與其他形式的不銹鋼換熱器相比，不銹鋼管(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。不銹鋼換(huan)熱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)方(fang)法(fa)主(zhu)要有(you)機(ji)(ji)械脹(zhang)(zhang)接(jie)、液壓脹(zhang)(zhang)接(jie)、橡膠脹(zhang)(zhang)接(jie)和爆炸脹(zhang)(zhang)接(jie)。機(ji)(ji)械脹(zhang)(zhang)接(jie)的(de)(de)(de)加工過程(cheng)是：脹(zhang)(zhang)接(jie)器(qi)內(nei)(nei)的(de)(de)(de)滾珠在(zai)換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)內(nei)(nei)壁(bi)周向旋轉，碾壓管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子內(nei)(nei)壁(bi)，使不銹鋼換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)因塑性(xing)變形而(er)膨脹(zhang)(zhang)，達(da)到消(xiao)除縫(feng)隙的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)，示意圖如圖4-2所示。機(ji)(ji)械脹(zhang)(zhang)接(jie)的(de)(de)(de)結構(gou)簡單，易于(yu)(yu)制造。機(ji)(ji)械脹(zhang)(zhang)接(jie)的(de)(de)(de)缺點是: ①. 在(zai)整個脹(zhang)(zhang)接(jie)長(chang)度內(nei)(nei)，各處脹(zhang)(zhang)接(jie)的(de)(de)(de)程(cheng)度不一(yi)樣；②. 反(fan)復滾壓使換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)橫截面(mian)上的(de)(de)(de)殘余應力不同，增加了應力腐(fu)蝕的(de)(de)(de)可能(neng)性(xing)；③. 脹(zhang)(zhang)接(jie)扭(niu)矩難(nan)控制，當(dang)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板厚(hou)度較(jiao)大時(shi)，很難(nan)在(zai)整個長(chang)度范圍脹(zhang)(zhang)緊，難(nan)以(yi)完全(quan)消(xiao)除縫(feng)隙；④. 對于(yu)(yu)雙管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板的(de)(de)(de)固定式管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)殼換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器(qi)，要考慮換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)因滾壓脹(zhang)(zhang)接(jie)而(er)產生的(de)(de)(de)長(chang)度變化(hua)；⑤. 對管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子有(you)損傷。

  爆炸(zha)脹(zhang)接是通過不銹鋼換熱(re)管內炸(zha)藥的(de)爆炸(zha)產生(sheng)的(de)沖擊力使管板和(he)換熱(re)管貼合，示意圖如圖4-3所示。該方法的(de)優點是：工藝簡單；可多根脹(zhang)管同時(shi)加工，效(xiao)率高；管子受力比(bi)較均勻(yun)，消除縫隙的(de)效(xiao)果較好(hao)。然而，該方法在操作過程中具(ju)有一(yi)定(ding)的(de)危險性，脹(zhang)接過程不易控制。同時(shi)，爆炸(zha)脹(zhang)接需要特定(ding)的(de)場地。

  橡(xiang)(xiang)膠(jiao)脹接是(shi)利(li)用橡(xiang)(xiang)膠(jiao)受軸向壓縮產(chan)(chan)生(sheng)的徑向壓力(li)(li)，使(shi)換熱管(guan)發生(sheng)塑(su)性變(bian)形(xing)，其(qi)工作示(shi)意圖如圖4-4所示(shi)。橡(xiang)(xiang)膠(jiao)脹接產(chan)(chan)生(sheng)的脹接壓力(li)(li)比較柔和(he)，換熱管(guan)受力(li)(li)均勻。

  液壓(ya)(ya)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)以(yi)操作(zuo)簡單、脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)殘余(yu)應(ying)力(li)小(xiao)等優點而成(cheng)為目前應(ying)用最為廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)方法。該方法是(shi)通過液壓(ya)(ya)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)頭在(zai)均勻脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下(xia)使換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)變形(xing)，在(zai)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下(xia)換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)發(fa)生塑性變形(xing)，管(guan)(guan)(guan)板主要發(fa)生彈(dan)性變形(xing)。隨著換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)向外變形(xing)量的(de)(de)(de)(de)(de)增大，在(zai)接(jie)觸到管(guan)(guan)(guan)板之后(hou)繼續(xu)增大脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)(ya)力(li)，一(yi)直(zhi)到預設的(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)值。此時(shi)，管(guan)(guan)(guan)板在(zai)換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)擠(ji)壓(ya)(ya)下(xia)產(chan)生變形(xing)。當脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)去除后(hou)，換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)和管(guan)(guan)(guan)板都會發(fa)生一(yi)定(ding)量的(de)(de)(de)(de)(de)回(hui)彈(dan)，但是(shi)管(guan)(guan)(guan)板的(de)(de)(de)(de)(de)回(hui)彈(dan)量較小(xiao)，使得兩(liang)者即(ji)使在(zai)回(hui)彈(dan)后(hou)依然保持緊密貼合。液壓(ya)(ya)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)示意圖如圖4-5所示。

  脹接(jie)壓(ya)力極大地影響(xiang)著接(jie)頭連接(jie)強度(du)，其值一(yi)般通(tong)過換(huan)熱管(guan)(guan)外壁和管(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)孔表面之間的(de)(de)殘(can)余(yu)接(jie)觸應(ying)力來(lai)確定(ding)。液壓(ya)脹接(jie)的(de)(de)另一(yi)優點是(shi)可以通(tong)過理(li)論(lun)分(fen)析來(lai)控(kong)制(zhi)(zhi)脹接(jie)強度(du)，因此，研(yan)究人(ren)員可以通(tong)過建立理(li)論(lun)公(gong)式(shi)來(lai)確定(ding)脹接(jie)壓(ya)力和殘(can)余(yu)接(jie)觸應(ying)力的(de)(de)數值。假設換(huan)熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)同(tong)為(wei)理(li)想彈塑性材料(liao)，Krips等首(shou)次給出了液壓(ya)脹管(guan)(guan)殘(can)余(yu)接(jie)觸壓(ya)力理(li)論(lun)解。Yokell把管(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)當(dang)成(cheng)無限壁厚的(de)(de)圓(yuan)筒，給出了更為(wei)簡單的(de)(de)計(ji)算公(gong)式(shi)。Allam等在公(gong)式(shi)中考慮了管(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)材料(liao)的(de)(de)應(ying)變強化(hua)特性。文獻中，作者根據材料(liao)的(de)(de)冪強化(hua)特性，給出了更為(wei)完善的(de)(de)脹接(jie)壓(ya)力和殘(can)余(yu)接(jie)觸應(ying)力計(ji)算公(gong)式(shi)，由于公(gong)式(shi)比較復(fu)雜，使(shi)得(de)該(gai)式(shi)在工程實際應(ying)用(yong)中受到一(yi)定(ding)的(de)(de)限制(zhi)(zhi)。

  通過理(li)論(lun)(lun)公(gong)(gong)式(shi)(shi)(shi)可以(yi)很容易獲得(de)制造時所需的(de)液壓(ya)(ya)脹(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)值。但是，理(li)論(lun)(lun)公(gong)(gong)式(shi)(shi)(shi)中考慮的(de)因素(su)較少，與(yu)實際相比(bi)存在(zai)一(yi)定(ding)偏差。數值模(mo)擬技術的(de)應用，大(da)(da)大(da)(da)彌補了理(li)論(lun)(lun)計(ji)算(suan)的(de)缺(que)陷。有(you)限元模(mo)擬已成為研(yan)究(jiu)脹(zhang)接性能的(de)重要方法，而且模(mo)擬結(jie)(jie)果常用來驗證或(huo)修正理(li)論(lun)(lun)公(gong)(gong)式(shi)(shi)(shi)。Merah采用3-D有(you)限元模(mo)擬研(yan)究(jiu)了初始徑(jing)向(xiang)間(jian)(jian)隙和材(cai)料的(de)應變(bian)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)對連(lian)接強(qiang)(qiang)度的(de)影響，指出對于高(gao)應變(bian)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)材(cai)料殘(can)余(yu)接觸(chu)應力(li)隨間(jian)(jian)隙的(de)增加而線性減小。Wang等(deng)采用有(you)限元方法，先后(hou)研(yan)究(jiu)了管板(ban)上(shang)開槽的(de)幾何尺寸、操(cao)作壓(ya)(ya)力(li)以(yi)及操(cao)作溫度對連(lian)接強(qiang)(qiang)度的(de)影響。Huang等(deng)在(zai)考慮間(jian)(jian)隙材(cai)料應變(bian)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)的(de)基礎上(shang)，推(tui)導出脹(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)和殘(can)余(yu)接觸(chu)壓(ya)(ya)力(li)計(ji)算(suan)公(gong)(gong)式(shi)(shi)(shi)，并通過數值分析對公(gong)(gong)式(shi)(shi)(shi)的(de)計(ji)算(suan)結(jie)(jie)果進行了驗證。

  脹接(jie)壓(ya)(ya)力的大小受不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)換熱(re)管(guan)和管(guan)板的材料(liao)性能、脹接(jie)強度(du)、不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)換熱(re)管(guan)和管(guan)板孔尺寸及它們的偏差、表面粗糙度(du)等因素的影(ying)響。浙江至德鋼(gang)業有(you)限公司通過理(li)論計算(suan)和有(you)限元分析，研(yan)究奧氏體不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)換熱(re)管(guan)與管(guan)板孔連接(jie)時尺寸偏差對脹接(jie)壓(ya)(ya)力的影(ying)響，根據計算(suan)結(jie)果(guo)對原(yuan)有(you)脹接(jie)壓(ya)(ya)力計算(suan)公式進行修(xiu)正(zheng)，使其(qi)更加適(shi)合工程實際。