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

  首先分析縫(feng)隙(xi)內(nei)外各物質(zhi)的轉移情況，物質(zhi)質(zhi)量的傳遞途徑包括遷(qian)移、擴散、對流(liu)。縫(feng)隙(xi)內(nei)外溶(rong)液的對流(liu)可以忽略不計，只剩了遷(qian)移和擴散兩種途徑，所(suo)以，溶(rong)液組分的通量方程(cheng)如(ru)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(guan)(guan)板式廢熱(re)鍋爐為例(li)，管(guan)(guan)子(zi)材(cai)料是304不銹鋼(gang)。管(guan)(guan)板和換熱(re)管(guan)(guan)之間(jian)(jian)采用脹接十焊接，但是兩者之間(jian)(jian)還存(cun)在(zai)微小縫(feng)隙(xi)，縫(feng)隙(xi)深(shen)度(du)(du)200mm,寬度(du)(du)0.125mm,幾何(he)參數設置界面(mian)如圖3-3所(suo)示，圖3-4給出(chu)了簡(jian)化(hua)的縫(feng)隙(xi)三維(wei)幾何(he)模(mo)型(xing)。在(zai)保證計算(suan)精(jing)度(du)(du)的前提下，將模(mo)型(xing)簡(jian)化(hua)為二維(wei)軸對稱模(mo)型(xing)。劃分網格(ge)，縫(feng)隙(xi)內(nei)網格(ge)細化(hua)，如圖3-5所(suo)示。

2. 控(kong)制方程

  傳質(zhi)方程(cheng)采用式（3-3).

  電(dian)場采用泊松(song)方程(cheng)，電(dian)流采用電(dian)化學方法，數據來源于極化曲線

3. 電極反應(ying)

  把(ba)極化(hua)曲(qu)線上的數(shu)據輸入“內插”列表，如圖3-6所示，左邊(bian)的數(shu)據為(wei)極化(hua)曲(qu)線中的電勢，右邊(bian)的數(shu)據為(wei)極化(hua)電流(liu)。

  模擬中采用(yong)“二次電(dian)(dian)流分布”，即考(kao)慮歐姆極化和電(dian)(dian)化學極化，未考(kao)慮濃差極化。電(dian)(dian)解質的(de)電(dian)(dian)導率設為(wei)0.01S/m,軸(zhou)對稱(cheng)結構(gou)。

4. 邊界(jie)條(tiao)件

“絕緣”項設(she)(she)(she)(she)為(wei)(wei)默(mo)認值(zhi)，初始值(zhi)中的“電(dian)解(jie)質電(dian)勢(shi)(shi)”和(he)“電(dian)勢(shi)(shi)”都(dou)設(she)(she)(she)(she)為(wei)(wei)0.由于縫(feng)隙兩側都(dou)是金屬(shu)，因此在“電(dian)解(jie)質－電(dian)極邊(bian)界(jie)面邊(bian)界(jie)”選項設(she)(she)(she)(she)置中設(she)(she)(she)(she)置邊(bian)界(jie)條(tiao)件為(wei)(wei)“電(dian)勢(shi)(shi)”，外部(bu)電(dian)勢(shi)(shi)設(she)(she)(she)(she)為(wei)(wei)0.1V,其他設(she)(she)(she)(she)置如圖3-7所示。

  在(zai)邊(bian)界上會發(fa)生電(dian)化學反應，因此，需要設置“電(dian)極反應”項，具體設置內(nei)容如(ru)圖3-8所示。

5. 物(wu)質傳(chuan)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(dian)極電(dian)解質界面(mian)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)隙入口處(chu)的(de)氯離子濃(nong)度為恒定值，即為溶液中的(de)濃(nong)度。縫(feng)隙外(wai)的(de)介質是濃(nong)度為0.3mol/L的(de)氯化鈉溶液。外(wai)部(bu)電勢取－0.2V,圖3-11給出了縫(feng)隙內氯離子濃(nong)度分布(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)板(ban)式(shi)換(huan)熱(re)器中，換(huan)熱(re)管(guan)和管(guan)板(ban)之間(jian)存在縫(feng)隙(xi)是普遍現象(xiang)。因為(wei)(wei)在制(zhi)造過程(cheng)中，要(yao)消除兩者之間(jian)的縫(feng)隙(xi)就(jiu)需要(yao)加大(da)脹(zhang)接應(ying)力，勢必引(yin)起殘余(yu)應(ying)力過大(da)，容易造成應(ying)力腐(fu)蝕開裂。但是，脹(zhang)接程(cheng)度過小(xiao)，又為(wei)(wei)縫(feng)隙(xi)腐(fu)蝕和離子富集創造了條件。因此，脹(zhang)接方(fang)法(fa)和脹(zhang)接應(ying)力的控制(zhi)尤為(wei)(wei)重要(yao)。