U形管換熱器的優點是以尾部的自由浮動解決了溫差應力問題，且可以抽芯清洗，它也是唯一可用于高溫、高壓和高溫差的換熱器，因而在石油化工行業中得到廣泛應用。
(1)常見的連接結構
U形管換熱器管板與管殼程連接最常見的結構是兩塊設備法蘭夾持一塊管板，如圖3所示。
圖3 常用的法蘭夾持管板結構
此結構中，螺栓力對管板兩側的法蘭作用力是相等的，螺栓的設計應兼顧管板兩側韻條件，要求以較大的螺栓載荷進行設計。當管板兩側的設計壓力不同時，其墊片壓緊力不同。在操作狀態下，螺栓力等于墊片壓緊力加介質壓力引起的軸向力。壓力較高側的軸向力大， 墊片壓緊力就小，而壓力較低側正好相反。假設在操作狀態下擰緊螺栓，壓力較低側首先達到密封要求。在兩側壓差較大時，當壓力較高側還沒有達到密封要求時，壓力較低側的墊片可能已經被壓潰，因此，容易產生泄漏。這是此種結構在工程應用中一個顯著的缺點。
優點：管板結構簡單。
缺點：螺栓、法蘭和墊片按照壓力較高側設計，造價高。
根據筆者經驗，U形管換熱器的夾持結構在同時滿足以下三個條件時應謹慎使用：
DN小于等于2000mm
DN×MAX(Ps。，pt)小于等于7200MPa·mm
DN×IPs-Pt l小于等于3600MPa。Mm
式中 DN——換熱器公稱直徑，mm；
ps——殼程設計壓力，MPa；
Pt——管程設計壓力，MPa。
以下結構在不同程度上解決了上面結構在壓差較大工況下的密封問題。
(2)分腔密封的法蘭夾持管板結構
如圖4所示，在管板的延長部分上開螺栓孔，螺栓上帶凸臺。螺栓、墊片、法蘭都可按照兩側的要求分別設計。延長部分的厚度必須滿足壓力較高側密封的螺栓力要求。在預緊過程中應先密封高壓側再密封低壓側。
優點：分腔密封，螺栓、法蘭和墊片按照各側的壓力分別設計。
缺點：管板和螺栓的結構較為復雜。
圖4 分腔密封的法蘭夾持管板結構
(3)分腔密封的法蘭夾持管板結構2
如圖5所示，兩片法蘭和管板通過全螺紋螺柱連接。管板的延長部分加工內螺紋，厚度為1.5倍的螺柱直徑。管板延長部分應靠近壓力較高側。
優點：分腔密封，螺栓結構簡單，墊片和法蘭按兩側工況分別設計，管板延長部分的開孔可根據需要部分為通孔。
缺點：管板需要加工螺紋。
圖5 分腔密封的法蘭夾持管板結構2
(4)分腔密封的法蘭夾持管板結構3
如6所示，管板延長部分開螺栓孔和螺紋孔，分別實現對壓力較高側和壓力較低側法蘭的連接。壓力較低側可采用標準法蘭。由于需要考慮壓力較低側螺柱的布置，壓力較高側螺栓直徑較大，法蘭所受彎矩較大。此種管板結構復雜，對設計和制造提出了較高的要求。
優點：分腔密封，螺柱、墊片和法蘭按兩側工況分別設計。
缺點：管板結構較復雜，壓力較高側法蘭較厚。
圖6分腔密封的法蘭夾持管板結構3
(5)高壓側焊接結構1
如圖7所示，本結構壓力較高側采用管板和筒體的焊接結構，管板的延長部分兼作法蘭。壓力較低側法蘭的設計應兼顧高壓側。某項目中曾發生壓力較低側法蘭只按該側壓力設計，結果導致壓力較高側螺栓扳手空間不足。因此要求壓力較低側法蘭大端厚度應不小于壓力較高側筒體厚度加焊縫余高。
靜態混合器優點：解決了高壓密封問題。
缺點：無法抽芯。
圖7高壓側焊接結構1
(6)高壓倒焊接結構2
如圖8所示，本結構管板和壓力較高側筒體焊接，并和壓力較低側法蘭通過雙頭螺柱連接。在管板上加工螺柱擰入深度為1.5倍螺柱直徑的螺紋孔。管板與筒體連接的倒角處屬于總體結構不連續，應力分析表明，由于壓力較高，導致滿足變形協調而產生的局部應力很大，筆者建議此處圓角應不小于R15mm。使用過程中應注意對管板上內螺紋的保護。
圖8高壓側焊接結構2
優點：解決了高壓側的密封問題。
缺點：抽芯困難。
適用范圍：一側壓力高，螺栓小，管板較厚。
(7)高壓側焊接結構3
如圖9所示，本結構管板和壓力較高側筒體焊接，并和壓力較低側法蘭通過螺柱連接。管板上開通孔。其余同高壓側焊接結構2。
優點：解決了高壓側的密封問題。
缺點：抽芯困難，管板材料利用率較低。
適用范圍：一側壓力高，螺栓大，管板較厚。
筆者根據工程經驗總結，建議此結構適用范圍同高壓側焊接結構2。
圖9高壓側焊接結構3
(8)管、殼程焊接結構
管板和管程、殼程都采用焊接結構。
優點：解決了兩側的密封問題。
缺點：無法抽芯。
適用范圍：對設備直徑及管、殼程設計壓力無限制。
從定性分析來看，U形管換熱器管板與管、殼程連接的各種結構，在工程實踐中應綜合考慮工藝要求、溫度等因素，斟酌決定。
本文也可作為浮頭式換熱器夾持管板結構設計的參考。
圖10管、殼程焊接結構
