不锈钢缝隙腐蚀数值模拟方法流程

 已有的研究表明，溶液中氯离子浓度对不锈钢缝隙腐蚀的影响较大，浙江至德钢业有限公司通过数值模拟的方法，分析氯离子在缝隙内的分布情况。

一、理论分析

  首先分析缝隙内外各物质的转移情况，物质质量的传递途径包括迁移、扩散、对流。缝隙内外溶液的对流可以忽略不计，只剩了迁移和扩散两种途径，所以，溶液组分的通量方程如下:

  同时，还要考虑溶液中离子的水解，对于奥氏体不锈钢，电化学反应产生的主要离子包括氢离子、铁离子、铬离子、镍离子这些离子水解反应式和平衡常数为：

二、数值模拟

  至德钢业采用COMSOL有限元软件对缝隙内Cl^-浓度进行模拟计算。金属材料为304不锈钢，腐蚀介质为0.3mol/L的中性NaCl溶液。

1. 建立模型

  以管板式废热锅炉为例，管子材料是304不锈钢。管板和换热管之间采用胀接十焊接，但是两者之间还存在微小缝隙，缝隙深度200mm,宽度0.125mm,几何参数设置界面如图3-3所示，图3-4给出了简化的缝隙三维几何模型。在保证计算精度的前提下，将模型简化为二维轴对称模型。划分网格，缝隙内网格细化，如图3-5所示。

2. 控制方程

  传质方程采用式（3-3).

  电场采用泊松方程，电流采用电化学方法，数据来源于极化曲线

3. 电极反应

  把极化曲线上的数据输入“内插”列表，如图3-6所示，左边的数据为极化曲线中的电势，右边的数据为极化电流。

  模拟中采用“二次电流分布”，即考虑欧姆极化和电化学极化，未考虑浓差极化。电解质的电导率设为0.01S/m,轴对称结构。

4. 边界条件

“绝缘”项设为默认值，初始值中的“电解质电势”和“电势”都设为0.由于缝隙两侧都是金属，因此在“电解质－电极边界面边界”选项设置中设置边界条件为“电势”，外部电势设为0.1V,其他设置如图3-7所示。

  在边界上会发生电化学反应，因此，需要设置“电极反应”项，具体设置内容如图3-8所示。

5. 物质传递

  物质传递包括电迁移和扩散两部分，如图3-9所示。“初始值”中，输入了4种离子，即Fe²⁺、Cr³⁺、Ni²⁺、Cl^-、Fe²⁺浓度初始值为10^-4mol/L，Cr³⁺和Ni²⁺浓度初始值为0。

6. 电极电解质界面耦合

  耦合电化学反应，“反应常数”中的参数分别为Fe²⁺、Cr³⁺、Ni²⁺对应的参数，设置如图3-10所示。在耦合电化学反应时，要选中电极界面。

7. 浓度

  缝隙入口处的氯离子浓度为恒定值，即为溶液中的浓度。缝隙外的介质是浓度为0.3mol/L的氯化钠溶液。外部电势取－0.2V,图3-11给出了缝隙内氯离子浓度分布。

  从图3-11中可以看出，越靠近缝隙底部，氯离子浓度越高，缝隙底部的氯离子浓度达到2.4mol/L,是缝隙外溶液浓度的8倍。从以上分析可以看出，虽然整体溶液中氯离子平均浓度很低，但是氯离子会在缝隙内聚集，造成缝隙内氯离子浓度大大增加。在管壳式换热器中，换热管和管板之间一般通过胀接＋接工艺连接，若胀接不严密，换热管和管板之间会存在微小的缝隙，而且缝隙长度尺寸较大，很容易使溶液中的氯离子在缝隙内富集，图3-12给出了2个失效案例。

  管板式换热器中，换热管和管板之间存在缝隙是普遍现象。因为在制造过程中，要消除两者之间的缝隙就需要加大胀接应力，势必引起残余应力过大，容易造成应力腐蚀开裂。但是，胀接程度过小，又为缝隙腐蚀和离子富集创造了条件。因此，胀接方法和胀接应力的控制尤为重要。