已有的研究表明，溶液中氯離子濃度對不銹鋼縫隙(xi)腐蝕(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

  首(shou)先分(fen)析縫(feng)隙內外各(ge)物(wu)質的(de)轉移情況(kuang)，物(wu)質質量的(de)傳遞途徑包括(kuo)遷移、擴散、對流。縫(feng)隙內外溶液(ye)的(de)對流可以忽略不計，只剩了遷移和擴散兩種途徑，所以，溶液(ye)組分(fen)的(de)通量方程如下:

  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(gang)，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建(jian)立模型

  以管(guan)板式廢熱鍋爐為例(li)，管(guan)子(zi)材(cai)料是304不銹(xiu)鋼。管(guan)板和(he)換熱管(guan)之(zhi)間采用脹接(jie)十焊接(jie)，但(dan)是兩者之(zhi)間還存在微小縫(feng)隙(xi)，縫(feng)隙(xi)深度200mm,寬(kuan)度0.125mm,幾何(he)參數設置界面如圖3-3所(suo)示，圖3-4給出了(le)簡化的縫(feng)隙(xi)三維(wei)幾何(he)模型(xing)。在保證計(ji)算精(jing)度的前提下(xia)，將模型(xing)簡化為二維(wei)軸(zhou)對稱模型(xing)。劃分(fen)網(wang)格(ge)，縫(feng)隙(xi)內網(wang)格(ge)細化，如圖3-5所(suo)示。

2. 控制(zhi)方程

  傳質(zhi)方程采用式（3-3).

  電場(chang)采(cai)用泊松(song)方(fang)程，電流采(cai)用電化學方(fang)法，數據來(lai)源(yuan)于極化曲(qu)線

3. 電極反應

  把極(ji)化曲(qu)線上的數(shu)據輸入“內插”列表，如圖3-6所示，左邊的數(shu)據為極(ji)化曲(qu)線中(zhong)的電勢，右邊的數(shu)據為極(ji)化電流。

  模擬中采(cai)用(yong)“二次電流分布”，即考(kao)慮(lv)歐姆極(ji)化(hua)和電化(hua)學極(ji)化(hua)，未考(kao)慮(lv)濃(nong)差極(ji)化(hua)。電解(jie)質的電導率設為0.01S/m,軸對稱結構。

4. 邊界條件(jian)

“絕(jue)緣”項設(she)(she)為(wei)(wei)默認值，初始值中(zhong)的“電(dian)(dian)解質(zhi)電(dian)(dian)勢”和(he)“電(dian)(dian)勢”都設(she)(she)為(wei)(wei)0.由于縫隙兩側都是金屬(shu)，因此(ci)在(zai)“電(dian)(dian)解質(zhi)－電(dian)(dian)極邊(bian)(bian)界(jie)面邊(bian)(bian)界(jie)”選項設(she)(she)置(zhi)(zhi)中(zhong)設(she)(she)置(zhi)(zhi)邊(bian)(bian)界(jie)條(tiao)件為(wei)(wei)“電(dian)(dian)勢”，外部電(dian)(dian)勢設(she)(she)為(wei)(wei)0.1V,其他設(she)(she)置(zhi)(zhi)如圖3-7所(suo)示。

  在邊界上會發生電化學(xue)反應(ying)(ying)，因此(ci)，需要(yao)設置“電極反應(ying)(ying)”項，具體設置內容如(ru)圖3-8所(suo)示。

5. 物(wu)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. 電極電解(jie)質(zhi)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(feng)(feng)隙(xi)入口(kou)處的氯(lv)(lv)離(li)(li)子濃(nong)(nong)度(du)(du)為(wei)恒定值，即為(wei)溶液中的濃(nong)(nong)度(du)(du)。縫(feng)(feng)隙(xi)外(wai)的介質(zhi)是(shi)濃(nong)(nong)度(du)(du)為(wei)0.3mol/L的氯(lv)(lv)化鈉溶液。外(wai)部(bu)電勢(shi)取(qu)－0.2V,圖3-11給(gei)出了縫(feng)(feng)隙(xi)內(nei)氯(lv)(lv)離(li)(li)子濃(nong)(nong)度(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(re)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。

  管板(ban)式換(huan)熱器中，換(huan)熱管和管板(ban)之(zhi)間(jian)存(cun)在縫隙(xi)是普遍現象。因(yin)為(wei)在制(zhi)造(zao)過程中，要(yao)消除兩者之(zhi)間(jian)的(de)縫隙(xi)就需要(yao)加(jia)大脹接(jie)應(ying)力(li)(li)，勢必引起殘(can)余應(ying)力(li)(li)過大，容易造(zao)成應(ying)力(li)(li)腐(fu)蝕開(kai)裂。但是，脹接(jie)程度(du)過小，又(you)為(wei)縫隙(xi)腐(fu)蝕和離子富集創造(zao)了條件(jian)。因(yin)此，脹接(jie)方(fang)法和脹接(jie)應(ying)力(li)(li)的(de)控(kong)制(zhi)尤為(wei)重要(yao)。