外壓容器是指容器的外部壓力大于內部壓力的容器。在石油、化工、軍事領域中很多設備承受外壓,如真空操作的蒸餾塔、冷凝器,帶有夾套的反應釜,潛艇殼體等。
以典型的圓筒體為例,當圓筒承受外壓時,類似于受內壓作用圓筒,也將在筒壁上產生徑向和周向應力,在內壓下筒壁上產生徑向和周向應力均是拉仲應力,在外壓下筒壁上產生徑向和周向應力則均是壓縮應力,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);其次是受側向的均布外壓力P;第三種是在側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的影響不大,在工程設計中,可按照第二種情況考慮。
在壓縮應力下,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,壓縮應力超過材料的極限強度,發生塑性壓縮變形及破壞,這仍屬于強度范疇;二是殼體壁厚較薄時,當壓縮應力達到某一數值時(很多情況下,殼壁的壓應力遠小于筒體材料的屈服強度),殼體會產生突然的撓曲(也稱為屈曲),被壓癟或發生褶皺,筒壁的圓環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,當殼壁內的壓應力遠小于筒體材料的屈服極限時,筒體突然失去原有形狀的現象稱為彈性失穩。筒體發生彈性失穩將使其不能維持正常操作,造成容器失效,失穩是外壓容器失效的主要形式,因此保證筒體的穩定是維持外壓容器正常工作的必要條件。失穩前,筒壁內的周向應力為均勻分布的薄膜應力。在失穩后伴隨著突然的變形,在筒壁內產生以彎曲應力為主的復雜附加應力,發生彎曲變形。