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(shou)先分析(xi)縫(feng)隙(xi)內外(wai)(wai)各物質(zhi)的(de)轉(zhuan)移(yi)情況(kuang)，物質(zhi)質(zhi)量(liang)的(de)傳遞(di)途徑包括遷移(yi)、擴(kuo)散、對(dui)流。縫(feng)隙(xi)內外(wai)(wai)溶(rong)液的(de)對(dui)流可以忽略不計，只剩了(le)遷移(yi)和擴(kuo)散兩種(zhong)途徑，所以，溶(rong)液組分的(de)通(tong)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(shu)值模(mo)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(xiu)鋼，腐蝕介質為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立(li)模型

  以(yi)管板式(shi)廢熱鍋(guo)爐為例，管子(zi)材料是304不銹(xiu)鋼。管板和換熱管之(zhi)間采用脹接十焊接，但(dan)是兩者之(zhi)間還存在(zai)微小縫(feng)隙(xi)(xi)，縫(feng)隙(xi)(xi)深度(du)200mm,寬度(du)0.125mm,幾何參(can)數設置界面如圖(tu)(tu)3-3所示(shi)，圖(tu)(tu)3-4給出了簡(jian)化(hua)的縫(feng)隙(xi)(xi)三維(wei)幾何模(mo)型(xing)(xing)。在(zai)保證計(ji)算精度(du)的前提(ti)下(xia)，將(jiang)模(mo)型(xing)(xing)簡(jian)化(hua)為二維(wei)軸對稱模(mo)型(xing)(xing)。劃分網格，縫(feng)隙(xi)(xi)內網格細化(hua)，如圖(tu)(tu)3-5所示(shi)。

2. 控制(zhi)方程

  傳質(zhi)方程采用式（3-3).

  電場采用泊(bo)松方程(cheng)，電流采用電化(hua)學方法，數據來源于(yu)極化(hua)曲線

3. 電極(ji)反(fan)應(ying)

  把極化曲線(xian)上的(de)數(shu)據輸入“內插(cha)”列表，如圖3-6所示，左邊的(de)數(shu)據為極化曲線(xian)中的(de)電(dian)勢(shi)，右(you)邊的(de)數(shu)據為極化電(dian)流。

  模擬中采(cai)用“二次(ci)電(dian)流分布”，即考慮歐姆極(ji)化和(he)電(dian)化學極(ji)化，未(wei)考慮濃差極(ji)化。電(dian)解質的電(dian)導率設為(wei)0.01S/m,軸對(dui)稱結構。

4. 邊(bian)界條件

“絕緣”項(xiang)設為(wei)默認值，初始值中的“電(dian)解質(zhi)電(dian)勢(shi)”和“電(dian)勢(shi)”都設為(wei)0.由于(yu)縫(feng)隙兩(liang)側都是金屬(shu)，因此在“電(dian)解質(zhi)－電(dian)極邊界(jie)面邊界(jie)”選項(xiang)設置中設置邊界(jie)條件為(wei)“電(dian)勢(shi)”，外部電(dian)勢(shi)設為(wei)0.1V,其他(ta)設置如圖3-7所示。

  在邊界上會發(fa)生電化學反應(ying)，因此，需要(yao)設置“電極反應(ying)”項，具體設置內(nei)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(ji)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

  縫隙入口(kou)處的(de)(de)氯(lv)離(li)子(zi)濃(nong)度(du)為(wei)恒定值，即為(wei)溶液(ye)中的(de)(de)濃(nong)度(du)。縫隙外的(de)(de)介質是濃(nong)度(du)為(wei)0.3mol/L的(de)(de)氯(lv)化鈉(na)溶液(ye)。外部電勢取－0.2V,圖3-11給出了縫隙內氯(lv)離(li)子(zi)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(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)板式換(huan)熱器中(zhong)，換(huan)熱管(guan)和(he)管(guan)板之(zhi)間存在縫隙(xi)是普遍現象。因為(wei)(wei)在制造(zao)過程(cheng)中(zhong)，要(yao)消除兩者之(zhi)間的縫隙(xi)就需要(yao)加大脹(zhang)接應(ying)(ying)力(li)(li)，勢必(bi)引起殘余應(ying)(ying)力(li)(li)過大，容易造(zao)成應(ying)(ying)力(li)(li)腐蝕(shi)開(kai)裂。但是，脹(zhang)接程(cheng)度過小，又為(wei)(wei)縫隙(xi)腐蝕(shi)和(he)離子富集創造(zao)了條件。因此，脹(zhang)接方法和(he)脹(zhang)接應(ying)(ying)力(li)(li)的控制尤為(wei)(wei)重要(yao)。