à partir de ces éléments. Précisons VALEURS DES CONSTANTES (d'après les données de L A R S O N et B U S W E L L ) 0° .. RS i* mtr/I rag/i + 2,61 0,417 6,583 10° 20° 15» 3,34 s. SU s 4,05 0,524 "3 >> " ^5 0,607 6,476 J ÏS. 6,393 25» 30» 40» 4,31 0,634 6,366 4,52 0,655 6,345 4,85 0,686 6,314 TKMPÉRATimi d'C 70» 80° 5,08 5,05 0,703 0,706 6,297 6,294 5,00 0,699 6,301 4,84 Ki. 10* 0,685 logiTi.107 6,315 ,Kx = 7-logX,HF 6,297 6,294 6,301 6,315 280 271 259 250 243 238 227 214 197 294 285 273 264 257 252 241 228 211 198 185 175 144 50» 60° <3E 2 0 20 40 80 120 160 200 280 400 600 800 1000 1200 2000 0,000 6,583 0,021 562 0,030 553 0,042 541 0,051 532 0,058 525 0,063 520 0,074 509 0,087 496 0,104 479 0,117 466 0,130 453 0,140 443 0,171 412 6,476 6,393 6,366 6,345 6,314 455 446 372 363 351 342 335 330 319 306 289 276 345 336 324 315 308 303 292 279 263 236 226 195 324 315 303 294 287 282 271 258 241 228 215 205 174 293 284 272 264 256 251 240 227 210 197 184 174 143 434 425 418 413 402 389 372 359 371 347 330 346 336 305 253 222 262 249 276 267 255 246 239 234 223 210 193 180 167 157 126 273 264 252 243 236 231 220 207 190 177 164 154 123 184 171 161 130 s i Il l? •*. Pour RS entre 800 «:t 2 0 0 0 les chiffres sont exti•apolés à titre indicatif. VALEURS DES CONSTAVTES (d'après les données de LARSON* et Busweu.) — logK's 0° RS mg/1 0 20 40 80 120 160 200 280 400 600 800 1000 1200 2000 L* + 10» 15» 2,36 3,24 0,373 0,510 "3 l>10,627 10,490 ! | 5 2 0.000 10,627 10,490 0,043 584 447 0,061 566 429 0,085 542 405 0,102 525 388 0,116 511 374 0,127 500 363 0,149 341 478 0,175 315 452 0,208 419 282 0,235 392 255 0,259 368 231 0,279 211 348 0,342 285 148 331 317 306 20» « 25» 30° 40° 50» 60° 70» 80° KMPÊRATURS d'c 4,20 4,69 5,13 6,03 6,73 7,20 7,51 7,55 0,623 0,671 0,710 0,780 0,828 0,857 0,876 0,878 og K210« 10,377 10,329 10,290 10,220 10,172 10,143 10,124 10,122 *t«n-.io,jr,io« 10,377 10,329 10,290 10,220 10,172 10,143 10,124 io;i22 100 081 334 286 247 177 129 079 063 082 268 316 229 159 111 061 ?44 039 292 205 135 087 058 037 022 227' 275 188 118 070 041 020 261 213 104 174 056 027 OOS 006 045 202 250 163 093 016 9,997 9,995 023 9,994 9,975 9,973 180 228 14.1 071 96t' 202 154 115 045 9,997 949 947 916 93Ü 169 121 082 012 964 914 889 142 094 055 9,985 937 908 887 865 031 118 070 961 913 884 S63 09S 050 011 941 893 864 845 843 035 9,987 9,948 801 782 780 878 830 pour RS e ntre 800 et 2000 1es chiffre:> sont ext rapóles à titre indi catif. [S. > > 4. i |1 ^. II J? •*. Annexe B 3a (suite) VALEURS DES CONSTANTES (d'après les données de LARSON et B O S W E U ) PK\ = — logK\ 0° RS 9,50 + 0,978 8,022 msr/l "'8/ * 0 20 40 80 120 160 200 280 400 600 800 1000 1200 2000 10° 15» 7,07 0,849 8,151 0.000 8,022 8,151 0,081 7,941 8,070 0,114 908 037 0,153 869 7,998 0,181 841. 970 0,202 820 949 0,220 802 931 0,251 771 900 0,288 734 863 0,331 691 820 0,364 658 787 0,392 630 759 0,413 609 738 0,478 544 673 20° 25° 30° 40° 50° 60° 80» TEMPÉRATURE d*c 5,25 4,55 0,720 0,658 8,280 8,342 4,03 3,06 0,605 0,486 8,395 8,514 2,37 1,83 0,375 0,262 8,625 8,738 1,38 1,06 0,140 0,025 logAYlO* 8,860 8,975 8,280 8,342 8,199 8,261 166 228 127 189 099 161 078 140 060 122 029 091 7,992 054 949 Oil 916 7,978 888 950 867 929 802 864 8,395 '8,514 8,314 3,433 281 400 242 361 214 333 193 312 175 294 144 263 107 226 064 183 031 150 003 122 7,982 101 917 036 8,625 8,738 8,544 8,657 511 624 472 585 444 557 423 536 405 518 374 487 337 450 294 407 261 374 233 346 212 325 147 260 8,860 8,975 8779 8,894 746 861 707 822 679 794 658 773 640 755 609 724 572 687 529 644 496 611 468 583 447 562 382 497 pour RS entrs 6D0 ÏÎ" et :oooi es chiffres sont extrapolés i titre indcatif. VALEURS DES CONSTANTES (d'après les données de LARSOX et BUSWEIX) C - logK'z — logK'.+-9,195 L* mg/1 u •>»• 0 20 40 80 120 160 1+3,9 RS 0° 10° 15» 20° 25° 30» 40° 50» 60» 70° 80» TEMPÉRATURE . d'c i 10,377 10,329 10,290 10,220 10,172 10,143 10,124 10,122 pKt . 10,627 10,490 8,022 8,151 *« a *•* *4 8,280 8,342 8,395 8,514 8,625 8,738 8,860 8,975 tKa 2,605 2,339 g ES1 S . 2,097 1,987 1,895 1,706 1,547 1,405 1,264 1,147 pKa-pKa 11,800 11,534 3 S 11,292 11,182 11,090 10,901 10,742 10,600 10,459 10,342 pKs — pK. +9,195 0,000 11,80 0,038 84 85 0,053 87 0,068 0,079 88 0,086 89 11,53 11,41 45 57 59 46 60 48 61 49 62 50 11,29 11,18 11,09 10,90 10,74 33 22 13 94 78 34 23 14 95 79 36 25 16 97 81 37 26 17 98 82 38 27 18 99 83 10,60 64 65 67 68 69 10,46 10,34 50 38 51 39 53 41 54 42 54 43 '|J> i+ ! > n ; T 200 0,093 89 63 0,102 0,113 0,123 0,129 0,133 0,134 0,136 90 91 92 93 93 93 94 64 65 66 66 67 67 67 280 400 600 SOO 1000 120C200C '•'• 50 51 52 53 54 54 55 55 38 27 18 99 83 69 55 43 . 39 40 41 42 42 43 43 28 29 30 31 31 32 19 11,00 20 01 21 02 22 03 22 03 22 03 23 04 84 85 86 87 87 S8 88 70 71 72 73 73 73 74 56 57 58 59 59 59 59 44 45 46 47 47 48 48 32 pour RS entre 800 et 2 0C0 les chiffre s sont extrapolés à titre indicatif. C*' T. •£. \ ! i | j ANNEXE B 3 b VALEUR DE LA CONSTANTE avec u = 22,5 x 10" 6 R.S. (en mg /l) 1 R. Sec en mg e = /l 1+ 1,4/LT à R.S = 0 0° 0,000 0,029 0,046 0,064 0,0775 10,627 10,598 10,581 10,563 10,550 100 150 250 500 750 0,089 0,107 0,138 0,184 0,220 1000 1250 1500 1750 0,248 0,272 0,292 0,310 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 O 10 25 50 75 0° 10,627 5° 10° 15° 20° 10,556 - ,490 - ,432 - ,337 10,538 10,520 10,489 - ,443 - ,407 25° 30° 35° 40° ,329 290 253 220 - 379 355 335 317 45° 50° 55° 60° 194 172 155 143 0,327 0,342 0,356 0,369 300 285 271 258 65° 70° 75° 80° 133 124 123 122 0,381 0,392 0,403 0,412 246 235 224 215 Calcul de pK.2 en fonction de la température et de R.S. : - prendre pK.2 avec R.S. = 0 colonne 4 4000 4250 4500 4750 0,422 0,431 0,440 0,449 - 205 196 187 178 - soustraire e (colonne Exemple : pK2 5000 5250 5500 5750 6000 0,457 0,465 0,472 0,478 170 162 155 149 0,485 10,142 2) à 55° avec R.S = 3250 à 55° pK 2 = 10,155 (col. 4 ) R.S = 3250, e = 0,392 (col. 2 ) 9,763 ANNEXE B 3 b (suite) ( T ) VALEUR DE LA CONSTANTE pK' avec 1 u = 22,5 x 10" 6 R . S . (en mg /l) 2 3 4 4/û~ D C r\. o . en mg /l P 1+3,9/LT à 0°c s avec R.S.=0 0 10 25 50 75 0,000 0,057 0,087 0,118 0,141 8,022 7,965 7,935 7,904 7,881 0° 8,022 5° 8,082 10° 8,151 15° 8,212 20° 8,280 100 150 250 500 750 0,155 0,189 0,232 0,300 0,345 7,867 7,833 7,790 7,722 7,677 25° 30° 35° 40° 8,342 8,395 8,452 8,514 1000 1250 1500 1750 0,378 0,405 0,428 0,447 7,644 7,617 7,594 7,575 45° 50° 55° 60° 8,570 8,625 8,682 8,738 2000 2250 2500 2750 0,464 0,479 0,493 0,505 7,558 7,543 7,529 7,517 65° 70° 8,798 8,860 8,919 8,975 3000 3250 3500 3750 0,516 0,526 0,536 0,544 7,506 7,496 7,493 7,478 75° 80° i Calcul de pK en fonction de la S température et du R. sec - prendre pK 4000 4250 4500 4700 0,553 0,561 0,568 0,575 7,469 7,461 7,454 7,447 5000 5250 5500 5750 0,581 0,587 0,593 0,599 7,441 7,435 7,429 7,423 avec R.S = 0 dans la colonne 4 - soutien e (colonne 2 Exemple : pK' à 35° avec R.S. = 2750 S f à 35° pK c = 8,452 (col. 4 ) R.S = 2750 : e = 0,505 (col. 2 } 7,947 6000 0,604 7,418 ) ANNEXE B 3 b (suite) VALEUR DE pHs = pK 2 - pK s 1 R.S mg pHs à 0° C pHs avec R.S = 0 /l 0 10 25 50 75 2,605 2,633 2,646 2,659 2,669 0° 5° 10° 15° 20° 2,605 2,474 2,339 2,220 2,097 100 150 250 500 750 671 687 699 721 2,730 25° 30° 35° 40° 1,987 1,895 1,801 1,696 1000 1250 1500 1750 2,735 2,738 2,741 2,742 45° 50° 55° 60° 1,624 1,547 1,473 1,405 2000 2250 2500 2750 2,742 65° 70° 75° 80° 1,332 1,264 1,202 1,147 3000 3250 3500 375G 2,740 2,739 2,738 2,737 4000 4250 4500 4750 2,736 2,735 2,733 2,731 2,741 5000 5250 5500 5750 2,730 2,728 2,726 2,725 6000 2,724 NOTA 1) colonne 2 : pHs f f (R.S) à 0°C = différence entre pK 2 et pK* à 0° (col. 3 tables A et B '" S 2) colonne 3 : pHs f,(T°) avec R.S = 0 = différence entre pK 2 et pK pour R.S = 0 (voir col. 4 - tables A S et B p l 3] Pour le calcul de pHs = pK 2 - pK à différents R.S et température, voir le calcul de pK 2 et pK - tables A et B ANNEXE B 3 c TABLEAU DES pK Constante das couplet acida-base usuels dans Peau a 25*. N o m da l'acide Ion hydronium Acide pyrophosphoriqua Acida oxalique — dichloracétique — phosphoreux — hypophosphoreux — sulfureux Ion sulfate acide — pyrophosphorique Acide orthophosphorique — arsénique — monochloracétique — fluorhydrique — nitreux — formique — cyaniqus Ion oxalique Acide benzoique Ion aniliníum Acide azothydrique — acétique Ion aluminium — hexamethylenetétramine — pyridinium — bisulfureux lor îyJ.or/ljT're Acide carbonique Ion pyrophosphorique — phosphoreux — arsénique — bichromiquê Acide sulfhydrique Ion phosphorique Acide hypochloreux Ion pyrophosphorique Acide cyanhydrique Ion arsénique Acide arséniaux Ion a m m o n i u m Acide borique Ion bicarbonique Ion phosphorique Acide hypoiodeux Ion calcium — sulfhydrique Eau Ion oxhydryle Formule de l'acide H,O+ H4Pa07 Clj¿Ht5o 2 H H,0P3H,POa HaSO, HSO4HaPjO,H3PO4 H,AsO« C(CH 2 C0,H HF HNOa HCO.H HCNO HC,04C.H.COjH §S£Ï (CH 2 ) t N4H + Formula database pK HjO HiP,O T HCap,ClaCHaCOa" H,PO, H.POa" HIO,SO4— — 1,74 0.85 1.2 1.3 1.6 a 1.8 1.7 1.8 1,9 2.0 2,2 2.3 2.9 3.2 3.4 3.7 3.8 4.1 4.2 4,6 4,7 4.8 4.9 4.9 6.15 7.1 6.0 6.4 6.7 6.2 è 6.6 4.4 t 7.1 6.4 7.1 7,2 7,3 8.6 9.1 9.2 è 12.0 9.2 9.2 9.3 10.2 11.9 »12.6 11.0*12.2 12.6 14.9 16,7 ~24.0 CiCHaCOj- F- NO3HCOa" CNOC a O«— C,H,COaC.H.NH, CHjCOa" AIOH++aq. (CH])«N4 CRHBN HSOjNH,OH+ COÍaq.__ HJPO, 1 HJASO*HCrO,5 H2S H CIO HP2O7—™ HCN HA^O*""" HAsOa NH«+ HBÔ, NH'JOH HCOJ- HPaO, HPOj~ HASÖ4— CrO 4 ~ HS- HPO4— CIO" &?-'— AsO« AsOa" NH, HCOÏ" HPO4-- co»— PO« HIO 10CaOH* S~ HO- CB"*"*"M HS- H,0 HD- 0— ABAQUE pour le calcul du pH de saturation : pHs Exemple avec une eau dont : T° = 24°C i Résidu sec = 1550 mg/1 Ca + + = 120 mg/1 j C0 3 H" = 250 mg/1 j C0 3 = = 15 mg/1 1] Sur l'abaque@on évalue la position de la courbe T° = 24°C 1 à son intersection avec la verticale x = 1550 on lit en ordonnée y-) = 2,14 2) Sur 1'abaque(Ë),la verticale x = 120 recoupe la droite Ca en Y 2 - 2,52 Somme des carbonates et bicarbonates : 250 + (15 x 2) = 280 mg/1 CO3H" j la verticale x = 280 recoupe la droite CO3H" en y- = 2.,3tf pHs = 2,14 + 2,52 + 2,3» = "-f. pHs -2,8 IO 20 50 100 200 500 1000 2000 résidu sec (en mg/1) 5000 50 100 Co++ ou CO-H" (en mg/1) 500 1000 ANNEXE B 5 ÉCHELLE D E NERNST DES POTENTIELS N O R M A U X D'ÉQUILIBRE PAR R A P P O R T A L'ÉLECTRODE N O R M A L E A H Y D R O G È N E , A 25 °C (Métal plongé dans une solution normale d'un de ses sels) Métal Reactions i l'électrode Potassium Calcium Sodium Magnésium Btryltium Aluminium Manganee« Zinc Chroma Gallium K - K+ + e- Ca N« Mg Be - Potemiel d'équilibre (volts) - 2.922 — 2.87 - 2.712 -2.34 — 1.70 - 1.67 - 1.05 - 0.762 — 0.71 -0.52 — 0.440 - 0.402 — 0.340 — 0.336 - 0.277 — 0.250 - 0.136 — 0.126 - 0.000 par convention + 0.345 + 0.522 + 0.799 + 0.800 + 0.83 -1- 0.854 + 1.2 environ + 1.42 + 1.68 Ce++ + 2eNa+ + eMg++ + 2eBe++ + 2e- Al - At*** + 3e- Far Cadmium Indium Thallium Cobalt Nickel Etain Plomb Hydrogène Cutvte Cuivre Mercure Argent Palladium Mercure Platine Or Or Mn 2n Cr Ga Fe Cd In 71 Co Ni Sn Pb H, - Mn++ + 2e~ - Zn++ + 2e~ -Cr+++ + 3e- Ga+++ + 3a" - Fe++ + 2e- Cd+* + 2e- tn+*+ + 3e- TI+ + e~ - Co++ + 2e- NI++ + 2e- Sn++ + 2e- P b + + + 2e- 2H+ + 2e- Cu Cu Hg Ag Pd Hg Pt Au - Cu++ + 2eCu + 4- eHg+ + e" Ag+ + e" Pd++ + 2eHg++ + 2e" Pt++ + 2eAu++* + 3e- Au - Au* + e" Extrait du Mémento technique de l'eau, Dégrémont TABLE 404* Electromotive Series of Metals and Alloys Corroded End (Anode) 1 ce o ce oc 1 LU CC O LU Q Protected End (Cathode) Magnesium Magnesium /.Hoys Zinc Aluminum 2 5 Cadmium Aluminum 17ST Steel or tron Cast Iron Chromium-Iron (Active) Ni-Resist 18-8 Chromium-Nickel-Iron (Active) 18-8-3 Chromium-Nickel-Molybdenum-lron (Active) Led-Tin Solders Lead Tin • • Nickel (Active) Inconel (Active) Brasses Copper Bronzes Copper-Nickel Alloys Mortel Silver Solder Nickel (Passive) Inconel (Passive) Chromium Iron (Passive) 18-8 Chromium-Nicket-lron (Passive) 18-8-3 Chromium-Nickel-Molybdenum-lron (Passive) Silver Gold f Idt.num (After the International Nickel C o . , Inc.) Extrait de "Water Well Technology" qui reprend ce document dans "Ground Waterand Wells", Johnson U O P , 1966 ANNEXE B 5 (suite) Potentiels d'oxydo-réduction Réaction a l'électrode Couple rédox Cs v + eLi+ + eK«- + «Ca*+ + 2 eNa+ + eAl O . - + 2 H t O + 3 e~ Mg«+ + 2 eAl*+ + 3eMn«* + 2 eZn»+ + 2 e" Cr*+ + 3 e~ S + 2c_ Fe«+ + 2 e~ Ni»+ + 2 eSn'+ + 2 «Pb*+ + 2 e- Cs+/Cs LÍ+/U K+/K Ca*+/Ca Na+/Na Al sO . - / A 1 Mg +/Mg / A1»+/A1 Mn«+/Mn Zn*+/Zn Cr*+/Cr s/s«Fe*+/Fe / Ni*+/N Pb«+/Pb 2 H+ + 2 H+/H, Sn + 2 r 2Cu«+H-2eCu»+ + 2e~ Fe (CN)Î- + e~ 2 Cu*+ 2 «I, + 2 *O , + 2H+ + 2 e~ F» + e Sn«+/Sn»+ Cu«+/Cu+ Cut+/Cu g+ Fc (CN)J-/Fe (CN)JCu+/Cu y Fe»+/Fe*+ Hg?+/Hg Ag+/Ag Hg»+/Hg Br^Br + 2 c- Hg«+ + 2e~ Br, + 2«210,"+ 12H++10*Oj + 4 H+ + 4 «MnO, + 4 H + + 2 e- CO? ,?+ + Cl, + 2 eM nOO . - + 8H+H- 5«Ce «+ + e- + 4 I IJOJ + 2 H+ + 2 e~ S S O2- + 2 ÎO , + 2 H+ + 2 eF, + 2 «- g 2BrI, + 6 H»O 2H0 Mn«+ + 2 H . 0 2 Cr" + 7 H , 0 2CI- Mn*+ + 4 H , 0 C>+ ; Mn O , + 2HjO 2 HjO 2SOÎ~ O , H- H 2 O 2F- MnO,/Mns+ Cr,Of-/Cr s + C1./CIMnO.-/Mn«+ Ce*+/Cc'+ MnO4-/MnO, H,0,/H.,0 ss"o2/sö] s o2/ o,/o, FJF e« (volts) - 3,02 -3,02 -2,92 -2,87 -2,71 - 2,35 -2,34 -1,67 -1,18 -0,76 -0,74 -0,51 -0,44 -0.25 -0,14 - 0,13 0,00 + 0,15 + 0,15 + 0,34 + 0,36 0,52 + 0.54 + 0,68 + 0,77 + 0,79 + 0,80 + + 0,92 + 1.06 1,19 + 1,21 + 1,23 + 1,33 -11,36 + 1.51 + 1,61 + + 1,69 1,77 + 2,01 + 2,07 + + 2,87 Extrait de M . TREUIL Bulletin B R G M , section III, n° 4 , 1970 ANNEXE B 6 Taux do corro&ion 310-1 100 ce/102 • 12 16 20 2« Fig. B6 - Corrosion en fonction de la teneur en oxygène ANNEXE B 7 Ttux 0.2 d* corrosion ltg*g»m»nl d'H* 1 1 * » 10 II 12 13 u Fig. B7 - Corrosion en fonction du p H . Extrait de J. GREFFARD (réf. bibl. n° 14) ANNEXE B 8 0,4 -0,826 P-a-s-s-i-v-i-t-« -1,* Ú 2 4 6 8 10 12 14 pH 0,4 -1,2 0 / 2 4 6 8 10 12 14 fer dans le béton DIAGRAMME DE POURBAIX d'après le Mémento technique de l'eau, Dégrémont ANNEXE B 9 2,099 Eh 3,39 4,059 •pH D2 D + 0,4 -0,5 -- •-0,557 - I J l I i i ' ' i l l 12 13 M pH Diagramme Eh - pH simplifié du fer à 25°C et une pression totale de 1 atmosphère. Les seules espèces considérées étant les hydroxydes, le fer métal et les ions simples F e + + et F e + + + (d'après M . TREUIL) ANNEXE B 10 12 K pH Diagramme Eh - pH du fer à 25° C et une pression totale de 1 atmosphère tenant compte de la stabilité de quelques ions complexes hydroxylés. Extrait deM. TREUIL, Bulletin B R G M , section III, n° 4 , 1970 ANNEXE C CORROSION ET INCRUSTATION Conseils pratiques pour les forages d'eau par Joe L . M O G G ingénieur en chef à Johnson Division, Universal oil products, St-Paul, Minnesota, U . S . A . Water Well Journal, mars 1973 - 1 - Les connaissances utiles concernant la corrosion et l'incrustation dans les puits d'eau ne s'acquièrent pas toujours en lisant des livres et en suivant des cours. On peut apprendre beaucoup en observant ce qui se passe dans la nature, spécialement ce qui se répète souvent. Cet article est basé principalement sur de nombreuses observations du Département d'ingénierie appliquée de la Division JOHNSON de la Compagnie U.O.P., St Paul, Minnesota, concernant les problèmes de corrosion et d'incrustation de puits qui sont survenus depuis que JOHNSON a commencé en 1920 à conserver de telles archives. QU'EST-CE QUE LA CORROSION ? La corrosion se définit comme l'attaque ou le départ de matériel d'une surface. Ce déplacement peut provoquer des défaillances dans les puits d'eau de trois manières : agrandissement des ouvertures de crépines provoquant des venues de sable et des ennuis de pompage ; diminution de la résistance mécanique entraînant des éboulements ou la destruction des tubages ou crépines ; dépôt des produits de corrosion provoquant l'obstruction des fentes de crépine entraînant une diminution du débit. Nous avons observé deux processus par lesquels ces trois types de défauts peuvent apparaître. Ces processus sont d'origine chimique et électrochimique. CORROSION CHIMIQUE La corrosion chimique apparaît lorsqu'un élément simple ou composé est présent dans l'eau à concentration suffisante pour provoquer le déplacement du métal : par exemple C02, 02, H2S, HCl, Cl, S04H2. Les eaux qui peuvent provoquer une corrosion chimique ont une minéralisation élevée. Voici des sites sur lesquels les eaux ont provoqué une défaillance rapide des crépines de puits par corrosion chimique : - La ville de GLEASON (Tennessee) : Des crépines en Everdur (bronze avec silice et manganèse) ont duré environ 3 ans en moyenne. Inversement, des crépines fabriquées entièrement en acier inoxydable de type 304 n'ont jamais failli. Les plus anciennes crépines tout-inox furent installées en 1957. Les crépines en alliage de cuivre ont lâché, mais pas celles en inox, par suite de la teneur importante de l'eau en CO2 et du haut index de stabilité de Ryznar qui en découle. L'index de stabilité de Ryznar est un moyen de traduire par un seul nombre quelques constituants-clés d'une analyse d'eau. Plus ce nombre est grand, plus le potentiel d'incrustation ou de corrosion est élèvé^ La corrosion est généralement due au C02 et l'incrustation au CO3Ca. Nous avons noté que si la valeur de l'index est au-dessus de 9, l'eau est très corrosive. Si elle est entre 7 et 9 elle n'est ni trop corrosive, ni trop incrustante. Si l'index est inférieur à 7, l'eau est nettement incrustante. Une analyse chimique typique de l'eau d'un puits de Gleason est donnée dans le tableau 1 ci-après. En réalité l'eau est stable lorsque l'index de RYZNAR est de 6,65 ; pour des valeurs plus grandes la corrosité croit de plus en plus tandis que l'incrustation augmente pour les valeurs inférieures à 6,65. - 2- TABLEAU 1 - Silice Fer Calcium Magnésium Na K Bicarbonate Sulfate ANALYSE CHIMIQUE TYPIQUE DE L 1 EAU DE PUITS DE GLEASON (TENNESSEE) 17 1,2 7,0 3,1 17 1,7 22 9,7 ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm Chlorures Nitrates Résidu sec pH Température Index de Ryznar 19 7,2 103 6 16 ,10 13 ppm ppm ppm C Un échantillon de crépine en Everdur de cette ville montre un départ de métal relativement uniforme sur toutes les parties de la crépine. - CENTRAL (New Jersey) : Des crépines en Everdur retirées de puits contenant de l'hydrogène sulfuré montraient une attaque importante du cuivre-métal; De telles crépines durent environ 20 ans. Des crépines en inox ont été utilisées depuis dans la région et aucune n'a failli et aucun indice de remontée de sable n'a été signalé. L'observation montre que les crépines en acier inox dureront plus longtemps dans les eaux renfermant H2S que celles fabriquées en Everdur. - RAFFINERIE DE PETROLE dans le sud de la Louisiane : Sur un puits d'un dépôt d'eaux usées recevant de l'acide chlorhydrique, une crépine fabriquée en Hastelloy B se détériora complètement en un an et demi. On supposait que cet alliage coûteux résistait à l'acide chlorhydrique, mais sous certaines conditions, ce n'est certainement pas le cas. Sur ce site, on aurait dû probablement employer de 1'Hastelloy C-276. - LONG ISLAND (New York) : De l'acide sulfurique fut introduit dans un puits équipé d'une crépine en acier inox 304. En quelques semaines une bonne partie de la crépine était dissoute. Des crépines en Carpenter 20 auraient été beaucoup plus adaptées. - LA MAISON BLANCHE (Washington P.C.) : En 1962 on installa trois crépines de type Monel pour un système d'air conditionné. En décembre 1964 les crépines lâchaient par suite de la corrosion et on les remplaçait par des crépines en inox 304. Celles-ci qui coûtent une fois et demie autant que les crépines en Monel, fonctionnent encore. La qualité de l'eau est figurée au tableau 2. TABLEAU 2 Silice Fer Calcium Magnésium Sodium Potassium Bicarbonate Sulfate QUALITE DE L'EAU - WASHINGTON D.C. ppm ppm ppm ppm 17 ppm 32 ppm 3 3, ppm 40 ppm 70 20 1,7 30 Nitrate 32 Conductivité 462 C0 2 38 Index de Ryznar 11,3 ppm micromhos ppm - 3 - Ces exemples montrent que les crépines en Monel aussi bien que celles en Everdur ne tiennent pas dans les eaux chargées en C02, à index de Ryznar élevé. Dans une telle situation à Long Island, au moins trois crépines en Monel ont lâché l'année dernière. Ici les eaux ont un index de Ryznar élevé et la durée de service était inférieure à 12 ans. Toutes celles qui ont lâché furent remplacées par un métal valable, tel que l'inox 304. - COLOMBIE BRITANNIQUE (Canada) : Un grand nombre de pointes filtrantes en inox 304 ont duré 4 ans en infiltration d'eau de mer contenant 120 ppm d'H2S. Elles furent remplacées en 1964 par des pointes fabriquées entièrement en acier inox type 316 ELC (extra low carbon). Ces pointes fonctionnent encore et aucun problème de corrosion n'a été relaté. Lorsque la teneur en H2S est très élevée et que l'eau de mer doit être captée, même l'inox 304 ne tiendra pas assez longtemps et l'on doit employer une qualité supérieure d'acier inox. Dans chacun de ces cas il n'y avait pas de produits de corrosion. Les matériaux attaqués étaient dissous dans l'eau et évacués. La solution de ces problèmes de corrosion consiste à utiliser d'autres matériaux plus résistants à la corrosion de ces éléments chimiques. Pour aider notre personnel à choisir le métal approprié pour une eau corrosive très chargée en C02 et, évidemment, dont l'index de Ryznar IR est élevé, nous avons dressé le guide indiqué au tableau 3. TABLEAU 3 - GUIDE POUR CHOISIR LE METAL APPROPRIE Matériau de la crépine acier peu carboné fer ARMCO cuivre rouge siliceux bronze Everdur super nickel Monel 400 acier inox type 304 acier inox type 304 ELC acier inox type 316 acier inox type 316 ELC * Extra Low Carbon Fourchette ou limite supérieure de IR pour ce matériau entre entre entre inférieur inférieur inférieur inférieur inférieur inférieur inférieur à à à à à à à 7,0 6,5 6,0 9,0 9,0 9,5 12,0 15,0 15,0 18 et et et 8 ,0 8 ,0 8 ,5 - 4 - TABLEAU 4 plus corrodable mieux protégé ECHELLE GALVANIQUE magnésium alliages de Mg zinc aluminium 25 cadmium aluminium 17 ST acier, fer, fonte ferro-chrome (activé) nickel acier inox 18-8 (activé) plomb, étain, soudure plomb-étain nickel, inconel (activé) laiton, cuivre bronze, Monel soudure d'argent nickel, inconel (passive) acier inox 18-8 (passive) argent or, platine ferro-chrome (passive) CORROSION ELECTROCHIMIQUE Un second type, la corrosion électrochimique, implique habituellement une eau très minéralisée constituant une solution électrolytique favorable au passage du courant électrique. Lorsque deux métaux différents sont présents dans ce type d'eau, il y a déplacement de métal à partir du métal le plus facilement déplaçable (le plus élevé dans l'échelle galvanique, tableau 4 ) . Cependant, le même métal peut présenter des différences de potentiel en différents points de sa surface. Les différences de potentiel sur la surface d'un métal donné, tel qu'un tuyau d'acier ordinaire, peuvent être dues à : la soudure d'un élément à un autre, donc un traitement par la chaleur, la cémentation au niveau des fentes mécaniques, la tension au niveau des joints filetés, et les revêtements de surface, tels que peinture, scories ou ciment. Dans ces cas-là, il y a à la fois création d'une cathode et d'une anode et le métal est déplacé à partir de l'anode. La partie supérieure du tableau 4 comprend ces métaux qui ont un potentiel négatif. L'un des plus bas est l'aluminium avec - 1,67 tandis que l'un des plus haut est le platine avec + 2,85 ; l'hydrogène a un potentiel d'équilibre de + 0. La corrosion d'origine électrochimique s'accompagne d'un dépôt des produits de corrosion à la cathode. Ceux-ci ont habituellement un volume important, supérie ir à celui du seul fer (si c'est le fer qui est le matériau corrodé) car ils se j résentent normalement en hydroxyde ferreux ou ferrique. - 5 - Ce type de corrosion provoque souvent l'obstruction des fentes de crépines, et en conséquence la défaillance du puits qui ne donne plus le débit demandé. Un excellent exemple de différences de potentiel sur un même matériau est donné par une crépine en fer Armco du puits de l'hôpital proche de Fort Supply, Oklahoma. Cette crépine dura 5 ans. La défaillance se traduisit par une réduction de débit, puis finalement par un éboulement. L'emploi d'un bon métal, dans ce cas de l'acier inox 304, aurait été la bonne solution. En 1962 des crépines entièrement en inox 304 ont été mises en place, et un compte rendu fait l'année dernière indique que tous les puits fonctionnent encore correctement. Cependant les puits n'ont pas été utilisés en permanence depuis 1966, mais sont exploités par périodes mensuelles de pompages et d'arrêts. Considérant le temps réel d'utilisation, il est démontré à l'évidence que l'inox 304 a résolu ce problème. Plusieurs puits du Bureau of Reclamation, situés dans les alluvions de la Gila, près de We 11ton, Arizona, fournissent des exemples de l'usage de deux matériaux différents dans une eau très conductrice. Le tableau 5 montre l'analyse de l'eau. TABLEAU 5 - PH TAC Chlorures Magnésium Résidu sec ANALYSE D'EAU DES PUITS DU BUREAU 0F RECLAMATION PRES DE WELLTON (ARIZONA) 7,3 267 6 400 209 12 400 ppm ppm ppm ppm Sulfates Calcium Index de Ryznar 313 421 7,7 ppm ppm Dans cette eau, des crépines du type Houston, constituées par acier inox enroulé sur un tube support en acier doux furent obstruées mois. La corrosion d'origine électrochimique entraîna une obstruction mineux produits de corrosion. Pour résoudre le problème on utilisa un sistant à la corrosion, même dans une bonne electrolyte. un fil en en trois par de volumatériau ré- Un curieux exemple concerne plusieurs puits équipés de tuyaux perforés en acier, dans le district de Gaja, Pakistan occidental. Ces puits furent réalisés et laissés au repos pendant deux ans. Puis il furent mis en exploitation, et à la stupéfaction générale, on constata une forte diminution du rendement. Les tubages et tuyaux perforés remontés du puits montrèrent que des cristaux de calcite avaient bouché les fentes et le tuyau d'acier. Du fer apparaissait en litages dans les incrustations de carbonate de calcium. Logiquement on peut penser que la corrosion est apparue et a déclenché les incrustations par le carbonate de calcium. Le pH plus élevé (on utilise ce symbole pour indiquer l'acidité ou l'alcalinité ; le pH = 7 correspond à la neutralité) à la cathode a déséquilibré la balance ionique. Ainsi le carbonate de calcium s'est déposé de la solution sursaturée vers la cathode. Ce problème fut résolu par l'emploi de tubages en fibres de verre et de crépines en acier inox. QUELQUES CONSEILS PRATIQUES Si l'acier doux doit subir une corrosion chimique dans un milieu donné, la corrosion sera beaucoup plus rapide dans ce milieu s'il est relié à un métal moins corrodable que lui (situé plus bas dans l'échelle galvanique du tableau 4 ) . A une - 6 - distance supérieure à trois fois le diamètre du tube la corrosion sera très réduite, Ceci explique pourquoi des agencements (isolants) doivent toujours être placés aux deux extrémités des crépines en inox. A défaut, la corrosion se concentre sur une surface relativement réduite de l'acier doux connecté avec l'acier inox. L'acier doux dans une bonne electrolyte se corrodera plus vite que deux matériaux différents. Bien que les deux métaux différents puissent être plus éloignés l'un de l'autre dans l'échelle galvanique et présenter ainsi une plus grande différence de potentiel, ils peuvent être plus résistants à la corrosion chimique, c'est à dire avoir une plus grande résistance d'ensemble à la corrosion. - Les zones soumises à une tension auront une plus grande probabilité d'être corrodées que celles qui ne le sont pas. L'élévation de la température accroît le taux de corrosion, soit un doublement de ce taux pour 40° F (?M 22° C) d'accroissement. Les hautes vitesses accroissent le taux de corrosion. L'oxygène accroît le taux de corrosion. - Les matériaux plus durs'Ç tels ceux qui ont une haute résistance à la traction, se corroderont plus vite que les matériaux moins durs à faible résistance à la traction, ou que les matériaux recuits. Généralement la corrosion chimique entraîne une perte de métal, le métal étant complètement dissous et évacué. Les eaux chimiquement corrosives sont généra lement celles qui ont un pH faible (acide) et un faible résidu sec. Les défaillances sont mises en évidence par la venue du sable. - Généralement, la corrosion électrochimique cause des pertes de métal en quelques secteurs des tubages et crépines. Puis le dépôt des produits de corrosion apparaît sur d'autres secteurs. De telles eaux sont celles qui ont un pH élevé (al calin habituellement supérieur à 7) et un résidu sec élevé (habituellement 1 000 ppra). La défaillance apparaît habituellement par réduction du débit due à l'obstruction des ouvertures de crépines par les dépôts de corrosion et/ou destruction consécutive des crépines après la réduction de débit. SI L'ON PARLAIT D'INCRUSTATION ? L'incrustation de type minéral est un phénomène courant dans le domaine des eaux souterraines (Carlson and Graeff 1955). Elle est attibuée à la diminution de pression au puits dans un aquifère. La réduction de pression fait que certains sels dissous considérés comme instables seront beaucoup moins solubles. Le minéral classique et prédominant trouvé dans les incrustations est celui qui donne la dureté, le carbonate de calcium. Il y en a d'autres parmi lesquels on peut citer les hydroxydes ferreux, ferriques et manganiques, le carbonate de magnésium aussi, jusqu'à un certain degré. Cependant, la solubilité du carbonate de magnésium est voisinede 1 000 ppm, aussi 1'observe-t-on rarement en précipité. Ces minéraux précipitermt quelque soit e métal ou le matériau de la colonne de captage ... et quelles que soient les runaurs que vous ayez pu entendre. On entend souvent dire : On pourrait traduire également : plus trempés, plus aciérés. Il est connu qu'à l'air libre un fer doux, parfaitement décarboné, s'oxydera beaucoup moins qu'un acier, qui renferme du carbone1 "avide" d'oxygène. - 7 - "Les crépines en plastique ne s'incrustent pas comme celles en métal ; les crépines "métalliques sont toutes conductrices de l'électricité. Le plastique, les fibres de "verre, le béton et le (transite ?) ne sont pas conducteurs, donc avec eux, vous "n'aurez pas d'incrustations". Contrairement à ces affirmations : Les dépôts incrustants de fer sur les crépines en plastique sont devenus un véritable problème en Allemagne. - Le renommé Dr Nazir Ahmad indique que les tubes en fibres de verre lanterr nés, installés au Pakistan occidental depuis 7 ans, sont incrustés. Tubes et éléments lanternes étaient pourtant en fibres de verre. - Dans les archives de Johnson Division des notes font état d'incrustations dans des puits avec tubes et crépines en béton, par exemple dans la région d'Alton East St Louis, Illinois. Pour chées tandis les crépines dable et que expliquer pourquoi quelques crépines en plastique n'étaient pas bouque celles en métal l'étaient, on peut supposer habituellement que métalliques étaient en acier doux ou autre matériau facilement corrole colmatage provenait des dépôts de corrosion. Pour réduire ou éliminer les problèmes d'incrustation on peut : prévoir plus d'ouvertures dans les crépines dans chaque puits concerné ; réduire le rabattement avec des puits de meilleur rendement en effectuant au mieux la conception, la réalisation et le développement ; et en réduisant le débit pompé sur chaque puits pour réduire le rabattement ; prévoir des traitements chimiques périodiques, avec les produits appropriés garder l'oxygène à bonne distance des tranches crépinées du puits. Par exemple utiliser des packers ou des joints isolants s'il est impossible de maintenir le niveau dynamique à distance suffisante du sommet des crépines. Les deux acides que nous utilisons pour détruire les incrustation sont l'acide sulfamique et chlorhydrique. La résistance des matériaux au traitement de l'acide chlorhydrique est donnée au tableau 6, par résistance décroissante de haut en bas . Le carbonate de calcium est facilement dissous par les deux acides. Il entre en effervescence à l'attaque de ces acides. D'autre part ces acides attaquent les incrustations de fer plutôt lentement, spécialement l'acide sulfamique, à moins qu'il ne contienne un accélérateur. Généralement plus de 90 "L des problèmes d'incrustations minérales sont dues au carbonate de calcium ou aux hydroxydes ferreux ou ferriques. Les incrustations dues au manganèse, au carbonate de magnésium et au sulfate de calcium sont rares. De nombreuses références dans la littérature conduiraient à croire que le sulfate de calcium crée des problèmes dans les puits. En fait le sulfate de calcium est soluble dans toutes les gammes de pression normalement rencontrées dans les puits ; en conséquence, une réduction de pression ne peut l'amener à précipiter. l;a changement de température entraînera la précipitation du sulfate de calcium. A miaute température (au-dessus de 140° F = 60° C) le sulfate de calcium moins soluble va précipiter. C'est pourquoi on rencontre de tels problèmes dans les bouilleurs. La seule fois où nous ayons observé des dépôts de sulfate de cal- - 8 - cium, c'était dans des exploitations de lithium dans l'Ouest du Nevada. Ici, le sulfate de calcium était en solution sursaturée (7 500 ppm) et nous pensons qu'un changement de vitesse ou un léger changement de température à l'intérieur du puits près de la surface, par comparaison avec celle des couches de terrain aurait déclenché le dépôt des sels. Les dépôts étaient prédominants sur la colonne de refoulement de la pompe. TABLEAU () - 1 2 3 - 4 5 6 7 - RESISTANCE DES MATERIAUX AUX TRAITEMENTS A ClH (en ordre décroissant) La plupart des plastiques et fibre de verre Acier inox 316 et 304 Bronze mangano-siliceux (Everdur) Laiton rouge siliceux (laiton rouge ?) Fer ARMCO Acier doux Béton LES PROBLEMES DE BACTERIES On sait que les colmatages d'origine bactérienne sont dus à divers germes de bactéries du fer, notamment les genres Gallionella, Crenothrix et Leptothrix. Ces organismes sont capables d'oxyder le fer et le manganèse dissous et de les faire précipiter. La précipitation du fer et la croissance rapide des bactéries crée un amas volumineux qui bouche rapidement les pores des matériaux périphériques du puits ainsi que les crépines. Les réductions de rendement sont frappantes. La figure 1 qui provient d'excellentes observations et enregistrements conservés par James B. Schultes, de la Compagnie Schultes, Woodbury, New Jersey, montre ce que peut être le colmatage par les bactéries du fer et aussi la fréquence des traitements nécessaires. Les bactéries du fer et leurs problèmes apparaissent généralement : dans les eaux peu profondes, ce qui indiquerait que la plupart sont aérobies , - dans les eaux froides, vers des températures de 65° F (18° C) ; ou dans les eaux riches en fer et manganèse, qui contiennent un ppm ou plus de fer. Cette teneur est apparemment nécessaire pour maintenir la croissance des bactéries ; et dans les eaux à faible résidu sec, soit moins de 1 000 ppm (1 g/1). - 9 - 19« - 1963 j x— 4 9 RedevelopnMnt "A" / 1965 \ "v ase / •£_ Redevelop jent " B " ~ . säe 1 - ,fcss«, _ — — — — S69 • I Figure 1 - Reconstruí:tion • L'effet colmatant d'une bactérie du fer (Gallionella) sur le rendement d'un puits à débit élevé. Il semble qu'il y ait aujourd'hui davantage de cas de bactéries du fer que 15 ans plus tôt, et nous pensons que les spores des bactéries peuvent être transportées d'un puits à l'autre. Il y a un cas typique en Caroline du Nord, où sur un puits en service depuis plusieurs années on a relevé la pompe pour une petite réparation. Immédiatement après les problèmes de bactéries du fer ont débuté dans le puits. SOLUTION DES PROBLEMES DE BACTERIES DU FER Les problèmes de bactéries du fer ne peuvent être résolus d'une façon définitive — en tout cas nous n'en connaissons pas d'exemple. Cependant la croissance des bactéries peut être arrêtée et quelquefois contrôlée par l'emploi de chlore. Des recherches au Canada (Grainage and Lund, 1969) indiquent que les bactéries peuvent être tuées par une solution à 300 ppm de chlore après un contact de 18 heures. Plusieurs foreurs et ingénieurs ont utilisé un traitement à l'acide chlorhydrique, d'abord pour dissoudre le précipité de fer enveloppant les bactéries et ensuite pour faire subir un traitement de choc (300 ppm ou plus) pour tuer les bactéries. - 10 - Un autre produit chimique également utilisable est le bioxyde de chlore. On a obtenu de bons résultats avec ce produit, spécialement à Sàyreville, New Jersey. Au début on a cru que l'acide acétique était approprié au contrôle des bactéries du fer, mais les résultats obtenus ne sont pas exactement un succès. Néanmoins certains emploient encore l'acide acétique pour tuer les bactéries du fer. En nouvelle Angleterre, on a essayé d'introduire du chlore en continu dans une couronne de petits sondages situés à 3 m autour du puits exploité. D'après nos informations ce n'est pas le plein succès ! Cependant l'emploi d'Aquadene (fabriqué par S tiles-Kern Cojrpora&an Waukegan, Illinois) pour maintenir le fer en solution à une certaine cote dans les régions de Nouvelle Angleterre. Une entreprise de forages très expérimentée en la matière est la Compagnie R.E. Chapman, Oakdale, Massachussetts. L1 Aquadene est censé fixer le fer de telle sorte qu'il ne précipité pas quelle que soit l'élévation de température ou la chloration. Dans le Sud certains utilisateurs d'Aquadene rapportent que le fer précipite pourtant lorsque l'eau est portée à ebullition. Le succès d'Aquadene, en Nouvelle Angleterre, provient de ce que les puits se colmatent moins vite qu'avant l'utilisation de ce produit. On a dit que les bactéries du fer ne se développaient pas sur des crépines en cuivre en raison de la toxicité de celui-ci. Le cuivre est un poison et il est évident que sur un puits domestique exploité moins de 10 % du temps, il y a suffisamment de temps pour que la crépine en cuivre tue ou stoppe la croissance des bactéries du fer. Plusieurs faits peuvent être mis en lumière à ce sujet : - En plusieurs endroits, dans 1'Indiana et l'Ohio, des crépines en acier inox ont été colmatées plus vite que des crépines en Everdur bien que le pourcentage de vide fût plus important sur les premières. Les eaux renferment du fer et bien qu'on n'ait pas recherché les bactéries du fer sur toutes les eaux, celles qui ont été testées ont révélé qu'il y en avait. - A East St Louis, endroit réputé pour les bactéries du fer, des crépines en Everdur sur des puits d'industries ont montré une moindre résistance au colmatage que des crépines en acier inox. Les bactéries du fer n'apparaissent pas dans les eaux très minéralisées, chargées en chlorures, à température élevée (au-dessus de 75° F H1 24° C ) , dans les puits profonds, en zones arides, dans les eaux riches en sulfates. Les bactéries sulfato-réductrices sont des organismes anaérobies qui réduisent le sulfate en sulfure. Le sulfure se combine avec lhydrogène de l'eau pour donner de l'hydrogène sulfuré. Celui-ci, naturellement, corrode rapidement l'acier. Elles ne sont pas très répandues dans les puits de l'industrie, mais elles le sont dans l'industrie du pétrole. On les trouve dans des eaux très différentes de celles qui contiennent des bactéries du fer aussi ne faut-il pas s'attendre à les trouver toutes deux dans les mêmes eaux. Dans ce pays il faut s'attendre à trouver des bactéries sulfato-réductrices dans l'ouest du Texas, dans le Nouveau Mexique, l'Arizona et le sud de la Californie. Tous les détails exposés ci-dessus sont basés sur de vraies expériences des problèmes de terrain au cours des 40 dernières années. - 11 - Cet article a été publié à l'origine dans GROUND WATER, Volume 10, n° 2 et il est publié ici avec la permission de l'auteur. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES Carlson and Graeff, 1955. Geology and Economie Resources of the Ohio River Valley in West Virginia. West Virginia Geological and Economie Survey, Morgantown, West Virginia. June, p. 24. Grainage J. W., and E. Lund, 1969."Quick culturing and control of iron bacteria". Journal of American Water Works Assotiation, May. Ryznar, John W., 1944. "A New Index for Determining the Amount of Calcium Carbonate Scale Formed by a Water". Journal of American Water Works Association, April. Ahmad Nazir, 1969. Tubewells Construction and Maintenance. Scientific Research Stores, 4 Abkari Road. Lahore,- West Pakistan, 236 pp. Water Well Journal, March 1973. ANNEXE D U N NOUVEL INDEX POUR DETERMINER LA QUANTITE D U DEPOT DE C O 3 C a FORME PAR UNE EAU par John W . RYZNAR - 1 - JOURNAL N° 36 DE L 1 AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION USA - avril 1944 UN NOUVEL INDEX POUR DETERMINER LA QUANTITE DU DEPOT DE CO 3 Ca FORME PAR UNE EAU JOHN W. R Y Z N A R ^ Le but de cette recherche était d'obtenir une formule donnant un index quantitatif du dépôt de carbonate de calcium à toutes températures, jusqu'à 200° F, (&' 93° C) et de prédire, si possible, la corrosivité des eaux non incrustantes. Cette information était également souhaitée pour les eaux dans lesquelles les inhibiteurs du type polyphosphates ou phosphates à molécule anhydre étaient présents. L'entartrage dans les canalisations de distribution et dans des appareils domestiques de production d'eau chaude est bien connu. Les difficultés avec des dépôts de CO3Ca sont également un fait d'expérience dans divers types d'appareils de refroidissement, parmi lesquels les condenseurs de centrales, les échangeurs et condenseurs de raffineries, les condenseurs d'amoniac, les appareils de conditionnement d'air, les circuits de refroidissement de moteurs, e t c . . Ceux-ci parmi beaucoup d'autres problèmes de dépôts indésirables, montraient la nécessité d'une formule quantitative valable pour prédire le comportement d'une eau et recommander le traitement correctif nécessaire. Les phosphates anhydres ont été étudiés à ce propos en raison de leur capacité à stabiliser une eau normalement incrustante, jusqu'à un certain point, et de la sorte prévenir le dépôt de CO3Ca. On pensa que cet index quantitatif ou cette formule pourraient être obtenus . plus facilement par l'utilisation de valeurs et corrections pour les différents équilibres de solubilité du CO3Ca. Les facteurs affectant les équilibres de solubilité de C03Ca ont été étudiés par de nombreux chercheurs. LARSON et BUSWELL (1) dans leur note sur "l'index de saturation du carbonate de calcium et les interprétations de l'alcalinité" donnent une bonne bibliographie de cette partie du problème. Le professeur W. F. LANGELIER (2) a d'ailleurs le mérite d'avoir été le premier à attirer l'attention des techniciens de l'eau en formulant une expression générale à partir des différents facteurs facilement analysables dans une eau qui affectent la solution ou la précipitation de CO3Ca. Sous une forme simplifiée et pour des eaux à pH compris entre 6,5 et 9,5 voici la formule de LANGELIER pour le pH auquel une eau est en équilibre avec le carbonate de calcium : pHs = (pK'2 - pK's) + pCa + pAlk K'2 et K's sont les constantes apparentes calculées à partir des constantes thermodynamiques réelles K2 et Ks dont les valeurs ont été déterminées. K2 est la seconde constante de dissociation pour l'acide carbonique, et Ks est le produit d'activité du C03Ca. Le terme (K'2 - K's) varie avec la force ionique, les sels dissous et la température.pCa est égal au logarithme négatif de la concentration (*) John W. RYZNAR, chimiste de la National Aluminate Corp, Chicago, Illinois. 2 - de l'ion calcium en molécule par litre ; pAlk est le logarithme négatif de l'alcalinité totale de l'eau au méthyl orange en termes d'équivalents par litre. LARSON et BUSWELL (1) utilisant des données plus récentes pour évaluer les constantes et leurs variations avec la température et le résidu sec expriment comme suit la formule du pH de saturation du C03Ca : pHs = log |f - log Dans cette équation (Ca en Ca et CO3Ca. (C3++) - log (Alk) + 9,30 + 2?5 1? 1? 1 + 5.3VT+ 5,5 ) et (Alk) sont exprimées en ppm, respectivement La différence algébrique entre le pH réel de l'échantillon d'eau et son pHs calculé exprime le degré de saturation du C03Ca et s'appelle l'index de saturation ou : Index de saturation = pH réel - pHs Une valeur positive de l'index de saturation indique une tendance au dépôt C03Ca et une valeur négative une tendance à la dissolution de C03Ca. L'index de saturation est toutefois uniquement qualitatif et comme LANGELIER l'a souligné, "l'index de saturation est une indication donnant une forte tendance essentiellement qualitative mais pas un moyen de mesurer une quantité. L'application de cette information est aujourd'hui importante pour protéger contre la corrosion des canalisations des distributions d'eau publiques. Sous cet angle elle a été bénéfique pour les chimistes de l'eau pour déterminer si, eu égard au C03Ca, les eaux se situent "du côté" incrustant ou corrosif. L'index de saturation ne permet toutefois pas toujours de faire des prévisions, parce que certaines eaux à index positif peuvent être parfaitement corrosives. Ce point a été observé et relaté par HOOVER (3).' Ceci est dû au fait que l'index de LANGELIER n'indique pas combien de C03Ca sera déposé ; ou bien l'état de sursaturation existant suffit à produire un précipité ; ou bien il est assez élevé pour donner une pellicule protectrice. Ceci apparaît plus clairement à l'examen de deux eaux aux caractéristiques suivantes : - Eau a) Eau b) - Tc> • m T<> = 75» 750 cC ; PHS - 6 ; pH réel ; pHs - 10 ; PHréel - 6,5 ; index de saturation « 10,5 ; index de saturation = +0,5 » +0,5 A partir de l'index de saturation IS on pourrait prédire que les deux eaux sont également incrustantes. En réalité a) serait incrustante tandis que l'eau b) serait tout à fait corrosive. Un pHs de 6,0 montre que le calcium et l'alcalinité totale (TAC) de l'eau doivent être élevés, tandis qu'un pHs de 10,0 indique que Ca et TAC sont bas. Donc en réalité, dans ces conditions, le pHs est plus évocateur des caractéristiques de l'eau que 1'IS. Un IS de + 0,5 dans le cas des eaux ci-dessus ne dit rien de cette différence. Dans le but d'éliminer la possibilité de mal interpréter un IS positif comme étant non corrosif ou incrustant, une nouvelle expression empirique est proposée 2 pHs - pH La valeur obtenue par l'expression 2 pHs - pH est appelée index ce stabilité, pir commodité, et aussi pour la distinguer de l'index de saturation, ¡"et index de stabilité n'est pas seulement un index de saturation de C03Ca, mais il a aussi une signification quantitative. L'emploi de cette expression permet de typer les - 3- eaux d'une façon beaucoup plus précise quant à l'incrustation ou à la corrosion potentielles. Des données expérimentales ont été comparées avec cette expression de telle sorte qu'une valeur semi-quantitativè puisse être déduite quant à la quantité de C03Ca qui se formera et une estimation qualitative est possible en ce qui concerne le risque de corrosion sérieuse. A partir des eaux a) et tes d'index de stablité IR (*) : - Eau a) Eau b) - IS IS = + = + 0,5 0,5 ; ; IR IR b) = = ci-dessus on peut obtenir les valeurs suivan+ + 5,5 9,5 Contrairement aux IS pour ces deux eaux, les IR sont très différents. Les IR sont positifs pour toutes les eaux. Les résultats d'expériences obtenus sur diverses eaux indiquent que le comportement d'eaux naturelles et traitées aynt un IR de 5,5 seront semblables et donneront une quantité appréciable de tartre. D'autre part, les eaux ayant un IR de 9,5 formeront une quantité limitée de tartre et pourront être spécialement corrosives surtout à haute température. L'effet du phosphate anhydre (de formule Na9 P7 022) sur IR a été étudié. Les polyphosphates anhydres sont capables de stabiliser une eau par ailleurs instable. En présence d'une faible quantité de ces phosphates, une eau qui formerait normalement un gros dépôt de CO3Ca reste stable pendant un temps assez long. Le mécanisme de cette action a été étudié par BUEHRER et REITEMEIR (4). Des phénomènes semblables d'absorption de substances variées sur des faces cristallines avec sursaturation consécutive ont été également étudiés et décrits par MARC et WENT (5) et SAYLOR (6). - EXPERIENCES Dans la détermination du pHs ou pH de saturation d'une eau les constantes et les corrections en fonction de la salinité et de la température données par LARSON et BUSWELL (1) ont été utilisées. Bien que la différence dans la réponse finale entre les valeurs de LANGELIER et celles-ci soient petites, on sent que les chiffres de LARSON et BUSWELL sont basés sur des données plus récentes et mieux corrigées ; elles seront donc utilisées attendu qu'aucun auteur n'a basé ses corrections sur des expériences sur des eaux naturelles. Pour des valeurs élevées de résidu sec et de température les valeurs ont été extrapolées à partir des formules valables pour les bas résidus secs et températures, bien que nous admettions que les corrections puissent être légèrement inexactes dans ces tranches supérieures. On n'a pas tenté de contrôler expérimentalement pour les hauts résidus secs et températures les valeurs ainsi obtenues des constantes K'2 et K's. On a fait des expériences pour déterminer quantitativement le dépôt formé par différentes eaux à 2 pHs - pH variable et sur différentes eaux à 2 pHs - pH identique. (*) Note du traducteur : cet index est symbolisé dans la suite du texte par IR = Index de RYZNAR. -4 - L'équipement pour exécuter ces essais est donné figures 1 et 2. La figure 1 montre la disposition de l'appareillage pour déterminer quantitativement le dépôt de l'eau soumise à l'expérience. Dans les essais décrits, l'eau passait une seule fois à travers le système. La figure 2 schématise l'équipement de la figure 1. Les différentes parties de l'appareil sont : A, réservoir d'eau ; B, appareil à niveau constant ; C, réduction capillaire ; D, serpentin de pesage ; E, bain à température constante ; F, thermomètre ; G, bac de récupération de I1effluent. Deux essais ont été faits simultanément en faisant passer l'eau testée dans deux bains à températures différentes, chacune étant constante. Les serpentins étaient soigneusement lavés, séchés et pesés, avant et après chaque expérience pour connaître la quantité de tartre déposé à partir de l'eau testée. Des photos de serpentins propres et entartrés sont montrées à la figure 3. Le serpentin entartré montre un développement progressif de l'amas de tartre en fonction de la différence de température entre l'eau du réservoir, qui est à la température de la pièce, et celle de 1'effluent testé. Les températures constantes des bains étaient ajustées pour donner une température de 1'effluent, entre celle de la température de la pièce et le point d'ébulition, à tous les débits voulus. Les expériences décrites ici ont été faites avec des températures d'effluents de 120° F, 160° F et 200° F ( # 49° C, 71° C et 93° C ) . Ordinairement, les températures d1effluents ne variaient pas au-delà de + 2°F. Tous les essais ont duré 2 heures avec un débit de 1 gallon par heure (3,78 litres), L'appareillage décrit plus haut a été utilisé en laboratoire pendant plu?sieurs années et les résultats obtenus peuvent être facilement reproduits. Le tableau 1 ci-après donne les erreurs possibles dans les poids de tartre sur des essais identiques. A la fin d'un test, les serpentins sont rincés soigneusement avec de l'eau distillée pour évacuer le dépôt. Sans doute, par ce procédé de petites quantités de tartre accroché peuvent échapper au lavage et expliquer les variations ci-après : TABLEAU 1 Poids (en mg) de dépôt dans le serpentin 0 5 15 30 100 200 à à à à à à Voir figures . ± i i i - 5 15 30 100 200 400 Les incrustations obtenues avec des résultats de terrain. On sorte que pour une eau donnant un prévoir aussi bien celle qui sera nant au bout d'un certain temps. (•) Variation expérimentale (en mg) 0 1 3 5 10 20 à à à à à à 1 3 5 10 20 40 dans ces serpentins en verre ont été contrôlées a de bonnes corrélations dans tous les cas, de certain nombre de milligrammes de dépôt, on peut sans ennuis que celle qui donnera un dépôt gê- 2 et 3 page suivante. - 5- Figure 1 - Montage expérimental pour l'étude de l'élimination des dépôts dans une canalisation d'eau I A-FEEDWATER 8-CONSTANT HEAD DEVtî C-CAPILLARY CONSTRICTION D-WEIGHED COIL E-CONSTANT TEMPERATURE BATH F-THERMONIETER G-EFFLUENT ^1i 1 III fe P i 1 1 -B % 1 iTfä *\ i ii i Figure 2 - Appareil pour les essais d'incrustation Figure 3 - Serpentins de verre utilisés pour les essais d'incrustation en haut : serpentin propre en bas : serpentin incrusté - 6 - ..Par exemple, dans le traitement des eaux pour locomotives on pourra prévoir aussi bien les difficultés que l'on aura avec les injecteurs en prenant certaines eaux et comment traiter celles-ci, que celles qui ne donneront pas de dépôts. Ceci permet des recommandations simples du traitement stabilisant ou correctif nécessaire le plus adapté. Dans le tableau 2 on expose les résultats d'un certain nombre d'expériences d'incrustation avec différentes eaux. Dans la plupart des cas on a ajouté du carbonate de sodium pour accroître la tendance à l'entartrage. Dans ces cas là, le carbonate de sodium a été ajouté et l'expérience commencée immédiatement. Une série de tests sont également donnés dans lesquels le CO3Na2 fut introduit une demi-heure avant le démarrage de l'expérience. Le pH a été déterminé au début de l'essai sur un échantillon d'eau à la température de la pièce avec un Coleman 200 à électrode de verre. Le calcium et la dureté totale ont été déterminés sur l'eau par l'habituelle titratium au savon et l'alcalinité par titratium au méthyl orange avec de l'acide sulfurique à N/50. Le résidu sec fut déterminé par méthode gravimétrique sur l'eau brute. Lorsque du carbonate de sodium a été ajouté l'accroissement du résidu sec a été calculé. Le résidu sec n'a pas été déterminé par méthode gravimétrique dans tous les cas parce que la correction du pH due à ce résidu sec est minime. Le pHs a été calculé pour la température de l'essai. Les résultats d'incrustation du tableau 2 sont reportés sur* le diagramme figure 4, en fonction de IR (2pHs - pH) ; D'après ce diagramme, il est évident que sans traitement de stabilisation, une eau dont IR est proche ou inférieur à 6,0 est nettement incrustante, tandis qu'un IR supérieur à 7,0 ne donnera pas de revêtement protecteur de C03Ca. La corrosion constituerait un problème de gravité croissante si IR passait au-dessus de 7,5 ou 8,0. Par ailleurs, avec un traitement stabilisant, on utilise dans ce cas un polyphosphate de formule Na9 P7 022, une eau dont IR est aussi bas que 4,0 peut être utilisée à des températures jusqu'à 200° F (+ 93° C) sans danger d'entartrage. Attendu que ces polyphosphates ont également un net pouvoir d'inhibition de la corrosion, une eau dont IR se situe vers 7,0 à 8,5 peut être traitée avec profit avec ces polyphosphates. Des essais sont actuellement en cours pour déterminer plus exactement le type et la quantité de traitement requis pour obtenir une protection contre la corrosion des eaux dont IR varie dans la gamme de corrosivité (IR > 7) . D'après les 2 courbes de la figure 4 on aurait approximativement la quantité de tartre formé par une eau dont l'index IR peut être calculé ainsi : pour IR compris entre 2,0 et 7,0, sans traitement .,. , mg d'incrustation - = 44,700 ( 2p Hs - P H)4,73 pour IR compris entre 2,0 et 4,0, avec 1,7 ppm de Na9P7O22 : incrustation en mg = Bien que les points de ces courbes soient passablement rapprochés de celles-ci, on ne peut prétendre que toutes les eaux seront aussi correctement ajustées. Il est parfaitement possible, dans certains cas que IR puisse être faible, indiquant une tendance à l'incrustation. Mais si l'alcalinité est due principalemeit à l'ion hydroxyle, il y aurait alors très peu de l'ion carbonate pour donner du CO3Ca. Ceci serait spécialement vrai dans certaines eaux douces calcosodiques. Cependant on perçoit qu'une eau ayant un IR de 7,5 ou plus ne formera pas de pellicule protectrice de C03Ca. - 7 - Tableau 2 Essais d'incrustation Essais commencés immédiatement après addition de carbonate de sodium Water Analysis in pprn. Incrustation—mg. ri Test '- No. H 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 114 114 114 114 155 155 155 232 232 232 215 232 232 304 304 304 304 465 465 465 465 465 465 465 430 Ca M g M Alk. pH Cías NaCl SOsas Tolal Na:SOi Solids Temp. of TeífF pH. Stability Index 2pH.-pH a» C a C O i 72 72 ¡2 72 70 70 70 150 150 150 152 150 150 133 133 133 133 301 301 301 301 301 301 301 304 42 42 42 42 85 85 85 82 82 82 63 82 82 171 171 171 171 164 164 164 164 164 164 164 126 103 132 183 68 169 264 241 246 280 246 298 324 324 130 322 390 322 350 472 535 470 470 470 550 530 1.7 1.7 1.7 i.7 13.3 13.5 13.5 6.8 6.8 6.8 8.0 6.8 6.8 25.5 25.5 25.5 25.5 13.7 13.7 13.7 13.7 13.7 13.7 13.7 15.4 29 29 29 71 188 188 188 120 120 120 85 120 120 386 386 386 386 200 200 200 200 200 200 200 190 163 190 240 160 380 490 470 380 420 380 390 460 460 410 760 830 760 550 630 690 630 630 630 700 740 7.90 9.10 9.50 6.70 9.70 9.90 9.75 8.90 9.20 9.00 9.30 9.30 9.10 7.65 9.70 9.82 9.70 7.25 8.65 8.90 8.60 8.55 8.60 8.90 7 JO 200 200 200 200 200 200 120 200 200 160 200 160 160 200 200 200 120 200 200 200 160 120 120 120 200 6.89 6.79 6.65 7.07 6.73 6.55 7.25 6.24 6.18 6.55 6.14 6.46 6.46 6.55 6.19 6.12 6.85 5.86 5.71 5.68 6.07 6.35 6.35 6.33 S«! 5.68 4.48 3.80 7.44 3.76 3.20 4.75 3.58 3.16 4.10 2.98 3.62 3.82 5.45 2.68 2.42 4.00 4.47 2.77 2.46 3.54 4.15 4.10 3.76 3.96 Blank No Treatment 1.7 ppm. NaiPiOa Added to Water 0 36 105 0 95 147 0 2 3 0 6 117 130 66 4 183 55 325 405 119 74 93 0.0 5 22 0 77 5 0 202 253 0.5 0 124 280 5 0 12 5J Essais réalisés et eaux analysées après 30 minutes de réaction du carbonate de sodium ajouté 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 .17 108 109 120 110 208 226 260 312 405 415 440 440 66 61 68 65 137 157 137 143 260 260 .302 280 42 48 52 45 71 69 123 169 145 155 138 160 135 137 142 200 260 328 280 328 440 520 470 470 10.2 10.2 10.2 10.2 8.5 8.5 8.5 25.6 15.4 15.4 15.4 15.4 20.4 20.4 20.4 20.« 96 96 96 368 190 190 190 190 170 170 185 210 370 440 390 720 650 730 6S0 680 8.75 8.70 8.70 8.95 9.00 8.80 8.55 9.40 8.75 9.10 8.55 8.80 200 120 160 ¿00 160 120 120 120 160 200 120 200 6.80 7.49 7.12 6.62 6.58 6.75 6.88 6.81 6.11 5.69 6.35 5.72 4.85 h.28 5.54 4.29 4.16 4.70 521 4.22 3.47 2.28 4.15 2.64 53 4 15 4 0 0 35 0.5 20 339 0 206 - 8- 450 ¡LABORATORY RESULTS RELATIONSHIP BETWEEN STABILITY INDEX AND INCRUSTATION ,400 Î350 TEMP. OF TEST CURVE A 120* F • CURVE B~" . INCRUSTATION - • > 300 j i -VERY HEAVY SCALE i 200 I . 150 X HEA<IVY SCALE AT ISO* F : loo i f — - - H E A V Y SCALE AT 60*f 50 3 4 5 6 STABIUTY mtXX 7 (2pH,-pH) Figure 4 - résultats d e laboratoire montrant la relation entre index de stabilité et incrustation HEAVY SCALE IN HOT WATER HEATERS HEAVY SCALE IN HEATERS ANO COILS SCALE IN HEATERS SC'LE IN HEATERS SCALE IN HEATERS SCALE IN HEATER COILS SOME SCALE AT 60* F SCALE IN HEATER UNLESS POLYPHOSPHATE ADDED SLIGHT SCALE-CORROSION HIGH TEMP.-POLYPHOSPHATE, PRESENT NO DIFFICULTIES EXPERIENCED COMPLAINTS NEGLIGIBLE I NO SCALE OR CORROSION I PfiACTICAUr N O RED WATER COMPLAINTS ILY SLIGHT CORROSICN AT 150' F SCALE IN MAINS PRACTICALLY N O COMPLAINTS ROSION | QUITE CORROSIVE AT 150* F CORROSION IN HOT WATER HEATERS CORROSION IN COLD WATER UNES SEVERE CORROSION-RED WATER SOME CORROSION IN COLD WATER MAINS 32 REO WATER COMPLAINTS IN ONE YEAR CORROSION IN COLO WATER MAINS CORROSION IN COLO WATER MAINS M W E R 0 U S COMPLAINTS OF RED WATER SED WATER • ( SERIOUS CORROSION AT 140* F 234 RED WATER COMPLAINTS IN O N E YEAR VERY CORROSIVE AT 190* F I 450 BETWEEN SATURATIO N INOEX UtO INCRlJSTATION RELATIONSHI P 400 SEVERE CORROSION-RED WATER 350 300 CORROSIVE AT 60" F ¡250 CORROSIVE TO COLD WATER VAINS I : 200 3 150 100 50 I VERY CORROSIVE AT 60* AND 150* F CORROSION IN ENTIRE SYSTEM SEVERELY CORROSIVE TO MAINT I I ANO INSTALLATIONS O o X Seal« Rtpo-Ud • Complain O Corrosion Y \ v • e + 4.0 ao +3.0 +2.0 +1.0 0 SATURATION INDEX fpH-phy • -1.0 Figure 6 - Relation entre l'index de saturation et l'incrustation Figure 5 - Résultats d'exploitation superposés à la courbe A de la figure 4 - 9 - LARSON et BUSWELL (1) conseillent de mesurer le pH à la température à laquelle l'équation pour déterminer le pHs doit s'appliquer et de choisir les constantes pour cette température. Dans nos expériences les constantes étaient prises aux températures de l'essai d'incrustation mais le pH était mesuré à la température de la pièce. Ceci pour plusieurs raisons : 1) - On a supposé que les changements de pH d'une eau en fonction de la température seraient pratiquement constants pour une différence de température donnée. Puisque la corrélation des valeurs de IR avec l'échelle de corrosivité d'une eau est relative, ce changement de pH en fonction de la température déplacerait simplement les valeurs de IR pour donner une figure légèrement différente. 2) - Le pH est mesurable plus facilement et avec plus de précision à la température de la pièce. 3) - Les eaux que nous avons expérimentées étaient à prédominance incrustante aux températures élevées des essais. En mesurant le pH à ces hautes températures, la précipitation du C03Ca se serait produite avec un abaissement consécutif du pH. Ainsi IR calculé dans ces conditions pouvait être proche de zéro alors qu'en réalité un tel dépôt formé dans cet intervalle de temps sur une véritable installation aurait incrusté notablement un circuit de chauffage ou un injecteur; Attendu que l'on a obtenu une relation satisfaisante entre IR et la quantité de tartre pour des eaux couvrant une large gamme d'alcalinité totale on admettra qu'il soit préférable de mesurer le pH à, ou très près de, la température de la pièce (22° C) et d'utiliser les constantes pour la température plusélevée prévue dans le calcul du pHs en vue de^pronostiquer le comportement de l'eau à cette température. Pour déterminer la représentativité des résultats de laboratoire, un certain nombre de cas ont été pris au hasard dans les données de la littérature et dans nos archives, lorsque les analyses étaient complètes et que le comportement de l'eau était connu. Ceux-ci sont publiés dans le tableau 3. Les valeurs de pHs ont été calculées à partir de la formule de LARSON et BUSWELL. Dans la plupart des cas donnés au tableau 3 les textes donnent très peu d'informat ions concernant l'état des canalisations d'eau froide. Dans la plupart des cas IR indique une tendance à la corrosivité. Naturellement les réactions en eau froide peuvent être lentes et échapper à lbbservation, mais il apparaît que les tubercules de corrosion ont été pris dans de trop nombreux cas d'un point de vue pratique, comme quelque chose qui devait arriver. La note de WILSON (7) sur l'état des conduites d'eau dans les villes américaines typiques et le rapport du comité N.E.W.W.A. (8) sur les coefficients de frottement dans les tuyaux et leurs effets sur la durée de ceux-ci sont pleins d'intérêt à ce titre. Le rapport du N.E.W.W.A montre que d'après des tests sur 473 conduites de 19 systèmes différents la perte moyenne de capacité de tuyaux de fonte revêtus de bitume était de 52 7« après 30 ans de service. Des petits tuyaux transportant de l'eau agressive peuvent perdre plus c'e 60 °U de leur capacité pendant ce laps de temps. Ceci représente une sérieuse perte d'argent. Quoique la tuberculation due à la corrosion dans la plupart des cas soit à l'origine des réductions de débit par accroissement du frottement, dans certains cas il s'agit d'incrustations formées par une eau en déséquilibre. Les pertes de débit dues à la 'orrosion et à l'incrustation ont été mesurées et les résultats présentés par HALE (9) proviennent d'une série d'expériences à grande échelle sur l'eau de CATSKILL à laquelle différentes quantités de chaux ont été ajoutées. Ces - 10 TABLEAU 3 Comportement d'eaux d'exploitation, à index de stabilité différents Water Analysis in ppm. \o. City or Plait B Ca MK Actual Temp. M aas SO. as NaCI Ni,SO, asCaCO: 1 La Grange, HL Well wasv 2 Above walar Itmonolit« softeoad i iii Granee, IH. p H increased i Columbu vnio 1 Before - . ¿rbomstira i Sun> So. 4 E»ri :«nod after recarbanatira S S a m e a* N w . 4 1 In!' •: jr . 832 528 326 397 Su 66<t pH Stability Indu pH. pII.-rH Remarks Total Solids 1160 6.8 50 140 6.72 6.03 6.12 5.26 ileavy scale in heaters, coils, etc. Severe corrooon and red va ter Water stabilized vith phosphate—no difficult» experienced 81 43 41 38 31 615 730 8.3 59 140 9.00 8.13 9.7« 7.Ü« 75 27 48 116 36 640 855 9.3 511 140 8.51 7.83 7.72 6.3« 59 140 8.17 7.79 6.94 5.5S Scale in mains Scale ia beaters Red water and corrosion M 57 275 10.0 57.5 25 275 9.0 59 8.82 8.64 140 8.14 7.28 — 50 -»-ind 35 250 9.1 59 8.73 8.35 140 8.05 7.W uorroflion 7 Saoit is N o . 4 i T^WÎ^I y^rio*» 52 3!» 235 9.7 59 140 8.64 7.96 «.if. 6.23 St~tilized Kith phosphate Some scale, some corrosion at very high temp. 8 Dayton. Ohio 380 2M 110 277 488 7.3 59 140 7.18 8.63 7.06 6.00 Scab: ia beater »ils 9 Springfield. Ohio 361 131 270 476 7.5 59 140 7.18 6.65 6.86 5.80 Scale in beaten «S 210 600 7.66 59 140 7.87 7.20 8.08 6.74 Practically no red water complaints 11 !."• 27 9.00 10 BCTTTIV Hilk Calit« Averaee effluent 11 East Bay, Calif. Areran M o W u m n e Supply 12 Samt as N o . 11 Lime added 13 P a n d c u * Deril» Gale Tamxi 14 San Francisco Heteh Hetchy Resernr 15 San Mal«o. CaM. Reservoir Sution S 6-15-37 230 15* lí« 5.5 35 59 9.84 9.88 140 8.97 ».at 21 42 9.00 59 140 9.35 8.68 9.70 8-3S 267 470 7.32 59 140 7.29 6.62 7.« 5.8L' 8 58 16 160 7.0 7.3 59 10.19 13.38 140 9.52 12.04 59 140 8.62 7.95 9.94 8.50 234 red water complaints— 1935-38 3Î waaplaints—1936-37 Red water difficulties (sir •Ott) Badly eorrosne to m a i » and installations * Numerous complaints of red water 1« Same as No. 13 38 74 170 8.9 59 140 8.30 7.63 7.70 6.36 Compíainte greatfr redooKi 17 San M a t » Calif. 44 65 110 8.6 59 110 8.45 7.78 S.30 6.W Complainte practically efinnated 54 T9 130 8.8 5!) \V3 S.29 7.62 7 7S &4i Lime treatments in use. Complaints negligible Limeaddr« 8-25-37 Rsserroir Statira 7 5-17-37 15 Same as Nu. 17 8-23-37 1 Examples 4 to 10frrtr<iata hv C . P . Itoover, Jour. A . W . A . A . . 34: 1425-45 (1942). t Examples 10 to 19 from data by F . E . D e Martini. Jour. A . W . W . A . , 30: 85 (1938). * N o . 13. This water appears to be an exception and it is sugsisted that red water condition? postihty due to presence of iron or sulfate-reducinf bacteria. suite du tableau p. 11 Traduction de quelques mots des remarques scale : incrustation, tartre heater : radiateur mains : canalisations coils : serpentins complaint : plainte lime : chaux heavy : lourd, important slight : léger, faible - 11 - tableau 3 (suite) Water Analysis in |i|»m. So City 'ir Pl»nt H Ca Mir M CI a S O . a Tota NaC Na-SO Solid pH. Stability Index 2pH.-pI Remarks 59 140 9.1b 8.49 11.32 9.98 Corrosion of cold water mains 70*1. loss :r. carrying capacity in32-i'. >r. 59 10.01 13.12 Corrosive 150 9.26 11.62 Very corrosive—alxjut 3.5 times that at lower temp. Aetna Temp pH as C a C O : 1!) Newark. N . V.» a> N e w York City < Controlled »perimental testa on large scale R a w Catskill Supply 22 54 7.0 10 20 6.9 21 Añore water Plus 4.5 p p m . lime 15 10 25 8.4 59 150 9.66 8.91 10.92 9.42 Corrosive Only slightly lera corrosive than raw water 22 S a m e plus 13 p p m . lime 25 18 35 9.7 59 130 9.20 8.45 8.70 7.20 Corrosive about 1.3 times that at lower temp. 23 S U M plus 23 ppm. lime 35 26 45 10.1 59 8.92 7.74 150 8.16 6.22 Slightly less corrosive in cold (ban N o . 22 above N o scale but much less corrosive than N o . 22 above in hot 24 25 Same plus 63 ppm. lime 87 59 80 10.3 59 130 8.18 7.43 6.06 4.56 S o m e scale Heavy C a C O t scale Same plus 100 ppm. lime 115 98 120 10.7 59 ISO 7.80 7.05 4.90 3.40 Heavy scale Heavy scale 45 120 270 9.6 150 7.90 6.20 Scale in hot water heaters unless stabilised with polyphosphates 26 Example 1 > 21 Example 2 67 36 28 Example 3 30S 202 2» Example 4 30 Example 5 72 31 97 46 51 31 128 106 G5 3$ 17 145 7.10 140 7.96 8.82 Serious corrosion 252 910 1100 7.30 59 7.33 7.36 Corrosion in cold water lines and feed lines 125 510 7.60 59 8.09 8.58 Corrosion in cold water mains 19 155 9.70 140 8.43 7.16 Corrosion in hot water heate/s 31 Sxampie 6 55 38 17 8 68 7.0 50 9.37 11.74 32 Example 7 308 20.5 103 262 336 7.4 140 6.56 5.72 Scale in heater« 265 1100 7.8 140 6.47 5.14 Heavy scale in hot water heaters 163 7.9 5» 8.06 8.22 140 7.39 6.88 Very small amount of corrosion in mains Dnly alight corrosion— water quite stable V, Example» 34 Chieaeo tap water 290 114 72 42 103 1.7 29 Corrosion in entire system 35 Highland Park. Mich.« 97 p H increased with NaOII 67 30 86 120 8.1 59 140 8.16 7.49 8.22 6.88 i'ery little c o m m o n apparent Very little scale or corrosion 36 Lake Erie water ' 87 33 87 156 7.6 59 140 8.05 7.38 8.50 7.16 Orrosive 120 • From paiwr by Win. G . Banks. lour. A . « " . H . A . . 28. I H R (I0.W. •Examples 20 in -¿I, from data by r. K . Hale. .¡our. A . W . W . A . , 26: 1315-17 (1931); M i . 27: ll9tM224 (1933) Set alto \ V F Langlier, Jour. \ . W . W . A . . 28: 1516-17 (19.WI. ' ' • Example* 2;i to 31 tasen at random from files of National Aluminat« Corn., Chicago, III., and represent conditions before corrective treatment applied. • From paper by I. L . Dahljelm, Jour. A . W . W . A . , 33: 286 (1941). ' From paper by G . D . Xoreom, Jour. A . W . W . A . , 30: 1353 (1938). - 12 - données confirment bien les résultats prévisionnels d'après la figure 4 de cette note. On remarquera que la corrosion, et non l'incrustation, apparaissait dans les tests avec 13 et 23 ppm de chaux additionnelle, quoique l'index de LANGELIER était respectivement de + 0,5 et + 1,18 à 59° F (15° C) et de + 1,25 et + 1,94 à 150 ° F (65,5° C) température d'eau chaude des essais. Le travail expérimental de HALE (10) montre un très net accroissement de débit avec l'eau rendue moins corrosive par augmentation du dosage de chaux et l'accroissement de la sursaturation du CO3Ca. Les données du N.E.W.W.A indiquaient que toutes choses étant égales par ailleurs, il y avait une corrélation entre la valeur du pH de l'eau transportée et le taux de perte de débit dans les conduites. Les eaux à pH = 6,5 donnaient des pertes doubles en un temps donné que celles à pH = 8,0. A partir des données disponibles, il apparaitrait donc qu'une eau proche de 15° C, dont IR i=t 6,0, à laquelle un traitement stabilisant de polyphosphates a été ajouté donnerait les meilleurs résultats quant à la corrosion et/ou l'incrustation dans le réseau. Dans ces conditions la corrosivité due au C02 agressif serait proche du minimum dans la plupart des cas. Dans l'ensemble, les données de terrain correspondent très bien avec les résultats de laboratoire pour les différents IR. Ceci apparaît sur la figure 5 dans laquelle les données du tableau 3 sont superposées à la courbe figure 4. On a retenu uniquement les valeurs pour lesquelles un renseignement clair est donné pour une gamme particulière de températures. Il est évident qu'avec un IR de 7,5 ou plus grand à 140° F '(60° C ) , la corrosion est sensible. Avec IR = 9,0 ou plus, la corrosion est grave. Il reste à espérer que l'index de stabilité augmentera l'utilité de l'index de saturation, et qu'il contribuera à améliorer la qualité de la prévision des caractéristiques d'incrustation ou de corrosivité des eaux. L'auteur tient à remercier ceux qui l'ont aidé par leur suggestions : Dr P.G. BIRD, Directeur de recherche, W. H. THOMPSON, Directeur de service et I. A. HOLMES, Vice-Président adjoint, tous de la National alumihate corporation. REFERENCES BILBIOGRAPHIQUES 1 - LARSON T.E. & BUSWELL A.M.. Calcium Carbonate Saturation Index and Alkalinity Interpretations. Jour. A.W.W.A., 34 : 1667 (1942). 2 - LANGELIER W . F . . The Analytical Control of Anti-Corrosion Water Treatment. Jour A . W . W . A . , 28 : 1500 (1936). 3 - HOOVER C . P . . Stabilization of Lime-Softened Water. Jour. A . W . W . A . , 1425 (1942). 34 : 4 - REITEMEIER R. F. & BUEHRER T. F.. The Inhibiting Action of Minute Amounts of Sodium Hexametaphosphate on the Precipitation of Calcium Carbonate from Ammoniacal Solutions. II. J. Phys. Chem., 44 : 552 (1940). 5 - MARC R. & WENK, WALTHER. Über die Kristallisation aus wässerigen Lösungen. III. Z. Physik. Chem., 68 : 104 (1909). - 13 - 6 - SAYLOR C. H.. Calcite and Aragonite. J. Phys. Chem., 32 : 1441 (1928). 7 - WILSON E. K.. Conditions of Mains in Typical American Cities. Jour A.W.W.A., 28 : 1304 (1036). 8 - BARBOUR, FRANK A., BRUSH W. W.; HOUGH, LAURENCE C , SHERMAN, CHARLES W., & KILLAM, ELSON T.. Progress Report of th Committee on Pipeline Friction Coefficients. Jour. N.E.W.W.A., 49 : 106.(1935). 9 - HALE F. E.. Pipe Corrosion Experiments, Catskill Supply, New York City. Jour. A.W.W.A., 26 : 1315 (1934). 10- HALE F. E.. Effect of Excess Lime Hydrate Upon Corrosive Soft Water. Jour. A.W.W.A., 27 : 1199 (1935 - 14 - DISCUSSION W.F. LANGELIER* La méthode directe d'estimation des tendances à l'incrustation de l'eau de l'auteur est tout à fait remarquable. Malheureusement les données expérimentales présentées au tableau 2 sont limitées à un type d'eau caractérisé par une faible valeur de pHs. Nous suggérons que la même technique expérimentale soit utilisée pour étudier les tendances des eaux à la corrosivité aussi bien qu'à l'incrustation. Dans ces essais les eaux traverseraient les serpentins de verre renfermant des incrustations préalablement pesées et les pertes en poids de celles-ci seraient notées. Si la théorie de la saturation de la protection d'un tuyau contre la corrosion est valable, des essais de corrosion de tuyau seraient effectués, non pas par contact direct avec une barre de métal comme habituellement, mais par contact avec un matériau qui aurait été protégé par la formation d'une mince pellicule. La citation de M. RYZNAR sur le fait que l'index de saturation (pH - pHs) est une mesure donnant une forte tendance essentiellement qualitative et non quantitative, est correcte. Bien qu'il accepte la validité et la signification du terme pHs, il dénie que celui-ci puisse être utilisé quantitativement ou même qualitativement avec les eaux faibles en calcium et en alcalinité sans lui appliquer un coefficent empirique auquel il attribue une valeur de 2. Puisqu'il s'agit là du principal désaccord de l'auteur et sa raison pour plaider l'usage d'un nouvel index de stabilité et puisque d'autres chercheurs ont mal interprété le sens exact de l'index de saturation, il semblerait qu'une clarification plus poussée soit souhaitable. L'index de saturation n'est pas une valeur déterminée sur un échantillon d'eau pris en un point d'un réseau qui puisse être appliquée à un autre point du réseau après modification de ses caractéristiques par incrustation ou corrosion. Ceci est spécialement vrai pour des eaux peu tamponnables faibles en calcium et alcalinité. Dans de telles eaux les altérations de composition sont appréciables et l'index de saturation change d'une façon notable lorsque l'activité croît. Ceci, cependant ne saurait entacher la valeur de.l'index, même pour des eaux peut tamponnables. Il faut seulement que l'échantillon soit vraiment représentatif de l'état de l'eau au point du réseau où l'on désire connaître son activité. Quand l'auteur déclare que deux eaux différentes, ayant le même index, peuvent être incrustantes dans un cas et corroder les tuyaux dans l'autre, il faudrait admettre que cette incohérence provient de notre incapacité à déterminer clairement les valeurs exactes de pHs et de pH. En cela nous sommes en désaccord avec les dires de l'auteur selon lesquels en doublant simplement la valeur de pHs et en changeant les signes on obtient un index différent et nouveau qui aurait une signification quantitative bien plus grande et qui permettrait de typer la tendance à l'incrustation ou à la corrosivité des eaux d'une façon beaucoup plus précise. La signification essentielle de l'hypothétique quantité représentée par le terme pHs est sa valeur constamment changeante avec le changement progressif de caractère analytique tant que l'activité se poursuit. Le fait que les données expérimentales présentées par l'auteur au tableau 3 montrent que le diagramme des milligrammes de dépôt sont plus proches de la courbe de l'index de stabilité Professeur de Génie sanitaire, Université de Californie, Berkeley, Californie. - 15 - (courbe A, figure 4) que de l'index de saturation (figure 6) confirment difficilement les conclusions qui en découlent. Parmi les essais, tous ceux qui présentaient une incrustation significative étaient ceux effectués sur des eaux dont Ca et TAC étaient élevés. Les plus hauts pHs représentés (7,3) limitent les conclusions aux eaux dures de ce type. En outre, dans les méthodes expérimentales utilisées, il y a au moins deux importantes erreurs d'hypothèse. Il s'agit : Io/ - de la durée limitée admise pour atteindre l'équilibre, et 2°/ - l'hypothèse qu'on ne fait pas d'erreur appreciable en utilisant les constantes de LARSON et BUSWELL tout en négligeant la mesure du pH réel à la température de l'expérience. ; L'hypothèse qu'un dépôt nul dans le serpentin du dispositif expérimental, après deux heures d'attente, serait également nul dans les conditions réelles d'une canalisation d'eau — dans laquelle on a tout aussi bien des périodes de fonctionnement que des périodes d'arrêt pendant de longues heures — est probablement sujette à une erreur appréciable. CLOTURE DU DEBAT PAR L'AUTEUR L'auteur s'est donné comme objectif d'obtenir un index simple, utilisable pour prédire le comportement des eaux de types variés à diverses températures. Les erreurs d'hypothèse relevées par le Professeur LANGELIER ont déjà été discutée dans cette note : 1 - Puisque le but de ce travail est d'arriver à un index simple et pratique, le pH a été mesuré à la température de la pièce parce que c'est comme cela que le font la plupart des opérateurs et des laboratoires. 2 - L'emploi des constantes de LARSON et BUSWELL a été discuté ainsi que les limites de celles-ci. 3 - La durée d'attente pour obtenir l'équilibre a été estimée suffisante, Elle semblerait très bien reproduire les résultats-de terrain comme on l'a vu en comparant la position des IR entre l'incrustation et la corrosion sur la figure 4 (courbe d'eau traitée) représentant les essais de laboratoire, et la figure 5, représentant les essais sur le terrain. Le point d'incrustation nulle est très proche de la même valeur de IR dans les deux cas. De nombreuses expériences ont été faites avec des eaux de pHs élevé, c'est-à-dire au-dessus de 7,5, mais dans tous les cas il n'y a pas eu de dépôt dans les serpentins. Ces points n'ont pas été inclus dans cette note, attendu qu'ils concernent une étude de corrosion plutôt qu'une étude d'incrustation. Comme indiqué plus haut, un travail est actuellement en cours sur la corrélation entre la corrosion et IR. L'étude de la figure 5 montre le changement progressif de tendance depuis l'incrustation vers la corrosion avec l'accroissement de IR. On n'a pas - 16 - cela en traçant le diagramme des eaux à partir de l'index de saturation. Que l'information obtenue par IR n'ait pas de rapport avec l'index de saturation est très clair d'après les exemples 5, 9 et 17 du tableau 3. En tabulant les informations de ces eaux à 140° F (60° C) on obtient les résultats du tableau 4 : TABLEAU 4 pHs PH réel Index de saturation pHs - pH 9 17 6,65 7,78 7,5 8,6 + 0,85 + 0,82 5,80 6,95 5 8,14 9,0 + 0,86 7,28 Exemple N° IR 2pHs - pH Caractéristiques de l'eau Incrustante dans les radiateurs Pratiquement sans risque de corrosion Eau rouge et corrosion Dans les exemples ci-dessus les index de saturation sont presque identiques bien que le comportement des eaux soit largement différent. Cette différence apparaît immédiatement sur IR de ces eaux. Dans les 36 exemples du tableau 3 extraits de rapports d'exploitants, la corrosion était le principal problème dans 20 cas. Sur ces 20 cas de corrosion, 11 présentent un index de saturation positif. Ceci indiquerait bien qu'un index positif de saturation ne puisse garantir que la corrosion ne sera pas la réaction prédominante. L'index de stabilité décrit par l'auteur marque mieux la différence entre ces eaux et précise que l'eau sera dans la zone incrustante ou non, que ce soit avec ou sans inhibiteur du type polyphosphates. ANNEXE E Extrait de "Terres et eaux", n° 27, 1955/56 La protection cathodique des tubages des puits à grand diamètre au Chott Chergui par René-Marie BERTHIER Coiueil Scientifique de VAl%éric Dirteítur du Laboratoire de Recherche Scientifique et d* Perfectionnement Technique i Grenoble et à Aller et Michel VERIT Ingenieur du Laboratoire de Recherche Scientifique et de Perfectionnement Technique L a protection -cathodique des ouvrages métal-1 Miques enterrés n'est pas une technique nouvelle, et, depuis plus de vingt ans, de multiples applications ont amplement démontré et son efficacité et sa rentabilité. Il n'est d'ailleurs pas sans intérêt de rappeler que la première utilisation clans le monde de ce procédé pour la protection d'ouvrages en béton armé a été le fait du Service des Irrigations (Conduite du H a m i z en 1941). E t ce m ê m e Service, devenu Service de la Colonisation et de l'Hydraulique, n'a pas hésité, plus tard, à extrapoler la méthode jusqu'à lui confier la protection des tubages des forages à grand diamètre au Chott Chergui, ainsi que la protection de barrages et autres grands ouvrages. Cependant, malgré tant de réalisations doublée» d'autant de réussites, certains techniciens ne font encore appel à la protection cathodique que i»ur essayer de sauver des ouvrages en posture déli- cate; il est alors souvent difficile, parfois impossible, d'intervenir. Certes l'utilisation à titre « curatif » de ce procédé en constitue une application fort importante, mais, dans bien des cas, son utilisation à titre € préventif > permettrait des économies importantes de matières, de main-d'œuvre et d'énergie, en autorisant bien des audaces. Il est donc important de prévenir le technicieri des dangers de la corrosion en lui donnant la possibilité d'établir ses projets de la manière la plus économique sans surestimer ou sous-estimer les risques encourus. C'est pourquoi, avant de décrire en détail les installations de protection en service au Chott Chergui. nous essaierons de rassembler, dans une première partie, les quelques notions pratiques que le projeteur doit avoir présent à l'esprit toutes les fois qu'il doit implanter un ouvrage dans un milieu agressif. PREMIÈRE PARTIE GÉNÉRALITÉS SUR LA CORROSION DÉFINITION DE LA CORROSION DES ACIERS • L e fer. dans les conditions ordinaires de température, décompose l'eau pour donner des hydrates tic fer et de l'hydrogène. C'est ¡Knirquoi, sauf précautions spéciales, tous les ouvrages en fer sont appelés, à plus ou moins longue échéance, à périr par corrosion dès qu'ils sont susceptibles de se trouver au contact de l'eau. Mais cette attaque e>t plus ou moins rapide. >uivant la nature physico-chimique du milieu conte nant cette e;in. les matières minéral1 s constitutives 55 s de ce milieu n'intervenant d'ailleurs qu'à l'état de dissolution, c'est-à-dire sous furme d'ions. L'évolution île la réaction dépend alors essentiellement de.- divers autres ions contenus dans la solution, i|iii pourront, soit accélérer, soit freiner, voire stop|>er l'attaque. Il faut surtout retenir <|iic l'eau constitue le facteur nécessaire de la corrosion. Klle est, en outre, dans les sols, le seul élément électriquement conducteur, sa conductivité étant, bien entendu, fonction de sa composition ionique. LES F A C T E U R S C H I M I Q U E S D ' A C C É L É R A T I O N sensiblement plus complexes, le tout étant encore fortement influencé par les conditions locales. ("est ainsi qu'une immobilisation de l'eau sera le plus généralement favorable à une ]iassivation rapide du 1er. cependant qu'une circulation rapide, en détruisant le film isolant et en maintenant constante la coni|>osition ionique de l'électrolyte, accélérera grandement la corrosion. A cette action chimique peut d'ailleurs se superviser une action inccanii/nc, ainsi que cela se produit dans les phénomènes de cavitation. L'aération du milieu joue également un rôle. Enfin, dans certains cas, la présence de certaines bactéries peut être à l'origine d'une corrosion souvent extrêmement rapide du fer. l'ai ordre d'importance, nous citerons : — L'aciditc — O n peut en effet écrire la réaction suivante : Si, dans la solution il existe de nombreux ions H + , c'est-à-dire si son p H est bas, une grande quantité de métal aura tendance à passer en solution sous la forme d'ions ferreux F e + + . Si l'acidité est grande, donc le p H très bas, inférieur à 5 par exemple, la corrosion devient brutale. N o u s dirons alors qu'il y a attaque chimique. A u demeurant, un tel phénomène ne s'observe jamais dans les conditions habituelles. — La salinité ou activité des ions sulfate ( S O 4 ) chlorure (Cl~) carbonique (CO 3 ~) sulfure (S~), — les composés ammoniacaux, — des matières organiques, telles que l'humus, végétaux vivants ou morts, amines, etc., — certains gaz dissous (gaz carbonique C O 2 , hydrogène sulfuré H ' S , ozone O \ chlore Cl 2 ). — enfin. les hydrates de fer et de manganèse et les argiles sont des catalyseurs de corrosion. LES F A C T E U R S C H I M I Q U E S DE RETARDATION L'alcalinité — U n p H élevé ralentit la vitesse de corrosion et la stoppe même, dès qu'il devient supérieur à 12, en l'absence de sels. certains sels oxydants, l'oxygène dissous en milieu moyennement alcalin. INFLUENCE DES CONDITIONS LOCALES 56 Dans la réalit-', plusieurs des facteurs enumeres ci-dessus coexisteront, rendant les phénomènes Les courants continus. Parmi toutes les conditions locales citées cidessus, une place importante est réservée aux courants électriques continus circulant dans le sol, car le plus souvent une corrosion électro-chimique se superpose à la corrosion chimique. E n règle générale, la corrosion électro-chimique ne peut guère aggraver une forte corrosion chimique, mais si cette dernière est faible ou quasi inexistante, la corrosion électro-chimique peut alors prendre une ampleur considérable. Les courants susceptibles de provoquer cette corrosion électro-chimique peuvent se classer en trois catégories: — courants de retour d'installations électriques continues (par exemple un réseau de tramways électrifié en continu) que Ton appelle alors courants vagabonds, — courants d'origine mal définie, de faible intensité mais de grande amplitude, dénommés courants telluriqties, — courants engendrés par l'ouvrage métallique lui-même ou courants autonomes. Ces derniers courants pourront n'intéresser qu'une partie, parfois m ê m e microscopique, de l'ouvrage et seront dits locaux. Ils pourront aussi intéresser la quasi-totalité de l'ouvrage et seront alors qualifiés de courants généraux. Qu'ils soient locaux ou généraux, ces courants autonomes seront toujours provoqués jwr les hétérogénéités de la surface du métal ou du milieu ambiant, susceptibles de modifier' localement le .potentiel du fer, donc de créer les différences de potentiels nécessaires à la création d'un courant. Les irrégularités de forme ou de structure granulaire du métal de l'ouvrage, ses impuretés accidentelles (traces de métaux étrangers ou de sels), ou voulues (soudures, surface de contact de métaux difieren ¿s") sont souvent à l'origine de courants locaux. Les différences de nature géologique, d'humidité. d'aératiiHi, de salinité des différents terrains d'implantation d'un m ê m e ouvrage engendrent les courants généraux, d'où le terme de « pile géologique», utilisé par certains auteurs. Enfin, l'aération différentielle de deux parties d'un m ê m e ouvrage peut également provoquer des courants, locaux ou généraux, en général au détriment de la partie non aérée qui constitue alors l'anode. qui freinent la corrosion et peinent l'arrêter. C e phénomène a rec.ii le n o m de pitsshation. Sur chacune de ces plages, le dépôt d'un ion s'accomiKigne de l'évacuation de l'ion complémentaire. K n définitive, si les conditions extérieures autorisent la modification locale des concentrations, et si la densité de courant est suffisante, on voit la corrosion se stopper sur les plages cathodiques, et s'amplifier an contraire sur les plages anodiques. C'est là le principe m ê m e de la protection cathodique. ACTION DES COURANTS CONTINUS Quelles que soient leurs origines, tous ces courants pénètrent dans le fer dans certaines zones ou playes cathodiques et en ressortent u n peu plus loin en des plages dites anodiqitcs, le circuit se refermant par l'intermédiaire de l'électrolyte. Sur les plages cathodiques se déchargent les ions positifs ou caillions, tels que l'ion hydrogène H * " , l'ion sodium N a + , l'ion calcium C a + , l'ion potassium K + , l'ion magnésium M g + + , etc., ainsi que certains ions métalliques. Sur les plages auodiques, se déchargent les ions négatifs ou allions. Parmi ceux-ci, nous citerons l'ion oxhydrile O H ~ , l'ion sulfate S O 1 " " , l'ion chlore CI", l'ion carbonique C O 3 , l'ion sulfure S". Pour éviter toute ambiguïté, nous ouvrirons ici une parenthèse pour préciser que l'on appelle anode : — dans le cas d'un système auto-générateur (par exemple une pile), It pôle négatif, c'est-àdire celui que l'on doit relier à la borne € moins » de l'appareil de mesure; — dans le cas d'un système récepteur (par exemple une cuve d'électrolyse ou une installation de protection cathodique), It: pôle jwsitif, c'est-à-dire celui connecté au pôle c plus » du générateur de courant. O n peut donc écrire que les caillions descendent le courant cejKMidant que les anions le remontent dans le milieu electrolytique. E n se déchargeant sur les plages anodiques ou cathodiques, les différents ions vont retrouver leur activité chimique normale. A u droit des plages cathodiques, si l'ion H * tend à accélérer la corrosion du fer, les autres eathious donneront, eux. naissance à des bases, à l'action fortement inhihitricc. Sur les plages anodiques. des sels et autres produits corrosifs se tonneront à partir des anions. I-e plus généralement, les sels ainsi ft innés n'adhèrent |ta-; au métal et le omranl continue à circuler. C e n a n s unions cependant, tels que l'ion phosphate P O " , donnent des sels compacts et isolants LES POTENTIELS D a n s ce qui précède, nous avons utilisé le mot de potentiel pour expliquer la formation des courants autonomes. O n sait en effet qu'il existe entre u n morceau de métal et la solution saline dans lequel il baigne une certaine f.e.m,, conséquence des réactions chimiques. Cette f.e.m. ne prend une valeur fixe que lorsque la solution est saturée en ions métal. Elle reçoit alors le n o m de potentiel et constitue une mesure de l'énergie libre des réactions de corrosion. Pour mesurer te potentiel de cette demi-pile que constitue le métal plongé dans la solution, on devra obligatoirement avoir recours à une autre demi-pile au potentiel connu. E n effet, pour effectuer cette mesure, on ne peut réunir le métal à une borne du potentiomètre, et la solution à l'autre borne, car l'appareil indiquerait en réalité la différence entre le potentiel du métal par rapport à cette solution et te potentiel entre cette m ê m e solution et le conducteur, connecté à l'autre borne de l'appareil. O n tourne la difficulté en utilisant une seconde Photo 1. Electrode au caicmel pendant une mesure de potentiel. i*«»«» Photo 2, Lo conne et lo mallette pour la détermination sur place de l'agressivité des sols. 58 demi-pile, possédant un'potentiel bien constant et déterminé, ou électrode de référence. O n réalise alors la liaison électrique par une solution saline telle que l'on puisse négliger le « potentiel de diffusion », c'est-à-dire la f.e.m. susceptible d'exister entre cette solution de liaison et les electrolytes des deux demi-piles. A cet égard, l'utilisation du chlorure de potassium O K est particulièrement intéressante. Nous utilisons d'ailleurs pour nos mesures une telle solution, en parallèle avec une électrode au calomel ou électrode d ' O s T W A L D (mercure — solution de chlorure de potassium saturé de chlorure mercureux o u calomel). L a photo i représente une telle électrode. Bien entendu, o n utilisera un voltmètre sans consommation ou uii montage jwtentionictrique pour éviter toute chute de tension, la résistance interne de ces demi-piles étant très grande. Ce que l'on mesure est donc en fait non une f.e.m. mais une différence de potentiel par rap])ort à l'électrode de référence prise arbitrairement connue point zéro; (il existe un certain nombre d'électrodes classiques dont les potentiels, bien constants, sont définis par r;ip|Hirt à une électrode de référence principale, l'électrode à hydrogène, arbitrairement prise c o m m e zéro de l'échelle). Pour être utilisable, toute mesure de |K>teuticl devra donc préciser l'électrode de référence adoptée |)our l'interprétation de la mesure. E n admettant que l'on puisse ainsi mesurer le ]M)tentieI d'un point X , puis d'un point Y d'un ouvrage, on pourra en déduire la f.e.ui. de la pile X Y . Mais, pratiquement, les ¡K.>ints X et Y sont élec- triquement réunis par la masse de l'ouvrage; il existe donc un courant de court-circuit qui modifie profondément les phénomènes, donc les potentiels. Pour que la mesure puisse refléter réellement le potentiel, il faut qu'il n'existe aucun courant extérieur ou autonome, l'ouvrage tout entier étant alors au m ê m e potentiel. O n peut cependant, au Laboratoire, isoler un petit morceau de fer et étudier le comportement de son potentiel en fonction de la solution. O r , dans la pratique, les eaux naturelles ont une coni]x>sition ionique très complexe et celle-ci se modifie au contact du métal par suite des réactions de corrosion. Tl est par conséquent fort difficile de prévoir le potentiel. D e plus, si une passivation intervient, la traversée du film isolant par les ions s'accompagne d'une sorte de frottements solides et le ixjtentiel de passivation n'a pas de valeur bien déterminée. C'est un «pseudo-potentiel ». Tout ceci a pour conséquence de rendre très délicate l'interprétation des mesures de potentiels, qui ne peut, de ce fait, être confiée qu'à des spécialistes. A ces mesures de ¡>otentiel se rattachent les mesures « in situ » de Yayressivitc des sols. Pour toutes ces mesures, un matériel portatif commode, représenté sur les photographies ci-jointes, a été .nis au point par notre laboratoire. — Sur la photo 2. la « canne » et le coffret nécessaire à la détermination de l'agressivité. — Sur la photo 3. une mesure d'agressivité. O n Hütern que la valise de mesure utilisée par l'opérateur ]>ermet également la mesure des potentiels, des resist i vité s et du p H d u sol. DE MÉTHODES PROTECTION ÉLECTRO-CHIMIQUE Mis à jxirt les revêtements divers qui constituent parfois la seule protection, ou qui sont utilisés c o m m e protection primaire, on peut : — soit désamorcer la pile en établissant le projet de manière à éviter toutes les hétérogénéités susceptibles d'engendrer des courants, c o m m e les aérations différentielles, les parties immergées, les terrains acides; (l'implantation devra donc être soigneusement étudiée et le sol assaini par drainage, alcalinisation, etc.); — soit la mettre en circuit ouvert en tronçonnant les circuits et en desséchant les terrains d'implantation ; — soit reporter la corrosion sur un métal moins noble c o m m e le zinc ou le magnésium, et m ê m e le fer; c'est la protection galvanique; — soit renverser artificiellement les courants de corrosion au moyen d'une génératrice continue, c'est la protection cathodique. Par exemple, une conduite d'eau pourra être placée avec une protection sommaire, voire m ê m e sans protection, dans un terrain très sec. m ê m e si celui-ci contient un fort pourcentage de sulfates ou de chlorures. Mais le maître de l'œuvre devra alors choisir avec un soin tout particulier le type de joints, et veiller à leur exécution, car une fuite, en apportant de l'eau, pourrait provoquer une amorce de corrosion d'autant plus dangereuse qu'elle serait plus localisée. U n e autre précaution essentielle, et trop sou- Photo 3 Une mesure d'agressivité. Sur la table, la volise de mesures permettonf la détermination du potentiel, du p H , de l'agressivité et de la vent ignorée, consiste à isoler électriquement les jiîirties métalliques placées dans l'air des parties métalliques enterrées. Par exemple, dans le eis d'un forage, la tête de forage proprement diie ¡-era isolée du tubage, la protection de la tête se taisant par revêtement, et le tubage étant justiciable, >i nécessaire, d'une protection cathodique. O n notera enfin que certaines protections électro-chimiques s'opjKJsent dans leur modalité à certaines autres. Il faut donc, dès le projet, que le maître de l'œuvre choisisse, c'est—à-dire : — ou bien il ne lui parait pas souhaitable d'établir une installation de protection cathodique; il devra alors rédiger son projet en prévoyant les travaux d'assainissement, nécessaires, en tronçonnant les circuits électriques, en soignant la qualité des bétons, etc.; — ou bien il envisage une protection, et dans ce cas il faut assurer la continuité électrique de toutes les parties métalliques à protéger; on mènera alors de pair et la construction et la mise en service, tant de l'ouvrage que de son installation de protection. E n terminant, signalons également que la protection électrique est susceptible de détériorer certains revêtements, d'où une nouvelle raison, pour l'ingénieur, de penser, dès l'établissement de Pavant-projet, au mode de protection le plus rentable, et d'étudier en conséquence l'ensemble et le détail des travaux. DEUXIÈME PARTIE LA PROTECTION CATHODIQUE DES TUBAGES DES PUITS DU CHOTT CHERGUI Dès l'exécution du premier puits de captage, dénommé (.'_'. le Service de l'Hydraulique s'était inquiété de protéger les tubages en acier contre la corrosion. C'est pourquoi le Service des Etudes Generales el des Grands Travaux demanda au Laboratoire de Recherche Scientifique et de Perfectionnement Technique de Grenoble d'étudier la protection et de dresser le projet. K n collaboration avec le Laboratoire, les installations de protection cathodique des tubages du puits de la station C 2 furent réalisées, en partie par la Société Solétanche, en partie par l'Union Industrielle Africaine. Elles furent mises sous tension le 14 janvier difficulté de protéger électriquement certains ouvrages aux formes compliquées et rini|H>ssibilité de protéger la lace interne d'espaces absolument clos. lin particulier, au Chott Chergui, la |>erforaiion des colonnes permet seule d'assurer la protection de la paroi intérieure des tubages à partir d'une anode placée loin à l'extérieur du puits. I-a position de l'anode joue d'ailleurs un rôle très important dans cette répartition de courant, répartition que l'on doit déterminer en un premier stade par le calcul: les résultats sont ensuite précisés par un modèle réduit respectant la similitude électrique. Concurremment, on détermine la valeur à adop19.S5ter pour l'intensité. Les travaux de protection dans les autres staBien évidemment, un réglage final doit être tions sont actuellement en cours d'exécution. exécuté sur place lors de la mise en service de Nous décrirons donc tout spécialement l'install'installation. lation de protection cathodique de la station C 2 , Si, en tous points du métal, la densité de counous contentant d'indiquer au passage les modifirant est suffisante, les localisations anodiques s'efcations envisagées par l'Administration pour la facent et le fer devient intégralement cathodique. protection des tubages des autres puits. Bien qu'elle soit très simple en son principe, il ne DISPOSITIONS G É N É R A L E S faut cependant pas se dissimuler les difficultés d'une telle technique, dans laquelle l'expérience La protection cathodique est basée sur le renversement artificiel des courants de corrosion. O n acquise joue un rôle prépondérant. Suivant la qualité de son application, la protection est ou non utilise, à cet effet, une source de courant continu efficace : elle peut m ê m e dans certains cas devenir capable d'une forte intensité sous un bas voltage. Le pôle « moins > de ce générateur est relié à dangereuse. ' l'ouvrage à protéger, le pôle « plus > alimentant Schéma d'ensemble de l'installation. une prise de terre appelée à jouer le rôle d'anode. La figure 1 donne le schéma d'ensemble de l'insCette anode, parfois appelée dct'crsoir, peut être tallation de protection cathodique. consommable (fer), ou inattaquable (graphite). U n e source de courant continu G a son pôle )X)sitif relié à une anode enterrée A . L e pôle négaU n e densité minima de courant de protection tif est connecté au tubage du puits. doit parvenir à toutes les parties d'ouvrages à proL'énergie fournie par la source se dissipe, d'une téger, car il faut, évidemment, interdire sur les part sous forme de perte par effet Joule dans : plages anodiques du métal toute arrivée de courant — les câbles de liaison. en provenance des plages cathodiques: mais, de — les résistances de terre de l'anode et de la plus, il faut que sur ces plages anodiques, le coucathode, rant s'inverse. d'autre part sous forme d'énergie protectrice, X e satisfaire qu'à la première condition aboutit à laisser les parties anodiques du métal en état Fig. 1. de corrosion directe. Schéma d'ensemble de l'installation de protection cathodique. Bien plus, un courant de traitement tel qu'il laisse subsister certaines plages anodiques est non seulement inutile, mais dangereux, car des corrosions intenses résultent souvent du voisinage d'une cathode à grande superficie et d'une petite zone anodique. Le courant doit donc être suffisamment intense et réparti aussi judicieusement que possible sur la surface du métal à protéger. Pi — Ci-ci, ininl à l'absolue nécessité d'amener le coue Zéro arbitraire de potent ¡el r.mi sur le fer |>ar voie clcctrolytique. explique la ¿0/ de conductibilité infinie de la seconde, l'espace annulaire entre ces deux gaines ayant fait l'objet d'un remplissage au mortier. ¿rase definitive des tuùagcs ôuse en he'ton armé lubrification Fig. 2. Diagramme des potentiels. 1370/ I39S représentée par la polarisation de chacune des électrodes. (Nous n'avons pas tenu compte, dans le décompte des pertes, de la résistance du milieu reliant électriquement les deux résistances localisées dites « de terre >, cette résistance étant toujours très petite par rapport aux autres). L e diagramme, des potentiels (fig. 2) met en évidence ces diverses différences de potentiel. Il montre que la polarisation ig qui représente en fait le butfinalde l'opération est très petite comparée à la f.e.m. que doit fournir le générateur. L e rendement énergétique est donc très faible et les pertes Joule devront être aussi petites que possible. Cependant l'énergie totale mise en jeu est toujours de peu d'importance. La cathode. Les puits comportant différents tubages, il fallait : — réaliser la liaison électrique des différents tubages avec la source de courant continu, — assurer la protection de la face interne des tubages dans les zones susceptibles d'être dénoyées au cours des pompages. L a figure 3, en indiquant les dispositions générales adoptées pour l'équipement de ces puits, rend compte plus précisément du détail des travaux effectués à la station Ç2. Description du tubage. U n e première colonne, entre les cotes 092,40 et 958,65. est constituée d'éléments de tuyaux en béton armé centrifugé. U n e seconde colonne entièrement métallique part de la m ê m e cote 91)2.40, mais descend à la ente {)y).~~. Formée de viroles métalliques, elle est crépîiiée sur une quinzaine de ni à sa partie inférieure. . Pour permettre l'indépendance de mouvements de ces deux colonnes, deux gaines lubrifiantes de 5 m m d'épaisseur en bitume plastique recouvrent la face interne ''e la première et la face externe Z O ¡cables q 13.5 acier galvanisé û) m u s Jupe en tôle soudée stirlaviro/e intérieure a Joint de tassement Guide en saii/te de 2. S cm Crépine définitive protégée ao plastali too/ i/to Spattes de 0,7x 0.12 raidisseurs. inclinées a Attache des cables de protection cathodique Jupe en tôle soudée sur. la virole intérieure / ïrépinage • Trous de SO"lm nuirant eo'/ode la surface AtUrhr ,ícs r..Nm de l¿ protection céifiooiQi/"/ I Csh 1rs rf ntyrtsffiwri Cimentât inn iff ñ Guide cnntgi/c w ftr'toñ Fig 3 Ccupe genérale .¡'un ; uils, detail cie l'équipement Je protect M I cotho iquc 61 Signalons |xiur mémoire l'existence sur la deuxième colonne d'un joint de tassement. U n e troisième colonne et une quatrième colonne, également niétallii|iies. complètent le tubage, l'une entre les cotes 941.50 et 916.35 et l'autre de 919,20 à }<94.45T-a troisième colonne présente en outre la particularité d'être « accrochée » par les câbles de liaison électrique à la tête du puits. Enfin une crépine., dite crépine définitive, double la partie crépinée de la deuxième colonne entre les cotes 961.75 et < 141.50. Mise en place à la fin des travaux de forage, elle repose simplement sur sa base. Liaisons électrique«. Mlles ne lisaient de problèmes que ixjur les 3' et 4 ' colonnes et pour la crépine définitive. E n effet, les autres parties métalliques d u puits étaient accessibles de la surface du sol et la réalisation des connexions ne présentait, de ce fait, aucune difficulté. Pour la troisième colonne, il a été prévu trois câbles en acier galvanisé fixés à la tête de la colonne, et du point de vue mécanique, par enroulement autour de cosses soudées à la colonne sur sa face externe, une plaque de recouvrement interdisant aux boucles ainsi formées de sortir de ces cosses (fig. 4), et du point de vue électrique, par soudure sur la colonne du brin mort de chacun des câbles, avec, de plus, un serrage énergique par boulons. l'otir la quatrième colonne et la crépine, (k^ dispositions absolument analogues furent adoptées, mais avec des câbles de plus faible section, ceux-ci ne devant assurer que la liaison électrique. Protection des parties dénoyées. Les parties dénoyées n'étant pas justiciables de la protection cathodique, il fallait assurer la protection de la paroi interne de la deuxième culonne. le rabattement m a x i m u m envisagé correspondant à la cote 941. Aussi fut-il décidé de n'attribuer à cette colonne qu'un rôle temporaire, limité à la durée des travaux, le rôle essentiel étant dévolu : — pour la partie pleine, à la première colonne, — pour la partie crépinée, à une seconde crépine, dite crépine définitive. L a première colonne ne posait de problème qu'en ce qui concerne le choix d'un liant, susceptible de résister à l'agressivité chimique des eaux et des terrains. Par ailleurs, pour parer aux risques de corrosion que ferait courir à la crépine définitive tout dénoyage, cette dernière fut spécialement traitée au « plastali », produit plastique de revêtement à base de résines vinyliques. L'inconvénient de ce procédé est sa faible résistance aux chocs. Aussi la crépine définitive fut- catHt M êtierailvinisé [j/a colonne Fixation des dis par serrage et brassage Fig. 4. 62 Plaque soudde après mise en place dut.t<àle Fixation des câbles 01 tête do colonne. I Fig. 5. Croquis sehen lu tique de l'anixle «le la slulion C 2. h~ Pi - ÍJ2 planchettes en graphite 80x18x6011- Canalisation canin ri'ulimentiitinn S Petroln/10- 18x611(1 mm ' • ' • ' . Massif en béton de coke elle mise en place après le complet achèvement des travaux. Dans un m ê m e esprit, les câbles de liaison électriques furent choisis en acier galvanisé. D e plus, ils furent imprégnés de bitume en usine. D'assez longs délais devant séparer la pose des tubages de la mise en service des installations de protection cathodique, on minimisa le plus possible les risques de corrosion en procédant sur le chantier à un sablage énergique suivi d'une phosphatisation des 2*, 3* et 4* colonnes. L'anode. Les anodes ou déversoirs peuvent se classer en deux catégories : — les anodes inattaquables; le type classique en est l'électrode de graphite: la résistance de ce matériau est le plus souvent renforcé par un traitement à la paraffine, qui le rend absolument inattaquable par les electrolytes froids : — les anodes consommables, constituées en général par une importante masse de fer dont la dissolution obéit alors rigoureusement à la loi de Faraday (1 ampère heure dissout r,O4g de fer): théoriquement une telle anode consomme donc 10 kg de fer par ampère et par an, et pratiquement beaucoup plus. Le problème essentiel étant, ainsi qu'il a déjà été dit, de réduire au m a x i m u m la résistance de terre de ces anodes, quelqu'en soit le type, on est amené à leur donner un grand développement : on démontre en effet que la résistance de terre d'une pièce métallique de forme hémisphérique de surface S , au contact d'un sol de résistivité ?. est très exactement et de nombreux essais ont établi que cette formule reste valable pour les électrodes plates ou convexes. L a résistance dont on affecte ainsi l'électrode est en réalité une valeur approchée, qui néglige la conductivité du sol en dehors de la zone de contact. L'expérience justifie une telle approximation, mais il sied de se souvenir que la localisation de la résistance de terre intéresse alors un volume de terre iiiijM>rtant. volume que l'on |>ourrait grossièrement limiter par une surface fictive distante de l'électrode d'une longueur sensiblement égale à la plus grande dimension de celle-ci. C'est donc la résistivité moyenne de tout ce volume que l'on doit prendre en compte dans l'expression de R . L'utilisation d'anode de forme ramassée s'avère de ce fait extrêmement pavante, puisqu'elle permet de ramener '-, donc l\. à clés valeurs minima. D a n s cet esprit, le Laboratoire de Recherche 63 Scientifique a mis :iu point une anode qui pré>enle les avantages d'être : — pratiquement inattaquable, — de fiiriue suítismnuent nuuas>ce. —• de cunslruction facile. — d'un prix tic revient peu élevé. Cette électrode, «huit la figure 5 donne le schéma ¡général, comprend un m u r enterré en béton spécial, long »le 33 ni, haut de î.-'jm. large de 0.50 ni, dans lequel ont été scellées des planchettes en coke de pétrole paraffinées. Le béton spécial est comi>osë iKUir chaque application à partir d'un coke à grande conductibilité et d'un ciment inattaquable ans eaux saumfttres. D e surcroit, nn dis|>ositif sommaire d'irrigation a été prévu ]Hiur améliorer, si nécessaire, durant la saison sèche, la conductibilité d u sol. Pour la station C 2 , l'anode ainsi construite se situe à environ 200 m du puits. Elle a une résistance de terre d'environ 0,-25 o h m , f valant sensiblement 800 o h m / c m . C'est là une valeur extrêmement faible et au'il aurait été fort difficile de réaliser de manière économique avec tout autre type de déversoir. Le Service disjwsant d'un lot important de rails bon marché, il a été décidé que les autres anodes seraient cei>endant réalisées suivant la formule de l'anode consommable. Ces déversoirs, longs d'environ 200 m , seront certainement réalisés suivant les concepts classiques : Photo 4 . Le redresseur afimsntant l'installation de la station C 2 O n distingue les barrettes servant ou réglage de la tension. Sur la chaise, le vcltmèrre électronique servant aux mesures de potentiel et la pile étalon. fck&kU\ . — éléments de rails reliés par soudure, — ]Hise dans un lit de coke avec apport de chlorure. Les dé|tenses de premier investissement d'une ékrtrode de ce ty¡>e semblent devoir être légèrement plus faibles, et la connaissance de> résistances de terre ainsi obtenues permettra d'établir un parallèle économique fort intéressant entre les deux lyjtes d'électrodes. La source de courant. Tout générateur de courant continu peut convenir, s'il est capabie des débits demandés. Notons seulement la nécessite de choisir un appareil surabondant, afin d'éviter tout échauffement anormal consécutif à un fonctionnement absolument ininterrompu. Par ailleurs, l'appareil doit ]X>sséder des g a m m e s de refilasses aussi souples qu'étendues. Pour la station C J . le choix du projecteur s'est porté sur un redresseur utilisant des cellules au sélénium et fonctionnant sur courant triphasé. Cet appareil (photo 4)- dont la tension continue peut varier de 10 à 8 0 volts, possède un système de ventilation forcée. Des sécurités permettent, en outre, de mettre l'appareil hors tension, en cas d'échaurTement anormal des cellules ou d'arrêt du ventilateur. Pour les autres stations, qui ne disposent pas d'une ligne d'énereîe électrique, il est prévu d'utiliser des groupes électrogènes entraînés par des moteurs diesel. L a tension de ces génératrices pourra être réglée de deux manières : — soit par action sur le régulateur de vitesse du moteur, — soit par action sur le rhéostat de c h a m p de l'inducteur shunt. Ces groupes (photo 5). au nombre de deux, ¡xiurront fonctionner soit isolément, soit ensemble, tous les réglages et les manœuvres se faisant à partir de l'armoire de c o m m a n d e située à gauche sur la photographie. Divers. Les autres parties de l'installation ne présentent aucune particularité notable. L a liirne anodique est une ligne aérienne sur tmteaux bois. Pour diminuer les pertes en lignes, le conducteur a une très forte section. Il en est de m ê m e pour la ligne cathodique, constituée d'un câble sous plomb, qui réunit le jx'tle moins du générateur aux différents câbles issus du puits liar l'intermédiaire de barrettes de coimexion> et de replâtre. Enfin, pour permettre des contrôles fréquents et aisés, il est envisagé de placer en permanence à l'opiMisé de l'anode par rai »port au nuits une électrode de référence au calomel. L a liinu' desservant et leur Grmaire de commande cette electrode aboutira au droit d u redresseur ou de l'armoire de c o m m a n d e . Pour implanter cette électrode, il a été nécessaire d'étudier le tracé des lignes de courants reliant l'anode au puits, l'électrode devant se situer le plus près jwssible de la ligne de courant passant théoriquement par l'infini. Sur la photo 6. nous avons re]>rc.senté ces lignes, l'emplacement retenu se situant aux environs de la croix noire. c'est-à-dire résistance des lignes -f- résistances de terre tant de la cathode que de l'anode, n'excédait pas O " 4 - l«i puissance électrique continue nécessaire à la protection était donc de 1.4.50 watts environ, au lieu des 1.525 watts annoncés, pour une protection pleinement efficace, ainsi qu'en témoignent les quelques chiffres ci-après : Caractéristiques du traitement L A MISE E N SERVICE et le F O N C T I O N N E M E N T D E L'INSTALLATION L'installation de protection de la station C J a été mise en service le 14 janvier 1955. Après plusieurs essais, il s'est avéré que l'intensité d u traitem e n t optima s'établissait autour de 55 ampères, confirmant d'ailleurs ainsi les prévisions d u L a b o ratoire. De Dates Insensité 14 15 14 21 22 . 1 55 . 1 55 .3 SS . 12 .55 .3 56 58*1 55 54A 57A Potentiel des tubages Observations Voltage 2& 26V 25V 25' — 0'52° — O1 S6* — 0*96 •—0*96 — 0*90 "Avant mise en service de ¡ l'installation. ; * Après 12 h de fonctionnement.; plus, la résistance globale de l'installation. Fig. S. Chute du potc-nt-H en fonction 3u temps après coupure du courant. ESSGI du 14-3-55 iU = 2üv, I = 5 5 A avant coupure). L e |Mitenticl indiqué ci-dessus s'entend au m o ment précis de la coupure et par rapport à une électrode au calomel décinormale f + 0*334 par rapport à l'électrode à hydrogène). l'-n ctt'et. avec ¡absence de courant, le potentiel évolue dans le temps ¡mur tendre d'abord très rapidement, puis de plus en plus lentement, vers des valeurs inoins négatives, ainsi (¡n'eu témoigne la courbe de ta ligure *>. Pratiquement, la protection «le la cathode est totalement assurée <lé> nui* le ixitenticl atteint des valeurs égales mi inférieures (avec noire électrode rappelons-le t à — o * « j n . II est d'ailleurs imit à l'ail prnbai'le que l'un puisse d'ici quelques ipnis diminuer sen>ib!i.-nieiH l'intensité de iraileiiuni. Il ne -einble cependant pa> posible de de>eendre au-de^>' »u> de _'5 ; i 3 0 auipéi es. 65 Photo 6. Détermination sur le terrain des lignes de courant en vue de l'implantation à demeure d'une électrode de référence. CONCLUSION S'il est toujours possible de modifier, a posteriori, sur le terrain, l'intensité de traitement, sa prédétermination précise n'en est pas moins fort importante. Le rôle essentiel de l'ingénieur est en effet de trier, parmi toutes les solutions valables, la moins onéreuse. D a n s le cas d'une installation de protection cathodique, c o m m e d'ailleurs pour tout autre ouvrage, cette recherche de l'économique se ramène à l'étude des variations du « prix de revient réel » en fonction de tous les paramètres indépendants. Ce prix de revient réel est la s o m m e des frais de premier investissement, et. en les capitalisant, des frais d'exploitation ainsi que des charges financières. Son expression est souvent fort complexe, mais, dans le cas présent, une .simplification importante intervient, car le coût du générateur est très généralement indépendant de la conception du reste de l'installation. K n effet, d'une part les dépenses d'exploitation ne peuvent descendre en dessous d'un certain m i n i m u m correspondant â l'énergie de pnlarisatinn et aux portes Joule dans la résî>taiiee de terre de la eathiwle. d'autre part, les conditions de travail du générateur et les possibi- 6Ü lités de réglage qui lui sont demandées obligent toujours à le surdimensionner beaucoup. Les paramètres indépendants du problème se réduisent donc : — aux dimensions de l'anode, — aux sections des conducteurs des lignes anodîque et cathodique. E n effectuant le calcul pour une anode de section donnée, dont le prix d'établissement est, à peu de choses près. proj>ortionnel à la longueur, on constate que la « longueur économique » de l'anode est proportionnelle à la puissance 4 / 3 de l'intensité de traitement (ainsi qu'à la puissance 2/3 de la résistivité du sol d'implantation). D e m ê m e , la section économique de chacune (]e^ lignes est directement proportionnelle à cette intensité. I-a condition essentielle pour qu'une installation de protection cathodique soit aussi efficace qu'économique est donc toute dans la predetermination de cette intensité. Partant, la qualité de cette predetermination, dans laquelle l'expérience acquise i<>ue un rôle prép"11(léi"-'t"l est, |nmr le maître de l'n-uvre, un sûr garant de réussite.