不銹鋼換熱管與管板接頭是換熱器中最容易發生失效的地方。不銹鋼換熱管與管板連接接頭的可靠性一直是管殼式換熱器設計中受到重點關注的問題。目前常用的液壓脹接技術是管殼式換熱器不銹鋼換熱管與管板連接技術的發展方向之一。不銹鋼換熱管與管板接頭脹接的研究主要從理論分析、有限元分析和試驗研究三個方面進行。其理論分析的模型主要有不銹鋼換熱管是單管，管板是無限平板模型和單管套筒模型。有限元分析模型主要有平面應力模型或平面應變模型、2D軸對稱模型和3D模型。實驗研究包括拉脫實驗(壓脫試驗)、密封實驗、應力腐蝕試驗、X光衍射試驗和應變測量等。通過這些試驗來分析不同結構參數下脹接接頭的連接強度和密封性能和脹后殘余應力，并與理論分析的結果進行比較研究。
目前換熱器不銹鋼換熱管與管板脹接方式有機械脹接、液壓脹接、爆炸脹接和橡膠脹接等。各種脹接方式的區別是不銹鋼換熱管內壁施加作用力的方式不同。液壓脹接是由Krips等人在20世紀70年代首先開發的。液壓脹接是通過液體壓力使不銹鋼換熱管發生變形，在液壓作用下不銹鋼換熱管首先發生變形，與管板孔輕微接觸，加壓后不銹鋼換熱管與管板孔緊密貼合。進一步加壓，管板發生彈性變形甚至塑性變形。泄壓后由于管板的彈性變形，不銹鋼換熱管與管板仍能緊密地連接在一起，在不銹鋼換熱管與管板之間產生脹緊力，或稱殘余接觸應力。其脹接質量高，脹接效率高。目前液壓脹接方法有兩種，一種是“O”行環法，一種是液袋法。
衡量脹接接頭連接質量的主要指標是拉脫力和密封壓力，這兩個主要指標又都直接與脹接后的殘余接觸應力的大小有關。而殘余接觸應力又與脹接壓力大小有關，因此液壓脹接脹接壓力如何正確選取，是保證接頭質量的關鍵。另外不銹鋼換熱管與管板接頭的結構形式，材料的性能等對脹接接頭性能有較大的影響。目前已有大量文獻從理論分析、有限元分析和試驗研究方面進行研究。
1理論研究
不銹鋼換熱管與管板脹接的理論模型主要有兩種，一種是不銹鋼換熱管是單管，管板是無限平板模型，另外一種是單管套筒模型，不銹鋼換熱管是單管，管板是套在不銹鋼換熱管外面的套筒。以這兩種模型為基礎建立理論計算方法進行脹接問題的研究。
Goodier和Schoessow分析了脹接過程和脹接后殘余接觸應力和拉脫力。建立的分析模型以不銹鋼換熱管為單管，管板是無限平板，采用彈塑性理論考慮管板和不銹鋼換熱管材料的屈服等因素建立一系列的曲線圖來求解脹接殘余接觸應力。
Krips和Podhor-sky采用單管套筒模型，內筒為不銹鋼換熱管，外筒為管板，直徑為周圍管孔的切圓直徑，其模型簡圖如圖1所示。假設縱向應力為零，轉換為平面應力問題，結合米塞斯導出的塑性流動公式推導出不銹鋼換熱管和管板內應力分布和載荷條件下脹接接頭拉脫力、脹管率計算公式，從而方便得到脹管所需脹接壓力。Soler和徐鴻建立了脹管問題的二維應力數學模型，該模型將不銹鋼換熱管和管板理想化而視為由一系列同心薄膜元素組成，如圖2所示，并發展了一個基于增量分析理論的電子計算機程序。定量分析脹接接頭的幾何尺寸、材料機械性能、脹管壓力和溫度變化等因素對脹接接頭強度和不銹鋼換熱管與管板間殘余接觸應力的影響。
Yokell采用和擴展了Goodier和Schoessow的彈塑性理論，討論了三種材料組合情況下(管板材料的屈服極限大于、等于和小于不銹鋼換熱管材料的屈服極限時)的最佳脹接壓力。
Kohlpaintner采用單管套筒模型進行理論分析得到脹接接頭的殘余應力，分析推導出套筒等效外直徑公式。
Abdel-Hakim Bouzid和Nor Eddine Laghzale以單管套筒模型建立不銹鋼換熱管與管板脹接的理論計算方法，用來分析脹接殘余接觸應力。
通過理論分析，工程師們應用這些公式就能方便地計算出所需的脹接壓力。文獻3中的計算結果得到實驗證明，文獻17分析結果與有限元分析結果相同。理論分析結果可以清楚反映各參數對脹接壓力的影響。但是理論分析對模型進行簡化，無法反映接頭非軸對稱性結構的影響，以及脹接時對相鄰接頭殘余接觸應力的影響，需要進一步研究。
2有限元分析
由于不銹鋼換熱管和管板的脹接接頭幾何形狀及邊界條件復雜，存在幾何結構非線性(不銹鋼換熱管與管板間存在間隙)，而且存在材料非線性(材料應變硬化)，只采用理論分析很難得到有效的結果。隨著計算機的發展，大型有限元分析軟件異軍突起，有限元方法從為脹接接頭性能分析的一種重要的方法。有限元方法可以用來分析脹接接頭的殘余接觸應力、過渡區的最大拉應力、管橋間的殘余應力等。
不銹鋼換熱管與管板脹接有限元分析主要有三種分析模型:平面應力模型或平面應變模型(如圖3所示)、2D軸對稱模型(如圖4所示)和3D模型(如圖5所示)。
3D模型可以分析各種情況下的脹接性能，分析精度比較高，但是模型相對比較復雜，計算耗時比較長，對計算機要求比較高。平面應力模型和平面應變模型可用來分析環向殘余接觸應力或管橋間的殘余應力，但是無法分析過渡區的殘余應力。2D軸對稱模型用來分析過渡區的殘余應力和軸向殘余接觸應力，但無法分析不銹鋼換熱管脹接時對附近其他脹接接頭的影響。
1976年Krips和Podhorsky建立了2D19孔平面應力模型，研究了脹接接頭殘余接觸應力，以及管板孔之間的相互形響。
1984年Scott等人采用MARC軟件，分析模型為平面應力模型和2D軸對稱模型，研究不同脹接壓力下的殘余應力，材料表面硬化等問題。
1984年前后徐鴻等人將接頭離散成多層筒體，如圖2所示，利用增量分析法建立了2D平面脹管模型，并通過自編計算機程序分析脹接接頭的幾何尺寸、材料機械性能、脹管壓力和溫度變化等因素對脹接接頭強度和不銹鋼換熱管與管板間殘余接觸應力的影響。1992年Chaaban等人對接頭進行了有限元研究，采用2D7孔平面應力模型和軸對稱模型，并結合統計學方法研究單管套筒模型管板外徑的經驗計算公式。1995年Kohlpaintner利用平面應力模型，分別采用2D7孔、2D19孔和2D37孔模型，分析脹接過程中管板受影響的有效區，通過比較分析2D19孔模型即可滿足分析精度要求。同時采用2D19孔平面應力模型擬合了單管套筒模型管板外徑的公式。
1997年左右Allam、Chaaban、Bazergui等人將3D19孔模型(根據對稱性選取30°進行分析)和2D軸對稱模型進行分析，發現只要2D軸對稱模型中管板外徑取得合適，兩者分析結果非常接近。但是2D軸對稱模型要簡化得多。同時采用ABAQUS軟件以2D軸對稱模型分析最佳脹接力、脹接后殘余接觸應力和脹接過渡區的殘余應力。采用2D軸對稱模型和3D19孔模型分析脹接后不銹鋼換熱管和管板間的摩擦現象，計算脹接接頭拉脫力的大小。
1999年汪建華等人采用平面應力模型研究不同管距下脹接時相鄰管孔之間的影響規律，找到相互不產生影響時的兩個管孔之間的臨界間距。
錢才富、段成紅、于洪杰等人采用ANSYS有限元程序，建立了3D7孔有限元模型(利用對稱性選取30°進行分析)研究殘余接觸應力，拉脫力大小和密封性能。桑芝富、王海峰、李磊等人對脹接采用ANSYS軟件以2D軸對稱分析、3D19孔模型(利用對稱性選取30°進行分析)、3D9孔(利用對稱性選取45°進行分析，不銹鋼換熱管正方形排列)模型進行研究。借助統計學的原理，通過參數化計算分析方法得到了確定單管套筒模型中套筒外直徑的經驗公式。同時分析脹槽寬度、脹槽位置、脹槽深度對脹接接頭連接強度的影響，連接強度用平均殘余接觸應力來表示。N．Merah、Shuaib等人運用ANSYS軟件采用2D軸對稱模型研究初始間隙、不銹鋼換熱管材料應變硬化和脹管率對殘余接觸應力的影響。
Williams運用ANSYS軟件以2D軸對稱模型研究具有溝槽結構的脹接過程，分析了脹后殘余應力場。Abdel-Hakim Bouzid和Nor Eddine Laghzale以平面應變和2D軸對稱模型進行有限元分析驗證他們采用套管模型建立的不銹鋼換熱管和管板脹接的理論分析模型。
朱慧、王建甫和王學生等人采用3D模型和2D軸對稱模型對核電站用換熱器的液壓脹接技術進行了有限元研究，分析了管板孔的開槽結構參數(開槽位置、槽深、槽寬、槽間距、槽數目)對接頭性能的影響。
有限元分析可以用來分析更加復雜的形狀以及材料非線性情況，目前有限元分析主要采用2D分析。隨著計算機能力的發展，更多的采用3D大模型進行研究。
3實驗研究
液壓脹接的試驗工作，包括接頭拉脫實驗(壓脫試驗)、密封實驗、應力腐蝕試驗、X光衍射試驗和應變測量。接頭拉脫實驗用來測試接頭的拉脫強度，接頭壓脫實驗用來測試接頭的壓脫強度，密封實驗用來測試接頭的密封性能，應力腐蝕實驗確定脹管表面最大拉伸應力的位置和大小，X光衍射試驗應用于接頭試樣的應力測定，應變測量試驗用來測量脹接接頭的殘余應力。
1984年Scott等人進行了液壓脹接試驗，這些試驗包括應力腐蝕試驗、X光衍射試驗和應變測量實驗。應力腐蝕試驗確定脹管表面最大拉伸應力的位置和大小，試驗結果表明，液壓脹接接頭中的殘余應力較消除過應力的滾壓脹接接頭中的應力為高，但比沒有消除過應力的滾壓接頭中的應力低得多。X光衍射試驗應用于接頭試樣的應力測定，結果表明環向應力是主要的。應變測量實驗用來測量脹接管表面的殘余應力，測量相當困難，理論上說脹接過程是對稱的，但測量結果表明沿圓周應變發生較大變化，變化范圍可多達±50%多，這說明應變測量方法不是非常精確的。
1987年Jawad等人進行壓脫試驗研究了接頭的軸向強度問題。作者對五種接頭連接方式進行了壓脫試驗:均勻脹接(275 MPa)、均勻脹接加上使管壁產生3%壁厚減薄量時的機械脹接、焊接、焊接加上均勻脹接(275 MPa)、以及焊接加上均勻脹接再加上產生3%壁厚減薄量時的機械脹接。同時針對不同不銹鋼換熱管材料(碳鋼和鈦鋼)，是否拋光，管板內孔是否開槽進行了壓脫試驗。試驗發現如果不銹鋼換熱管的彈性模量小于管板的彈性模量，接頭的連接強度較小。對于不銹鋼換熱管和管板是不同材料時，拋光和增加表面光潔度不能增加接頭軸向強度，但他們是同一種材料時，則可以增加接頭的軸向強度。
顏惠庚、葛樂通等人用彈性卸載法測定了不銹鋼換熱管與管板之間存在的殘余接觸應力。根據殘余接觸應力和拉脫力(拉脫實驗夾具如圖6所示)求出了接觸面的靜摩擦系數，提出了液壓脹接時，不銹鋼換熱管與管板接觸面摩擦系數的測量方法，并對設計時摩擦系數的選取提出了建議。2003年陸怡和顏惠庚又發表了新的研究成果，提出了一種新型的測量液壓脹接殘余接觸應壓力的方法，先在管板孔施加已知的脹接力標定貼在管板外壁的應變片，然后裝上不銹鋼換熱管進行實際脹接，將此時的應變片變化與標定的比較得到殘余接觸應力大小。該方法消除了實驗中許多因素的影響，如模型的結構尺寸、應變片粘貼位置的準確性和應變儀的靈敏度系數等，因此較為直觀、準確。通過密封試驗(密封試驗裝置如圖7所示)研究了管板孔開槽對接頭密封性能的影響。
Shuaib等人通過拉脫試驗和水壓密封試驗研究發現，增加不銹鋼換熱管與管板孔間的間隙對拉脫力的大小影響不大。2002年Allam等人采用試驗研究了不銹鋼換熱管和管板材料間的摩擦系數，設計一套測試裝置如圖8所示。同時進行了拉脫實驗，并將測試結果與有限元分析和理論結果進行對比分析。將拉脫試驗結果與壓脫試驗比較分析，發現兩種測量結果有10%的偏差，其中拉脫力小于壓脫力。
目前實驗研究比較多的是拉脫實驗和壓脫實驗，分析脹接接頭的強度，文獻將拉脫實驗的結果與有限元分析和理論分析的結果進行了比較，結果表明有限元分析結果更可接受。文獻將其測試殘余接觸應力與其采用的圖算法計算的結果進行比較，兩者相差不大。由于目前實驗水平的原因，通過實驗驗證理論分析，已經與有限元分析結果比較的文獻還不是很多，實驗研究方法還需要進一步改進。
4結論
本文對換熱器不銹鋼換熱管與管板接頭的液壓脹接技術進行了綜述。接頭脹接的研究主要從理論分析、有限元分析和試驗研究三個方面進行。理論模型主要有不銹鋼換熱管單管，管板是無限平板模型和單管套筒模型。有限元分析模型主要有平面應力模型或平面應變模型、2D軸對稱模型和3D模型。實驗測試包括拉脫實驗(壓脫試驗)、密封實驗、應力腐蝕試驗、X光衍射試驗和應變測量等。
