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

  首先分析(xi)縫(feng)隙內(nei)(nei)外各物(wu)質(zhi)(zhi)的轉移(yi)情況，物(wu)質(zhi)(zhi)質(zhi)(zhi)量的傳遞(di)途徑包(bao)括遷(qian)移(yi)、擴散、對流。縫(feng)隙內(nei)(nei)外溶液的對流可(ke)以(yi)忽略不計(ji)，只剩了遷(qian)移(yi)和(he)擴散兩種途徑，所以(yi)，溶液組分的通(tong)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(zhi)模擬(ni)

  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(yi)管(guan)板式廢熱鍋爐為(wei)例，管(guan)子材料是304不銹鋼。管(guan)板和(he)換熱管(guan)之間(jian)采用脹接(jie)十焊接(jie)，但是兩者之間(jian)還(huan)存在微小縫(feng)隙(xi)，縫(feng)隙(xi)深度(du)200mm,寬度(du)0.125mm,幾何(he)參數設置(zhi)界面如圖(tu)3-3所示(shi)，圖(tu)3-4給出了簡(jian)化(hua)(hua)的(de)縫(feng)隙(xi)三維幾何(he)模型(xing)。在保證計算(suan)精度(du)的(de)前提下，將模型(xing)簡(jian)化(hua)(hua)為(wei)二(er)維軸對稱模型(xing)。劃分網格，縫(feng)隙(xi)內網格細化(hua)(hua)，如圖(tu)3-5所示(shi)。

2. 控制方程

  傳質方程采用式（3-3).

  電場采用泊(bo)松方(fang)程，電流采用電化(hua)學方(fang)法，數據來源(yuan)于極(ji)化(hua)曲線

3. 電極反(fan)應

  把(ba)極(ji)(ji)化(hua)曲(qu)線(xian)(xian)上的(de)(de)數據(ju)輸入“內插”列表，如(ru)圖(tu)3-6所示，左邊(bian)的(de)(de)數據(ju)為(wei)極(ji)(ji)化(hua)曲(qu)線(xian)(xian)中的(de)(de)電勢，右邊(bian)的(de)(de)數據(ju)為(wei)極(ji)(ji)化(hua)電流(liu)。

  模擬中采用“二次電流(liu)分(fen)布”，即考(kao)慮(lv)(lv)歐姆極(ji)化(hua)(hua)和電化(hua)(hua)學極(ji)化(hua)(hua)，未(wei)考(kao)慮(lv)(lv)濃差極(ji)化(hua)(hua)。電解質的電導率設(she)為0.01S/m,軸對稱(cheng)結構(gou)。

4. 邊界(jie)條件

“絕緣”項(xiang)設(she)為(wei)(wei)默認值(zhi)，初始值(zhi)中的“電解質(zhi)電勢(shi)”和“電勢(shi)”都設(she)為(wei)(wei)0.由于縫隙兩側(ce)都是(shi)金屬，因此在(zai)“電解質(zhi)－電極邊界面邊界”選項(xiang)設(she)置(zhi)中設(she)置(zhi)邊界條件為(wei)(wei)“電勢(shi)”，外部電勢(shi)設(she)為(wei)(wei)0.1V,其他設(she)置(zhi)如圖3-7所示。

  在邊界上(shang)會發生電(dian)化學反應，因此，需要設置“電(dian)極反應”項(xiang)，具體設置內容如圖3-8所示。

5. 物質傳遞(di)

  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(jie)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

  縫隙(xi)入口處的(de)(de)氯離子濃度(du)為恒(heng)定(ding)值，即(ji)為溶液中(zhong)的(de)(de)濃度(du)。縫隙(xi)外的(de)(de)介質是濃度(du)為0.3mol/L的(de)(de)氯化鈉溶液。外部電勢(shi)取－0.2V,圖(tu)3-11給出了縫隙(xi)內(nei)氯離子濃度(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(ban)式換熱器中(zhong)，換熱管和管板(ban)之間存(cun)在縫隙是(shi)普遍現象。因為(wei)在制(zhi)造(zao)過(guo)(guo)程中(zhong)，要消(xiao)除兩者之間的縫隙就需要加大脹接(jie)應力(li)，勢必引(yin)起殘余應力(li)過(guo)(guo)大，容易造(zao)成應力(li)腐蝕開裂。但(dan)是(shi)，脹接(jie)程度過(guo)(guo)小，又為(wei)縫隙腐蝕和離子富集創(chuang)造(zao)了條件。因此，脹接(jie)方(fang)法和脹接(jie)應力(li)的控制(zhi)尤為(wei)重要。