第三节  外压容器简介

外压容器是指容器的外部压力大于容器内部压力的设备。在化工生产中使用的压力容器，大多数承受的是内压力，但也有一些承受的是外压力。如石油分馏中的减压塔、多效蒸发中的真空冷凝器、带有蒸汽加热夹套的反应釜及真空输送设备等。还有一些容器同时承受外压力和内压力，例如带夹套的反应釜。

一、外压容器的失效

实践证明，有许多外压容器特别是外压薄壁容器，往往并不是因为强度不足而破坏，而是在外部压力作用下壳体失去原来形状，即被压扁或出现褶皱产生了严重的永久变形，致使壳体失去稳定性，这种现象称为外压容器的失稳。

外压容器的失稳，实际上是容器从一种平衡状态(筒体为原来形状的受力状态)向另一种平衡状态(成为波形后的受力状态)的突变。因此外压容器在失稳前一般均无明显的迹象而是突然出现失稳的，因此它的危害性更大。失稳时，截面形状由圆形变为曲波形，波数可能是两个，三个，四个……外压容器失稳时具体形状如图1-5所示。失稳时波形数的多少取决于原来圆筒的几何形状(即长径比L/D和厚径比δ0/D)和材料。

外压容器的失效主要有两种形式：一是刚度不够引起的失稳；二是强度不够造成的破裂。对于常用的外压薄壁容器，刚度不够而引起失稳是主要的失效形式。

二、外压容器的临界压力

1.临界压力pcr

导致外压容器失稳时的最低外压力(筒体的内外压力差)称为临界压力，用pcr表示。筒体操作时允许的工作外压力一定要小于临界压力，否则筒体就发生失稳。

由于实际的圆筒或管子的截面形状都不是绝对圆的，即存在着圆柱度偏差，当操作压力达到临界值的1/3～1/2时，它们就有可能被压扁。此外操作条件的变化及材料的不均匀性，也会使圆筒实际能承担的外压力比计算的临界压力小。因此，考虑到安全裕度，取设计压力比临界压力小m倍，即

    (1-6)

式中p——设计外压力，MPa；

［p］——许用外压力，MPa；

pcr——临界压力，MPa；

m——稳定系数，通常取m=3。

2.影响临界压力的因素

影响临界压力的因素有很多，而最主要的因素是筒体的厚度(δ0)、直径(D)、长度(L)和材料的弹性模量(E)。

当L/D相同时，δ0/D大者临界压力高。而筒体的δ0/D越大，筒体抵抗变形的能力也就越强。

当δ0/D相同时，L/D小者临界压力高。封头的刚度较筒体的高，筒体承受外压时，封头对筒体起着一定的支撑作用。这种支撑作用将随着圆筒长度的增加而减弱。因而圆筒越短，封头的刚性支撑作用越明显，其临界压力也就越高。

当δ0/D、L/D相同时，有加强圈者临界压力高。利用刚度较大的加强圈焊在筒体的内壁或外壁上，同样可以起到支撑作用，从而提高临界压力。

筒体材料的弹性模量E大者临界压力高。外压筒体失稳时不是由于材料的强度不够引起的，而是材料的E值直接影响着临界压力。E值大者，材料抵抗变形的能力强，即刚度好，临界压力就高。

除此之外，筒体的圆柱度偏差及材料的不均匀性，均会使其临界压力值下降。

三、提高外压容器稳定性的措施

由上面的分析得知：增加筒壁的厚度可提高临界压力，从而增强筒体的稳定性，但会浪费很多材料，特别是用不锈钢等贵重金属制造的外压容器会加大制造成本，造成不必要的浪费。同理，采用E值大的高强度钢也可以提高外压容器的稳定性，但是各种钢的E值相差不大。所以提高外压容器稳定性的最好措施是在外压容器筒体上设置加强圈，增加筒体的刚性，提高筒体的稳定性，还能节省大量的金属材料。

加强圈是设置在外压容器筒体内侧或外侧，具有足够刚性的环状构件。目前，加强圈通常用型钢制成，如扁钢、角钢、槽钢或工字钢等，其结构如图1-6所示。加强圈与筒体的连接通常采用焊接方法，在焊接时可采用连续或间断焊。为了使加强圈能起到加强筒体的作用，必须保证加强圈与筒体的紧密贴合。当加强圈设置在筒体外壁时，加强圈每侧间断焊接的总长度不应少于筒体外周长的1／2。当加强圈设置在筒体内壁时，每侧间断焊接的总长度不小于筒体内周长的1／3。加强圈两侧的间断焊可以相互错开或并排，其焊缝的布置与间距可参考图1-7。图1-7中最大间隙t对外加强圈为8×δn，对内加强圈为12×δn。