與其他形式的不銹鋼換熱器相比，不銹(xiu)鋼管(guan)殼式換熱器具有制造較簡單、換熱效率穩定、成本較低等特點，在高溫高壓環境中也可以使用，被廣泛應用于石油煉制、石油化工、煤化工、鹽化工、冶金、核能等工業領域，其結構如圖4-1(a)所示。固定管板式換熱器技術設計和制造工藝比較成熟，但在實際生產中，管子和管板連接處泄漏的現象較常見。不銹鋼(gang)換熱(re)管與管板之間一般采用焊接、脹接或者兩者結合的連接方式，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(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)方法主要(yao)有機(ji)械脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)、液(ye)壓脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)、橡膠脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)和爆炸脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)。機(ji)械脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)加(jia)工過(guo)程(cheng)是(shi)：脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)器(qi)內(nei)的(de)(de)滾珠(zhu)在(zai)換(huan)熱(re)管內(nei)壁周向旋轉，碾壓管子內(nei)壁，使(shi)不(bu)銹鋼(gang)換(huan)熱(re)管因(yin)塑性變(bian)形而(er)膨脹(zhang)(zhang)，達(da)到消除縫隙(xi)的(de)(de)目的(de)(de)，示意圖如圖4-2所示。機(ji)械脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)結構簡(jian)單，易于制造。機(ji)械脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)缺點(dian)是(shi): ①. 在(zai)整(zheng)個脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)長度內(nei)，各處脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)程(cheng)度不(bu)一樣；②. 反復(fu)滾壓使(shi)換(huan)熱(re)管橫截面上的(de)(de)殘(can)余應力(li)不(bu)同，增加(jia)了應力(li)腐蝕的(de)(de)可能性；③. 脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)扭(niu)矩難(nan)控制，當管板(ban)厚度較大時，很難(nan)在(zai)整(zheng)個長度范(fan)圍脹(zhang)(zhang)緊，難(nan)以完全消除縫隙(xi)；④. 對于雙(shuang)管板(ban)的(de)(de)固定式管殼換(huan)熱(re)器(qi)，要(yao)考慮換(huan)熱(re)管因(yin)滾壓脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)而(er)產生的(de)(de)長度變(bian)化；⑤. 對管子有損傷。

  爆炸脹(zhang)(zhang)接是通過(guo)不銹鋼換熱(re)(re)管(guan)內炸藥的(de)爆炸產生的(de)沖擊(ji)力(li)(li)使管(guan)板(ban)和換熱(re)(re)管(guan)貼合(he)，示(shi)意圖如圖4-3所示(shi)。該方(fang)法(fa)的(de)優點是：工(gong)藝簡單(dan)；可多根脹(zhang)(zhang)管(guan)同時加工(gong)，效率高；管(guan)子(zi)受力(li)(li)比較均(jun)勻，消除縫隙的(de)效果較好。然(ran)而，該方(fang)法(fa)在操(cao)作(zuo)過(guo)程(cheng)中具有(you)一(yi)定的(de)危險性，脹(zhang)(zhang)接過(guo)程(cheng)不易控制。同時，爆炸脹(zhang)(zhang)接需要特定的(de)場地。

  橡(xiang)膠(jiao)脹(zhang)接(jie)是(shi)利用橡(xiang)膠(jiao)受軸向壓縮產生(sheng)的徑向壓力(li)，使(shi)換(huan)熱(re)管發生(sheng)塑性變形，其工作示(shi)意圖如圖4-4所(suo)示(shi)。橡(xiang)膠(jiao)脹(zhang)接(jie)產生(sheng)的脹(zhang)接(jie)壓力(li)比較柔和(he)，換(huan)熱(re)管受力(li)均勻(yun)。

  液(ye)(ye)壓(ya)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)以操作簡(jian)單、脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)殘(can)余應力(li)(li)小等優(you)點(dian)而成為(wei)目前應用最為(wei)廣(guang)泛(fan)的(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)方(fang)法。該方(fang)法是(shi)通過液(ye)(ye)壓(ya)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)頭(tou)在(zai)均勻脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)力(li)(li)的(de)(de)作用下使(shi)換熱管(guan)(guan)(guan)變(bian)形(xing)，在(zai)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)力(li)(li)的(de)(de)作用下換熱管(guan)(guan)(guan)發生(sheng)塑(su)性變(bian)形(xing)，管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)主要(yao)發生(sheng)彈(dan)性變(bian)形(xing)。隨著換熱管(guan)(guan)(guan)向外變(bian)形(xing)量(liang)(liang)的(de)(de)增大(da)，在(zai)接(jie)(jie)觸到管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)之后(hou)繼續增大(da)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)壓(ya)力(li)(li)，一(yi)直到預設的(de)(de)數(shu)值。此時，管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)在(zai)換熱管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)擠壓(ya)下產生(sheng)變(bian)形(xing)。當(dang)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)力(li)(li)去除后(hou)，換熱管(guan)(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)都會發生(sheng)一(yi)定量(liang)(liang)的(de)(de)回彈(dan)，但是(shi)管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)回彈(dan)量(liang)(liang)較小，使(shi)得(de)兩者即(ji)使(shi)在(zai)回彈(dan)后(hou)依(yi)然保持(chi)緊密貼合。液(ye)(ye)壓(ya)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)示意圖如圖4-5所(suo)示。

  脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)壓(ya)(ya)(ya)力(li)極大地影響著(zhu)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭連(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)強(qiang)度(du)(du)，其值一(yi)(yi)般通過(guo)換熱管(guan)(guan)外壁和管(guan)(guan)板(ban)孔(kong)表面(mian)之間(jian)的(de)殘余(yu)接(jie)(jie)(jie)(jie)觸應力(li)來(lai)(lai)確定(ding)(ding)。液(ye)壓(ya)(ya)(ya)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)另一(yi)(yi)優(you)點是可以(yi)(yi)通過(guo)理論(lun)分析來(lai)(lai)控制(zhi)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)強(qiang)度(du)(du)，因(yin)此，研究人員可以(yi)(yi)通過(guo)建立理論(lun)公式來(lai)(lai)確定(ding)(ding)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)壓(ya)(ya)(ya)力(li)和殘余(yu)接(jie)(jie)(jie)(jie)觸應力(li)的(de)數值。假設換熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)同(tong)為理想彈塑性(xing)材(cai)料，Krips等(deng)首次給(gei)出(chu)了液(ye)壓(ya)(ya)(ya)脹(zhang)(zhang)管(guan)(guan)殘余(yu)接(jie)(jie)(jie)(jie)觸壓(ya)(ya)(ya)力(li)理論(lun)解。Yokell把(ba)管(guan)(guan)板(ban)當(dang)成無限(xian)壁厚的(de)圓筒，給(gei)出(chu)了更為簡(jian)單的(de)計算公式。Allam等(deng)在(zai)公式中(zhong)(zhong)(zhong)考慮了管(guan)(guan)板(ban)材(cai)料的(de)應變(bian)強(qiang)化特性(xing)。文(wen)獻中(zhong)(zhong)(zhong)，作者根據材(cai)料的(de)冪強(qiang)化特性(xing)，給(gei)出(chu)了更為完善的(de)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)壓(ya)(ya)(ya)力(li)和殘余(yu)接(jie)(jie)(jie)(jie)觸應力(li)計算公式，由(you)于公式比(bi)較復雜，使得該式在(zai)工程實際應用中(zhong)(zhong)(zhong)受(shou)到一(yi)(yi)定(ding)(ding)的(de)限(xian)制(zhi)。

  通過(guo)理(li)論公(gong)(gong)(gong)式(shi)(shi)可以(yi)很容易獲得制造時(shi)所需(xu)的(de)液壓(ya)脹(zhang)接(jie)(jie)壓(ya)力值。但是，理(li)論公(gong)(gong)(gong)式(shi)(shi)中考(kao)(kao)慮的(de)因素較少，與實際相(xiang)比存在(zai)一定(ding)偏差(cha)。數(shu)(shu)值模擬(ni)技術的(de)應(ying)用，大(da)大(da)彌補(bu)了理(li)論計(ji)算(suan)的(de)缺陷(xian)。有限元(yuan)模擬(ni)已成為研究脹(zhang)接(jie)(jie)性能的(de)重要(yao)方(fang)法，而且模擬(ni)結(jie)果常用來(lai)驗(yan)證(zheng)或(huo)修正理(li)論公(gong)(gong)(gong)式(shi)(shi)。Merah采用3-D有限元(yuan)模擬(ni)研究了初始徑向間隙和材(cai)(cai)料的(de)應(ying)變(bian)(bian)強(qiang)化(hua)對(dui)(dui)連接(jie)(jie)強(qiang)度(du)(du)的(de)影響，指出對(dui)(dui)于高應(ying)變(bian)(bian)強(qiang)化(hua)材(cai)(cai)料殘余接(jie)(jie)觸應(ying)力隨間隙的(de)增加而線性減小(xiao)。Wang等采用有限元(yuan)方(fang)法，先后(hou)研究了管板(ban)上開槽的(de)幾何尺寸、操(cao)作壓(ya)力以(yi)及(ji)操(cao)作溫度(du)(du)對(dui)(dui)連接(jie)(jie)強(qiang)度(du)(du)的(de)影響。Huang等在(zai)考(kao)(kao)慮間隙材(cai)(cai)料應(ying)變(bian)(bian)強(qiang)化(hua)的(de)基礎上，推導出脹(zhang)接(jie)(jie)壓(ya)力和殘余接(jie)(jie)觸壓(ya)力計(ji)算(suan)公(gong)(gong)(gong)式(shi)(shi)，并(bing)通過(guo)數(shu)(shu)值分析對(dui)(dui)公(gong)(gong)(gong)式(shi)(shi)的(de)計(ji)算(suan)結(jie)果進行了驗(yan)證(zheng)。

  脹接(jie)壓(ya)(ya)力的(de)(de)大小(xiao)受不(bu)(bu)銹鋼換(huan)熱管和管板的(de)(de)材料性能、脹接(jie)強度(du)、不(bu)(bu)銹鋼換(huan)熱管和管板孔(kong)尺寸及它們的(de)(de)偏(pian)差、表面粗糙度(du)等因素的(de)(de)影響。浙江至德鋼業(ye)有(you)限(xian)公司通過(guo)理(li)論(lun)計(ji)算和有(you)限(xian)元分析，研(yan)究奧氏體(ti)不(bu)(bu)銹鋼換(huan)熱管與管板孔(kong)連(lian)接(jie)時尺寸偏(pian)差對脹接(jie)壓(ya)(ya)力的(de)(de)影響，根(gen)據計(ji)算結果(guo)對原有(you)脹接(jie)壓(ya)(ya)力計(ji)算公式進行修正，使(shi)其更加適合工程實際。