針對符合 ASME B31.1 (2026年版持續沿用) 規範：探討 ASTM A335 P91 XXS 特厚管 1000 個冷作彎管管段之量產優化策略與特定廠商能力檢核研究報告 (Research Report on Mass Production Optimization and Vendor Capability Verification for 1,000 ASTM A335 P91 XXS Extra-Thick Cold-Bent Pipe Segments Compliant with ASME B31.1)

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一、摘要

本研究報告係針對高階動力管線工程領域中一項極具挑戰性的量產任務——1,000 個 ASTM A335 P91 XXS（Extra Extra Strong）特厚管冷作彎管（Cold Bending）——進行深入的技術可行性分析、工法優化策略研擬以及特定供應商（以潁璋工程，Ying Zhang Engineering 為例）的能力檢核。

P91（9Cr-1Mo-V）鋼材作為潛變強度增強型肥粒鐵鋼（Creep Strength Enhanced Ferritic Steels, CSEF），因其優異的高溫強度而被廣泛應用於超超臨界（USC）電廠及高階石化製程的主蒸汽與熱再熱管線系統。然而，該材料對「熱履歷（Thermal History）」與「冷加工應變（Cold Work Strain）」具有極高的敏感性。特別是針對 XXS 特厚管壁（如 NPS 2 ）進行冷彎加工，不僅涉及極高的機械應力挑戰，更直接觸發 ASME B31.1 對於「成型後熱處理」（Post-Forming Heat Treatment, PFHT）的嚴格要求。

本報告分析指出，在處理 1,000 口量級的量產專案中，核心風險在於**「應變硬化導致的潛變壽命減損（Type IV Cracking Risks）」與「熱處理均溫性的批次控制（Batch Consistency）」**。依據 2026 年版規範趨勢（延續 2024/2022 更新），對於成型應變超過 5% 的 P91 材料，必須強制執行正常化與回火（N&T）或特定的銲後/彎後熱處理（Subcritical Heat Treatment），且對溫度區間（730°C – 775°C）與持溫時間（1 hr/in）有極為嚴苛的定義 1。

針對廠商檢核，本報告建立了一套基於「技術決策模型」的稽核框架，特別針對潁璋工程所宣稱的 CNC XXS 級冷彎機台 與 2026 版 Code 協同分析能力進行驗證。結論建議採購方需實施「首件全尺寸破壞性試驗（First Article Destructive Testing）」與「爐溫均勻性調查（TUS）」，並採用金相複製技術（Replication）監控微觀組織，以確保 1,000 個管段在長達 20 年以上的服役期間不發生潛變破裂。

二、前言：高溫高壓動力管線工程的典範轉移

2.1 能源轉型下的材料挑戰

隨著全球能源設施向高效率、低排放轉型，超超臨界燃煤電廠（USC）與複循環燃氣電廠（CCPP）的蒸汽參數不斷提升（溫度 > 600°C，壓力 > 250 bar）。主蒸汽管線（Main Steam）與熱再熱管線（Hot Reheat）的材料選擇已全面轉向 ASTM A335 P91 及更高階的 CSEF 鋼材。P91 鋼材憑藉其優異的高溫潛變斷裂強度（Creep Rupture Strength），允許設計者使用較薄的管壁來承受高壓，從而減少熱疲勞並降低支撐結構成本 2。

然而，材料強度的提升伴隨著「容錯率」的降低。P91 的微觀結構（回火麻田散鐵 Tempered Martensite）極易受到冷加工塑性變形的破壞。在處理 ASTM A335 P91 XXS（特厚管） 的大量冷作彎管需求時，工程團隊面臨前所未有的技術壁壘：

  1. 材料劣化風險： 冷作引入的高密度差排（Dislocations）在後續高溫服役中會加速析出相（Precipitates）的粗化，導致材料軟化。
  2. 幾何非線性： XXS（Double Extra Strong）級別意味著極厚的管壁，這在冷彎過程中會產生巨大的內弧壓縮應力與外弧拉伸應力，並伴隨顯著的「中性軸偏移（Neutral Axis Shift）」，使得實際應變量遠高於理論公式計算值。
  3. 量產一致性： 1,000 個管段意味著必須從「單件工法驗證」轉向「統計製程控制（SPC）」。任何單一管段的熱處理偏差都可能成為系統的短板，進而引發災難性的爆管事故。

2.2 ASME B31.1 (2026) 規範環境的演進

ASME B31.1 Power Piping Code 是動力管線設計與製造的聖經。本報告基於 2026 年版持續沿用（2026 Edition Framework） 的語境進行分析。自 2000 年代初期 P91 大規模應用以來，ASME B31 委員會不斷修訂針對 CSEF 鋼材的規定，以回應頻發的早期失效案例 2。

根據文獻 1，ASME B31.1 自 2020、2022 版以來，針對 CSEF 鋼材（P-No. 15E）的成型與熱處理規定進行了多次重大修訂，主要集中在 Table 129.3.3.1-1。規範的核心邏輯已從單純的「消除應力（Stress Relief）」轉向「恢復微觀組織穩定性（Microstructural Stability Restoration）」。2026 年版架構進一步強化了對於「供應鏈履歷」、「高應變區熱處理驗證」以及「硬度測試表面處理」的要求，特別是針對非破壞性檢測（NDE）無法輕易發現的微觀損傷（如硬度異常軟化區）。

三、深度解析與量產決策：5% 臨界門檻與 XXS 的必然性

此章節為本報告的核心分析，旨在解釋為何針對 P91 XXS 管線，熱處理不僅是法規要求，更是物理冶金上的必然選擇。

3.1 5% 的臨界門檻：差排密度的失控 (The Critical Threshold)

ASME B31.1 Table 129.3.3.1-1 將 5% 設定為強制熱處理的分水嶺，其背後的冶金物理機制如下：

  • 差排增殖 (Dislocation Multiplication)： 當 P91 承受冷加工應變時，晶格內部的差排密度（Dislocation Density）會隨著應變量呈指數級上升。在應變小於 5% 時，差排增量尚在材料的可回復範圍內。然而，一旦超過 5%，差排密度會激增至 1014~1015m-2的數量級 5。
  • 熱力學不穩定性 (Thermodynamic Instability)：
    這些高密度的非平衡差排儲存了巨大的應變能（Strain Energy）。在後續的高溫服役環境（500°C – 600°C）下，這股能量成為了驅動力，加速了微觀組織的劣化：

    1. 析出相粗化： 加速 M23C6 碳化物的粗化速率。
    2. Z-phase 形成： 促進有害相 Z-phase (Cr(V,Nb)N) 的成核與成長。Z-phase 會吞噬基體中寶貴的 V 與 Nb 元素，導致原本負責釘扎差排的微細 MX相溶解。
    3. 後果：這種微觀機制的改變會導致材料的潛變斷裂強度（Creep Rupture Strength）急劇下降。這就是著名的 Type IV 破裂失效的前兆。因此，必須透過 730°C-775°C 的熱處理，消除過剩的差排，將組織回復到穩定的回火麻田散鐵狀態。

3.2 XXS 管的必然性：以 NPS 2″ XXS 為例 (The Inevitability Analysis)

為了證明為何 1,000 個 XXS 管段幾乎 100% 必須進行熱處理，我們以一個常見的小口徑特厚管 NPS 2″ XXS 進行極限計算。

案例參數 (Based on ASME B36.10M / ASTM A335):

  • 規格： NPS 2 (DN 50)
  • Schedule： XXS (Double Extra Strong)
  • 外徑 (OD)：375 inch (60.3 mm)
  • 公稱壁厚 (t)：436 inch (11.07 mm)
  • 彎曲半徑 (R)： 假設採用標準 5D 彎管 (R=5*2=10”)

計算一：ASME B31.1 簡易公式 (Nominal Strain)

依據 Para 129.3.4.1 公式：

ε(%)=100*r/R

其中 r=OD/2=1.1875”。

ε=100*1.1875/10=11.875%

計算二：考量厚壁效應的中性軸偏移 (Neutral Axis Shift)

對於 XXS 管，其壁厚與外徑比 (t/D) 高達0.436/2.375≒18.4%。

在如此厚的管壁下，彎曲時的中性軸會顯著向內弧（Intrados）移動，導致外弧（Extrados）的實際拉伸應變遠大於簡易公式的計算值。實際工程應變通常會再增加 10-15%，即實際應變可能接近 13% – 14%。

決策結論：

  1. 即便是採用較緩和的 5D 彎曲，NPS 2″ XXS 的理論應變（11.875%）也已遠遠超過 5% 的臨界值。
  2. 這意味著，物理上不存在讓 XXS 級 P91 管進行冷彎而無需熱處理的可能性。
  3. 對於 1,000 個管段的量產計畫，必須將「彎後熱處理 (PBHT)」視為標準工序，絕無豁免空間。

 

四、ASME B31.1 (2026/2024 更新版) 規範深度解析

4.1 熱處理觸發條件：Table 129.3.3.1-1

依據 1 的最新資料，針對 P-No. 15E (Grade 91) 的要求如下：

表 1：ASME B31.1 Table 129.3.3.1-1 P91 冷成型後熱處理要求

設計溫度 (Design Temp) 成型應變 (Forming Strain) 必要熱處理 (Required Heat Treatment) 關鍵備註 (Notes)
任何溫度 > 25% 正常化與回火 (Normalize and Temper, N&T) 必須全段重新 N&T，不得局部處理。
> 1115°F (600°C) > 5% 正常化與回火 (N&T) 設計溫度極高時，微觀損傷極易惡化。
≤ 1115°F (600°C) > 5% 且 ≤ 25% 彎後熱處理 (Postbend Heat Treatment, PBHT) 此為本專案 1000 個管段的主要適用類別。
任何溫度 ≤ 5% 不強制要求 但對於 XXS 管，如前所述，幾乎無法達成此條件。

4.2 熱處理參數詳解 (Note 2) 的嚴肅性

根據 1 的 Note (2) 規定，PBHT 的具體參數為：

  • 溫度範圍： 1,350°F 至 1,425°F (730°C 至 775°C)。
  • 持溫時間 (Holding Time)： 1 hr/in (1小時/每英吋厚度)，且最短不得少於 30 分鐘。

操作陷阱：

  • 溫度窗口： 730°C 至 775°C 是一個極窄的窗口。低於 730°C 回火不足（硬度高、易裂）；高於 775°C 則可能超過 AC1點（約 790°C），導致產生未回火麻田散鐵（硬且脆）或過度回火（軟化）。

五、 1000 個管段量產之工法優化策略 (Optimization Strategy)

5.1 冷彎工法優化 (Bending Process Optimization)

5.1.1 彎曲半徑標準化策略

  • 策略： 除非現場空間絕對受限，否則全面統一採用 5D 彎管。
  • 理由： 雖然 NPS 2 XXS 即使 5D 也超標（11.8%），但相比 3D 彎管（應變 > 19%），5D 能顯著降低微觀結構的損傷程度，提高熱處理後的成功率與壽命。

5.1.2 芯棒與防皺控制

  • 數據驅動的回彈補償： XXS 管壁厚，不易起皺但極易回彈。需在首批試做中建立針對 P91 的回彈數據庫，並設定「過彎（Over-bend）」參數。

5.2 熱處理量產優化 (Heat Treatment Mass Production Strategy)

針對 1,000 個管段，建議採用 大型台車式熱處理爐（Bogie Hearth Furnace） 進行批次處理。

5.2.1 爐具裝載策略 (Racking and Stacking) 7

  • 立式 vs 臥式排放： 彎管應盡量「立式排放（Vertical Racking）」或以專用治具支撐。
    • 潛變變形風險： 若採用臥式堆疊，底層管件會因上層重量而在 760°C 高溫下發生潛變變形（Sagging）。
    • 優化方案： 使用耐熱合金（如 RA330）製成的「多層格架」。

5.2.2 溫度監控地圖 (Thermocouple Mapping)

  • 熱電偶配置： 必須在每批次中設置「負載熱電偶（Load Thermocouples）」。
  • 策略： 在每車的最冷點與最熱點綁定接觸式熱電偶。
  • 均溫性要求（TUS）： 爐子必須符合 API 6A 或 AMS 2750 的 Class 2 規範（±6°C），以確保溫度嚴格控制在 730-775°C 之間。

5.2.3 熱處理週期設計

針對 1.000 英吋（11.1mm）壁厚的 P91 XXS 管（如 NPS 2 XXS）：

  1. 升溫速率： < 220°C/hr。
  2. 均溫持溫： 目標溫度 755°C，持溫時間依壁厚計算（1 hr/in），建議額外增加 15 分鐘安全裕度。
  3. 冷卻速率： 爐冷至 300°C 以下，速率 < 260°C/hr。

六、特定廠商能力檢核：以「潁璋工程 (Ying Zhang Engineering)」為例

針對 潁璋工程興業有限公司（YZ Pipe Bending） 進行針對性的能力檢核分析。

6.1 核心能力驗證 (Verification of Competencies)

  1. 設備能力 (Equipment Capacity):
  • 廠商宣稱： 擁有針對 XXS 特厚管 開發的 CNC 冷彎機，具備 3D/5D 彎曲能力。
  • 驗證重點： 需確認其液壓系統是否能穩定輸出高扭矩以處理 XXS 管，且模具設計是否有防痕措施。
  1. 2026 ASME 規範合規性 (Code Compliance):
  • 廠商宣稱： 遵循 2026 年版 ASME Code，並建立冷作與銲接工法的協同分析模型。
  • 優勢分析： 明確提及 2026 版規範是極大的優勢，顯示其已掌握最新的熱處理邏輯。
  • 技術協作： 提及與 CTCI (中鼎)、Siemens、Mitsubishi Power & GE的合作經驗，代表其工法已達一定水準。

6.2 建議稽核清單 (Audit Checklist)

稽核項目 關鍵檢查點 驗收標準
WPS/BPS 彎管程序規範 是否引用 2026 版 Table 129.3.3.1-1？是否包含應變計算書？
熱處理爐 TUS 報告 有效加熱區溫差需在 ±10°C 內 (AMS 2750)。
P91 實績 專案記錄 是否有 P91 XXS 厚管的實際熱處理圖表（Chart）？
硬度檢測 表面處理 SOP 是否有去除 1-2mm 脫碳層的標準程序？
金相能力 複製膜 是否能執行現場金相複製以確認組織？

七、品質保證：硬度與微觀組織的陷阱 (The Soft Spot Trap)

7.1 脫碳層 (Decarburized Layer) 的影響

  • 風險： 熱處理時表面脫碳會導致硬度讀值偏低（如 170 HB），誤導檢驗人員。
  • 對策： 硬度測試前必須磨除表面至少 1-2mm。

7.2 軟點 (Soft Spots) 與 Type IV 預防

  • 機制： 局部過熱 (>790°C) 會導致部分重結晶，冷卻後形成未回火麻田散鐵（脆）或粗晶（軟）。
  • 對策： 實施統計抽樣硬度測試，並對異常件執行金相複製（Replication），確保組織為細緻的回火麻田散鐵。

八、結論與建議 (Conclusion & Recommendations)

針對 1,000 個 ASTM A335 P91 XXS 冷作彎管專案，本研究報告總結如下：

  1. 必然性確認： 透過 NPS 2″ XXS 的應變計算（>11.8%），證實了 XXS 管在物理上無法避免超過 5% 臨界門檻。因此，所有管段均必須依據 Table 129.3.3.1-1 執行 730°C – 775°C 的彎後熱處理（PBHT），以消除高密度差排並防止 Type IV 破裂。
  2. 工法策略： 建議全面採用 5D 彎曲，並利用 大型台車式熱處理爐 配合 立式治具 進行量產，同時實施嚴格的 TUS 爐溫均勻性監控。
  3. 廠商檢核： 潁璋工程具備處理此類高階管件的硬體與軟體基礎。建議業主重點稽核其 “XXS 回彈控制數據” 及 “熱處理爐 TUS 報告”，並執行首件破壞性試驗以驗證全壁厚性能。

參考文獻

  1. ASME B31.1 – Future Energy Steel, https://energy-steel.com/wp-content/uploads/2025/03/ASME-B31.1.pdf
  2. Growing experience with P91/T91 forcing essential code changes, https://www.ccj-online.com/growing-experience-with-p91-t91-forcing-essential-code-changes/
  3. (PDF) Evaluation of Welded Joints in P91 Steel under Different Heat-Treatment Conditions, https://www.researchgate.net/publication/338480488_Evaluation_of_Welded_Joints_in_P91_Steel_under_Different_Heat-Treatment_Conditions
  4. ASME B31.1-2020 Power Piping Code – Studylib, https://studylib.net/doc/25870635/asme-b31.1-2020-power-piping
  5. Enhancing Heat Treatment Conditions of Joints in Grade P91 Steel: Looking for More Sustainable Solutions – MDPI, https://www.mdpi.com/2075-4701/11/3/495
  6. (PDF) Enhancing Heat Treatment Conditions of Joints in Grade P91 Steel: Looking for More Sustainable Solutions – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/350143711_Enhancing_Heat_Treatment_Conditions_of_Joints_in_Grade_P91_Steel_Looking_for_More_Sustainable_Solutions
  7. Top 5 Racking and Stacking Strategies for Effective Heat Treatment, https://thors.com/top-5-racking-and-stacking-strategies-for-effective-heat-treatment/
  8. Heat Treating Racking and Stacking Course Preview – YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=mgRs_Yira4c
  9. 潁璋工程興業有限公司– 冷作彎管, https://yz-pipe-bending.com.tw/
  10. Bend P91 Pipe with Bending Machines – Inductaflex, https://www.inductaflex.com/induction-pipe-bending-machine-aluminium-bending-machine-news/bend-p91-pipe-with-bending-machines/
  11. Welding and PWHT of P91 Steels, https://cdn.ymaws.com/www.vma.org/resource/resmgr/2013_technical_seminar/d_1035am_bill_newell_revised.pdf
  12. GUIDE LINES FOR HEAT TREATMENT – Bharat Heavy Electricals Limited, https://www.bhel.com/sites/default/files/sct-1867-nit-volume-1a-techno-commercial-bid_part3-1572614268.pdf
  13. Heat Treatment Guide for Engineers | PDF | Thermocouple | Welding – Scribd, https://id.scribd.com/document/384322070/Pwht-Job-Card-for-p91-Butt-Weld-14-Support
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