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(shou)先分析(xi)縫隙內外各物(wu)質的轉移情況(kuang)，物(wu)質質量的傳遞(di)途徑包(bao)括遷移、擴散、對流。縫隙內外溶(rong)液的對流可(ke)以忽(hu)略(lve)不計，只剩(sheng)了遷移和擴散兩種途徑，所以，溶(rong)液組分的通量方程如(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(zhi)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(xiu)鋼，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立模型

  以管(guan)板(ban)式廢熱鍋爐(lu)為例，管(guan)子材料是304不銹(xiu)鋼。管(guan)板(ban)和換(huan)熱管(guan)之間采(cai)用脹接十焊接，但(dan)是兩者之間還(huan)存在微(wei)小縫隙，縫隙深度(du)200mm,寬度(du)0.125mm,幾(ji)何(he)參數(shu)設置界面如(ru)圖3-3所示(shi)，圖3-4給出了簡化(hua)的縫隙三維幾(ji)何(he)模(mo)型(xing)。在保證計(ji)算精度(du)的前提下(xia)，將(jiang)模(mo)型(xing)簡化(hua)為二維軸對稱(cheng)模(mo)型(xing)。劃分網(wang)格，縫隙內網(wang)格細(xi)化(hua)，如(ru)圖3-5所示(shi)。

2. 控制方程

  傳(chuan)質方程(cheng)采(cai)用式（3-3).

  電場采用(yong)泊松方(fang)程，電流采用(yong)電化學方(fang)法(fa)，數據(ju)來源于極(ji)化曲(qu)線

3. 電極(ji)反應(ying)

  把極(ji)化(hua)曲線(xian)上(shang)的數(shu)據(ju)(ju)輸入“內(nei)插(cha)”列表，如圖3-6所(suo)示，左邊(bian)的數(shu)據(ju)(ju)為(wei)極(ji)化(hua)曲線(xian)中的電勢，右邊(bian)的數(shu)據(ju)(ju)為(wei)極(ji)化(hua)電流。

  模擬中采用“二次電流分布”，即考(kao)慮(lv)歐姆(mu)極(ji)化(hua)和電化(hua)學極(ji)化(hua)，未考(kao)慮(lv)濃差極(ji)化(hua)。電解質的電導(dao)率(lv)設為0.01S/m,軸對稱結構。

4. 邊界條件

“絕緣”項(xiang)設(she)(she)為(wei)默(mo)認值(zhi)，初始值(zhi)中的“電解質電勢(shi)(shi)(shi)”和“電勢(shi)(shi)(shi)”都(dou)設(she)(she)為(wei)0.由于(yu)縫隙兩側都(dou)是金屬(shu)，因此在“電解質－電極(ji)邊(bian)界(jie)面邊(bian)界(jie)”選項(xiang)設(she)(she)置中設(she)(she)置邊(bian)界(jie)條件為(wei)“電勢(shi)(shi)(shi)”，外部(bu)電勢(shi)(shi)(shi)設(she)(she)為(wei)0.1V,其他設(she)(she)置如(ru)圖3-7所示。

  在邊界上會發生電化學反應，因此(ci)，需要設(she)置“電極反應”項，具體設(she)置內容如圖3-8所(suo)示。

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)隙入口處的氯離(li)子濃(nong)度(du)為(wei)(wei)恒定(ding)值，即(ji)為(wei)(wei)溶(rong)液中的濃(nong)度(du)。縫(feng)隙外的介質(zhi)是(shi)濃(nong)度(du)為(wei)(wei)0.3mol/L的氯化鈉溶(rong)液。外部電勢取－0.2V,圖3-11給(gei)出(chu)了縫(feng)隙內氯離(li)子濃(nong)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(ban)式換熱器中(zhong)，換熱管(guan)和(he)(he)管(guan)板(ban)之(zhi)(zhi)間存在縫(feng)隙(xi)是普遍現象。因為(wei)(wei)在制造(zao)過程(cheng)中(zhong)，要消除兩者之(zhi)(zhi)間的縫(feng)隙(xi)就需要加大脹(zhang)(zhang)接應(ying)力(li)，勢(shi)必引起殘余應(ying)力(li)過大，容易造(zao)成應(ying)力(li)腐蝕開裂。但是，脹(zhang)(zhang)接程(cheng)度過小，又為(wei)(wei)縫(feng)隙(xi)腐蝕和(he)(he)離(li)子富集創(chuang)造(zao)了條件。因此(ci)，脹(zhang)(zhang)接方(fang)法和(he)(he)脹(zhang)(zhang)接應(ying)力(li)的控制尤為(wei)(wei)重要。