與其他形式的不銹鋼換熱器相比，不銹鋼管殼式換熱器具有制造較簡(jiǎn)單、換熱效率穩(wěn)定、成本較低等特點(diǎn)，在高溫高壓環(huán)境中也可以使用，被廣泛應(yīng)用于石油煉制、石油化工、煤化工、鹽化工、冶金、核能等工業(yè)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)如圖4-1(a)所示。固定管板式換熱器技術(shù)設(shè)計(jì)和制造工藝比較成熟，但在實(shí)際生產(chǎn)中，管子和管板連接處泄漏的現(xiàn)象較常見(jiàn)。不銹鋼換熱管與管板之間一般采用焊接、脹接或者兩者結(jié)合的連接方式，脹接的目的是消除兩者之間的縫隙。脹接＋焊接后的管板如圖4-1(b)所示。

  脹接方法主要有機(jī)械脹接、液壓脹接、橡膠脹接和爆炸脹接。機(jī)械脹接的加工過(guò)程是：脹接器內(nèi)的滾珠在換熱管內(nèi)壁周向旋轉(zhuǎn)，碾壓管子內(nèi)壁，使不銹鋼換熱管因塑性變形而膨脹，達(dá)到消除縫隙的目的，示意圖如圖4-2所示。機(jī)械脹接的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。機(jī)械脹接的缺點(diǎn)是: ①. 在整個(gè)脹接長(zhǎng)度內(nèi)，各處脹接的程度不一樣；②. 反復(fù)滾壓使換熱管橫截面上的殘余應(yīng)力不同，增加了應(yīng)力腐蝕的可能性；③. 脹接扭矩難控制，當(dāng)管板厚度較大時(shí)，很難在整個(gè)長(zhǎng)度范圍脹緊，難以完全消除縫隙；④. 對(duì)于雙管板的固定式管殼換熱器，要考慮換熱管因滾壓脹接而產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化；⑤. 對(duì)管子有損傷。

  爆炸脹接是通過(guò)不銹鋼換熱管內(nèi)炸藥的爆炸產(chǎn)生的沖擊力使管板和換熱管貼合，示意圖如圖4-3所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單；可多根脹管同時(shí)加工，效率高；管子受力比較均勻，消除縫隙的效果較好。然而，該方法在操作過(guò)程中具有一定的危險(xiǎn)性，脹接過(guò)程不易控制。同時(shí)，爆炸脹接需要特定的場(chǎng)地。

  橡膠脹接是利用橡膠受軸向壓縮產(chǎn)生的徑向壓力，使換熱管發(fā)生塑性變形，其工作示意圖如圖4-4所示。橡膠脹接產(chǎn)生的脹接壓力比較柔和，換熱管受力均勻。

  液壓脹接以操作簡(jiǎn)單、脹接殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)而成為目前應(yīng)用最為廣泛的脹接方法。該方法是通過(guò)液壓脹頭在均勻脹接力的作用下使換熱管變形，在脹接力的作用下?lián)Q熱管發(fā)生塑性變形，管板主要發(fā)生彈性變形。隨著換熱管向外變形量的增大，在接觸到管板之后繼續(xù)增大脹接壓力，一直到預(yù)設(shè)的數(shù)值。此時(shí)，管板在換熱管的擠壓下產(chǎn)生變形。當(dāng)脹接力去除后，換熱管和管板都會(huì)發(fā)生一定量的回彈，但是管板的回彈量較小，使得兩者即使在回彈后依然保持緊密貼合。液壓脹接示意圖如圖4-5所示。

  脹接壓力極大地影響著接頭連接強(qiáng)度，其值一般通過(guò)換熱管外壁和管板孔表面之間的殘余接觸應(yīng)力來(lái)確定。液壓脹接的另一優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)理論分析來(lái)控制脹接強(qiáng)度，因此，研究人員可以通過(guò)建立理論公式來(lái)確定脹接壓力和殘余接觸應(yīng)力的數(shù)值。假設(shè)換熱管和管板同為理想彈塑性材料，Krips等首次給出了液壓脹管殘余接觸壓力理論解。Yokell把管板當(dāng)成無(wú)限壁厚的圓筒，給出了更為簡(jiǎn)單的計(jì)算公式。Allam等在公式中考慮了管板材料的應(yīng)變強(qiáng)化特性。文獻(xiàn)中，作者根據(jù)材料的冪強(qiáng)化特性，給出了更為完善的脹接壓力和殘余接觸應(yīng)力計(jì)算公式，由于公式比較復(fù)雜，使得該式在工程實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。

  通過(guò)理論公式可以很容易獲得制造時(shí)所需的液壓脹接壓力值。但是，理論公式中考慮的因素較少，與實(shí)際相比存在一定偏差。數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，大大彌補(bǔ)了理論計(jì)算的缺陷。有限元模擬已成為研究脹接性能的重要方法，而且模擬結(jié)果常用來(lái)驗(yàn)證或修正理論公式。Merah采用3-D有限元模擬研究了初始徑向間隙和材料的應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)連接強(qiáng)度的影響，指出對(duì)于高應(yīng)變強(qiáng)化材料殘余接觸應(yīng)力隨間隙的增加而線(xiàn)性減小。Wang等采用有限元方法，先后研究了管板上開(kāi)槽的幾何尺寸、操作壓力以及操作溫度對(duì)連接強(qiáng)度的影響。Huang等在考慮間隙材料應(yīng)變強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出脹接壓力和殘余接觸壓力計(jì)算公式，并通過(guò)數(shù)值分析對(duì)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

  脹接壓力的大小受不銹鋼換熱管和管板的材料性能、脹接強(qiáng)度、不銹鋼換熱管和管板孔尺寸及它們的偏差、表面粗糙度等因素的影響。浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)理論計(jì)算和有限元分析，研究奧氏體不銹鋼換熱管與管板孔連接時(shí)尺寸偏差對(duì)脹接壓力的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)原有脹接壓力計(jì)算公式進(jìn)行修正，使其更加適合工程實(shí)際。