已有的研究表明，溶液中氯離子濃度對不銹鋼縫(feng)隙腐(fu)蝕的影響較大，浙江至德鋼業有限公司通過數值模擬的方法，分析氯離子在縫隙內的分布情況。

一、理論分析

  首先分析縫隙內外各物質(zhi)的(de)轉移情(qing)況，物質(zhi)質(zhi)量(liang)的(de)傳遞途徑包括遷移、擴散(san)、對(dui)流(liu)。縫隙內外溶(rong)液(ye)的(de)對(dui)流(liu)可以(yi)忽略不計(ji)，只(zhi)剩了遷移和擴散(san)兩種途徑，所以(yi)，溶(rong)液(ye)組分的(de)通量(liang)方程如(ru)下(xia):

  同時，還要考慮溶液中離子的水解，對于奧氏體不銹鋼，電化學反應產生的主要離子包括氫離子、鐵離子、鉻離子、鎳離子這些離子水解反應式和平衡常數為：

二、數(shu)值模擬

  至德鋼業采用COMSOL有限元軟件對縫隙內Cl^-濃度進行模擬計算。金屬材料為304不銹鋼，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立模(mo)型

  以管板式廢熱(re)鍋爐(lu)為例，管子材(cai)料是304不銹鋼。管板和換熱(re)管之(zhi)間采用脹接(jie)十焊接(jie)，但是兩者之(zhi)間還存在(zai)微小(xiao)縫(feng)隙，縫(feng)隙深度200mm,寬度0.125mm,幾何參數設置(zhi)界面(mian)如圖3-3所示，圖3-4給出了簡(jian)化的(de)縫(feng)隙三維(wei)幾何模(mo)(mo)型。在(zai)保證計算精度的(de)前提下(xia)，將模(mo)(mo)型簡(jian)化為二(er)維(wei)軸對稱(cheng)模(mo)(mo)型。劃分網格，縫(feng)隙內網格細化，如圖3-5所示。

2. 控制方(fang)程(cheng)

  傳質方程采用式（3-3).

  電場采(cai)用泊松方程，電流采(cai)用電化學(xue)方法，數據來源于極化曲線

3. 電極反應

  把(ba)極(ji)化(hua)(hua)曲線(xian)上的(de)數據(ju)(ju)輸(shu)入“內插”列表，如圖3-6所示，左邊的(de)數據(ju)(ju)為極(ji)化(hua)(hua)曲線(xian)中的(de)電(dian)勢，右邊的(de)數據(ju)(ju)為極(ji)化(hua)(hua)電(dian)流(liu)。

  模(mo)擬中采用“二次電流分(fen)布(bu)”，即(ji)考(kao)慮(lv)歐姆極化(hua)和電化(hua)學極化(hua)，未考(kao)慮(lv)濃差極化(hua)。電解質的(de)電導率設(she)為0.01S/m,軸對稱結構。

4. 邊(bian)界(jie)條件

“絕緣”項設(she)為(wei)(wei)默認(ren)值(zhi)，初(chu)始值(zhi)中(zhong)的“電(dian)解質電(dian)勢”和(he)“電(dian)勢”都(dou)設(she)為(wei)(wei)0.由于縫隙兩側都(dou)是金(jin)屬(shu)，因此在“電(dian)解質－電(dian)極(ji)邊界面(mian)邊界”選項設(she)置中(zhong)設(she)置邊界條(tiao)件為(wei)(wei)“電(dian)勢”，外部(bu)電(dian)勢設(she)為(wei)(wei)0.1V,其他設(she)置如(ru)圖3-7所示。

  在邊界上會(hui)發生(sheng)電化學(xue)反(fan)應(ying)，因此，需(xu)要(yao)設置(zhi)“電極反(fan)應(ying)”項(xiang)，具體設置(zhi)內容如圖3-8所(suo)示。

5. 物質傳遞

  物質傳遞包括電遷移和擴散兩部分，如圖3-9所示。“初始值”中，輸入了4種離子，即Fe²⁺、Cr³⁺、Ni²⁺、Cl^-、Fe²⁺濃度初始值為10^-4mol/L，Cr³⁺和Ni²⁺濃度初始值為0。

6. 電極電解質界面(mian)耦合(he)

  耦合電化學反應，“反應常數”中的參數分別為Fe²⁺、Cr³⁺、Ni²⁺對應的參數，設置如圖3-10所示。在耦合電化學反應時，要選中電極界面。

7. 濃度

  縫隙入口處的(de)(de)氯(lv)離子濃度(du)為恒定值，即(ji)為溶液中的(de)(de)濃度(du)。縫隙外的(de)(de)介質是濃度(du)為0.3mol/L的(de)(de)氯(lv)化(hua)鈉溶液。外部電(dian)勢取－0.2V,圖3-11給出了縫隙內氯(lv)離子濃度(du)分(fen)布。

  從圖3-11中可以看出，越靠近縫隙底部，氯離子濃度越高，縫隙底部的氯離子濃度達到2.4mol/L,是縫隙外溶液濃度的8倍。從以上分析可以看出，雖然整體溶液中氯離子平均濃度很低，但是氯離子會在縫隙內聚集，造成縫隙內氯離子濃度大大增加。在管殼式換熱器中，換熱(re)管和管板之間一般通過脹接＋接工藝連接，若脹接不嚴密，換熱管和管板之間會存在微小的縫隙，而且縫隙長度尺寸較大，很容易使溶液中的氯離子在縫隙內富集，圖3-12給出了2個失效案例。

  管板式換(huan)熱器中(zhong)，換(huan)熱管和(he)管板之間存在縫(feng)隙(xi)(xi)是普遍現象。因(yin)為(wei)在制造過(guo)程(cheng)中(zhong)，要消除兩者(zhe)之間的(de)縫(feng)隙(xi)(xi)就需要加大脹接(jie)(jie)應力，勢(shi)必引(yin)起殘余(yu)應力過(guo)大，容易造成應力腐(fu)蝕(shi)開裂。但是，脹接(jie)(jie)程(cheng)度過(guo)小，又(you)為(wei)縫(feng)隙(xi)(xi)腐(fu)蝕(shi)和(he)離子富集創(chuang)造了條件。因(yin)此，脹接(jie)(jie)方(fang)法和(he)脹接(jie)(jie)應力的(de)控制尤為(wei)重要。