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(fen)析

  首先(xian)分析縫隙內外(wai)各(ge)物(wu)質的(de)轉(zhuan)移情況，物(wu)質質量的(de)傳遞(di)途徑包括遷(qian)移、擴(kuo)散(san)、對流(liu)。縫隙內外(wai)溶液的(de)對流(liu)可以忽略不計(ji)，只(zhi)剩了遷(qian)移和擴(kuo)散(san)兩(liang)種(zhong)途徑，所以，溶液組分的(de)通量方(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(er)、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不銹鋼，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立模(mo)型

  以管板式廢熱(re)鍋爐為例，管子(zi)材料是304不銹鋼(gang)。管板和(he)換熱(re)管之(zhi)間采用脹(zhang)接十焊(han)接，但是兩者之(zhi)間還存在微小縫隙，縫隙深度200mm,寬(kuan)度0.125mm,幾何參數設(she)置(zhi)界面如(ru)圖3-3所示，圖3-4給出了(le)簡化(hua)(hua)的(de)縫隙三維幾何模型。在保證(zheng)計算精度的(de)前(qian)提下(xia)，將模型簡化(hua)(hua)為二維軸對稱模型。劃分網格，縫隙內網格細化(hua)(hua)，如(ru)圖3-5所示。

2. 控制方程

  傳質方程采(cai)用(yong)式（3-3).

  電(dian)場采用泊松方程，電(dian)流采用電(dian)化學方法，數(shu)據來源于極化曲線(xian)

3. 電極反應

  把極化曲線(xian)上的數據輸入“內(nei)插”列表，如圖3-6所示，左(zuo)邊的數據為極化曲線(xian)中的電勢，右邊的數據為極化電流。

  模擬中采(cai)用“二次(ci)電流分(fen)布”，即考慮歐姆極化(hua)和(he)電化(hua)學極化(hua)，未考慮濃(nong)差極化(hua)。電解質(zhi)的電導(dao)率設為0.01S/m,軸對(dui)稱(cheng)結構(gou)。

4. 邊界條件

“絕(jue)緣(yuan)”項(xiang)設(she)(she)(she)為(wei)默認值，初(chu)始值中(zhong)的(de)“電(dian)(dian)解質電(dian)(dian)勢”和“電(dian)(dian)勢”都(dou)設(she)(she)(she)為(wei)0.由于縫隙兩(liang)側(ce)都(dou)是金屬，因此在“電(dian)(dian)解質－電(dian)(dian)極邊界面(mian)邊界”選(xuan)項(xiang)設(she)(she)(she)置(zhi)(zhi)中(zhong)設(she)(she)(she)置(zhi)(zhi)邊界條(tiao)件為(wei)“電(dian)(dian)勢”，外部電(dian)(dian)勢設(she)(she)(she)為(wei)0.1V,其他設(she)(she)(she)置(zhi)(zhi)如圖(tu)3-7所示。

  在邊界(jie)上會(hui)發生電化學(xue)反(fan)應，因(yin)此，需(xu)要設置“電極反(fan)應”項(xiang)，具體(ti)設置內容如圖3-8所(suo)示。

5. 物質(zhi)傳遞(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(chu)的(de)氯(lv)離子(zi)濃(nong)度為恒定值，即為溶(rong)液(ye)中的(de)濃(nong)度。縫隙(xi)外(wai)的(de)介質是濃(nong)度為0.3mol/L的(de)氯(lv)化鈉溶(rong)液(ye)。外(wai)部電勢取－0.2V,圖(tu)3-11給出了(le)縫隙(xi)內氯(lv)離子(zi)濃(nong)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(huan)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。

  管板式換熱(re)器中(zhong)，換熱(re)管和(he)管板之(zhi)(zhi)間存(cun)在(zai)縫(feng)隙(xi)是普遍現象。因(yin)為(wei)在(zai)制造(zao)(zao)過(guo)程中(zhong)，要消除兩者之(zhi)(zhi)間的縫(feng)隙(xi)就需(xu)要加大脹(zhang)接(jie)應力，勢(shi)必引起殘余應力過(guo)大，容易(yi)造(zao)(zao)成應力腐蝕開裂。但是，脹(zhang)接(jie)程度過(guo)小(xiao)，又為(wei)縫(feng)隙(xi)腐蝕和(he)離(li)子富集創造(zao)(zao)了條件。因(yin)此，脹(zhang)接(jie)方法和(he)脹(zhang)接(jie)應力的控制尤(you)為(wei)重要。