已有的研究表明，溶液中氯離子濃度對不銹鋼縫隙腐(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(xian)分析縫隙(xi)內(nei)外各(ge)物質(zhi)的轉移(yi)情(qing)況，物質(zhi)質(zhi)量的傳遞(di)途(tu)徑包括(kuo)遷移(yi)、擴散、對流。縫隙(xi)內(nei)外溶液的對流可以忽略不計，只剩了遷移(yi)和擴散兩種途(tu)徑，所以，溶液組分的通(tong)量方程如下:

  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(er)、數值(zhi)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. 建立模型(xing)

  以管板式廢熱鍋爐(lu)為例(li)，管子(zi)材料是(shi)304不銹鋼(gang)。管板和換熱管之間采用脹接(jie)十焊接(jie)，但是(shi)兩者(zhe)之間還存在微小縫隙，縫隙深度200mm,寬度0.125mm,幾何參數設(she)置界面如(ru)圖3-3所示，圖3-4給出了(le)簡化(hua)的縫隙三維幾何模型。在保證計算(suan)精度的前提(ti)下，將模型簡化(hua)為二維軸對稱模型。劃分網(wang)格，縫隙內網(wang)格細化(hua)，如(ru)圖3-5所示。

2. 控制(zhi)方程

  傳(chuan)質方程(cheng)采用式（3-3).

  電場采用泊松方程，電流(liu)采用電化學(xue)方法(fa)，數據來源于(yu)極(ji)化曲線

3. 電極反應

  把極(ji)化曲線(xian)上的(de)數(shu)據輸(shu)入“內插”列表，如圖(tu)3-6所示，左(zuo)邊的(de)數(shu)據為(wei)極(ji)化曲線(xian)中的(de)電(dian)勢(shi)，右(you)邊的(de)數(shu)據為(wei)極(ji)化電(dian)流(liu)。

  模擬(ni)中采用“二次電(dian)流分布”，即考慮歐姆極(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)和電(dian)化(hua)(hua)(hua)學極(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)，未(wei)考慮濃差(cha)極(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)。電(dian)解(jie)質的電(dian)導(dao)率設為0.01S/m,軸對稱結構。

4. 邊界條件

“絕(jue)緣(yuan)”項設(she)(she)(she)為(wei)默(mo)認值，初始值中的“電解(jie)質(zhi)電勢”和“電勢”都設(she)(she)(she)為(wei)0.由(you)于縫隙兩側都是金屬，因(yin)此(ci)在“電解(jie)質(zhi)－電極邊(bian)界面邊(bian)界”選項設(she)(she)(she)置中設(she)(she)(she)置邊(bian)界條件為(wei)“電勢”，外部電勢設(she)(she)(she)為(wei)0.1V,其他設(she)(she)(she)置如圖3-7所示。

  在(zai)邊界(jie)上(shang)會發生電(dian)化(hua)學反應，因此，需要設置“電(dian)極反應”項(xiang)，具體(ti)設置內容如圖(tu)3-8所示。

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(ji)電解質界面耦合

  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(du)

  縫隙(xi)(xi)入口(kou)處的(de)氯(lv)離子濃度為恒定值，即為溶液(ye)中(zhong)的(de)濃度。縫隙(xi)(xi)外的(de)介(jie)質是濃度為0.3mol/L的(de)氯(lv)化鈉(na)溶液(ye)。外部電勢(shi)取(qu)－0.2V,圖3-11給出(chu)了縫隙(xi)(xi)內氯(lv)離子濃度分(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(huan)熱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。

  管板式換熱器(qi)中(zhong)，換熱管和管板之間(jian)存(cun)在縫(feng)隙(xi)是(shi)普遍現(xian)象。因為(wei)在制造過(guo)程中(zhong)，要(yao)消除(chu)兩(liang)者之間(jian)的縫(feng)隙(xi)就需要(yao)加大(da)脹接(jie)應(ying)(ying)力，勢必引起(qi)殘余應(ying)(ying)力過(guo)大(da)，容易(yi)造成應(ying)(ying)力腐蝕開裂。但(dan)是(shi)，脹接(jie)程度過(guo)小，又為(wei)縫(feng)隙(xi)腐蝕和離子富集(ji)創造了條件。因此，脹接(jie)方法和脹接(jie)應(ying)(ying)力的控制尤為(wei)重要(yao)。