中鋼（CSC）乾式淬火設備建造工程案ASME規範下冷作彎管研究分析報告 (Analysis Report on Cold Bending Pipe Research under ASME Code for China Steel Corporation (CSC) Coke Dry Quenching  Facility Construction Project)

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1. 摘要與中鋼CDQ專案背景

 

1.1 專案任務：CDQ設施中的高完整性管線

中鋼乾式淬火（Coke Dry Quenching, CDQ）專案旨在透過熱回收製程產生高壓、高溫蒸汽，用於發電或其他工業用途。因此，CDQ系統中涉及的主要蒸汽聯箱、熱交換器以及所有鍋爐外部管線（Boiler External Piping, BEP）均屬於高風險、高壓、高溫服務管線。此類管線的結構完整性和長期可靠性要求極高，其製造品質必須超越一般工業或公用事業管線的標準。

冷作彎管（Cold Bending）技術被選用於此專案，主要基於其固有的工程優勢：該技術無需加熱，顯著降低了能源消耗和碳足跡，支持永續施工實踐 1。此外，相較於熱彎或使用多個銲接管件，冷作彎管在實現緊密半徑彎曲時，能提供更高的精度、一致性及更低的製造成本 1。由於其製程的可重複性和精確控制，冷作彎管製造出的組件品質高且耐用，有助於降低未來的替換和維護需求。

 

1.2 適用ASME規範總結與管轄範圍劃分

本專案管線系統必須遵守美國機械工程師協會（ASME）B31壓力管線規範。由於CDQ系統的核心功能是高壓蒸汽生成，其管轄範圍存在明確的分界線：

  • 主要管轄規範：ASME B31.1 (動力管線)。此規範規定了電廠、工業和機構設施中管線系統的最低要求，涵蓋鍋爐外部管線，以及蒸汽壓力超過 15 psi (100 kPa) 或高溫水壓力超過 160 psi (1,103 kPa) 的系統 3。CDQ系統中的主蒸汽管線及其高溫高壓水循環管線，均受1 嚴格管轄。
  • 次要管轄規範：ASME B31.3 (流程管線)。此規範適用於輔助服務和公用事業管線，例如冷卻水、儀表空氣、惰性氣體、去離子水和消防水等 5。這些管線（如 70˚C, 7.0 kg/cm2 的冷卻水管線）多被分類為 Category “D” 流體服務，其設計條件相對寬鬆，但製造和尺寸控制仍須符合B31.3 的要求 5。

鑑於 B31.1 系統的關鍵性質，所有用於主要結構材料（如碳鋼和鉻鉬合金）的冷作彎管程序合格記錄（PQRs）應當統一依據 B31.1 的嚴苛標準進行鑒定 6。這種標準化策略能夠在整個專案中建立一致的高品質製造門檻，從而簡化品質保證（QA）流程。

 

1.3 關鍵約束與合規重點

冷作彎管的設計和製造必須嚴格遵守 ASME 規範對於管線完整性的規定。專案的合規性核心聚焦於三個技術指標的控制，這些指標直接影響彎管的耐壓能力和長期疲勞壽命：

  1. 壁厚減薄（Wall Thinning）： 彎管外側（拉伸側）的厚度減少必須受到控制，並確保最終壁厚大於規範要求的最小壁厚 tm 7。
  2. 橢圓度（Ovality）： 彎曲過程中管線橫截面的扁平化程度必須符合 B31 規定的百分比公差 7。
  3. 塑性應變（Fiber Elongation）： 必須準確計算最大纖維伸長率，該值是判定是否必須進行彎後熱處理（PBHT）的決定性因素，特別是針對需要衝擊測試的材料 9。

 

2. ASME管轄邊界與材料性能要求

 

2.1 規範適用性基於流體服務與操作參數

ASME B31.1 的管轄界限是基於流體狀態和壓力溫度的。對於 CDQ 設施，只要蒸汽或蒸氣壓力超過 15 psi (100 kPa )，相關管線即劃歸 B31.1 管轄 3。這涵蓋了所有主蒸汽和高壓鍋爐給水管線。

相比之下，ASME B31.3 涵蓋了其他非核心製程和公用事業服務。例如，原水（Raw Water）、冷卻水、儀表空氣等管線，如果其服務溫度和壓力低於 B31.1 極限值，且不屬於高危險流體（如非致命性可燃/不可燃液體），則適用 B31.3 5。這些管線（如 70˚C, 7.0 kg/cm2 的冷卻水管線）多被分類為 Category “D” 流體服務，其設計條件相對寬鬆，但製造和尺寸控制仍須符合 B31.3 的要求 5。

設計團隊必須在設計初期精確劃分管轄邊界，確保每個管段均採用正確的規範標準。

 

2.2 材料分類與P-編號對冷加工的影響

CDQ 專案管線材料可能包括碳鋼（Carbon Steel）、低合金鋼（如 1.25Cr + 0.5Mo）和不銹鋼（如 SS 304L 或雙相不銹鋼） 5。

ASME 根據材料的化學成分和冶金特性，將其分配給特定的 P-編號（P-Number） 10。P-編號決定了材料對冷加工的反應和所需的熱處理要求。例如，P-No. 4/5 的低合金鋼，雖然在高溫下具有優異的強度，但對塑性變形和殘餘應力敏感度較高，因此對纖維伸長率的控制必須更加嚴格。對於碳鋼（P-Nos 1-6），ASME B31.3 指出，纖維伸長率不應超過材料規定基本最小伸長率的 50% 11。如果彎曲應變超過此限制，則材料的延展性將被嚴重耗損。

 

2.3 彎曲過程中縱向銲縫的管控

對於採用縱向電銲或螺旋銲接的管材，在進行冷作彎曲時必須特別注意銲縫的定位，以防止製造過程中的開裂。

ASME B31.3 規範（並作為 B31.1 的良好實踐）明確要求，管件的縱向銲縫必須偏離彎曲平面至少 30 度角，該角度應沿管線中心線軸向測量 6。這樣做的目的是確保在彎曲過程中承受最大拉伸應力的外側區域（extrados）避開了銲縫。銲縫本身由於幾何和微觀結構的不連續性，通常是應力集中和潛在缺陷的位置 12，將其從最大塑性變形區域移開，對於確保管件的整體結構完整性至關重要。

 

3. 尺寸完整性約束與ASME驗收標準

 

3.1 壁厚減薄分析

冷作彎曲會導致彎管外側材料拉伸變薄。在 CDQ 專案中，必須保證彎曲後實際壁厚 tactual 仍滿足 B31.1 或 B31.3 規範計算的最小設計壁厚 tm 8。

3.1.1 最小厚度計算與製造公差

最小所需壁厚 tm 是基於設計壓力 P、容許應力 S、銲接效率係數 E、外徑 Do、以及腐蝕或侵蝕餘量 A 等參數，使用 B31.1 或 B31.3 的強制性公式計算得出 8。

tm = P*Do  / 2(SE + Py) + A     (B31.1 Eq. 7)

在選用管材的公稱厚度時，工程師必須將製造商允許的壁厚負公差以及預期的冷彎減薄量納入考量，以確保最終成形的管件厚度能夠承受設計壓力 8。

3.1.2 驗收限制與檢測要求

ASME 相關標準為不同彎曲半徑設定了最大允許的壁厚減薄百分比：

  • 1.5 D彎管（緊密半徑）：最大減薄不應超過實際厚度的 18% 7。
  • 3 D彎管（標準半徑）：最大減薄限制為實際厚度的 12% 7。

如果實際測量結果顯示，彎曲後壁厚與 tm 之間的裕度僅剩 5%，則建議製造商必須對 100% 的彎管在特定點進行超聲波測厚（UT）檢查 11。這些特定點包括距切點 150mm(6 in) 處以及彎曲弧段的 1/4、1/2 和 3/4 點，以確保關鍵壓力邊界不會因局部過度減薄而失效 11。

 

3.2 橢圓度（扁平化）控制與公差

橢圓度（Out of Roundness），即最大外徑與最小外徑之差，是用於衡量管件橫截面扁平化的程度 7。過高的橢圓度會導致彎管的應力集中係數（SIFs）增大，影響管線在熱循環和載荷下的應力分析結果。

驗收限制：

  • 對於1.5D 彎管，橢圓度不應超過公稱外徑的 5%（針對內部壓力服務）。
  • 對於 3D 彎管，驗收標準更為嚴格，不應超過公稱外徑的 3% 7。

同時，彎曲角度公差應嚴格控制在± 1˚ 內，以確保管線組裝的精度 7。

 

3.3 皺紋與表面不連續驗收

在冷彎過程中，特別是壁厚較薄的不銹鋼管件，可能會出現皺紋 7。皺紋屬於幾何不連續性，在服役中可能成為疲勞裂紋的起始點。

驗收標準規定了皺紋的最大峰谷深度，該深度限制與公稱管徑（NPS）相關（例如，公稱 4 英寸管線最大深度為 1/16 英寸） 7。

對於 CDQ 專案中的高週期熱疲勞管線，對皺紋的處理必須超越簡單的尺寸合規。任何接近驗收標準的表面缺陷，都必須轉向非破壞性評估（NDE）的範疇 13。這包括利用 API 579-1/ASME FFS-1 標準進行適用性評估，通過嚴格的斷裂力學計算來預測這些應力集中點對管線長期疲勞壽命的影響，從而決定是否需要修復或報廢 3。

ASME B31冷作彎管尺寸驗收標準

參數 ASME B31 規範約束/限制 彎曲半徑（D為OD） 關鍵影響 參考
壁厚減薄 (外側最大) 實際厚度的 18% 1.5D 決定最小設計壁厚 tm 合規性 7
壁厚減薄 (外側最大) 實際厚度的 12% 3D 提高結構安全裕度 7
橢圓度 (內壓服務) 公稱外徑的 5% 1.5D 控制應力集中係數 (SIFs) 7
橢圓度 (內壓服務) 公稱外徑的 3% 3D 提高圓度控制精度 7
纖維伸長率 (衝擊測試材料) 最大 5% N/A 決定彎後熱處理 (PBHT) 必要性 9

 

4. 冶金完整性與彎後熱處理要求

 

4.1 B31製造的控制應變門檻

冷作彎曲是對管線材料進行塑性變形，這會引入殘餘應力並改變材料的機械性能。ASME 規範設定了嚴格的塑性應變極限值來控制這種變化。

5% 伸長率極限值： ASME B31.3 規範規定，對於任何需要進行衝擊測試的材料，如果計算出的最大纖維伸長率（即外側的拉伸應變）超過 5%，則必須進行彎後熱處理（PBHT） 9。由於 CDQ 專案中的一些高強度碳鋼或合金鋼可能要求衝擊測試（取決於最低設計溫度），此 5% 門檻是設計和製造的決定性參數。

此外，對於 P-No. 1 到 P-No. 6 的碳鋼，規範還要求纖維伸長率必須低於材料規定基本最小伸長率的 50% 11。如果彎曲應變超限，將嚴重降低材料的延展性和韌性，增加管線在運行中發生脆性破壞的風險。

 

4.2 彎後熱處理（PBHT）的目標與程序合格記錄

彎後熱處理（PBHT）的目的在於通過應力消除過程，釋放冷作產生的殘餘拉伸應力，從而恢復材料的延展性，降低硬度，並防止應力腐蝕開裂（SCC）等潛在失效機制 12。

程序要求： 冷作彎管程序合格記錄（PQR）必須涵蓋詳細的 PBHT 步驟。任何涉及 PBHT 的變更（例如，改變熱處理溫度或時間）都需要重新進行程序鑒定 15。

工程選擇： 由於 PBHT 涉及顯著的成本和時間，工程策略應傾向於通過優化彎曲半徑和工法控制，將最大纖維伸長率保持在 5% 以下，從而避免強制實施 PBHT。如果無法避免，則 PBHT 必須被視為製造流程中不可或缺的一部分，且須進行嚴格的溫度和時間控制。

 

4.3 不銹鋼的污染控制

在 CDQ 專案中使用奧氏體不銹鋼（例如 SS 304L）時，必須採取預防措施以防止製造過程中的污染。

強制要求： 用於彎曲不銹鋼管件的通蕊芯軸（mandrels）和模具必須確保不含鋅 6。這種預防措施是至關重要的，因為在高溫服務中，鋅污染可能導致不銹鋼發生液態金屬脆化（LME），這是一種潛在的災難性失效機制。因此，必須建立獨立的製造和清潔程序來處理不銹鋼管件。

 

5. 應力分析、疲勞與長期機械可靠性

 

5.1 殘留應力分析與疲勞風險

冷作彎管與銲接工法在殘餘應力的分佈上有顯著差異。銲接會產生局部高溫加熱和冷卻，形成不均勻的熱殘餘應力，這些應力加上可能存在的銲接缺陷，會導致銲趾和熱影響區產生顯著的應力集中，加速疲勞裂紋的萌生 12。

相比之下，控制得當的冷作彎管產生的應力分佈更為平滑和可預測。冷作塑性變形在彎管外側引入殘餘拉伸應力，這必須在應力分析中與運行的工作應力疊加考慮 12。對於經歷熱循環的 B31.1 高溫蒸汽管線，這種疊加的局部拉伸應力是影響疲勞壽命的關鍵因素。

 

5.2 疲勞壽命評估與應力範圍計算

ASME B31.1 要求對管線進行彈性應力分析，以評估管線在熱膨脹或位移循環下的疲勞壽命。這涉及到計算合成縱向彎曲應力範圍 (Sb) 16。

該應力範圍的計算基於彎曲力矩和應力集中係數（SIFs）：

Sb = √[(ii Mi)2+(io Mo)2 ] 1/2    (B31.3 Eq. 5a)

計算出的 Sb 用於確定管線在給定循環次數 N 下的容許疲勞因子 f 16。如果設計應力範圍過高，則疲勞因子 f 降低，容許循環次數 N 隨之減少 16。如果彎管設計無法滿足所需的 N，工程師必須通過增加彎曲半徑、改變管線佈置以減小熱位移，或通過 PBHT 來釋放殘餘應力，從而提高疲勞裕度。

 

5.3 蠕變服務與適用性評估（FFS）的整合

蠕變考量： CDQ 專案中的某些合金材料在高溫下運行，屬於蠕變範圍服務 8。對於這類材料，冷作硬化及其殘餘應力若未經 PBHT 消除，可能會改變材料的微觀結構和狀態，從而影響其長期蠕變性能。

FFS 應用： ASME B31.1 已將 API 579-1/ASME FFS-1 標準納入參考 3。這意味著，如果在 NDE 中發現冷作彎管存在可能影響完整性的缺陷（如嚴重的金屬損失或表面裂紋），評估過程必須超越簡單的缺陷檢測。工程師必須利用 FFS 標準，通過嚴格的斷裂力學方法，預測缺陷在運行載荷和高溫蠕變條件下的行為，從而做出關於修理或繼續服役的工程決策 13。

 

6. 品質保證（QA）與非破壞性評估（NDE）協議

 

6.1 製造前提與機具資格要求

為確保冷作彎管的品質，必須建立嚴格的製造前提：

  • 機具資格： 用於彎曲的液壓或機械設備必須通過資格測試，以確保其能夠在規定的最小壁厚和橢圓度公差內，穩定、可重複地製造出合格的彎管組件 6。
  • 工法控制： 冷彎過程中的關鍵變量，包括彎曲半徑、壁厚公差、彎曲溫度（尤其對於溫度敏感的材料）和彎曲速度，都必須在 PQR 中詳細定義和控制 15。

 

6.2 非破壞性評估（NDE）方法論

在 CDQ 專案中，質量控制的焦點在於確保沒有具有不可接受缺陷的組件投入服役 13。

核心檢測要求：

  • 超聲波測厚（UT）： 應 100% 強制對高壓管線的彎曲外側進行 UT 檢查，特別是對於彎曲半徑較小（如1.5D）的組件。這項檢測用於驗證壁厚減薄是否符合 12% 或 18% 的百分比限制，更重要的是，驗證最終厚度是否滿足 tactual ≧ tm 的基本耐壓要求 7。
  • 表面檢測（PT/MT）： 對於所有在冷作中承受高拉伸應力的彎管外側，應採用液滲透（PT）或磁粉檢測（MT）來篩查潛在的微裂紋或表面不連續性。如果彎管材料要求 PBHT，則 NDE 必須在熱處理完成後進行。

 

6.3 完工後測試與文件記錄要求

壓力測試： 所有管線系統在安裝後必須進行壓力測試（水壓或氣壓） 14。B31.1 規範要求在壓力測試期間，接頭必須保持未塗層狀態，以便於檢測任何洩漏 3。

強制文件記錄： 鑑於 B31.1 管轄的嚴格要求，專案必須嚴格遵守新增的強制性附錄 Q（質量管理計畫）和附錄 R（文件、記錄和報告） 3。所有關於冷作彎管的材料證書、應變分析、PBHT 記錄和 NDE 報告，必須被視為終身記錄妥善保管，以支持未來的運行、維護和完整性評估。

 

7. 總結與建議

 

7.1 冷作彎曲程序的優化建議

為最大化 CDQ 系統的長期可靠性和設計裕度，建議工程團隊優先採用以下策略：

  1. 最大化彎曲半徑： 鼓勵設計師在管線佈置允許的範圍內，盡可能採用 3D 或更大半徑的彎曲。這不僅將壁厚減薄限制從 18% 降低到 12%，還能有效減小彎曲應變，從而降低對 PBHT 的需求並提升疲勞壽命 7。
  2. 連續監測 tm： 實施程序，確保製造過程中，每一次彎曲的實際厚度都與基於設計壓力和腐蝕餘量計算出的 tm 進行比較，而不僅僅是與公稱厚度進行百分比減薄比較。

 

7.2 PBHT規避與疲勞管理

必須將最大纖維伸長率的計算和控制視為與壁厚控制同等重要的參數。在製造前，必須建立 PBHT 決策方針：

  • PQR 鑒定： 冷彎 PQR 必須明確展示彎曲幾何形狀對最大應變的影響。若計算應變接近 5% 極限值，應在 PQR 中強制規定 PBHT，或重新調整彎曲設計以降低應變。
  • 疲勞裕度： 對於 B31.1 蒸汽管線，即使彎曲應變低於 5%，如果應力分析顯示彎管處的合成應力範圍 （Sb ）導致預期疲勞壽命（N）不足以滿足專案的設計年限，則應考慮實施 PBHT 以消除殘餘應力，從而改善疲勞因子 f。

 

7.3 最終合規結論

冷作彎管工法為中鋼 CDQ 專案提供了實現高完整性、高精度管線的優越途徑。然而，其成功取決於對 ASME B31.1 和 B31.3 複雜要求的全面理解與嚴格執行。

工程管理層必須確認所有完工的冷作彎管組件同時滿足以下三個基本維度：尺寸公差合規（橢圓度和角度）、最小壁厚要求合規（UT 驗證 tactual ≧ tm）、以及冶金應變合規（纖維伸長率控制或經認證的 PBHT）。任何一個維度的失效都將嚴重影響高壓管線的長期安全和運行可靠性。

 

參考文獻

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