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(xian)分析縫(feng)隙內(nei)外(wai)各物質的(de)轉移(yi)情況，物質質量的(de)傳遞(di)途徑(jing)包括遷移(yi)、擴(kuo)散、對流(liu)(liu)。縫(feng)隙內(nei)外(wai)溶(rong)液的(de)對流(liu)(liu)可(ke)以忽略不計(ji)，只(zhi)剩了遷移(yi)和擴(kuo)散兩種途徑(jing)，所以，溶(rong)液組分的(de)通量方程如下(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(bu)銹鋼，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立模型

  以管(guan)板式廢熱鍋爐為例，管(guan)子材料(liao)是304不銹(xiu)鋼。管(guan)板和換熱管(guan)之(zhi)間采用脹接十焊接，但是兩(liang)者(zhe)之(zhi)間還存在微小縫隙(xi)(xi)(xi)，縫隙(xi)(xi)(xi)深度(du)200mm,寬度(du)0.125mm,幾(ji)何參數設(she)置界面如(ru)(ru)圖3-3所示，圖3-4給出了簡化的縫隙(xi)(xi)(xi)三維幾(ji)何模(mo)(mo)型。在保證計算精度(du)的前提(ti)下，將模(mo)(mo)型簡化為二維軸對稱模(mo)(mo)型。劃分網格，縫隙(xi)(xi)(xi)內網格細化，如(ru)(ru)圖3-5所示。

2. 控制(zhi)方程

  傳質方程采用式（3-3).

  電場采(cai)用泊松方程(cheng)，電流(liu)采(cai)用電化學方法(fa)，數據來源(yuan)于極化曲線(xian)

3. 電極反應(ying)

  把極(ji)(ji)化曲(qu)線上的(de)(de)數據(ju)輸入“內插”列表，如圖3-6所示(shi)，左邊的(de)(de)數據(ju)為極(ji)(ji)化曲(qu)線中的(de)(de)電勢(shi)，右邊的(de)(de)數據(ju)為極(ji)(ji)化電流。

  模擬中采(cai)用“二次電(dian)(dian)流分布”，即考慮歐(ou)姆極化(hua)和電(dian)(dian)化(hua)學(xue)極化(hua)，未考慮濃差極化(hua)。電(dian)(dian)解質(zhi)的(de)電(dian)(dian)導率設為(wei)0.01S/m,軸(zhou)對稱結(jie)構。

4. 邊界(jie)條件

“絕緣(yuan)”項(xiang)設(she)(she)(she)為(wei)(wei)默認值，初始值中(zhong)的“電(dian)解(jie)質電(dian)勢(shi)”和(he)“電(dian)勢(shi)”都設(she)(she)(she)為(wei)(wei)0.由(you)于(yu)縫(feng)隙兩側都是(shi)金屬，因(yin)此在“電(dian)解(jie)質－電(dian)極邊界面(mian)邊界”選項(xiang)設(she)(she)(she)置(zhi)中(zhong)設(she)(she)(she)置(zhi)邊界條(tiao)件為(wei)(wei)“電(dian)勢(shi)”，外部電(dian)勢(shi)設(she)(she)(she)為(wei)(wei)0.1V,其他設(she)(she)(she)置(zhi)如圖(tu)3-7所示。

  在邊界(jie)上會發生電化(hua)學反應(ying)，因此(ci)，需(xu)要設(she)置(zhi)“電極反應(ying)”項，具體設(she)置(zhi)內(nei)容如圖3-8所示。

5. 物質(zhi)傳(chuan)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(zhi)界面耦合(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(feng)隙入口處(chu)的(de)氯(lv)離(li)子濃度(du)為(wei)恒定值，即為(wei)溶液中的(de)濃度(du)。縫(feng)隙外的(de)介質是濃度(du)為(wei)0.3mol/L的(de)氯(lv)化鈉溶液。外部電(dian)勢取－0.2V,圖3-11給(gei)出了縫(feng)隙內氯(lv)離(li)子濃度(du)分布。

  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(guan)板(ban)式(shi)換(huan)熱器中，換(huan)熱管(guan)和(he)管(guan)板(ban)之間(jian)(jian)存在縫(feng)隙(xi)是普(pu)遍(bian)現象。因(yin)為(wei)在制造(zao)過(guo)程中，要(yao)(yao)消除兩(liang)者之間(jian)(jian)的縫(feng)隙(xi)就(jiu)需要(yao)(yao)加大脹(zhang)接應力(li)(li)，勢必引起殘余應力(li)(li)過(guo)大，容易造(zao)成應力(li)(li)腐蝕(shi)開裂。但是，脹(zhang)接程度(du)過(guo)小，又為(wei)縫(feng)隙(xi)腐蝕(shi)和(he)離子富集創造(zao)了條件。因(yin)此，脹(zhang)接方法和(he)脹(zhang)接應力(li)(li)的控制尤為(wei)重要(yao)(yao)。