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(lun)分析

  首(shou)先(xian)分(fen)析(xi)縫(feng)隙(xi)內外各物質的(de)(de)轉移(yi)情況(kuang)，物質質量(liang)的(de)(de)傳(chuan)遞途徑包(bao)括遷移(yi)、擴散、對流。縫(feng)隙(xi)內外溶液的(de)(de)對流可以(yi)忽(hu)略不計，只(zhi)剩了遷移(yi)和(he)擴散兩種途徑，所以(yi)，溶液組分(fen)的(de)(de)通量(liang)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、數(shu)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(yi)管(guan)(guan)板式廢熱鍋爐為(wei)例，管(guan)(guan)子(zi)材料是304不銹鋼。管(guan)(guan)板和換熱管(guan)(guan)之間采用脹接(jie)十焊接(jie)，但是兩(liang)者之間還(huan)存(cun)在微小縫(feng)(feng)隙(xi)(xi)，縫(feng)(feng)隙(xi)(xi)深度200mm,寬度0.125mm,幾(ji)何參數設置界(jie)面(mian)如(ru)圖(tu)3-3所(suo)示，圖(tu)3-4給出(chu)了簡化的縫(feng)(feng)隙(xi)(xi)三維(wei)幾(ji)何模(mo)型(xing)。在保證(zheng)計算精度的前提(ti)下，將模(mo)型(xing)簡化為(wei)二維(wei)軸(zhou)對稱模(mo)型(xing)。劃(hua)分(fen)網(wang)格，縫(feng)(feng)隙(xi)(xi)內網(wang)格細化，如(ru)圖(tu)3-5所(suo)示。

2. 控制方(fang)程(cheng)

  傳質方程(cheng)采用(yong)式（3-3).

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

3. 電極反(fan)應

  把極(ji)(ji)(ji)化(hua)曲(qu)線上(shang)的數(shu)據(ju)輸(shu)入“內插(cha)”列表(biao)，如圖3-6所示(shi)，左(zuo)邊的數(shu)據(ju)為極(ji)(ji)(ji)化(hua)曲(qu)線中(zhong)的電(dian)勢，右(you)邊的數(shu)據(ju)為極(ji)(ji)(ji)化(hua)電(dian)流。

  模擬中采用“二次電(dian)流分(fen)布(bu)”，即考慮歐姆極(ji)(ji)化和電(dian)化學極(ji)(ji)化，未(wei)考慮濃(nong)差極(ji)(ji)化。電(dian)解質的電(dian)導率設為0.01S/m,軸對稱(cheng)結構。

4. 邊界條件

“絕(jue)緣”項設(she)(she)為(wei)默認值(zhi)，初始值(zhi)中的“電(dian)(dian)解質(zhi)(zhi)電(dian)(dian)勢”和“電(dian)(dian)勢”都設(she)(she)為(wei)0.由(you)于縫隙兩側都是金屬，因此在“電(dian)(dian)解質(zhi)(zhi)－電(dian)(dian)極邊(bian)界面邊(bian)界”選項設(she)(she)置中設(she)(she)置邊(bian)界條件為(wei)“電(dian)(dian)勢”，外(wai)部電(dian)(dian)勢設(she)(she)為(wei)0.1V,其他設(she)(she)置如圖3-7所示(shi)。

  在邊界上會(hui)發生電(dian)化學反(fan)應(ying)，因此，需(xu)要設(she)(she)置“電(dian)極反(fan)應(ying)”項，具體設(she)(she)置內容如圖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. 電極電解質界(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

  縫隙(xi)入口處的氯(lv)(lv)離子(zi)(zi)濃(nong)度(du)為恒定(ding)值，即為溶液(ye)中的濃(nong)度(du)。縫隙(xi)外(wai)的介(jie)質是(shi)濃(nong)度(du)為0.3mol/L的氯(lv)(lv)化鈉溶液(ye)。外(wai)部電勢(shi)取－0.2V,圖(tu)3-11給出了縫隙(xi)內氯(lv)(lv)離子(zi)(zi)濃(nong)度(du)分布(bu)。

  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(shi)換熱器(qi)中，換熱管(guan)和管(guan)板(ban)之間存在縫隙(xi)是普遍現象。因為在制造過程中，要消除兩者(zhe)之間的縫隙(xi)就需要加大脹(zhang)接應(ying)力(li)(li)，勢必引起殘(can)余(yu)應(ying)力(li)(li)過大，容易造成應(ying)力(li)(li)腐蝕開裂。但是，脹(zhang)接程度(du)過小，又(you)為縫隙(xi)腐蝕和離子富(fu)集創造了條(tiao)件。因此，脹(zhang)接方法和脹(zhang)接應(ying)力(li)(li)的控制尤為重要。