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(shou)先分析縫(feng)隙內外各物質的(de)轉移(yi)情況，物質質量的(de)傳遞途徑包(bao)括(kuo)遷移(yi)、擴散(san)、對流(liu)。縫(feng)隙內外溶液(ye)的(de)對流(liu)可(ke)以(yi)(yi)忽略不(bu)計，只剩了遷移(yi)和擴散(san)兩(liang)種途徑，所以(yi)(yi)，溶液(ye)組分的(de)通(tong)量方(fang)程如(ru)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. 建立模型

  以管板(ban)式廢熱鍋爐(lu)為(wei)例，管子材料是(shi)304不銹鋼。管板(ban)和換(huan)熱管之(zhi)間采用脹接十焊接，但是(shi)兩(liang)者之(zhi)間還存在微小縫隙(xi)(xi)，縫隙(xi)(xi)深度(du)200mm,寬(kuan)度(du)0.125mm,幾何(he)參數(shu)設置界面(mian)如(ru)圖3-3所示(shi)，圖3-4給出(chu)了(le)簡化(hua)的(de)縫隙(xi)(xi)三(san)維幾何(he)模(mo)型(xing)。在保(bao)證計(ji)算精(jing)度(du)的(de)前提下，將模(mo)型(xing)簡化(hua)為(wei)二維軸對(dui)稱模(mo)型(xing)。劃分(fen)網格(ge)，縫隙(xi)(xi)內網格(ge)細化(hua)，如(ru)圖3-5所示(shi)。

2. 控制(zhi)方程

  傳(chuan)質方程采(cai)用式（3-3).

  電(dian)場采用泊松方(fang)程，電(dian)流采用電(dian)化學方(fang)法，數據來源于極化曲線

3. 電極反應

  把極(ji)(ji)化(hua)曲線上的(de)數(shu)(shu)據輸(shu)入“內(nei)插(cha)”列表，如圖3-6所示，左邊(bian)的(de)數(shu)(shu)據為極(ji)(ji)化(hua)曲線中的(de)電(dian)(dian)勢，右邊(bian)的(de)數(shu)(shu)據為極(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)流。

  模擬中采用“二次電流分布(bu)”，即考慮(lv)(lv)歐(ou)姆極(ji)化(hua)和電化(hua)學極(ji)化(hua)，未考慮(lv)(lv)濃差極(ji)化(hua)。電解(jie)質的(de)電導率(lv)設為0.01S/m,軸對稱結構。

4. 邊(bian)界(jie)條件

“絕緣”項設(she)為(wei)默認值，初始(shi)值中的“電解質(zhi)電勢”和“電勢”都設(she)為(wei)0.由于(yu)縫隙兩側都是金屬，因此(ci)在(zai)“電解質(zhi)－電極邊(bian)(bian)界面邊(bian)(bian)界”選項設(she)置中設(she)置邊(bian)(bian)界條件為(wei)“電勢”，外部電勢設(she)為(wei)0.1V,其他設(she)置如圖3-7所示。

  在邊界(jie)上會發生電(dian)化學(xue)反應，因此(ci)，需要設置(zhi)“電(dian)極反應”項，具(ju)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(du)

  縫隙(xi)入口處的氯離子濃(nong)(nong)度(du)為(wei)恒定值，即(ji)為(wei)溶液(ye)(ye)中的濃(nong)(nong)度(du)。縫隙(xi)外(wai)的介質是濃(nong)(nong)度(du)為(wei)0.3mol/L的氯化鈉溶液(ye)(ye)。外(wai)部電勢取－0.2V,圖3-11給出了縫隙(xi)內(nei)氯離子濃(nong)(nong)度(du)分布(bu)。

  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)(guan)板(ban)式(shi)換熱器(qi)中(zhong)，換熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)之間存在縫隙(xi)是普遍現象(xiang)。因為(wei)(wei)在制造(zao)過程中(zhong)，要消除兩者之間的縫隙(xi)就需要加(jia)大脹(zhang)(zhang)接應(ying)力(li)，勢必引起(qi)殘(can)余應(ying)力(li)過大，容(rong)易造(zao)成(cheng)應(ying)力(li)腐蝕(shi)開裂。但是，脹(zhang)(zhang)接程度(du)過小，又為(wei)(wei)縫隙(xi)腐蝕(shi)和離子(zi)富集創造(zao)了條件。因此，脹(zhang)(zhang)接方(fang)法和脹(zhang)(zhang)接應(ying)力(li)的控制尤為(wei)(wei)重要。