已有的研究表明，溶液中氯離子濃度對不銹鋼縫隙腐(fu)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(xi)

  首(shou)先分析縫(feng)(feng)隙內(nei)外(wai)各(ge)物(wu)質的(de)轉移(yi)情況(kuang)，物(wu)質質量的(de)傳遞(di)途徑(jing)包括遷(qian)移(yi)、擴散(san)、對流。縫(feng)(feng)隙內(nei)外(wai)溶液(ye)的(de)對流可以忽略不計，只(zhi)剩(sheng)了遷(qian)移(yi)和擴散(san)兩種途徑(jing)，所以，溶液(ye)組分的(de)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(er)、數值模擬(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不銹鋼(gang)，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立模型(xing)

  以管板(ban)(ban)式廢熱(re)鍋爐(lu)為(wei)例，管子材料是304不銹鋼。管板(ban)(ban)和換熱(re)管之間采用脹接十焊(han)接，但是兩者(zhe)之間還存在微小縫(feng)隙，縫(feng)隙深(shen)度(du)200mm,寬度(du)0.125mm,幾何(he)參數設置界面(mian)如圖3-3所示，圖3-4給出了簡(jian)化的縫(feng)隙三維幾何(he)模(mo)型。在保證計算精(jing)度(du)的前提下，將模(mo)型簡(jian)化為(wei)二維軸對稱模(mo)型。劃(hua)分網(wang)格，縫(feng)隙內網(wang)格細化，如圖3-5所示。

2. 控(kong)制方(fang)程

  傳質方(fang)程采用式（3-3).

  電場采(cai)用泊松方程，電流采(cai)用電化學方法，數據(ju)來(lai)源于極化曲(qu)線(xian)

3. 電極反(fan)應(ying)

  把(ba)極(ji)化(hua)曲線上的數據輸入“內(nei)插(cha)”列表(biao)，如圖3-6所示(shi)，左邊的數據為極(ji)化(hua)曲線中的電勢，右邊的數據為極(ji)化(hua)電流。

  模擬中(zhong)采用“二(er)次電(dian)流分布”，即考慮歐姆極化(hua)(hua)和電(dian)化(hua)(hua)學極化(hua)(hua)，未考慮濃(nong)差極化(hua)(hua)。電(dian)解質的(de)電(dian)導率設(she)為(wei)0.01S/m,軸對稱結(jie)構(gou)。

4. 邊界條件

“絕緣”項設為(wei)默認值，初始(shi)值中的“電(dian)解質(zhi)電(dian)勢”和“電(dian)勢”都設為(wei)0.由(you)于縫隙兩側都是金屬，因(yin)此在“電(dian)解質(zhi)－電(dian)極(ji)邊界(jie)面邊界(jie)”選項設置(zhi)(zhi)中設置(zhi)(zhi)邊界(jie)條件為(wei)“電(dian)勢”，外部(bu)電(dian)勢設為(wei)0.1V,其他設置(zhi)(zhi)如圖3-7所示。

  在邊界上會發生電化學(xue)反應(ying)，因(yin)此，需要設置“電極反應(ying)”項(xiang)，具體設置內容如圖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(ji)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)

  縫隙入口處的氯(lv)(lv)離子濃(nong)度(du)為恒定(ding)值，即為溶液中(zhong)的濃(nong)度(du)。縫隙外的介(jie)質是濃(nong)度(du)為0.3mol/L的氯(lv)(lv)化鈉溶液。外部電勢取－0.2V,圖(tu)3-11給出了縫隙內氯(lv)(lv)離子濃(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)板式換熱(re)器中，換熱(re)管(guan)和(he)管(guan)板之間存在(zai)(zai)縫隙(xi)是普遍現(xian)象。因(yin)為在(zai)(zai)制(zhi)(zhi)造過(guo)程(cheng)中，要消除兩(liang)者之間的縫隙(xi)就需要加大脹(zhang)接(jie)(jie)應(ying)力(li)(li)(li)，勢必引(yin)起殘余應(ying)力(li)(li)(li)過(guo)大，容易造成應(ying)力(li)(li)(li)腐蝕開裂。但(dan)是，脹(zhang)接(jie)(jie)程(cheng)度過(guo)小，又(you)為縫隙(xi)腐蝕和(he)離子富集(ji)創造了(le)條(tiao)件。因(yin)此，脹(zhang)接(jie)(jie)方法和(he)脹(zhang)接(jie)(jie)應(ying)力(li)(li)(li)的控制(zhi)(zhi)尤(you)為重(zhong)要。