與其他形式的不銹鋼換熱器相比，不(bu)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)(jie)方法主要有機(ji)械(xie)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)、液壓脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)、橡(xiang)膠脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)和爆炸脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)。機(ji)械(xie)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)的(de)(de)加(jia)工過(guo)程(cheng)是(shi)：脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)器(qi)內的(de)(de)滾珠在換(huan)(huan)熱(re)管(guan)內壁(bi)周向旋轉，碾壓管(guan)子內壁(bi)，使不(bu)銹鋼換(huan)(huan)熱(re)管(guan)因塑性(xing)變(bian)形而膨(peng)脹(zhang)(zhang)，達(da)到消(xiao)除縫隙(xi)的(de)(de)目的(de)(de)，示(shi)(shi)意圖如圖4-2所示(shi)(shi)。機(ji)械(xie)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)的(de)(de)結構簡單，易于制造。機(ji)械(xie)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)的(de)(de)缺點是(shi): ①. 在整個脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)長(chang)(chang)度(du)內，各處脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)的(de)(de)程(cheng)度(du)不(bu)一樣；②. 反(fan)復滾壓使換(huan)(huan)熱(re)管(guan)橫截面上的(de)(de)殘余應力(li)不(bu)同，增加(jia)了應力(li)腐蝕的(de)(de)可能性(xing)；③. 脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)扭矩難控制，當管(guan)板(ban)厚(hou)度(du)較大時，很難在整個長(chang)(chang)度(du)范圍脹(zhang)(zhang)緊，難以完(wan)全(quan)消(xiao)除縫隙(xi)；④. 對于雙管(guan)板(ban)的(de)(de)固定式管(guan)殼換(huan)(huan)熱(re)器(qi)，要考(kao)慮(lv)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)因滾壓脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)而產生的(de)(de)長(chang)(chang)度(du)變(bian)化；⑤. 對管(guan)子有損傷。

  爆(bao)炸脹接(jie)是通(tong)過不(bu)銹鋼(gang)換(huan)熱管內(nei)炸藥(yao)的(de)爆(bao)炸產生的(de)沖(chong)擊力使管板和換(huan)熱管貼(tie)合，示(shi)意(yi)圖如圖4-3所示(shi)。該(gai)方(fang)法的(de)優(you)點是：工(gong)(gong)藝簡單；可多根脹管同(tong)時(shi)加工(gong)(gong)，效率高；管子受力比(bi)較均勻，消除(chu)縫隙(xi)的(de)效果(guo)較好(hao)。然而，該(gai)方(fang)法在(zai)操作過程中具有一定的(de)危險性，脹接(jie)過程不(bu)易控(kong)制。同(tong)時(shi)，爆(bao)炸脹接(jie)需要特(te)定的(de)場地。

  橡(xiang)(xiang)膠脹接(jie)是(shi)利(li)用橡(xiang)(xiang)膠受(shou)軸向(xiang)(xiang)壓縮(suo)產(chan)生(sheng)的(de)徑向(xiang)(xiang)壓力(li)，使換熱(re)管(guan)發生(sheng)塑(su)性變形，其工作示意(yi)圖如(ru)圖4-4所(suo)示。橡(xiang)(xiang)膠脹接(jie)產(chan)生(sheng)的(de)脹接(jie)壓力(li)比較(jiao)柔和，換熱(re)管(guan)受(shou)力(li)均勻。

  液(ye)壓(ya)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)以操作(zuo)簡(jian)單、脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)殘余應力(li)小等優點而成為目前應用最為廣泛的(de)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)方(fang)法。該方(fang)法是(shi)通過液(ye)壓(ya)脹(zhang)(zhang)頭(tou)在均勻脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)力(li)的(de)作(zuo)用下使換熱(re)管(guan)(guan)(guan)變(bian)形，在脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)力(li)的(de)作(zuo)用下換熱(re)管(guan)(guan)(guan)發生(sheng)塑性變(bian)形，管(guan)(guan)(guan)板主(zhu)要發生(sheng)彈性變(bian)形。隨著換熱(re)管(guan)(guan)(guan)向外變(bian)形量的(de)增大(da)，在接(jie)(jie)(jie)觸到管(guan)(guan)(guan)板之后繼續增大(da)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)，一直到預設的(de)數(shu)值。此時(shi)，管(guan)(guan)(guan)板在換熱(re)管(guan)(guan)(guan)的(de)擠壓(ya)下產生(sheng)變(bian)形。當脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)力(li)去除后，換熱(re)管(guan)(guan)(guan)和管(guan)(guan)(guan)板都會(hui)發生(sheng)一定(ding)量的(de)回彈，但是(shi)管(guan)(guan)(guan)板的(de)回彈量較小，使得兩者即(ji)使在回彈后依然保(bao)持緊(jin)密貼合。液(ye)壓(ya)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)示意圖(tu)如圖(tu)4-5所示。

  脹(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)極大地影響著接(jie)頭連接(jie)強(qiang)度，其值一(yi)般通過換(huan)熱管(guan)(guan)外壁和管(guan)(guan)板孔表(biao)面(mian)之(zhi)間的(de)殘(can)余接(jie)觸(chu)(chu)應(ying)力(li)來(lai)確定(ding)。液壓(ya)脹(zhang)接(jie)的(de)另一(yi)優(you)點是可(ke)以(yi)通過理論(lun)分析來(lai)控制(zhi)脹(zhang)接(jie)強(qiang)度，因此(ci)，研(yan)究人員可(ke)以(yi)通過建立理論(lun)公(gong)式(shi)來(lai)確定(ding)脹(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)和殘(can)余接(jie)觸(chu)(chu)應(ying)力(li)的(de)數值。假設換(huan)熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板同為(wei)理想彈塑性材料(liao)，Krips等(deng)首次給(gei)出了(le)液壓(ya)脹(zhang)管(guan)(guan)殘(can)余接(jie)觸(chu)(chu)壓(ya)力(li)理論(lun)解。Yokell把管(guan)(guan)板當成無限壁厚的(de)圓筒，給(gei)出了(le)更為(wei)簡單(dan)的(de)計(ji)算公(gong)式(shi)。Allam等(deng)在公(gong)式(shi)中(zhong)(zhong)考慮了(le)管(guan)(guan)板材料(liao)的(de)應(ying)變強(qiang)化特性。文獻中(zhong)(zhong)，作者根據材料(liao)的(de)冪強(qiang)化特性，給(gei)出了(le)更為(wei)完善的(de)脹(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)和殘(can)余接(jie)觸(chu)(chu)應(ying)力(li)計(ji)算公(gong)式(shi)，由于公(gong)式(shi)比較復雜(za)，使(shi)得(de)該式(shi)在工(gong)程(cheng)實際應(ying)用中(zhong)(zhong)受到(dao)一(yi)定(ding)的(de)限制(zhi)。

  通(tong)過理論公(gong)式(shi)(shi)(shi)可以(yi)(yi)很容易獲得制造時所需的(de)(de)液壓(ya)脹(zhang)接(jie)(jie)壓(ya)力(li)(li)值(zhi)(zhi)。但是，理論公(gong)式(shi)(shi)(shi)中考慮(lv)的(de)(de)因素較(jiao)少，與實際相比存在一定(ding)偏差。數值(zhi)(zhi)模(mo)擬技術的(de)(de)應(ying)用(yong)，大大彌補了理論計(ji)算(suan)的(de)(de)缺陷。有限(xian)元模(mo)擬已成為研(yan)究脹(zhang)接(jie)(jie)性能的(de)(de)重要方法(fa)，而且模(mo)擬結果(guo)常(chang)用(yong)來驗(yan)證(zheng)或修(xiu)正理論公(gong)式(shi)(shi)(shi)。Merah采(cai)用(yong)3-D有限(xian)元模(mo)擬研(yan)究了初始徑向間隙(xi)和材料的(de)(de)應(ying)變強化(hua)(hua)對(dui)(dui)連接(jie)(jie)強度的(de)(de)影(ying)響(xiang)，指出(chu)對(dui)(dui)于高應(ying)變強化(hua)(hua)材料殘余接(jie)(jie)觸(chu)應(ying)力(li)(li)隨間隙(xi)的(de)(de)增加(jia)而線性減小。Wang等(deng)采(cai)用(yong)有限(xian)元方法(fa)，先后(hou)研(yan)究了管板上(shang)開(kai)槽的(de)(de)幾(ji)何(he)尺寸、操(cao)作壓(ya)力(li)(li)以(yi)(yi)及操(cao)作溫度對(dui)(dui)連接(jie)(jie)強度的(de)(de)影(ying)響(xiang)。Huang等(deng)在考慮(lv)間隙(xi)材料應(ying)變強化(hua)(hua)的(de)(de)基礎上(shang)，推(tui)導出(chu)脹(zhang)接(jie)(jie)壓(ya)力(li)(li)和殘余接(jie)(jie)觸(chu)壓(ya)力(li)(li)計(ji)算(suan)公(gong)式(shi)(shi)(shi)，并通(tong)過數值(zhi)(zhi)分析(xi)對(dui)(dui)公(gong)式(shi)(shi)(shi)的(de)(de)計(ji)算(suan)結果(guo)進行了驗(yan)證(zheng)。

  脹(zhang)接(jie)(jie)壓力(li)的(de)大小受不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)換(huan)(huan)熱管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板的(de)材料(liao)性能、脹(zhang)接(jie)(jie)強度(du)、不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)換(huan)(huan)熱管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板孔尺寸及它們的(de)偏(pian)差、表面粗糙度(du)等因素的(de)影(ying)響。浙江(jiang)至德鋼(gang)(gang)業有限(xian)公司通過理論計(ji)算(suan)和(he)有限(xian)元分析(xi)，研究(jiu)奧氏(shi)體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)換(huan)(huan)熱管(guan)(guan)與(yu)管(guan)(guan)板孔連接(jie)(jie)時尺寸偏(pian)差對脹(zhang)接(jie)(jie)壓力(li)的(de)影(ying)響，根據計(ji)算(suan)結果對原有脹(zhang)接(jie)(jie)壓力(li)計(ji)算(suan)公式進行修正，使其更加(jia)適合工程實際。