第三節(jié)  外壓容器簡(jiǎn)介

外壓容器是指容器的外部壓力大于容器內(nèi)部壓力的設(shè)備。在化工生產(chǎn)中使用的壓力容器，大多數(shù)承受的是內(nèi)壓力，但也有一些承受的是外壓力。如石油分餾中的減壓塔、多效蒸發(fā)中的真空冷凝器、帶有蒸汽加熱夾套的反應(yīng)釜及真空輸送設(shè)備等。還有一些容器同時(shí)承受外壓力和內(nèi)壓力，例如帶夾套的反應(yīng)釜。

一、外壓容器的失效

實(shí)踐證明，有許多外壓容器特別是外壓薄壁容器，往往并不是因?yàn)閺?qiáng)度不足而破壞，而是在外部壓力作用下殼體失去原來(lái)形狀，即被壓扁或出現(xiàn)褶皺產(chǎn)生了嚴(yán)重的永久變形，致使殼體失去穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象稱(chēng)為外壓容器的失穩(wěn)。

外壓容器的失穩(wěn)，實(shí)際上是容器從一種平衡狀態(tài)(筒體為原來(lái)形狀的受力狀態(tài))向另一種平衡狀態(tài)(成為波形后的受力狀態(tài))的突變。因此外壓容器在失穩(wěn)前一般均無(wú)明顯的跡象而是突然出現(xiàn)失穩(wěn)的，因此它的危害性更大。失穩(wěn)時(shí)，截面形狀由圓形變?yōu)榍ㄐ危〝?shù)可能是兩個(gè)，三個(gè)，四個(gè)……外壓容器失穩(wěn)時(shí)具體形狀如圖1-5所示。失穩(wěn)時(shí)波形數(shù)的多少取決于原來(lái)圓筒的幾何形狀(即長(zhǎng)徑比L/D和厚徑比δ0/D)和材料。

外壓容器的失效主要有兩種形式：一是剛度不夠引起的失穩(wěn)；二是強(qiáng)度不夠造成的破裂。對(duì)于常用的外壓薄壁容器，剛度不夠而引起失穩(wěn)是主要的失效形式。

二、外壓容器的臨界壓力

1.臨界壓力pcr

導(dǎo)致外壓容器失穩(wěn)時(shí)的最低外壓力(筒體的內(nèi)外壓力差)稱(chēng)為臨界壓力，用pcr表示。筒體操作時(shí)允許的工作外壓力一定要小于臨界壓力，否則筒體就發(fā)生失穩(wěn)。

由于實(shí)際的圓筒或管子的截面形狀都不是絕對(duì)圓的，即存在著圓柱度偏差，當(dāng)操作壓力達(dá)到臨界值的1/3～1/2時(shí)，它們就有可能被壓扁。此外操作條件的變化及材料的不均勻性，也會(huì)使圓筒實(shí)際能承擔(dān)的外壓力比計(jì)算的臨界壓力小。因此，考慮到安全裕度，取設(shè)計(jì)壓力比臨界壓力小m倍，即

    (1-6)

式中p——設(shè)計(jì)外壓力，MPa；

［p］——許用外壓力，MPa；

pcr——臨界壓力，MPa；

m——穩(wěn)定系數(shù)，通常取m=3。

2.影響臨界壓力的因素

影響臨界壓力的因素有很多，而最主要的因素是筒體的厚度(δ0)、直徑(D)、長(zhǎng)度(L)和材料的彈性模量(E)。

當(dāng)L/D相同時(shí)，δ0/D大者臨界壓力高。而筒體的δ0/D越大，筒體抵抗變形的能力也就越強(qiáng)。

當(dāng)δ0/D相同時(shí)，L/D小者臨界壓力高。封頭的剛度較筒體的高，筒體承受外壓時(shí)，封頭對(duì)筒體起著一定的支撐作用。這種支撐作用將隨著圓筒長(zhǎng)度的增加而減弱。因而圓筒越短，封頭的剛性支撐作用越明顯，其臨界壓力也就越高。

當(dāng)δ0/D、L/D相同時(shí)，有加強(qiáng)圈者臨界壓力高。利用剛度較大的加強(qiáng)圈焊在筒體的內(nèi)壁或外壁上，同樣可以起到支撐作用，從而提高臨界壓力。

筒體材料的彈性模量E大者臨界壓力高。外壓筒體失穩(wěn)時(shí)不是由于材料的強(qiáng)度不夠引起的，而是材料的E值直接影響著臨界壓力。E值大者，材料抵抗變形的能力強(qiáng)，即剛度好，臨界壓力就高。

除此之外，筒體的圓柱度偏差及材料的不均勻性，均會(huì)使其臨界壓力值下降。

三、提高外壓容器穩(wěn)定性的措施

由上面的分析得知：增加筒壁的厚度可提高臨界壓力，從而增強(qiáng)筒體的穩(wěn)定性，但會(huì)浪費(fèi)很多材料，特別是用不銹鋼等貴重金屬制造的外壓容器會(huì)加大制造成本，造成不必要的浪費(fèi)。同理，采用E值大的高強(qiáng)度鋼也可以提高外壓容器的穩(wěn)定性，但是各種鋼的E值相差不大。所以提高外壓容器穩(wěn)定性的最好措施是在外壓容器筒體上設(shè)置加強(qiáng)圈，增加筒體的剛性，提高筒體的穩(wěn)定性，還能節(jié)省大量的金屬材料。

加強(qiáng)圈是設(shè)置在外壓容器筒體內(nèi)側(cè)或外側(cè)，具有足夠剛性的環(huán)狀構(gòu)件。目前，加強(qiáng)圈通常用型鋼制成，如扁鋼、角鋼、槽鋼或工字鋼等，其結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。加強(qiáng)圈與筒體的連接通常采用焊接方法，在焊接時(shí)可采用連續(xù)或間斷焊。為了使加強(qiáng)圈能起到加強(qiáng)筒體的作用，必須保證加強(qiáng)圈與筒體的緊密貼合。當(dāng)加強(qiáng)圈設(shè)置在筒體外壁時(shí)，加強(qiáng)圈每側(cè)間斷焊接的總長(zhǎng)度不應(yīng)少于筒體外周長(zhǎng)的1／2。當(dāng)加強(qiáng)圈設(shè)置在筒體內(nèi)壁時(shí)，每側(cè)間斷焊接的總長(zhǎng)度不小于筒體內(nèi)周長(zhǎng)的1／3。加強(qiáng)圈兩側(cè)的間斷焊可以相互錯(cuò)開(kāi)或并排，其焊縫的布置與間距可參考圖1-7。圖1-7中最大間隙t對(duì)外加強(qiáng)圈為8×δn，對(duì)內(nèi)加強(qiáng)圈為12×δn。