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(li)論分析

  首(shou)先分析縫(feng)隙內外(wai)各(ge)物質(zhi)的轉移(yi)情況，物質(zhi)質(zhi)量的傳(chuan)遞(di)途徑包括遷移(yi)、擴散(san)、對(dui)(dui)流(liu)。縫(feng)隙內外(wai)溶液的對(dui)(dui)流(liu)可以忽略(lve)不(bu)計(ji)，只剩了遷移(yi)和擴散(san)兩種途徑，所以，溶液組分的通(tong)量方程如下(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(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(gang)，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立(li)模型

  以管板式廢熱鍋爐為例(li)，管子材料是304不銹(xiu)鋼。管板和換熱管之間采(cai)用(yong)脹接十(shi)焊接，但是兩者之間還(huan)存在(zai)微小(xiao)縫隙(xi)(xi)，縫隙(xi)(xi)深(shen)度(du)200mm,寬度(du)0.125mm,幾何(he)參數(shu)設置(zhi)界面如圖3-3所示，圖3-4給出了簡化的縫隙(xi)(xi)三維(wei)幾何(he)模型。在(zai)保(bao)證計算精度(du)的前提下，將模型簡化為二維(wei)軸對(dui)稱模型。劃分(fen)網(wang)格(ge)，縫隙(xi)(xi)內網(wang)格(ge)細化，如圖3-5所示。

2. 控制方程(cheng)

  傳質方程采用式（3-3).

  電場采用泊松方程(cheng)，電流(liu)采用電化學(xue)方法，數(shu)據來源于極化曲線

3. 電極(ji)反應(ying)

  把極(ji)化曲線上(shang)的(de)(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)輸入“內(nei)插(cha)”列表，如圖(tu)3-6所示，左邊的(de)(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)為(wei)(wei)極(ji)化曲線中的(de)(de)(de)電勢，右邊的(de)(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)為(wei)(wei)極(ji)化電流。

  模(mo)擬中(zhong)采用(yong)“二(er)次電(dian)流分布”，即考(kao)(kao)慮歐姆極化和電(dian)化學極化，未考(kao)(kao)慮濃差(cha)極化。電(dian)解質(zhi)的電(dian)導率設為0.01S/m,軸對(dui)稱(cheng)結構。

4. 邊(bian)界條件

“絕緣”項設為默認值，初始(shi)值中(zhong)的(de)“電(dian)解質(zhi)電(dian)勢(shi)”和(he)“電(dian)勢(shi)”都設為0.由(you)于縫隙(xi)兩側都是金屬，因此在“電(dian)解質(zhi)－電(dian)極邊界(jie)面邊界(jie)”選項設置中(zhong)設置邊界(jie)條(tiao)件為“電(dian)勢(shi)”，外部電(dian)勢(shi)設為0.1V,其(qi)他設置如圖(tu)3-7所示。

  在邊界上會發(fa)生(sheng)電化學反應，因此(ci)，需要設(she)置“電極反應”項，具體(ti)設(she)置內容如圖3-8所示。

5. 物質傳遞

  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. 電極電解質(zhi)界面耦合(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. 濃度

  縫隙(xi)入口處的氯(lv)(lv)離子濃(nong)度(du)(du)為恒定值(zhi)，即為溶液(ye)中的濃(nong)度(du)(du)。縫隙(xi)外(wai)(wai)的介質(zhi)是濃(nong)度(du)(du)為0.3mol/L的氯(lv)(lv)化鈉溶液(ye)。外(wai)(wai)部電(dian)勢(shi)取－0.2V,圖(tu)3-11給出了縫隙(xi)內氯(lv)(lv)離子濃(nong)度(du)(du)分(fen)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)板式換熱(re)器中(zhong)，換熱(re)管(guan)和(he)管(guan)板之(zhi)間存在縫(feng)隙(xi)是普遍現象(xiang)。因(yin)為(wei)在制(zhi)造(zao)過(guo)程中(zhong)，要消除兩者(zhe)之(zhi)間的(de)縫(feng)隙(xi)就需要加大脹(zhang)接應(ying)力(li)(li)，勢(shi)必引(yin)起殘余(yu)應(ying)力(li)(li)過(guo)大，容易造(zao)成應(ying)力(li)(li)腐蝕開裂。但是，脹(zhang)接程度過(guo)小，又為(wei)縫(feng)隙(xi)腐蝕和(he)離子富集創造(zao)了(le)條件(jian)。因(yin)此(ci)，脹(zhang)接方法和(he)脹(zhang)接應(ying)力(li)(li)的(de)控制(zhi)尤為(wei)重要。