不锈钢换热管与管板接头是换热器中最容易发生失效的地方。不锈钢换热管与管板连接接头的可靠性一直是管壳式换热器设计中受到重点关注的问题。目前常用的液压胀接技术是管壳式换热器不锈钢换热管与管板连接技术的发展方向之一。不锈钢换热管与管板接头胀接的研究主要从理论分析、有限元分析和试验研究三个方面进行。其理论分析的模型主要有不锈钢换热管是单管，管板是无限平板模型和单管套筒模型。有限元分析模型主要有平面应力模型或平面应变模型、2D轴对称模型和3D模型。实验研究包括拉脱实验(压脱试验)、密封实验、应力腐蚀试验、X光衍射试验和应变测量等。通过这些试验来分析不同结构参数下胀接接头的连接强度和密封性能和胀后残余应力，并与理论分析的结果进行比较研究。
目前换热器不锈钢换热管与管板胀接方式有机械胀接、液压胀接、爆炸胀接和橡胶胀接等。各种胀接方式的区别是不锈钢换热管内壁施加作用力的方式不同。液压胀接是由Krips等人在20世纪70年代首先开发的。液压胀接是通过液体压力使不锈钢换热管发生变形，在液压作用下不锈钢换热管首先发生变形，与管板孔轻微接触，加压后不锈钢换热管与管板孔紧密贴合。进一步加压，管板发生弹性变形甚至塑性变形。泄压后由于管板的弹性变形，不锈钢换热管与管板仍能紧密地连接在一起，在不锈钢换热管与管板之间产生胀紧力，或称残余接触应力。其胀接质量高，胀接效率高。目前液压胀接方法有两种，一种是“O”行环法，一种是液袋法。
衡量胀接接头连接质量的主要指标是拉脱力和密封压力，这两个主要指标又都直接与胀接后的残余接触应力的大小有关。而残余接触应力又与胀接压力大小有关，因此液压胀接胀接压力如何正确选取，是保证接头质量的关键。另外不锈钢换热管与管板接头的结构形式，材料的性能等对胀接接头性能有较大的影响。目前已有大量文献从理论分析、有限元分析和试验研究方面进行研究。
1理论研究
不锈钢换热管与管板胀接的理论模型主要有两种，一种是不锈钢换热管是单管，管板是无限平板模型，另外一种是单管套筒模型，不锈钢换热管是单管，管板是套在不锈钢换热管外面的套筒。以这两种模型为基础建立理论计算方法进行胀接问题的研究。
Goodier和Schoessow分析了胀接过程和胀接后残余接触应力和拉脱力。建立的分析模型以不锈钢换热管为单管，管板是无限平板，采用弹塑性理论考虑管板和不锈钢换热管材料的屈服等因素建立一系列的曲线图来求解胀接残余接触应力。
Krips和Podhor-sky采用单管套筒模型，内筒为不锈钢换热管，外筒为管板，直径为周围管孔的切圆直径，其模型简图如图1所示。假设纵向应力为零，转换为平面应力问题，结合米塞斯导出的塑性流动公式推导出不锈钢换热管和管板内应力分布和载荷条件下胀接接头拉脱力、胀管率计算公式，从而方便得到胀管所需胀接压力。Soler和徐鸿建立了胀管问题的二维应力数学模型，该模型将不锈钢换热管和管板理想化而视为由一系列同心薄膜元素组成，如图2所示，并发展了一个基于增量分析理论的电子计算机程序。定量分析胀接接头的几何尺寸、材料机械性能、胀管压力和温度变化等因素对胀接接头强度和不锈钢换热管与管板间残余接触应力的影响。
Yokell采用和扩展了Goodier和Schoessow的弹塑性理论，讨论了三种材料组合情况下(管板材料的屈服极限大于、等于和小于不锈钢换热管材料的屈服极限时)的最佳胀接压力。
Kohlpaintner采用单管套筒模型进行理论分析得到胀接接头的残余应力，分析推导出套筒等效外直径公式。
Abdel-Hakim Bouzid和Nor Eddine Laghzale以单管套筒模型建立不锈钢换热管与管板胀接的理论计算方法，用来分析胀接残余接触应力。
通过理论分析，工程师们应用这些公式就能方便地计算出所需的胀接压力。文献3中的计算结果得到实验证明，文献17分析结果与有限元分析结果相同。理论分析结果可以清楚反映各参数对胀接压力的影响。但是理论分析对模型进行简化，无法反映接头非轴对称性结构的影响，以及胀接时对相邻接头残余接触应力的影响，需要进一步研究。
2有限元分析
由于不锈钢换热管和管板的胀接接头几何形状及边界条件复杂，存在几何结构非线性(不锈钢换热管与管板间存在间隙)，而且存在材料非线性(材料应变硬化)，只采用理论分析很难得到有效的结果。随着计算机的发展，大型有限元分析软件异军突起，有限元方法从为胀接接头性能分析的一种重要的方法。有限元方法可以用来分析胀接接头的残余接触应力、过渡区的最大拉应力、管桥间的残余应力等。
不锈钢换热管与管板胀接有限元分析主要有三种分析模型:平面应力模型或平面应变模型(如图3所示)、2D轴对称模型(如图4所示)和3D模型(如图5所示)。
3D模型可以分析各种情况下的胀接性能，分析精度比较高，但是模型相对比较复杂，计算耗时比较长，对计算机要求比较高。平面应力模型和平面应变模型可用来分析环向残余接触应力或管桥间的残余应力，但是无法分析过渡区的残余应力。2D轴对称模型用来分析过渡区的残余应力和轴向残余接触应力，但无法分析不锈钢换热管胀接时对附近其他胀接接头的影响。
1976年Krips和Podhorsky建立了2D19孔平面应力模型，研究了胀接接头残余接触应力，以及管板孔之间的相互形响。
1984年Scott等人采用MARC软件，分析模型为平面应力模型和2D轴对称模型，研究不同胀接压力下的残余应力，材料表面硬化等问题。
1984年前后徐鸿等人将接头离散成多层筒体，如图2所示，利用增量分析法建立了2D平面胀管模型，并通过自编计算机程序分析胀接接头的几何尺寸、材料机械性能、胀管压力和温度变化等因素对胀接接头强度和不锈钢换热管与管板间残余接触应力的影响。1992年Chaaban等人对接头进行了有限元研究，采用2D7孔平面应力模型和轴对称模型，并结合统计学方法研究单管套筒模型管板外径的经验计算公式。1995年Kohlpaintner利用平面应力模型，分别采用2D7孔、2D19孔和2D37孔模型，分析胀接过程中管板受影响的有效区，通过比较分析2D19孔模型即可满足分析精度要求。同时采用2D19孔平面应力模型拟合了单管套筒模型管板外径的公式。
1997年左右Allam、Chaaban、Bazergui等人将3D19孔模型(根据对称性选取30°进行分析)和2D轴对称模型进行分析，发现只要2D轴对称模型中管板外径取得合适，两者分析结果非常接近。但是2D轴对称模型要简化得多。同时采用ABAQUS软件以2D轴对称模型分析最佳胀接力、胀接后残余接触应力和胀接过渡区的残余应力。采用2D轴对称模型和3D19孔模型分析胀接后不锈钢换热管和管板间的摩擦现象，计算胀接接头拉脱力的大小。
1999年汪建华等人采用平面应力模型研究不同管距下胀接时相邻管孔之间的影响规律，找到相互不产生影响时的两个管孔之间的临界间距。
钱才富、段成红、于洪杰等人采用ANSYS有限元程序，建立了3D7孔有限元模型(利用对称性选取30°进行分析)研究残余接触应力，拉脱力大小和密封性能。桑芝富、王海峰、李磊等人对胀接采用ANSYS软件以2D轴对称分析、3D19孔模型(利用对称性选取30°进行分析)、3D9孔(利用对称性选取45°进行分析，不锈钢换热管正方形排列)模型进行研究。借助统计学的原理，通过参数化计算分析方法得到了确定单管套筒模型中套筒外直径的经验公式。同时分析胀槽宽度、胀槽位置、胀槽深度对胀接接头连接强度的影响，连接强度用平均残余接触应力来表示。N．Merah、Shuaib等人运用ANSYS软件采用2D轴对称模型研究初始间隙、不锈钢换热管材料应变硬化和胀管率对残余接触应力的影响。
Williams运用ANSYS软件以2D轴对称模型研究具有沟槽结构的胀接过程，分析了胀后残余应力场。Abdel-Hakim Bouzid和Nor Eddine Laghzale以平面应变和2D轴对称模型进行有限元分析验证他们采用套管模型建立的不锈钢换热管和管板胀接的理论分析模型。
朱慧、王建甫和王学生等人采用3D模型和2D轴对称模型对核电站用换热器的液压胀接技术进行了有限元研究，分析了管板孔的开槽结构参数(开槽位置、槽深、槽宽、槽间距、槽数目)对接头性能的影响。
有限元分析可以用来分析更加复杂的形状以及材料非线性情况，目前有限元分析主要采用2D分析。随着计算机能力的发展，更多的采用3D大模型进行研究。
3实验研究
液压胀接的试验工作，包括接头拉脱实验(压脱试验)、密封实验、应力腐蚀试验、X光衍射试验和应变测量。接头拉脱实验用来测试接头的拉脱强度，接头压脱实验用来测试接头的压脱强度，密封实验用来测试接头的密封性能，应力腐蚀实验确定胀管表面最大拉伸应力的位置和大小，X光衍射试验应用于接头试样的应力测定，应变测量试验用来测量胀接接头的残余应力。
1984年Scott等人进行了液压胀接试验，这些试验包括应力腐蚀试验、X光衍射试验和应变测量实验。应力腐蚀试验确定胀管表面最大拉伸应力的位置和大小，试验结果表明，液压胀接接头中的残余应力较消除过应力的滚压胀接接头中的应力为高，但比没有消除过应力的滚压接头中的应力低得多。X光衍射试验应用于接头试样的应力测定，结果表明环向应力是主要的。应变测量实验用来测量胀接管表面的残余应力，测量相当困难，理论上说胀接过程是对称的，但测量结果表明沿圆周应变发生较大变化，变化范围可多达±50%多，这说明应变测量方法不是非常精确的。
1987年Jawad等人进行压脱试验研究了接头的轴向强度问题。作者对五种接头连接方式进行了压脱试验:均匀胀接(275 MPa)、均匀胀接加上使管壁产生3%壁厚减薄量时的机械胀接、焊接、焊接加上均匀胀接(275 MPa)、以及焊接加上均匀胀接再加上产生3%壁厚减薄量时的机械胀接。同时针对不同不锈钢换热管材料(碳钢和钛钢)，是否抛光，管板内孔是否开槽进行了压脱试验。试验发现如果不锈钢换热管的弹性模量小于管板的弹性模量，接头的连接强度较小。对于不锈钢换热管和管板是不同材料时，抛光和增加表面光洁度不能增加接头轴向强度，但他们是同一种材料时，则可以增加接头的轴向强度。
颜惠庚、葛乐通等人用弹性卸载法测定了不锈钢换热管与管板之间存在的残余接触应力。根据残余接触应力和拉脱力(拉脱实验夹具如图6所示)求出了接触面的静摩擦系数，提出了液压胀接时，不锈钢换热管与管板接触面摩擦系数的测量方法，并对设计时摩擦系数的选取提出了建议。2003年陆怡和颜惠庚又发表了新的研究成果，提出了一种新型的测量液压胀接残余接触应压力的方法，先在管板孔施加已知的胀接力标定贴在管板外壁的应变片，然后装上不锈钢换热管进行实际胀接，将此时的应变片变化与标定的比较得到残余接触应力大小。该方法消除了实验中许多因素的影响，如模型的结构尺寸、应变片粘贴位置的准确性和应变仪的灵敏度系数等，因此较为直观、准确。通过密封试验(密封试验装置如图7所示)研究了管板孔开槽对接头密封性能的影响。
Shuaib等人通过拉脱试验和水压密封试验研究发现，增加不锈钢换热管与管板孔间的间隙对拉脱力的大小影响不大。2002年Allam等人采用试验研究了不锈钢换热管和管板材料间的摩擦系数，设计一套测试装置如图8所示。同时进行了拉脱实验，并将测试结果与有限元分析和理论结果进行对比分析。将拉脱试验结果与压脱试验比较分析，发现两种测量结果有10%的偏差，其中拉脱力小于压脱力。
目前实验研究比较多的是拉脱实验和压脱实验，分析胀接接头的强度，文献将拉脱实验的结果与有限元分析和理论分析的结果进行了比较，结果表明有限元分析结果更可接受。文献将其测试残余接触应力与其采用的图算法计算的结果进行比较，两者相差不大。由于目前实验水平的原因，通过实验验证理论分析，已经与有限元分析结果比较的文献还不是很多，实验研究方法还需要进一步改进。
4结论
本文对换热器不锈钢换热管与管板接头的液压胀接技术进行了综述。接头胀接的研究主要从理论分析、有限元分析和试验研究三个方面进行。理论模型主要有不锈钢换热管单管，管板是无限平板模型和单管套筒模型。有限元分析模型主要有平面应力模型或平面应变模型、2D轴对称模型和3D模型。实验测试包括拉脱实验(压脱试验)、密封实验、应力腐蚀试验、X光衍射试验和应变测量等。
