已有的研究表明，溶液中氯離子濃度對不銹鋼縫(feng)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

  首先分析縫(feng)隙內外各物質(zhi)的轉移(yi)情況，物質(zhi)質(zhi)量(liang)的傳(chuan)遞(di)途(tu)(tu)徑(jing)包括(kuo)遷(qian)移(yi)、擴(kuo)散、對流。縫(feng)隙內外溶液(ye)的對流可以(yi)忽(hu)略(lve)不計，只剩了遷(qian)移(yi)和擴(kuo)散兩種途(tu)(tu)徑(jing)，所以(yi)，溶液(ye)組分的通(tong)量(liang)方(fang)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(shu)值模擬(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(li)模型

  以管板式廢熱鍋爐(lu)為例，管子材料是(shi)304不(bu)銹鋼(gang)。管板和換熱管之間(jian)采(cai)用脹接十焊接，但(dan)是(shi)兩者之間(jian)還存在微小縫(feng)隙，縫(feng)隙深度(du)(du)200mm,寬度(du)(du)0.125mm,幾何參(can)數設置界面如(ru)圖(tu)3-3所示(shi)，圖(tu)3-4給出(chu)了簡化的(de)縫(feng)隙三(san)維(wei)幾何模(mo)型。在保證計算精(jing)度(du)(du)的(de)前(qian)提(ti)下，將(jiang)模(mo)型簡化為二維(wei)軸對稱模(mo)型。劃(hua)分網(wang)格，縫(feng)隙內網(wang)格細化，如(ru)圖(tu)3-5所示(shi)。

2. 控制方程

  傳質方程采(cai)用式（3-3).

  電場采用泊松方(fang)(fang)程，電流(liu)采用電化學方(fang)(fang)法，數(shu)據(ju)來源(yuan)于極(ji)化曲線

3. 電極反(fan)應

  把極(ji)(ji)化(hua)曲線上的數(shu)據(ju)(ju)(ju)輸入“內插”列表(biao)，如(ru)圖3-6所示，左邊的數(shu)據(ju)(ju)(ju)為(wei)極(ji)(ji)化(hua)曲線中的電(dian)勢，右邊的數(shu)據(ju)(ju)(ju)為(wei)極(ji)(ji)化(hua)電(dian)流(liu)。

  模(mo)擬中采用“二次電(dian)(dian)(dian)流分布”，即考慮(lv)歐(ou)姆極化(hua)和電(dian)(dian)(dian)化(hua)學極化(hua)，未考慮(lv)濃(nong)差極化(hua)。電(dian)(dian)(dian)解質的電(dian)(dian)(dian)導率設為0.01S/m,軸對稱結(jie)構。

4. 邊(bian)界條件(jian)

“絕緣”項(xiang)設為默認值，初始值中的“電(dian)解質(zhi)(zhi)電(dian)勢”和(he)“電(dian)勢”都設為0.由于縫隙兩側(ce)都是金屬(shu)，因此(ci)在“電(dian)解質(zhi)(zhi)－電(dian)極邊界(jie)面邊界(jie)”選項(xiang)設置(zhi)中設置(zhi)邊界(jie)條(tiao)件為“電(dian)勢”，外(wai)部(bu)電(dian)勢設為0.1V,其他設置(zhi)如(ru)圖(tu)3-7所(suo)示(shi)。

  在邊界上會發生電化學反(fan)應，因此，需要(yao)設置(zhi)“電極反(fan)應”項，具體(ti)設置(zhi)內容如(ru)圖3-8所示。

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(jie)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(xi)入口(kou)處的(de)氯離子濃(nong)度(du)為恒定值(zhi)，即為溶液中的(de)濃(nong)度(du)。縫(feng)隙(xi)外(wai)的(de)介(jie)質是(shi)濃(nong)度(du)為0.3mol/L的(de)氯化(hua)鈉溶液。外(wai)部(bu)電勢取－0.2V,圖3-11給(gei)出了縫(feng)隙(xi)內(nei)氯離子濃(nong)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。

  管板式換(huan)熱(re)器中，換(huan)熱(re)管和(he)管板之間存在縫隙(xi)是普遍現象(xiang)。因為(wei)(wei)在制造(zao)(zao)過(guo)程中，要消除兩(liang)者之間的縫隙(xi)就(jiu)需要加大脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)應(ying)力(li)，勢必引起殘余應(ying)力(li)過(guo)大，容易造(zao)(zao)成應(ying)力(li)腐(fu)蝕開裂。但是，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)程度過(guo)小(xiao)，又為(wei)(wei)縫隙(xi)腐(fu)蝕和(he)離子富集創造(zao)(zao)了條件。因此，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)方(fang)法(fa)和(he)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)應(ying)力(li)的控制尤為(wei)(wei)重要。