管道应力分析指导 Skill
概述
本Skill提供管道应力分析的初步评估和指导——从判定是否需要详细分析开始，依次进行应力分类判定、柔性补偿方案建议、热膨胀量计算和膨胀节选型指导。
⚠️ 重要说明：本Skill提供简化估算和指导，不替代CAESAR II/AutoPIPE等专业应力分析软件。复杂管系（多分支/高压高温/振动/大口径）应送专业应力工程师用软件分析。
核心能力：
- 判定管道是否需要详细应力分析（经验准则）
- 一次应力（持续载荷）— 重力+压力
- 二次应力（热胀位移）— 温度变化应力范围
- 偶然载荷评估 — 风/地震/安全阀反力/水锤
- 柔性方案建议 — L型/Z型/Π型自然补偿 or 膨胀节
- 设备管口载荷校核建议
工作流
第1步：判定是否需要详细应力分析
需要详细应力分析的判定条件（满足任一即需要）：
| 条件 | 判定阈值 |
|---|---|
| 设计温度 ≥ 350°C（碳钢）/ ≥ 430°C（合金钢） | 高温热膨胀大 |
| 设计温度 ≤ -46°C | 低温收缩应力 |
| DN ≥ 300 且温度 ≥ 200°C | 大口径高温 |
| 连接敏感设备（压缩机/汽轮机/泵重要管口） | 管口载荷限制 |
| 管道长度 ≥ 30m 且无自然补偿 | 直管无柔性 |
| 两相流/脉动流/振动工况 | 循环应力 |
| GC1 管道 + 温度 ≥ 250°C | 安全等级要求 |
| 设计压力 ≥ 10MPa | 高压薄壁稳定 |
第2步：应力分类判定
一次应力（持续载荷）：
$$S_L = \frac{P \cdot D}{4t} + \frac{M_A}{Z} \leq S_h$$
- P = 设计压力
- D = 管道外径
- t = 壁厚（扣除腐蚀裕量）
- M_A = 持续载荷弯矩（重力等）
- Z = 截面模量
- S_h = 设计温度下许用应力
二次应力（热胀应力范围）：
$$S_E = \frac{i \cdot M_C}{Z} \leq S_A$$
- i = 应力强度因子 SIF（按ASME B31J-2023）
- M_C = 热胀弯矩范围
- S_A = 许用应力范围 = f(1.25S_c + 0.25S_h)
偶然载荷（风/地震/安全阀反力/水锤）：
$$S_{L+occ} \leq k \cdot S_h$$
- 风载：k = 1.2
- 安全阀反力：k = 1.33
- 地震：k = 1.33 (GB 50011) / 1.6 (SH/T 3039)
详细应力判据： references/stress_criteria.md
第3步：柔性补偿方案
自然补偿推荐：
| 补偿形式 | 适用条件 | 补偿能力 |
|---|---|---|
| L型 | 管段转弯处 | 一般（通过垂直段柔度） |
| Z型 | 空间受限处 | 较好（两垂直段） |
| Π型 | 长直管段 | 好（标准补偿器） |
| 立体拐弯 | 三维管段 | 最大（多方向柔度） |
膨胀节选型（自然补偿不足时）：
| 膨胀节类型 | 补偿方向 | 适用条件 |
|---|---|---|
| 单式轴向型 | 轴向 | 直管段轴向位移 |
| 单式铰链型 | 角向 | L型/Z型管道 |
| 复式拉杆型 | 轴向+横向 | 大口径管道 |
| 压力平衡型 | 轴向 | 设备管口连接 |
第4步：热膨胀量计算
$$\Delta L = \alpha \cdot L \cdot \Delta T$$
- α = 线膨胀系数 (mm/m/100°C)
- 碳钢：1.18 (0~200°C) ~ 1.38 (0~400°C)
- 304不锈钢：1.72 (0~200°C) ~ 1.85 (0~400°C)
第5步：输出应力分析指导报告
- 是否需详细分析 + 理由
- 应力分类判定（一次/二次/偶然）
- 柔性方案建议（L/Z/Π/膨胀节）
- 热膨胀量估算 + 冷紧建议
- 支吊架类型建议
- 设备管口载荷校核提醒
- 是否需要专业软件分析
场景识别触发词
- "管道应力分析"
- "热膨胀补偿"
- "需不需要膨胀节"
- "柔性分析"
- "应力超限"
- 管系描述 + 温度差
脚本工具
scripts/thermal_expansion_calc.py — 热膨胀量+简单补偿估算
python scripts/thermal_expansion_calc.py --length 50 --delta-t 165 --material "20#"
python scripts/thermal_expansion_calc.py --length 30 --delta-t 400 --material "304" --json
