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(fen)析縫隙(xi)內外各物(wu)質的(de)轉移(yi)情況，物(wu)質質量的(de)傳遞途徑包括遷(qian)移(yi)、擴(kuo)散、對流。縫隙(xi)內外溶液(ye)的(de)對流可以(yi)忽略不計(ji)，只剩了遷(qian)移(yi)和擴(kuo)散兩種途徑，所以(yi)，溶液(ye)組分(fen)的(de)通量方程如下:

  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(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不銹鋼，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立模型

  以管(guan)板式廢(fei)熱鍋爐(lu)為例(li)，管(guan)子材(cai)料是304不銹鋼(gang)。管(guan)板和換熱管(guan)之間采用脹接十(shi)焊接，但是兩者(zhe)之間還存(cun)在微小縫隙(xi)，縫隙(xi)深度(du)200mm,寬度(du)0.125mm,幾(ji)何參(can)數設置界面如圖(tu)3-3所示(shi)，圖(tu)3-4給出了簡化(hua)的縫隙(xi)三維(wei)幾(ji)何模型(xing)。在保證計(ji)算精度(du)的前提下(xia)，將(jiang)模型(xing)簡化(hua)為二維(wei)軸對稱模型(xing)。劃分網格(ge)，縫隙(xi)內網格(ge)細化(hua)，如圖(tu)3-5所示(shi)。

2. 控制方程

  傳質方程(cheng)采(cai)用(yong)式（3-3).

  電場采用泊松方程，電流采用電化學方法，數據來源于(yu)極化曲線(xian)

3. 電(dian)極反應

  把極(ji)化(hua)曲(qu)線上的(de)數(shu)據(ju)輸(shu)入“內插”列(lie)表，如圖(tu)3-6所示，左邊(bian)的(de)數(shu)據(ju)為極(ji)化(hua)曲(qu)線中的(de)電勢(shi)，右邊(bian)的(de)數(shu)據(ju)為極(ji)化(hua)電流。

  模擬中(zhong)采用“二次電流分(fen)布(bu)”，即考(kao)慮歐姆極化(hua)(hua)和電化(hua)(hua)學極化(hua)(hua)，未考(kao)慮濃差極化(hua)(hua)。電解質的電導率設為0.01S/m,軸(zhou)對稱結構(gou)。

4. 邊界(jie)條件

“絕緣”項設(she)(she)為(wei)默認值，初始值中的“電(dian)解質電(dian)勢(shi)”和“電(dian)勢(shi)”都設(she)(she)為(wei)0.由于縫(feng)隙兩側(ce)都是金屬，因此在(zai)“電(dian)解質－電(dian)極(ji)邊界(jie)面(mian)邊界(jie)”選項設(she)(she)置中設(she)(she)置邊界(jie)條件(jian)為(wei)“電(dian)勢(shi)”，外部電(dian)勢(shi)設(she)(she)為(wei)0.1V,其他設(she)(she)置如圖3-7所示。

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

5. 物質傳(chuan)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(dian)極電(dian)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(zi)濃(nong)度(du)為(wei)恒(heng)定值，即為(wei)溶液(ye)中(zhong)的濃(nong)度(du)。縫(feng)隙外的介質(zhi)是濃(nong)度(du)為(wei)0.3mol/L的氯化鈉(na)溶液(ye)。外部電勢取(qu)－0.2V,圖3-11給出了縫(feng)隙內氯離(li)子(zi)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，換熱管(guan)和管(guan)板(ban)之間存在縫(feng)隙是普遍現象。因為(wei)在制(zhi)造過(guo)程中，要消除(chu)兩者之間的(de)縫(feng)隙就(jiu)需要加大(da)脹接(jie)應力(li)，勢必引起(qi)殘余應力(li)過(guo)大(da)，容易造成(cheng)應力(li)腐蝕(shi)開裂(lie)。但是，脹接(jie)程度過(guo)小，又為(wei)縫(feng)隙腐蝕(shi)和離子(zi)富集創造了條件(jian)。因此，脹接(jie)方法和脹接(jie)應力(li)的(de)控制(zhi)尤(you)為(wei)重要。