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)換熱管(guan)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)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)方(fang)法主(zhu)要(yao)(yao)有機(ji)械脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)、液壓(ya)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)、橡膠脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)和爆炸(zha)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)。機(ji)械脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)加工過程是：脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)器內的(de)(de)滾(gun)珠在換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)內壁周向旋轉，碾壓(ya)管(guan)(guan)子內壁，使不銹鋼換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)因(yin)塑性變形而膨脹(zhang)(zhang)(zhang)，達到消除(chu)縫隙的(de)(de)目的(de)(de)，示意圖(tu)如(ru)圖(tu)4-2所示。機(ji)械脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)結構簡單，易于(yu)制造(zao)。機(ji)械脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)缺(que)點是: ①. 在整(zheng)(zheng)個脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)長度(du)內，各處脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)程度(du)不一樣；②. 反(fan)復滾(gun)壓(ya)使換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)橫截面上(shang)的(de)(de)殘余應(ying)力不同，增加了(le)應(ying)力腐蝕的(de)(de)可能性；③. 脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)扭矩難控制，當管(guan)(guan)板厚度(du)較大時，很難在整(zheng)(zheng)個長度(du)范圍脹(zhang)(zhang)(zhang)緊(jin)，難以完(wan)全消除(chu)縫隙；④. 對于(yu)雙管(guan)(guan)板的(de)(de)固定式(shi)管(guan)(guan)殼換(huan)熱(re)(re)器，要(yao)(yao)考慮換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)因(yin)滾(gun)壓(ya)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)而產生的(de)(de)長度(du)變化(hua)；⑤. 對管(guan)(guan)子有損傷。

  爆(bao)炸脹(zhang)(zhang)接是通(tong)過(guo)不銹(xiu)鋼換熱(re)管(guan)(guan)內炸藥的(de)爆(bao)炸產生的(de)沖擊力使管(guan)(guan)板(ban)和換熱(re)管(guan)(guan)貼合(he)，示意圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu)4-3所示。該方(fang)法的(de)優點(dian)是：工藝簡(jian)單；可多(duo)根脹(zhang)(zhang)管(guan)(guan)同(tong)時(shi)加(jia)工，效(xiao)率高；管(guan)(guan)子受力比(bi)較(jiao)均(jun)勻(yun)，消除縫(feng)隙的(de)效(xiao)果較(jiao)好。然而，該方(fang)法在操作過(guo)程中(zhong)具有一(yi)定(ding)的(de)危險(xian)性(xing)，脹(zhang)(zhang)接過(guo)程不易(yi)控制。同(tong)時(shi)，爆(bao)炸脹(zhang)(zhang)接需要特(te)定(ding)的(de)場地。

  橡(xiang)膠(jiao)脹接是(shi)利用橡(xiang)膠(jiao)受軸向(xiang)(xiang)壓縮產生的徑向(xiang)(xiang)壓力(li)，使換(huan)熱管發生塑性(xing)變(bian)形，其工作示(shi)意圖(tu)如圖(tu)4-4所示(shi)。橡(xiang)膠(jiao)脹接產生的脹接壓力(li)比較(jiao)柔和，換(huan)熱管受力(li)均勻。

  液壓脹(zhang)接(jie)以操作(zuo)簡單、脹(zhang)接(jie)殘余應力(li)小等優點而(er)成為目前(qian)應用(yong)最為廣泛的(de)(de)脹(zhang)接(jie)方(fang)法(fa)。該方(fang)法(fa)是通(tong)過液壓脹(zhang)頭在(zai)均(jun)勻脹(zhang)接(jie)力(li)的(de)(de)作(zuo)用(yong)下(xia)使(shi)(shi)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)變形(xing)，在(zai)脹(zhang)接(jie)力(li)的(de)(de)作(zuo)用(yong)下(xia)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)發(fa)生(sheng)(sheng)塑性(xing)(xing)變形(xing)，管(guan)(guan)板(ban)主(zhu)要發(fa)生(sheng)(sheng)彈性(xing)(xing)變形(xing)。隨著(zhu)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)向外(wai)變形(xing)量(liang)的(de)(de)增大(da)，在(zai)接(jie)觸到(dao)管(guan)(guan)板(ban)之(zhi)后(hou)繼續增大(da)脹(zhang)接(jie)壓力(li)，一(yi)直到(dao)預設(she)的(de)(de)數值。此(ci)時，管(guan)(guan)板(ban)在(zai)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)的(de)(de)擠壓下(xia)產生(sheng)(sheng)變形(xing)。當脹(zhang)接(jie)力(li)去除后(hou)，換(huan)熱(re)管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板(ban)都會發(fa)生(sheng)(sheng)一(yi)定量(liang)的(de)(de)回(hui)(hui)彈，但是管(guan)(guan)板(ban)的(de)(de)回(hui)(hui)彈量(liang)較小，使(shi)(shi)得兩者即(ji)使(shi)(shi)在(zai)回(hui)(hui)彈后(hou)依然保持緊密貼合。液壓脹(zhang)接(jie)示(shi)意圖(tu)如圖(tu)4-5所示(shi)。

  脹(zhang)接(jie)壓(ya)(ya)力(li)極(ji)大地影(ying)響(xiang)著接(jie)頭連接(jie)強度(du)，其值一般通過換(huan)熱(re)管外(wai)壁和管板(ban)孔表(biao)面(mian)之間的殘余(yu)接(jie)觸(chu)應(ying)力(li)來(lai)(lai)確定。液壓(ya)(ya)脹(zhang)接(jie)的另(ling)一優(you)點(dian)是可以通過理(li)(li)(li)論(lun)分析來(lai)(lai)控制(zhi)脹(zhang)接(jie)強度(du)，因(yin)此，研究人員(yuan)可以通過建(jian)立理(li)(li)(li)論(lun)公(gong)式來(lai)(lai)確定脹(zhang)接(jie)壓(ya)(ya)力(li)和殘余(yu)接(jie)觸(chu)應(ying)力(li)的數(shu)值。假設換(huan)熱(re)管和管板(ban)同為理(li)(li)(li)想彈塑性材(cai)料(liao)，Krips等(deng)首次給(gei)出(chu)了(le)液壓(ya)(ya)脹(zhang)管殘余(yu)接(jie)觸(chu)壓(ya)(ya)力(li)理(li)(li)(li)論(lun)解。Yokell把管板(ban)當成無限壁厚的圓筒，給(gei)出(chu)了(le)更(geng)為簡(jian)單的計算公(gong)式。Allam等(deng)在公(gong)式中(zhong)考慮了(le)管板(ban)材(cai)料(liao)的應(ying)變強化(hua)特性。文(wen)獻(xian)中(zhong)，作者根據(ju)材(cai)料(liao)的冪強化(hua)特性，給(gei)出(chu)了(le)更(geng)為完(wan)善(shan)的脹(zhang)接(jie)壓(ya)(ya)力(li)和殘余(yu)接(jie)觸(chu)應(ying)力(li)計算公(gong)式，由于(yu)公(gong)式比較復雜，使得該(gai)式在工程(cheng)實際應(ying)用(yong)中(zhong)受到一定的限制(zhi)。

  通過理論(lun)公(gong)式(shi)可以很容(rong)易獲得制造時所需(xu)的(de)(de)(de)(de)液(ye)壓(ya)(ya)脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)(ya)力(li)值。但(dan)是，理論(lun)公(gong)式(shi)中(zhong)考慮(lv)的(de)(de)(de)(de)因(yin)素較少，與實際(ji)相比存在一(yi)定偏差。數值模(mo)擬(ni)技術的(de)(de)(de)(de)應用(yong)，大大彌補了理論(lun)計算的(de)(de)(de)(de)缺陷。有(you)限(xian)(xian)元模(mo)擬(ni)已成為研(yan)究(jiu)(jiu)脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)性能的(de)(de)(de)(de)重要方法，而且(qie)模(mo)擬(ni)結果常用(yong)來驗證(zheng)或修(xiu)正理論(lun)公(gong)式(shi)。Merah采用(yong)3-D有(you)限(xian)(xian)元模(mo)擬(ni)研(yan)究(jiu)(jiu)了初始(shi)徑向間(jian)隙(xi)和材料的(de)(de)(de)(de)應變(bian)強(qiang)(qiang)化(hua)對(dui)連接(jie)(jie)(jie)強(qiang)(qiang)度的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，指出對(dui)于高應變(bian)強(qiang)(qiang)化(hua)材料殘余(yu)接(jie)(jie)(jie)觸應力(li)隨間(jian)隙(xi)的(de)(de)(de)(de)增加(jia)而線(xian)性減(jian)小。Wang等采用(yong)有(you)限(xian)(xian)元方法，先后研(yan)究(jiu)(jiu)了管板上開槽的(de)(de)(de)(de)幾何(he)尺(chi)寸、操(cao)作壓(ya)(ya)力(li)以及操(cao)作溫度對(dui)連接(jie)(jie)(jie)強(qiang)(qiang)度的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。Huang等在考慮(lv)間(jian)隙(xi)材料應變(bian)強(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)上，推導出脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)(ya)力(li)和殘余(yu)接(jie)(jie)(jie)觸壓(ya)(ya)力(li)計算公(gong)式(shi)，并通過數值分析(xi)對(dui)公(gong)式(shi)的(de)(de)(de)(de)計算結果進行了驗證(zheng)。

  脹接(jie)(jie)壓力(li)的大小(xiao)受不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)換熱管(guan)和管(guan)板的材料性能、脹接(jie)(jie)強度(du)、不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)換熱管(guan)和管(guan)板孔尺寸及它們的偏差(cha)、表面粗糙(cao)度(du)等因素的影響。浙江(jiang)至德鋼(gang)業有限公司通過理論計(ji)算(suan)和有限元分析，研(yan)究奧氏體不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)換熱管(guan)與管(guan)板孔連接(jie)(jie)時(shi)尺寸偏差(cha)對脹接(jie)(jie)壓力(li)的影響，根(gen)據(ju)計(ji)算(suan)結果對原有脹接(jie)(jie)壓力(li)計(ji)算(suan)公式(shi)進行(xing)修正，使其更(geng)加適(shi)合工程實際。