已有的研究表明，溶液中氯離子濃度對不銹鋼縫隙腐蝕(shi)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)析縫隙內外各物(wu)(wu)質的(de)轉移(yi)(yi)情況，物(wu)(wu)質質量的(de)傳遞(di)途徑(jing)包括(kuo)遷移(yi)(yi)、擴(kuo)散(san)、對流。縫隙內外溶液的(de)對流可以忽略不(bu)計，只剩了遷移(yi)(yi)和(he)擴(kuo)散(san)兩種途徑(jing)，所以，溶液組分(fen)的(de)通量方(fang)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、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. 建立模型

  以(yi)管(guan)板式廢熱鍋爐為(wei)例，管(guan)子材(cai)料(liao)是304不(bu)銹(xiu)鋼(gang)。管(guan)板和換熱管(guan)之間采用脹(zhang)接十焊接，但是兩者(zhe)之間還存在微小縫(feng)隙，縫(feng)隙深度200mm,寬度0.125mm,幾何參數(shu)設(she)置界(jie)面如圖3-3所示(shi)，圖3-4給(gei)出了簡化(hua)(hua)的(de)縫(feng)隙三(san)維(wei)幾何模型(xing)。在保證(zheng)計算精度的(de)前提(ti)下(xia)，將模型(xing)簡化(hua)(hua)為(wei)二維(wei)軸對稱模型(xing)。劃分網格，縫(feng)隙內網格細化(hua)(hua)，如圖3-5所示(shi)。

2. 控制方程(cheng)

  傳(chuan)質方程采用式（3-3).

  電(dian)(dian)場采用(yong)泊(bo)松方程(cheng)，電(dian)(dian)流采用(yong)電(dian)(dian)化(hua)學方法，數(shu)據來(lai)源于極化(hua)曲線(xian)

3. 電極反應

  把極化(hua)(hua)(hua)曲線上(shang)的(de)數(shu)據輸入(ru)“內插”列表，如(ru)圖3-6所(suo)示，左(zuo)邊(bian)的(de)數(shu)據為極化(hua)(hua)(hua)曲線中的(de)電(dian)勢，右邊(bian)的(de)數(shu)據為極化(hua)(hua)(hua)電(dian)流。

  模擬(ni)中采用“二次電(dian)流分(fen)布”，即考(kao)慮歐姆極(ji)化(hua)和電(dian)化(hua)學極(ji)化(hua)，未考(kao)慮濃差極(ji)化(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(jie)條件

“絕緣”項設(she)為(wei)默認值(zhi)，初(chu)始值(zhi)中(zhong)的“電(dian)(dian)(dian)解(jie)質電(dian)(dian)(dian)勢”和(he)“電(dian)(dian)(dian)勢”都(dou)設(she)為(wei)0.由于縫隙兩(liang)側(ce)都(dou)是金屬，因此在“電(dian)(dian)(dian)解(jie)質－電(dian)(dian)(dian)極邊(bian)界(jie)面邊(bian)界(jie)”選項設(she)置中(zhong)設(she)置邊(bian)界(jie)條件為(wei)“電(dian)(dian)(dian)勢”，外部電(dian)(dian)(dian)勢設(she)為(wei)0.1V,其他設(she)置如圖3-7所示。

  在邊(bian)界上會發(fa)生電化學反應，因此，需要設置(zhi)“電極(ji)反應”項(xiang)，具體設置(zhi)內容如圖3-8所示。

5. 物質(zhi)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(zhi)界面耦(ou)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

  縫隙入口處的(de)氯離(li)子(zi)濃度(du)為(wei)(wei)恒定值，即為(wei)(wei)溶(rong)液中的(de)濃度(du)。縫隙外(wai)(wai)的(de)介(jie)質是濃度(du)為(wei)(wei)0.3mol/L的(de)氯化鈉溶(rong)液。外(wai)(wai)部電勢取－0.2V,圖3-11給出了縫隙內(nei)氯離(li)子(zi)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(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(guan)板式換熱(re)器中(zhong)(zhong)，換熱(re)管(guan)和管(guan)板之(zhi)間存在(zai)縫隙是普遍現象。因為(wei)在(zai)制造過(guo)程中(zhong)(zhong)，要(yao)消除兩者之(zhi)間的縫隙就(jiu)需要(yao)加大脹(zhang)(zhang)接(jie)應力(li)，勢(shi)必(bi)引起(qi)殘余應力(li)過(guo)大，容易造成應力(li)腐(fu)蝕開裂。但是，脹(zhang)(zhang)接(jie)程度過(guo)小，又(you)為(wei)縫隙腐(fu)蝕和離(li)子富(fu)集(ji)創造了條件。因此，脹(zhang)(zhang)接(jie)方法和脹(zhang)(zhang)接(jie)應力(li)的控制尤為(wei)重要(yao)。