《Materials Today Chemistry》：Enhancement of Tubesheet Integrity and Longevity via GTAW Cladding: Experimental Assessment and Inspection Methods
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壳程与管程换热设备（shell and tube heat exchanger）的运行安全性与可靠性在很大程度上取决于管-管板（tube to tubesheet, TTS）接头的完整性，该类接头易因腐蚀、冲蚀及机械应力等因素发生失效。为抑制此类失效，工程上常
壳程与管程换热设备（shell and tube heat exchanger）的运行安全性与可靠性在很大程度上取决于管-管板（tube to tubesheet, TTS）接头的完整性，该类接头易因腐蚀、冲蚀及机械应力等因素发生失效。为抑制此类失效，工程上常采用堆焊技术在接头区域制备金属防护层，以提升耐蚀性能并降低全生命周期成本。本研究针对50 mm厚碳钢（carbon steel, CS）管板（SA 516 Gr.70 N）与19.05 mm外径不锈钢（SA 213 TP 304 L）管的连接结构，采用钨极气体保护焊（Gas Tungsten Arc Welding, GTAW）实施10 mm厚堆焊层制备。研究人员共制备10组试样，依据ASME Section IX QW 193.1-191.3标准要求，采用目视检测（visual testing, VT）、液体渗透检测（liquid penetrant testing, PT）、宏观金相检验等多重无损与理化检测手段对焊接接头质量进行综合评价，同时开展硬度测试、铁素体数（ferrite number, FN）测定及化学成分分析以验证其力学性能与耐蚀性。实验结果表明，GTAW堆焊工艺可显著提升TTS接头的综合质量，优化力学完整性与耐蚀性能，有效增强管板接头的密封性与运行可靠性，延长关键部件在高压及腐蚀工况下的服役寿命。本研究进一步证实，规范的堆焊工艺与系统的检测规程是保障换热设备核心构件长期稳定运行的关键措施。
该研究由Mohamed Fayas Saffiudeen、Vasanth Swaminathan等研究人员完成，发表于《Materials Today Chemistry》。换热设备广泛应用于炼油、化工等流程工业的高压场景，其中管-管板（TTS）接头是最易发生泄漏与失效的关键部位，腐蚀、热循环及制造偏差均会削弱其完整性。现有文献中虽已对多种TTS连接技术开展研究，但针对带堆焊层管板的GTAW焊接工艺系统性评估仍存在空白，缺乏结合完整资质认证与多维检测的实证研究，难以支撑高腐蚀环境下的工程应用。为此，研究人员以50 mm厚SA 516 Gr.70 N碳钢管板（表面堆焊10 mm厚ER 308 L不锈钢层）与SA 213 TP 304 L不锈钢管为对象，开展GTAW强度焊工艺开发与接头性能评价，旨在明确该工艺对提升管板服役寿命与可靠性的作用机制与实际效果。
研究人员在开展研究过程中主要采用了以下关键技术方法：基于ASME Section IX标准完成焊接工艺评定与焊工资质认证，制备10组全尺寸模拟试件；采用目视检测、液体渗透检测及宏观金相检验验证接头表观与内部缺陷状态；通过最小泄漏路径（minimum leak path, MLP）测量量化熔深与密封屏障有效性；结合手持式X射线荧光光谱仪进行材料成分验证（PMI）、铁素体测量仪测定δ铁素体含量，并依据ASTM标准开展维氏硬度测试，实现对接头理化性能的全方位表征。
研究结果部分按以下维度展开。视觉检测结果显示，所有TTS接头焊道成形良好，无烧穿、气孔及裂纹等缺陷，完全符合ASME Section IX QW-193.1.1的验收要求，表明所选焊接参数可实现稳定的熔合质量。渗透检测结果证实，经着色渗透与显影处理后，接头表面未发现任何开口缺陷指示，进一步验证了焊缝的表面致密性。宏观检验与最小泄漏路径分析表明，所有截面的MLP均大于管壁厚度的三分之二（≥1.4 mm），实测平均MLP达4.25 mm，最高值可达4.79 mm，远高于非堆焊接头文献数据，证明GTAW堆焊实现了更深层次的熔合与更可靠的泄漏阻隔。材料成分验证结果与ER 308 L填充金属标准一致，铬、镍及钼元素含量均在规范范围内。铁素体测试显示，接头平均铁素体数为8.19，处于3–10的理想区间，可有效防止热裂纹并保障耐蚀性。硬度测试结果证实，管板母材、热影响区及焊缝金属的维氏硬度均低于250 VHN限值，且硬度分布规律符合异种钢焊接的典型特征，未出现硬化或软化异常。对比分析进一步指出，堆焊型TTS接头的平均MLP较同类非堆焊结构提升约67%，体现出更优异的熔深与密封性能。
在讨论部分，研究人员强调GTAW堆焊工艺通过在碳钢管板表面形成连续致密的耐腐蚀合金层，显著降低了腐蚀介质对基体的侵蚀风险，同时优化的热输入控制减少了焊接残余应力与变形。MLP的大幅提升意味着泄漏通道的有效延长，可在高压及交变载荷工况下提供更充裕的安全裕度。各检测环节的综合结果相互印证，充分证明了该工艺在保障接头完整性方面的稳定性与可重复性。
研究结论部分总结如下：本研究成功采用GTAW工艺完成了带10 mm不锈钢堆焊层的50 mm厚碳钢管板与304 L不锈钢管的TTS接头制备，工艺参数范围为电流89–106 A、电压11–14 V、行走速度51–70 mm/min。所有接头均通过了VT、PT及宏观检验，无未熔合、裂纹及气孔等缺陷。平均MLP达4.25 mm，远超标准要求的1.4 mm，且高于管壁厚度本身。化学成分、铁素体数及硬度指标均符合相关标准规定。与无堆焊层接头相比，该结构表现出最优的MLP值与最高的安全裕度，能够显著增强换热设备在腐蚀性高压环境中的长期运行可靠性，填补了堆焊管板焊接工艺实证研究的空白。
