Étude de la fabrication d’un ponton en milieu marin

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Matériaux
Type : Exercice | Année : 2013 | Académie : Asie
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Étude de la fabrication d’un ponton en milieu marin
 
 

Les matériaux

Corrigé

52

Spécialité

pchT_1306_05_03C

 

Asie • Juin 2013

Exercice 3 • 5 points

Vous faites partie d’un laboratoire d’ingénierie qui doit étudier la conception d’un ponton. En marine, le ponton (ou embarcadère) permet l’embarquement ou le débarquement de passagers et l’amarrage des bateaux. L’image, ci-dessous, montre un ponton en construction.


 

Cet exercice porte sur la corrosion de piliers métalliques partiellement immergés en eau de mer. Vous devez, pour cela, lire attentivement l’ensemble des documents proposés, répondre à des questions à choix multiples sur l’annexe puis résoudre le problème posé à l’aide d’une rédaction d’au minimum 20 lignes.

Document 1

L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction mécanique. L’acier est constitué d’au moins deux éléments, le fer, très majoritaire, et le carbone, dans des proportions comprises entre 0,02 % et 2 % en masse. C’est essentiellement la teneur en carbone qui confère à l’alliage les propriétés du métal qu’on appelle « acier ».

Pour l’acier, la corrosion se traduit par la formation de rouille. Ce produit composé d’oxydes plus ou moins hydratés ne se forme qu’en présence de dioxygène et d’eau à température ordinaire. Cette corrosion est dite aqueuse, et c’est la forme le plus fréquemment rencontrée en construction métallique.

La corrosion est un phénomène électrochimique : cela signifie qu’il se crée des piles à la surface de l’acier, dans lesquelles une des électrodes, l’anode, se consomme au bénéfice de l’autre, la cathode, qui reste intacte. L’électrolyte est constitué par l’eau, plus ou moins conductrice et oxygénée.

Les deux demi-équations mises en jeu dans le phénomène de corrosion sont :

12O2+2e+H2O2HO

Fe2++2eFe

Document 2

 

Annexe

QCM

 

Questions

Réponses

Documents

1. La corrosion des piliers métalliques est la même sur toute leur hauteur.

Oui Non

2. La quantité de dioxygène est identique sur toute la hauteur du pilier métallique.

Oui Non

3. La corrosion est la plus importante à la base du pilier métallique.

Oui Non

4. La température moyenne a une influence sur la perte d’épaisseur d’acier au cours du temps.

Oui Non

5. L’équation d’oxydo-réduction associée à la corrosion humide peut être écrite :

Fe(s)+H2O(l)2HO(aq)+Fe(aq)2+

Oui Non

6. Un pilier métallique perd 0,2 mm d’épaisseur au bout de 5 ans en présence d’une atmosphère humide et polluée.

Oui Non

 

Notions et compétences en jeu

Connaître le phénomène de corrosion et savoir s’en protéger • Avoir des connaissances en vieillissement des matériaux • Savoir réaliser une oxydo-réduction.

Conseils du correcteur

  • Attention à choisir votre vocabulaire : le correcteur attend certains mots, bien employés bien sûr, qui proviennent pour certains des documents et pour d’autres de votre connaissance du cours.
  • Reprenez sur votre brouillon ce que vous apporte chacun des documents.
  • L’énoncé insiste ici sur l’utilisation de la totalité des documents donc lorsque vous pensez avoir terminé votre synthèse, vérifiez que vous avez bien réutilisé toutes les informations données dans les documents.
  • Cette question de synthèse est forcément sur au moins 3 points. Donc il faut réellement argumenter vos propos, vous appuyer sur les documents ou des connaissances stables (le cours et non pas ce que vous supposez à ce moment). Faites attention à avoir une structure logique dans vos raisonnement : l’utilisation des connecteurs logiques (donc, or, de plus, car, par conséquent, si… alors…) est souvent comprise dans la notation.
Corrigé

QCM

 

Questions

Réponses

Documents

1. La corrosion des piliers métalliques est la même sur toute leur hauteur.

Oui Non

Document 3

2. La quantité de dioxygène est identique sur toute la hauteur du pilier métallique.

Oui Non

Document 2

3. La corrosion est la plus importante à la base du pilier métallique.

Oui Non

Document 3

4. La température moyenne a une influence sur la perte d’épaisseur d’acier au cours du temps.

Oui Non

Document 4

5. L’équation d’oxydo-réduction associée à la corrosion humide peut être écrite :

Fe(s)+H2O(l)2HO(aq)+Fe(aq)2+

Oui Non

Document 1

6. Un pilier métallique perd 0,2 mm d’épaisseur au bout de 5 ans en présence d’une atmosphère humide et polluée.

Oui Non

Document 4

 

Question de synthèse

Rédiger une synthèse argumentée à partir de documents

Exemple de l’utilisation des documents sur votre brouillon :

  • document 1 : composition de l’acier ; conditions d’obtention de la rouille (eau et O2), réaction pile anode cathode.
  • document 2 : teneur en O2 selon la profondeur ; vocabulaire.
  • document 3 : « intensité » de l’attaque de la rouille selon la profondeur.
  • document 4 : courbe d’évolution de la perte d’acier suivant les conditions.

Le fer est l’un des métaux les plus utilisés depuis que l’homme l’a découvert et su l’extraire des mines. Le problème principal est qu’il est attaqué, chimiquement, lorsqu’il se trouve en présence d’eau et de dioxygène : il se recouvre de rouille.

Ce phénomène électrochimique se résume par l’équation de réaction :

Fe(s)+H2O(l)+12O2Fe(aq)2++2HO(aq)

Il se produit un transfert d’électrons. Le fer, à l’anode de cette pile, est petit à petit dissous : la masse solide est « grignotée », « rongée » par la rouille.

L’acier est un alliage composé à plus de 99 % de fer et de moins de 1 % de carbone. Plus solide mécaniquement, l’acier résiste un peu mieux à la rouille que le fer pur mais est tout de même attaqué dans les mêmes conditions.

Les piliers de pontons marins sont évidemment sujets à l’attaque de la rouille puisqu’il y a du dioxygène dissous dans l’eau de mer. En rapprochant les documents 2 et 3, on observe clairement l’influence de la présence de dioxygène sur la formation de la rouille.

On note aussi l’indispensable présence d’eau car dans la zone de marnage, l’attaque de la rouille est plus faible que dans les zones inférieures et supérieures. La zone supérieure est la zone des embruns : elle est donc en permanence très humide et le dioxygène y est très présent, puisqu’on est à l’air libre. La zone inférieure est toujours immergée d’où une humidité permanente, et une présence encore très élevée de dioxygène dissous car la profondeur est faible. La zone de marnage est plus chaotique, ce qui explique que l’attaque de la rouille, bien que très présente, l’est un peu moins que dans les zones l’entourant.

La zone du pilier la plus protégée est celle enfouie dans le sol puisque le dioxygène y est absent et l’humidité faible.

Le document 4 nous permet d’étudier l’évolution de la perte d’acier selon les conditions de température et d’humidité. Nous constatons notamment l’influence de la température dans la formation de la rouille et donc la perte d’acier : la comparaison entre les courbes II et III permet de conclure à l’accélération du phénomène en eaux chaudes. La perte y est trois fois plus rapide qu’en eaux froides : 0,15 mm en 5 ans contre 0,05 mm en 5 ans !

Pour protéger ces pontons de la rouille, il faut limiter au moins l’un des deux paramètres que sont l’humidité et la présence de O2. Le recouvrement semble remplir ces conditions : si l’acier n’est plus en contact ni avec l’eau, ni avec le dioxygène, il ne peut plus être attaqué par ce phénomène. On peut donc le recouvrir d’une peinture « antirouille » c’est-à-dire imperméable pour éviter l’infiltration de l’humidité et celle de O2. En étudiant le document 3, on peut aussi penser à un recouvrement par une matière minérale (un ciment par exemple). Le problème est que cela augmentera la grosseur du ponton.

Enfin, même si elles n’empêchent pas le contact acier-dioxygène, toutes les actions permettant de diminuer la teneur du dioxygène dans l’eau autour des piliers diminuent la vitesse de formation de la rouille et donc permettent de prolonger leur durée de vie.