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(yè)有限公司通過數(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、擴散、對流。縫隙內(nèi)外溶液的對流可以忽略不計，只剩了遷移和擴散兩種途徑，所以，溶液組分的通量方程如下:
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(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有限元軟件對縫隙內(nèi)Cl-濃度進行模擬計算。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給出了簡化的縫隙三維幾何模型。在保證計算精度的前提下，將模型簡化為二維軸對稱模型。劃分網(wǎng)格，縫隙內(nèi)網(wǎng)格細化，如圖3-5所示。
2. 控制方程
傳質(zhì)方程采用式（3-3).
電場采用泊松方程，電流采用電化學方法，數(shù)據(jù)來源于極化曲線
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，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極化，未考慮濃差極化。電解質(zhì)的電導率設(shè)為0.01S/m,軸對稱結(jié)構(gòu)。
4. 邊界條件
“絕緣”項設(shè)為默認值，初始值中的“電解質(zhì)電勢”和“電勢”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”選項設(shè)置中設(shè)置邊界條件為“電勢”，外部電勢設(shè)為0.1V,其他設(shè)置如圖3-7所示。
在邊界上會發(fā)生電化學反應(yīng)，因此，需要設(shè)置“電極反應(yīng)”項，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
耦合電化學反應(yīng)，“反應(yīng)常數(shù)”中的參數(shù)分別為Fe2+、Cr3+、Ni2+對應(yīng)的參數(shù)，設(shè)置如圖3-10所示。在耦合電化學反應(yīng)時，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?？p隙外的介質(zhì)是濃度為0.3mol/L的氯化鈉溶液。外部電勢取－0.2V,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(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(nèi)富集，圖3-12給出了2個失效案例。
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。因為在制造過程中，要消除兩者之間的縫隙就需要加大脹接應(yīng)力，勢必引起殘余應(yīng)力過大，容易造成應(yīng)力腐蝕開裂。但是，脹接程度過小，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。
