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(xi)

  首先分析縫隙(xi)(xi)內外各物質(zhi)的轉移(yi)情況，物質(zhi)質(zhi)量(liang)的傳(chuan)遞(di)途徑(jing)包括遷移(yi)、擴散、對流。縫隙(xi)(xi)內外溶液的對流可(ke)以忽(hu)略(lve)不(bu)計，只剩了(le)遷移(yi)和擴散兩種(zhong)途徑(jing)，所以，溶液組分的通(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、數值模(mo)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(li)模型(xing)

  以管板式廢熱鍋爐為例，管子(zi)材料是(shi)304不銹(xiu)鋼。管板和換熱管之間采用脹接十焊接，但是(shi)兩者之間還存在(zai)微小縫隙，縫隙深度200mm,寬度0.125mm,幾何參數設置界(jie)面如圖3-3所示，圖3-4給出了簡化的縫隙三維(wei)幾何模型(xing)。在(zai)保(bao)證(zheng)計(ji)算精度的前提下，將(jiang)模型(xing)簡化為二維(wei)軸對稱(cheng)模型(xing)。劃分網(wang)格，縫隙內網(wang)格細化，如圖3-5所示。

2. 控制(zhi)方程

  傳質方(fang)程(cheng)采用式（3-3).

  電場采用泊松方(fang)程，電流采用電化學方(fang)法，數據來源于極化曲線(xian)

3. 電極反應(ying)

  把極化曲(qu)線(xian)上(shang)的(de)數據(ju)輸(shu)入“內插”列表，如圖3-6所示，左(zuo)邊(bian)的(de)數據(ju)為極化曲(qu)線(xian)中的(de)電勢(shi)，右邊(bian)的(de)數據(ju)為極化電流。

  模(mo)擬中(zhong)采用“二次電流分布”，即考慮歐姆(mu)極(ji)化(hua)和電化(hua)學極(ji)化(hua)，未考慮濃差(cha)極(ji)化(hua)。電解質的電導率設為0.01S/m,軸(zhou)對稱結(jie)構。

4. 邊界條件

“絕緣”項設(she)(she)為默認值，初始值中(zhong)的“電(dian)(dian)解質電(dian)(dian)勢”和“電(dian)(dian)勢”都設(she)(she)為0.由于縫隙兩側都是金(jin)屬，因此在(zai)“電(dian)(dian)解質－電(dian)(dian)極(ji)邊(bian)(bian)界面(mian)邊(bian)(bian)界”選項設(she)(she)置中(zhong)設(she)(she)置邊(bian)(bian)界條(tiao)件為“電(dian)(dian)勢”，外部電(dian)(dian)勢設(she)(she)為0.1V,其他設(she)(she)置如圖3-7所示(shi)。

  在邊界上會發生電化學反(fan)應，因此，需(xu)要設置“電極反(fan)應”項，具體設置內容如圖3-8所(suo)示(shi)。

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(dian)極電(dian)解質(zhi)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(nong)度

  縫隙入(ru)口(kou)處的(de)氯(lv)(lv)離子濃度為(wei)恒(heng)定值，即為(wei)溶液中的(de)濃度。縫隙外的(de)介(jie)質是(shi)濃度為(wei)0.3mol/L的(de)氯(lv)(lv)化(hua)鈉溶液。外部電勢取－0.2V,圖3-11給(gei)出(chu)了縫隙內氯(lv)(lv)離子濃度分布。

  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)板式換熱器中，換熱管(guan)和管(guan)板之間存(cun)在縫(feng)隙(xi)是普遍現(xian)象。因為(wei)在制造(zao)過程中，要(yao)(yao)(yao)消除兩者之間的縫(feng)隙(xi)就(jiu)需要(yao)(yao)(yao)加大(da)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)應(ying)(ying)力，勢必(bi)引起殘余應(ying)(ying)力過大(da)，容易造(zao)成應(ying)(ying)力腐蝕開(kai)裂。但是，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)程度過小，又為(wei)縫(feng)隙(xi)腐蝕和離(li)子富集(ji)創造(zao)了條件(jian)。因此，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)方法和脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)應(ying)(ying)力的控(kong)制尤為(wei)重要(yao)(yao)(yao)。