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(wěn)定、成本較低等特點，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)計和制造工藝比較成熟，但在實際生產(chǎn)中，管子和管板連接處泄漏的現(xiàn)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(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。

  脹接方法主要有機械脹接、液壓脹接、橡膠脹接和爆炸脹接。機械脹接的加工過程是：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，達到消除縫隙的目的，示意圖如圖4-2所示。機械脹接的結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。機械脹接的缺點是: ①. 在整個脹接長度內(nèi)，各處脹接的程度不一樣；②. 反復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，當管板厚度較大時，很難在整個長度范圍脹緊，難以完全消除縫隙；④. 對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)生的長度變化；⑤. 對管子有損傷。

  爆炸脹接是通過不銹鋼換熱管內(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)點是：工藝簡單；可多根脹管同時加工，效率高；管子受力比較均勻，消除縫隙的效果較好。然而，該方法在操作過程中具有一定的危險性，脹接過程不易控制。同時，爆炸脹接需要特定的場地。

  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。

  液壓脹接以操作簡單、脹接殘余應(yīng)力小等優(yōu)點而成為目前應(yīng)用最為廣泛的脹接方法。該方法是通過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，一直到預設(shè)的數(shù)值。此時，管板在換熱管的擠壓下產(chǎn)生變形。當脹接力去除后，換熱管和管板都會發(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度，其值一般通過換熱管外壁和管板孔表面之間的殘余接觸應(yīng)力來確定。液壓脹接的另一優(yōu)點是可以通過理論分析來控制脹接強度，因此，研究人員可以通過建立理論公式來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把管板當成無限壁厚的圓筒，給出了更為簡單的計算公式。Allam等在公式中考慮了管板材料的應(yīng)變強化特性。文獻中，作者根據(jù)材料的冪強化特性，給出了更為完善的脹接壓力和殘余接觸應(yīng)力計算公式，由于公式比較復雜，使得該式在工程實際應(yīng)用中受到一定的限制。

  通過理論公式可以很容易獲得制造時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，大大彌補了理論計算的缺陷。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)果常用來驗證或修正理論公式。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)變強化對連接強度的影響，指出對于高應(yīng)變強化材料殘余接觸應(yīng)力隨間隙的增加而線性減小。Wang等采用有限元方法，先后研究了管板上開槽的幾何尺寸、操作壓力以及操作溫度對連接強度的影響。Huang等在考慮間隙材料應(yīng)變強化的基礎(chǔ)上，推導出脹接壓力和殘余接觸壓力計算公式，并通過數(shù)值分析對公式的計算結(jié)果進行了驗證。

  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)有限公司通過理論計算和有限元分析，研究奧氏體不銹鋼換熱管與管板孔連接時尺寸偏差對脹接壓力的影響，根據(jù)計算結(jié)果對原有脹接壓力計算公式進行修正，使其更加適合工程實際。