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(li)論分析(xi)

  首先分析(xi)縫隙(xi)(xi)內外各物質(zhi)的(de)轉移情(qing)況，物質(zhi)質(zhi)量的(de)傳遞(di)途徑包括遷移、擴散(san)、對流。縫隙(xi)(xi)內外溶液(ye)(ye)的(de)對流可以(yi)忽略(lve)不計，只剩了遷移和擴散(san)兩種途徑，所以(yi)，溶液(ye)(ye)組分的(de)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、數值模(mo)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(gang)，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立模(mo)型

  以管板式廢(fei)熱(re)鍋爐為例，管子材料是(shi)304不銹鋼。管板和換熱(re)管之間采用(yong)脹(zhang)接十焊(han)接，但是(shi)兩者之間還存在微(wei)小縫(feng)隙，縫(feng)隙深(shen)度200mm,寬度0.125mm,幾(ji)何(he)參數設(she)置界面如圖3-3所示，圖3-4給出了簡化的縫(feng)隙三(san)維幾(ji)何(he)模(mo)(mo)型(xing)。在保證計(ji)算精度的前提下，將模(mo)(mo)型(xing)簡化為二維軸對稱模(mo)(mo)型(xing)。劃分網(wang)格，縫(feng)隙內(nei)網(wang)格細化，如圖3-5所示。

2. 控(kong)制方程(cheng)

  傳質方(fang)程采用式（3-3).

  電(dian)場采用(yong)泊松方程，電(dian)流采用(yong)電(dian)化學(xue)方法，數據來源于(yu)極化曲(qu)線(xian)

3. 電極反應

  把(ba)極(ji)化曲線上的(de)數(shu)據(ju)輸(shu)入“內插(cha)”列表，如圖3-6所示，左(zuo)邊的(de)數(shu)據(ju)為(wei)極(ji)化曲線中的(de)電(dian)勢，右邊的(de)數(shu)據(ju)為(wei)極(ji)化電(dian)流(liu)。

  模擬(ni)中采用“二次電(dian)流(liu)分(fen)布”，即考(kao)慮歐姆極化(hua)和電(dian)化(hua)學(xue)極化(hua)，未考(kao)慮濃差極化(hua)。電(dian)解質的電(dian)導率設為(wei)0.01S/m,軸(zhou)對(dui)稱結構(gou)。

4. 邊界條件

“絕緣”項設(she)(she)為(wei)默(mo)認(ren)值，初始值中的“電解(jie)質電勢(shi)”和“電勢(shi)”都設(she)(she)為(wei)0.由于縫隙兩側都是金屬，因此在“電解(jie)質－電極邊界面(mian)邊界”選項設(she)(she)置(zhi)(zhi)中設(she)(she)置(zhi)(zhi)邊界條件(jian)為(wei)“電勢(shi)”，外部電勢(shi)設(she)(she)為(wei)0.1V,其他設(she)(she)置(zhi)(zhi)如(ru)圖3-7所示。

  在(zai)邊界上會發生電化學反應，因此，需(xu)要設置“電極反應”項，具體設置內容如圖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

  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)隙入口處的(de)氯(lv)離(li)(li)子濃(nong)度為恒定(ding)值，即為溶(rong)液中的(de)濃(nong)度。縫(feng)隙外的(de)介質是(shi)濃(nong)度為0.3mol/L的(de)氯(lv)化(hua)鈉溶(rong)液。外部(bu)電勢取－0.2V,圖3-11給出(chu)了縫(feng)隙內(nei)氯(lv)離(li)(li)子濃(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(re)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)板式換熱器(qi)中，換熱管(guan)和管(guan)板之間存在(zai)縫隙(xi)是(shi)普遍(bian)現象(xiang)。因(yin)為(wei)(wei)在(zai)制(zhi)造過(guo)程中，要消除兩者之間的縫隙(xi)就需(xu)要加大(da)脹(zhang)接應力(li)(li)，勢(shi)必引起殘余應力(li)(li)過(guo)大(da)，容(rong)易造成應力(li)(li)腐蝕開裂。但是(shi)，脹(zhang)接程度(du)過(guo)小，又為(wei)(wei)縫隙(xi)腐蝕和離(li)子富集創造了條件。因(yin)此，脹(zhang)接方法(fa)和脹(zhang)接應力(li)(li)的控制(zhi)尤為(wei)(wei)重要。