已有的研究表明，溶液中氯離子濃度對(duì)不銹鋼縫隙腐蝕的影響較大，浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析氯離子在縫隙內(nèi)的分布情況。

一、理論分析

  首先分析縫隙內(nèi)外各物質(zhì)的轉(zhuǎn)移情況，物質(zhì)質(zhì)量的傳遞途徑包括遷移、擴(kuò)散、對(duì)流?？p隙內(nèi)外溶液的對(duì)流可以忽略不計(jì)，只剩了遷移和擴(kuò)散兩種途徑，所以，溶液組分的通量方程如下:

  同時(shí)，還要考慮溶液中離子的水解，對(duì)于奧氏體不銹鋼，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)式和平衡常數(shù)為：

二、數(shù)值模擬

  至德鋼業(yè)采用COMSOL有限元軟件對(duì)縫隙內(nèi)Cl^-濃度進(jìn)行模擬計(jì)算。金屬材料為304不銹鋼，腐蝕介質(zhì)為0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立模型

  以管板式廢熱鍋爐為例，管子材料是304不銹鋼。管板和換熱管之間采用脹接十焊接，但是兩者之間還存在微小縫隙，縫隙深度200mm,寬度0.125mm,幾何參數(shù)設(shè)置界面如圖3-3所示，圖3-4給出了簡(jiǎn)化的縫隙三維幾何模型。在保證計(jì)算精度的前提下，將模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型。劃分網(wǎng)格，縫隙內(nèi)網(wǎng)格細(xì)化，如圖3-5所示。

2. 控制方程

  傳質(zhì)方程采用式（3-3).

  電場(chǎng)采用泊松方程，電流采用電化學(xué)方法，數(shù)據(jù)來(lái)源于極化曲線

3. 電極反應(yīng)

  把極化曲線上的數(shù)據(jù)輸入“內(nèi)插”列表，如圖3-6所示，左邊的數(shù)據(jù)為極化曲線中的電勢(shì)，右邊的數(shù)據(jù)為極化電流。

  模擬中采用“二次電流分布”，即考慮歐姆極化和電化學(xué)極化，未考慮濃差極化。電解質(zhì)的電導(dǎo)率設(shè)為0.01S/m,軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

4. 邊界條件

“絕緣”項(xiàng)設(shè)為默認(rèn)值，初始值中的“電解質(zhì)電勢(shì)”和“電勢(shì)”都設(shè)為0.由于縫隙兩側(cè)都是金屬，因此在“電解質(zhì)－電極邊界面邊界”選項(xiàng)設(shè)置中設(shè)置邊界條件為“電勢(shì)”，外部電勢(shì)設(shè)為0.1V,其他設(shè)置如圖3-7所示。

  在邊界上會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，因此，需要設(shè)置“電極反應(yīng)”項(xiàng)，具體設(shè)置內(nèi)容如圖3-8所示。

5. 物質(zhì)傳遞

  物質(zhì)傳遞包括電遷移和擴(kuò)散兩部分，如圖3-9所示?！俺跏贾怠敝?，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(zhì)界面耦合

  耦合電化學(xué)反應(yīng)，“反應(yīng)常數(shù)”中的參數(shù)分別為Fe²⁺、Cr³⁺、Ni²⁺對(duì)應(yīng)的參數(shù)，設(shè)置如圖3-10所示。在耦合電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，要選中電極界面。

7. 濃度

  縫隙入口處的氯離子濃度為恒定值，即為溶液中的濃度。縫隙外的介質(zhì)是濃度為0.3mol/L的氯化鈉溶液。外部電勢(shì)?。?.2V,圖3-11給出了縫隙內(nèi)氯離子濃度分布。

  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(dá)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(huì)在縫隙內(nèi)聚集，造成縫隙內(nèi)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(guò)脹接＋接工藝連接，若脹接不嚴(yán)密，換熱管和管板之間會(huì)存在微小的縫隙，而且縫隙長(zhǎng)度尺寸較大，很容易使溶液中的氯離子在縫隙內(nèi)富集，圖3-12給出了2個(gè)失效案例。

  管板式換熱器中，換熱管和管板之間存在縫隙是普遍現(xiàn)象。因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程中，要消除兩者之間的縫隙就需要加大脹接應(yīng)力，勢(shì)必引起殘余應(yīng)力過(guò)大，容易造成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。但是，脹接程度過(guò)小，又為縫隙腐蝕和離子富集創(chuàng)造了條件。因此，脹接方法和脹接應(yīng)力的控制尤為重要。