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

  首先分析(xi)縫隙(xi)內(nei)外各(ge)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)的轉移情況，物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)質(zhi)(zhi)量的傳遞(di)途徑包(bao)括遷(qian)移、擴(kuo)(kuo)散(san)、對流(liu)。縫隙(xi)內(nei)外溶液(ye)(ye)的對流(liu)可以(yi)忽(hu)略不(bu)計，只剩了遷(qian)移和擴(kuo)(kuo)散(san)兩種途徑，所以(yi)，溶液(ye)(ye)組(zu)分的通(tong)量方程(cheng)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(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(xing)

  以管板式廢熱鍋爐(lu)為例，管子材料是304不銹鋼(gang)。管板和換熱管之(zhi)間(jian)采(cai)用脹(zhang)接十焊(han)接，但是兩者(zhe)之(zhi)間(jian)還存在(zai)微小縫隙(xi)，縫隙(xi)深(shen)度(du)200mm,寬度(du)0.125mm,幾何參數(shu)設置界面如(ru)圖(tu)3-3所示，圖(tu)3-4給出了簡化的縫隙(xi)三維(wei)幾何模(mo)型。在(zai)保證計算(suan)精度(du)的前提(ti)下，將模(mo)型簡化為二維(wei)軸對稱模(mo)型。劃分網格，縫隙(xi)內(nei)網格細化，如(ru)圖(tu)3-5所示。

2. 控制(zhi)方程

  傳質(zhi)方(fang)程采用式（3-3).

  電(dian)場(chang)采(cai)用(yong)泊松方程，電(dian)流采(cai)用(yong)電(dian)化學方法，數據來源(yuan)于極化曲線

3. 電極反應(ying)

  把(ba)極(ji)化(hua)曲(qu)線(xian)上的數(shu)(shu)據(ju)輸入“內(nei)插(cha)”列表，如(ru)圖3-6所示，左邊(bian)的數(shu)(shu)據(ju)為極(ji)化(hua)曲(qu)線(xian)中的電勢，右邊(bian)的數(shu)(shu)據(ju)為極(ji)化(hua)電流。

  模擬中采用(yong)“二次電流(liu)分布”，即考慮(lv)歐姆(mu)極化和電化學極化，未考慮(lv)濃差極化。電解質的電導率設為0.01S/m,軸對稱結構。

4. 邊界條件

“絕緣”項設(she)為默認值，初(chu)始值中(zhong)的“電(dian)解質(zhi)電(dian)勢(shi)”和“電(dian)勢(shi)”都設(she)為0.由(you)于(yu)縫隙兩側都是(shi)金屬，因(yin)此在(zai)“電(dian)解質(zhi)－電(dian)極邊(bian)界(jie)面邊(bian)界(jie)”選項設(she)置中(zhong)設(she)置邊(bian)界(jie)條(tiao)件為“電(dian)勢(shi)”，外部電(dian)勢(shi)設(she)為0.1V,其他(ta)設(she)置如圖3-7所示。

  在(zai)邊界上會(hui)發生電化學反應，因此，需要設置(zhi)“電極反應”項(xiang)，具體設置(zhi)內容如圖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(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

  縫隙入口處的(de)氯離子濃(nong)度(du)為恒定(ding)值，即為溶(rong)液(ye)中(zhong)的(de)濃(nong)度(du)。縫隙外的(de)介質是(shi)濃(nong)度(du)為0.3mol/L的(de)氯化鈉溶(rong)液(ye)。外部電勢取－0.2V,圖3-11給出了縫隙內氯離子濃(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)(guan)板式換熱器中，換熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板之間存在(zai)縫(feng)隙是(shi)普遍現象。因為在(zai)制(zhi)造過程中，要消除兩者(zhe)之間的縫(feng)隙就需要加大脹接應(ying)(ying)力，勢(shi)必引起殘余(yu)應(ying)(ying)力過大，容(rong)易造成應(ying)(ying)力腐(fu)蝕(shi)開裂。但是(shi)，脹接程度過小(xiao)，又為縫(feng)隙腐(fu)蝕(shi)和離子富集(ji)創造了條(tiao)件。因此，脹接方法(fa)和脹接應(ying)(ying)力的控制(zhi)尤為重要。