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

  首先分析縫隙(xi)內外各(ge)物(wu)質(zhi)的(de)(de)轉移情況(kuang)，物(wu)質(zhi)質(zhi)量(liang)的(de)(de)傳遞途徑(jing)包括遷移、擴散、對(dui)流(liu)。縫隙(xi)內外溶液(ye)的(de)(de)對(dui)流(liu)可以(yi)忽略不計，只剩了遷移和擴散兩種途徑(jing)，所以(yi)，溶液(ye)組(zu)分的(de)(de)通(tong)量(liang)方程如下(xia):

  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(zhi)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(mo)型

  以(yi)管板式廢熱(re)鍋爐為(wei)(wei)例，管子材料(liao)是(shi)304不銹鋼。管板和(he)換熱(re)管之間采用脹接(jie)十焊接(jie)，但是(shi)兩者之間還存在(zai)微小縫(feng)隙(xi)，縫(feng)隙(xi)深(shen)度200mm,寬度0.125mm,幾(ji)何參數設置界面如圖(tu)3-3所(suo)示，圖(tu)3-4給出了簡化的縫(feng)隙(xi)三維(wei)幾(ji)何模(mo)型。在(zai)保證(zheng)計算精度的前提下，將模(mo)型簡化為(wei)(wei)二維(wei)軸對稱模(mo)型。劃(hua)分網(wang)格，縫(feng)隙(xi)內網(wang)格細(xi)化，如圖(tu)3-5所(suo)示。

2. 控(kong)制方(fang)程

  傳質方程采用式（3-3).

  電(dian)(dian)場采用泊松方程，電(dian)(dian)流(liu)采用電(dian)(dian)化學(xue)方法，數據來源于極化曲線

3. 電極反應

  把(ba)極(ji)化曲線(xian)上的(de)數據輸入(ru)“內插”列表(biao)，如(ru)圖3-6所(suo)示，左(zuo)邊(bian)的(de)數據為(wei)極(ji)化曲線(xian)中的(de)電勢(shi)，右邊(bian)的(de)數據為(wei)極(ji)化電流(liu)。

  模擬中(zhong)采(cai)用“二次電流(liu)分布”，即(ji)考慮(lv)歐姆極(ji)化和(he)電化學極(ji)化，未考慮(lv)濃(nong)差極(ji)化。電解質(zhi)的(de)電導率設為0.01S/m,軸對稱結構。

4. 邊界條件(jian)

“絕緣(yuan)”項(xiang)設(she)為默認值，初始(shi)值中的“電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)電(dian)(dian)勢(shi)”和“電(dian)(dian)勢(shi)”都設(she)為0.由(you)于縫隙兩(liang)側都是(shi)金屬，因此(ci)在(zai)“電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)－電(dian)(dian)極邊界(jie)面邊界(jie)”選(xuan)項(xiang)設(she)置(zhi)(zhi)中設(she)置(zhi)(zhi)邊界(jie)條件為“電(dian)(dian)勢(shi)”，外部電(dian)(dian)勢(shi)設(she)為0.1V,其他設(she)置(zhi)(zhi)如圖3-7所(suo)示。

  在邊界上會發生電化學反(fan)應，因此(ci)，需要設置“電極反(fan)應”項(xiang)，具體設置內容(rong)如圖3-8所示。

5. 物質傳(chuan)遞(di)

  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(jie)面耦合(he)

  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(du)

  縫(feng)隙入口處的氯(lv)離(li)子濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)為(wei)(wei)恒定值，即為(wei)(wei)溶液(ye)中(zhong)的濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)。縫(feng)隙外(wai)的介質(zhi)是濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)為(wei)(wei)0.3mol/L的氯(lv)化鈉溶液(ye)。外(wai)部電勢取－0.2V,圖3-11給出了(le)縫(feng)隙內(nei)氯(lv)離(li)子濃(nong)(nong)度(du)(du)(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(huan)熱(re)器中(zhong)，換(huan)熱(re)管(guan)和管(guan)板(ban)之間(jian)存在縫(feng)(feng)隙(xi)(xi)是普遍現象。因(yin)為(wei)在制(zhi)造過程中(zhong)，要消除兩者之間(jian)的縫(feng)(feng)隙(xi)(xi)就需要加(jia)大(da)脹(zhang)接(jie)(jie)應(ying)(ying)力(li)，勢必引起殘(can)余應(ying)(ying)力(li)過大(da)，容易造成(cheng)應(ying)(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)開(kai)裂。但是，脹(zhang)接(jie)(jie)程度過小，又為(wei)縫(feng)(feng)隙(xi)(xi)腐(fu)蝕(shi)(shi)和離子富集創(chuang)造了條件。因(yin)此，脹(zhang)接(jie)(jie)方法(fa)和脹(zhang)接(jie)(jie)應(ying)(ying)力(li)的控制(zhi)尤(you)為(wei)重要。