已有的研究表明，溶液中氯離子濃度對不銹鋼縫隙腐蝕的影響較大，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(fen)析縫隙(xi)內(nei)外各(ge)物質的(de)轉(zhuan)移情況，物質質量的(de)傳遞途徑(jing)包括遷移、擴(kuo)散(san)、對流。縫隙(xi)內(nei)外溶液(ye)(ye)的(de)對流可(ke)以(yi)忽略不計，只剩了遷移和擴(kuo)散(san)兩種途徑(jing)，所以(yi)，溶液(ye)(ye)組分(fen)的(de)通量方程如下:

  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(li)模型

  以管(guan)(guan)板式廢(fei)熱(re)鍋爐(lu)為例，管(guan)(guan)子(zi)材(cai)料是(shi)304不銹鋼。管(guan)(guan)板和換熱(re)管(guan)(guan)之間采用脹接十(shi)焊接，但是(shi)兩者之間還存在(zai)微小縫(feng)(feng)隙(xi)，縫(feng)(feng)隙(xi)深度200mm,寬度0.125mm,幾何參數設置界(jie)面如圖(tu)3-3所示，圖(tu)3-4給(gei)出了簡化(hua)(hua)的縫(feng)(feng)隙(xi)三維幾何模(mo)型(xing)。在(zai)保證計算精(jing)度的前提下，將(jiang)模(mo)型(xing)簡化(hua)(hua)為二維軸對稱模(mo)型(xing)。劃分(fen)網(wang)格，縫(feng)(feng)隙(xi)內網(wang)格細化(hua)(hua)，如圖(tu)3-5所示。

2. 控制方程

  傳質方程采用式（3-3).

  電場采(cai)用(yong)泊松方(fang)程，電流采(cai)用(yong)電化學方(fang)法，數據來(lai)源于極(ji)化曲線

3. 電極反(fan)應

  把極化曲線(xian)上的(de)數據輸入(ru)“內插(cha)”列表，如(ru)圖3-6所示(shi)，左邊的(de)數據為極化曲線(xian)中的(de)電勢，右邊的(de)數據為極化電流。

  模擬中采用(yong)“二次電(dian)流(liu)分布”，即考慮(lv)歐姆極(ji)化和電(dian)化學極(ji)化，未考慮(lv)濃差極(ji)化。電(dian)解質(zhi)的(de)電(dian)導率設為0.01S/m,軸(zhou)對稱結構。

4. 邊界條(tiao)件

“絕緣(yuan)”項(xiang)設(she)(she)(she)為(wei)默認值(zhi)，初始(shi)值(zhi)中的“電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解質(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢”和“電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢”都(dou)設(she)(she)(she)為(wei)0.由(you)于縫(feng)隙(xi)兩側都(dou)是金屬，因此(ci)在“電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解質(zhi)－電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極邊界(jie)面邊界(jie)”選項(xiang)設(she)(she)(she)置(zhi)中設(she)(she)(she)置(zhi)邊界(jie)條件為(wei)“電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢”，外部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢設(she)(she)(she)為(wei)0.1V,其他設(she)(she)(she)置(zhi)如圖3-7所示。

  在(zai)邊界上會(hui)發生電化學(xue)反(fan)應，因此，需要(yao)設(she)(she)置“電極反(fan)應”項，具體設(she)(she)置內(nei)容如圖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(ou)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(nong)度

  縫隙入口處的(de)(de)氯(lv)離子(zi)(zi)濃(nong)度(du)(du)為(wei)恒定(ding)值，即為(wei)溶液(ye)中的(de)(de)濃(nong)度(du)(du)。縫隙外(wai)的(de)(de)介質是濃(nong)度(du)(du)為(wei)0.3mol/L的(de)(de)氯(lv)化鈉(na)溶液(ye)。外(wai)部電勢取－0.2V,圖3-11給(gei)出了縫隙內氯(lv)離子(zi)(zi)濃(nong)度(du)(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(re)(re)器中，換熱(re)(re)管和(he)管板之間(jian)存在(zai)縫(feng)隙是普遍現象。因為(wei)在(zai)制(zhi)造(zao)過(guo)程中，要(yao)消除兩者之間(jian)的(de)縫(feng)隙就需要(yao)加大(da)脹接應(ying)力(li)，勢必(bi)引起殘余應(ying)力(li)過(guo)大(da)，容易造(zao)成應(ying)力(li)腐蝕(shi)開裂。但是，脹接程度(du)過(guo)小，又(you)為(wei)縫(feng)隙腐蝕(shi)和(he)離子富集創造(zao)了條件。因此，脹接方法和(he)脹接應(ying)力(li)的(de)控制(zhi)尤(you)為(wei)重要(yao)。