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(li)論分析

  首先(xian)分析縫(feng)隙內外各物(wu)質的(de)轉移情況，物(wu)質質量(liang)的(de)傳(chuan)遞途(tu)徑(jing)包括(kuo)遷移、擴(kuo)(kuo)散(san)、對流。縫(feng)隙內外溶(rong)液的(de)對流可以(yi)忽略(lve)不計(ji)，只剩了遷移和擴(kuo)(kuo)散(san)兩種途(tu)徑(jing)，所(suo)以(yi)，溶(rong)液組分的(de)通量(liang)方程如下:

  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(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(guan)(guan)板(ban)式(shi)廢熱(re)鍋爐為例，管(guan)(guan)子材料是304不銹(xiu)鋼。管(guan)(guan)板(ban)和換熱(re)管(guan)(guan)之間采用脹接(jie)十焊接(jie)，但(dan)是兩者(zhe)之間還存在微小縫(feng)隙(xi)(xi)，縫(feng)隙(xi)(xi)深度(du)(du)200mm,寬度(du)(du)0.125mm,幾(ji)何參數設置界面如圖(tu)3-3所示(shi)，圖(tu)3-4給出了簡化的縫(feng)隙(xi)(xi)三(san)維(wei)幾(ji)何模(mo)型。在保證(zheng)計(ji)算精(jing)度(du)(du)的前(qian)提下，將模(mo)型簡化為二維(wei)軸對稱模(mo)型。劃分網格，縫(feng)隙(xi)(xi)內(nei)網格細化，如圖(tu)3-5所示(shi)。

2. 控制方程

  傳(chuan)質(zhi)方(fang)程采用式（3-3).

  電場采用(yong)(yong)泊松方(fang)程，電流采用(yong)(yong)電化(hua)學方(fang)法，數據(ju)來(lai)源于極化(hua)曲線

3. 電極反(fan)應

  把(ba)極化(hua)曲線(xian)上的(de)(de)數據(ju)(ju)輸入“內插”列表(biao)，如圖3-6所示，左邊的(de)(de)數據(ju)(ju)為(wei)極化(hua)曲線(xian)中的(de)(de)電(dian)勢，右邊的(de)(de)數據(ju)(ju)為(wei)極化(hua)電(dian)流。

  模擬中采用“二次電(dian)流分布(bu)”，即考(kao)慮(lv)歐姆極化和電(dian)化學極化，未考(kao)慮(lv)濃差極化。電(dian)解質的電(dian)導率設為0.01S/m,軸對稱(cheng)結構。

4. 邊界條(tiao)件

“絕(jue)緣”項(xiang)設為(wei)默(mo)認(ren)值(zhi)，初始(shi)值(zhi)中的“電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)質電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢(shi)(shi)(shi)”和“電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢(shi)(shi)(shi)”都(dou)(dou)設為(wei)0.由(you)于縫(feng)隙兩側都(dou)(dou)是金屬，因(yin)此(ci)在“電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)質－電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極邊(bian)界(jie)面邊(bian)界(jie)”選項(xiang)設置(zhi)(zhi)中設置(zhi)(zhi)邊(bian)界(jie)條件(jian)為(wei)“電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢(shi)(shi)(shi)”，外部電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢(shi)(shi)(shi)設為(wei)0.1V,其他設置(zhi)(zhi)如圖3-7所示。

  在邊界(jie)上會發生電化(hua)學(xue)反(fan)應，因此，需(xu)要設置“電極反(fan)應”項，具體(ti)設置內容(rong)如圖3-8所示。

5. 物質(zhi)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. 濃度

  縫隙(xi)入口處的(de)氯(lv)離(li)子(zi)濃度為(wei)恒(heng)定(ding)值，即為(wei)溶液(ye)(ye)中的(de)濃度。縫隙(xi)外的(de)介(jie)質是濃度為(wei)0.3mol/L的(de)氯(lv)化鈉溶液(ye)(ye)。外部電勢取－0.2V,圖3-11給出了縫隙(xi)內氯(lv)離(li)子(zi)濃度分布(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(re)管(guan)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)(guan)板式(shi)換熱(re)器中，換熱(re)管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板之間存在縫隙(xi)(xi)是普遍(bian)現象(xiang)。因(yin)為(wei)在制造過程(cheng)中，要消除兩者之間的(de)縫隙(xi)(xi)就需要加大脹接(jie)應(ying)(ying)力(li)(li)，勢必引起殘(can)余應(ying)(ying)力(li)(li)過大，容(rong)易(yi)造成(cheng)應(ying)(ying)力(li)(li)腐蝕開(kai)裂。但(dan)是，脹接(jie)程(cheng)度過小，又為(wei)縫隙(xi)(xi)腐蝕和(he)離子(zi)富集創造了條(tiao)件。因(yin)此，脹接(jie)方法和(he)脹接(jie)應(ying)(ying)力(li)(li)的(de)控(kong)制尤(you)為(wei)重要。