第三節  外壓容器簡介

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

一、外壓容器的失效

實踐證明，有許多外壓容器特別是外壓薄壁容器，往往并不是因為強度不足而破壞，而是在外部壓力作用下殼體失去原來形狀，即被壓扁或出現褶皺產生了嚴重的永久變形，致使殼體失去穩定性，這種現象稱為外壓容器的失穩。

外壓容器的失穩，實際上是容器從一種平衡狀態(筒體為原來形狀的受力狀態)向另一種平衡狀態(成為波形后的受力狀態)的突變。因此外壓容器在失穩前一般均無明顯的跡象而是突然出現失穩的，因此它的危害性更大。失穩時，截面形狀由圓形變為曲波形，波數可能是兩個，三個，四個……外壓容器失穩時具體形狀如圖1-5所示。失穩時波形數的多少取決于原來圓筒的幾何形狀(即長徑比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；二是強度不夠造成的破裂。對于常用的外壓薄壁容器，剛度不夠而引起失穩是主要的失效形式。

二、外壓容器的臨界壓力

1.臨界壓力pcr

導致外壓容器失穩時的最低外壓力(筒體的內外壓力差)稱為臨界壓力，用pcr表示。筒體操作時允許的工作外壓力一定要小于臨界壓力，否則筒體就發生失穩。

由于實際的圓筒或管子的截面形狀都不是絕對圓的，即存在著圓柱度偏差，當操作壓力達到臨界值的1/3～1/2時，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，也會使圓筒實際能承擔的外壓力比計算的臨界壓力小。因此，考慮到安全裕度，取設計壓力比臨界壓力小m倍，即

    (1-6)

式中p——設計外壓力，MPa；

［p］——許用外壓力，MPa；

pcr——臨界壓力，MPa；

m——穩定系數，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)、長度(L)和材料的彈性模量(E)。

當L/D相同時，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。

當δ0/D相同時，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，封頭對筒體起著一定的支撐作用。這種支撐作用將隨著圓筒長度的增加而減弱。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δ0/D、L/D相同時，有加強圈者臨界壓力高。利用剛度較大的加強圈焊在筒體的內壁或外壁上，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。外壓筒體失穩時不是由于材料的強度不夠引起的，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，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，均會使其臨界壓力值下降。

三、提高外壓容器穩定性的措施

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

加強圈是設置在外壓容器筒體內側或外側，具有足夠剛性的環狀構件。目前，加強圈通常用型鋼制成，如扁鋼、角鋼、槽鋼或工字鋼等，其結構如圖1-6所示。加強圈與筒體的連接通常采用焊接方法，在焊接時可采用連續或間斷焊。為了使加強圈能起到加強筒體的作用，必須保證加強圈與筒體的緊密貼合。當加強圈設置在筒體外壁時，加強圈每側間斷焊接的總長度不應少于筒體外周長的1／2。當加強圈設置在筒體內壁時，每側間斷焊接的總長度不小于筒體內周長的1／3。加強圈兩側的間斷焊可以相互錯開或并排，其焊縫的布置與間距可參考圖1-7。圖1-7中最大間隙t對外加強圈為8×δn，對內加強圈為12×δn。