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)分析縫隙內(nei)(nei)外各物質的轉移(yi)情況，物質質量的傳遞途(tu)徑包括(kuo)遷移(yi)、擴(kuo)散(san)、對(dui)流。縫隙內(nei)(nei)外溶(rong)液的對(dui)流可以忽略不計，只剩了(le)遷移(yi)和(he)擴(kuo)散(san)兩(liang)種途(tu)徑，所以，溶(rong)液組分的通量方程(cheng)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)板式廢熱(re)鍋爐為例，管(guan)子材(cai)料是304不銹鋼。管(guan)板和換(huan)熱(re)管(guan)之間(jian)采用脹接十(shi)焊接，但(dan)是兩(liang)者(zhe)之間(jian)還存(cun)在(zai)微(wei)小縫(feng)隙，縫(feng)隙深度200mm,寬(kuan)度0.125mm,幾何(he)參數設置界(jie)面如圖3-3所示(shi)，圖3-4給出了(le)簡化(hua)(hua)的(de)縫(feng)隙三維幾何(he)模型。在(zai)保證計算精度的(de)前提(ti)下(xia)，將模型簡化(hua)(hua)為二(er)維軸對稱模型。劃分網格，縫(feng)隙內(nei)網格細化(hua)(hua)，如圖3-5所示(shi)。

2. 控制方程(cheng)

  傳(chuan)質方(fang)程(cheng)采用式（3-3).

  電(dian)場采用泊松方程，電(dian)流采用電(dian)化學(xue)方法，數據來源于極化曲線

3. 電極反應

  把極(ji)化(hua)曲線(xian)上的數(shu)(shu)據輸入(ru)“內插”列(lie)表，如(ru)圖3-6所示，左邊(bian)的數(shu)(shu)據為(wei)極(ji)化(hua)曲線(xian)中的電勢(shi)，右邊(bian)的數(shu)(shu)據為(wei)極(ji)化(hua)電流。

  模擬中采用“二次電(dian)流分布”，即考慮(lv)歐姆極(ji)化(hua)和電(dian)化(hua)學極(ji)化(hua)，未(wei)考慮(lv)濃差(cha)極(ji)化(hua)。電(dian)解質的電(dian)導率(lv)設為0.01S/m,軸對稱結構。

4. 邊界條件

“絕緣”項設(she)(she)(she)為(wei)(wei)默認值(zhi)，初始值(zhi)中的“電(dian)(dian)(dian)解(jie)質電(dian)(dian)(dian)勢”和(he)“電(dian)(dian)(dian)勢”都設(she)(she)(she)為(wei)(wei)0.由于縫(feng)隙兩側都是金屬，因此(ci)在“電(dian)(dian)(dian)解(jie)質－電(dian)(dian)(dian)極(ji)邊界面邊界”選項設(she)(she)(she)置(zhi)中設(she)(she)(she)置(zhi)邊界條件為(wei)(wei)“電(dian)(dian)(dian)勢”，外部電(dian)(dian)(dian)勢設(she)(she)(she)為(wei)(wei)0.1V,其他設(she)(she)(she)置(zhi)如圖3-7所示。

  在邊界(jie)上會發生電化學反應(ying)，因此(ci)，需要設置“電極反應(ying)”項，具體(ti)設置內容(rong)如圖3-8所示(shi)。

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(nong)度(du)

  縫(feng)隙入口處的(de)(de)氯(lv)離(li)子(zi)濃(nong)(nong)(nong)度為(wei)恒定值，即為(wei)溶液(ye)中的(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)度。縫(feng)隙外的(de)(de)介質(zhi)是濃(nong)(nong)(nong)度為(wei)0.3mol/L的(de)(de)氯(lv)化鈉溶液(ye)。外部電勢(shi)取－0.2V,圖3-11給出了縫(feng)隙內(nei)氯(lv)離(li)子(zi)濃(nong)(nong)(nong)度分布。

  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。

  管板(ban)式換(huan)熱(re)器中(zhong)，換(huan)熱(re)管和管板(ban)之(zhi)間存(cun)在縫(feng)隙是(shi)普遍現象。因(yin)為在制造(zao)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，要(yao)(yao)消(xiao)除兩者之(zhi)間的(de)縫(feng)隙就需要(yao)(yao)加大脹(zhang)接(jie)應力(li)，勢必引起殘余(yu)應力(li)過(guo)(guo)大，容易造(zao)成應力(li)腐(fu)蝕(shi)開裂。但是(shi)，脹(zhang)接(jie)程(cheng)度過(guo)(guo)小，又為縫(feng)隙腐(fu)蝕(shi)和離子富集創造(zao)了(le)條件。因(yin)此，脹(zhang)接(jie)方法和脹(zhang)接(jie)應力(li)的(de)控制尤為重(zhong)要(yao)(yao)。