外壓容器是指容器的外部壓力大于內(nèi)部壓力的容器。在石油、化工、軍事領(lǐng)域中很多設(shè)備承受外壓,如真空操作的蒸餾塔、冷凝器,帶有夾套的反應(yīng)釜,潛艇殼體等。
以典型的圓筒體為例,當(dāng)圓筒承受外壓時,類似于受內(nèi)壓作用圓筒,也將在筒壁上產(chǎn)生徑向和周向應(yīng)力,在內(nèi)壓下筒壁上產(chǎn)生徑向和周向應(yīng)力均是拉仲應(yīng)力,在外壓下筒壁上產(chǎn)生徑向和周向應(yīng)力則均是壓縮應(yīng)力,同樣可采用薄膜理論計算。對薄壁圓筒而言,受壓縮載荷有三種情況:一是軸向受均勻壓縮載荷(外壓P引起的);其次是受側(cè)向的均布外壓力P;第三種是在側(cè)向和軸向同時受均布外壓力的作用(外壓P引起的)。理論分析表明第三種情況中的軸向外壓力對圓筒失穩(wěn)的影響不大,在工程設(shè)計中,可按照第二種情況考慮。
在壓縮應(yīng)力下,壓力容器有兩種可能的失效模式:一是容器殼體有足夠的厚度時,壓縮應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度,發(fā)生塑性壓縮變形及破壞,這仍屬于強(qiáng)度范疇;二是殼體壁厚較薄時,當(dāng)壓縮應(yīng)力達(dá)到某一數(shù)值時(很多情況下,殼壁的壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于筒體材料的屈服強(qiáng)度),殼體會產(chǎn)生突然的撓曲(也稱為屈曲),被壓癟或發(fā)生褶皺,筒壁的圓環(huán)截而一瞬間變成了波形,如圖6-1及圖6-2所示。在外壓作用下,當(dāng)殼壁內(nèi)的壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于筒體材料的屈服極限時,筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱為彈性失穩(wěn)。筒體發(fā)生彈性失穩(wěn)將使其不能維持正常操作,造成容器失效,失穩(wěn)是外壓容器失效的主要形式,因此保證筒體的穩(wěn)定是維持外壓容器正常工作的必要條件。失穩(wěn)前,筒壁內(nèi)的周向應(yīng)力為均勻分布的薄膜應(yīng)力。在失穩(wěn)后伴隨著突然的變形,在筒壁內(nèi)產(chǎn)生以彎曲應(yīng)力為主的復(fù)雜附加應(yīng)力,發(fā)生彎曲變形。