中鋼 CDQ 專案 P91 冷彎與電銲技術數據比較及其 2026 ASME 規範基準技術建議書研究報告 (Research Report on the Technical Data Comparison of P91 Cold Bending and Electric Welding for the CSC CDQ Project: Technical Proposal Based on 2026 ASME Code Standards)

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一、緒論:專案背景與 P91 材料在 CDQ 系統中的關鍵應用

在現代鋼鐵工業的高效能與節能減排趨勢下，中國鋼鐵股份有限公司（CSC，以下簡稱中鋼）持續推動焦爐乾法熄焦（Coke Dry Quenching, CDQ）技術的優化與升級。CDQ 系統不僅是一項重大的環保投資，旨在抑制焦炭冷卻過程中的大氣污染，更具備顯著的廢熱回收能力，能有效提升焦炭品質並產出高壓、高溫蒸汽供發電或製程使用 1。在 CDQ 專案的運作過程中，紅熱焦炭（約 1,000°C）在冷卻室中與循環惰性氣體進行熱交換，受熱後的惰性氣體隨後進入餘熱鍋爐，產生高壓蒸汽（壓力範圍通常在 170 bar 至 230 bar，溫度達 540°C 至 600°C） 3。

為了支撐如此嚴苛的運作環境，CDQ 專案的蒸汽管線與鍋爐外部管線（Boiler External Piping, BEP）必須採用具備優異高溫蠕變強度、抗氧化性及熱疲勞壽命的材料。改良型 9Cr-1Mo 鋼（Grade P91/T91，UNS K91560）因其獨特的蠕變強度增強型肥粒鐵（Creep Strength Enhanced Ferritic, CSEF）特性，已成為中鋼及全球電力產業的主流選擇 6。與傳統的 2.25Cr-1Mo（P22）合金相比，P91 材料在高溫環境下展現出極高的許用應力，這使得設計者能顯著減少管線壁厚（減薄率可達 50% 以上），進而減輕管系自重與支吊架負載，並提高熱疲勞壽命達 10 至 12 倍 5。

然而，P91 材料的優異性能高度依賴於其精確的顯微組織——回火麻田散鐵（Tempered Martensite）以及分佈極其細密的 MX 型碳氮化物（V(C,N)與Nb(C,N) ）與  M23C6碳化物 7。在 CDQ 專案的現場施工中，管線必須經過冷彎（Cold Bending）或電銲（Welding）等加工程序。這些熱機械處理過程若未能嚴格遵循標準，將會破壞其精細的顯微組織，導致材料在高溫運轉過程中發生早期失效，特別是發生在銲接熱影響區（HAZ）的 Type IV 蠕變開裂 12。

本報告旨在針對中鋼 CDQ 專案中 P91 材料在冷彎與電銲兩種加工技術進行深度的數據對比與技術分析，並以即將於 2026 年 1 月正式生效的 2025 年版 ASME 規範為核心基準，為業主提供全方位的技術建議，確保系統在長達 30 至 40 年的設計壽命內保持結構完整性與運作安全 15。

二 、P91 材料之冶金特性與 2026 ASME 規範基準演進

2.1 P91 材料的化學成分與組織穩定性機制

P91 鋼材的成功在於其精密的合金化設計。9% 的鉻（Cr）含量提供了卓越的抗氧化性與高溫強度，而 1% 的鉬（Mo）則增強了固溶強化效果並抑制了蠕變變形 6。釩（V）與鈮（Nb）的加入是其成為「蠕變強度增強型」鋼材的關鍵，這些元素與氮（N）結合形成極其穩定的 MX 沉澱相，能有效釘紮亞晶界（Sub-grain boundaries），阻止高溫下的位錯運動 7。

根據 ASME Section II Part A 以及最新的產業趨勢，P91 分為 Type 1 與 Type 2。Type 2 在 2026 年 ASME 規範中受到了更多的關注，其對微量雜質元素如錫（Sn）、銻（Sb）、砷（As）以及鋁（Al）的含量有著更為嚴苛的限制（Al 通常要求低於 0.02%），以防止有害相的析出並確保長期的衝擊韌性 6。

元素 P91 Type 1 規範要求 (wt%) P91 Type 2 規範要求 (wt%) 冶金學功能與 CDQ 關聯性
鉻 (Cr) 8.00 – 9.50 8.00 – 9.50 提供抗在高溫蒸汽下的氧化能力 6
鉬 (Mo) 0.85 – 1.05 0.85 – 1.05 增強高溫蠕變抗力與熱穩定性 6
釩 (V) 0.18 – 0.25 0.18 – 0.25 形成 MX 沉澱物釘紮位錯 7
鈮 (Nb) 0.06 – 0.10 0.06 – 0.10 抑制晶粒粗化，穩定麻田散鐵組織 7
氮 (N) 0.030 – 0.070 0.035 – 0.070 形成氮化物，提升持久強度 10
鋁 (Al) 0.020 max 0.020 max 限制 Al 含量以保護 V/Nb 的沉澱效果 6
錳 (Mn) 0.30 – 0.60 0.30 – 0.50 影響變態溫度與淬硬性 10

2.2 2026 ASME 規範之核心變動分析

ASME 鍋爐與壓力容器規範（BPVC）每兩年更新一次。2025 年版規範將於 2025 年 7 月發布，並於 2026 年 1 月 1 日成為強制標準 15。針對 P91 等 CSEF 材料，2026 年規範引入了多項顯著的技術變革：

  1. 冷卻速率的強制性限制： 在 Section II Part A 中，針對 SA-182、SA-213、SA-335 等規範下的 P91 Type 2 材料，強制要求在沃斯田鐵化（Austenitizing）處理後，從 1650°F (900°C) 降溫至 900°F (480°C) 的冷卻速率不得慢於 9°F/min (5°C/min) 16。這一更新旨在確保材料能完全轉化為麻田散鐵，避免產生初析肥粒鐵（Proeutectoid Ferrite），從而確保設計預期的蠕變性能 16。
  2. Section V NDE 技術的整合： 新規範將全矩陣捕捉（Full Matrix Capture, FMC）的要求從 Article 4 移至 Article 3，並新增了針對在役檢測（In-service inspection）的 C 子節 16。這對於 CDQ 專案長期運轉過程中的 P91 銲縫監控至關重要。
  3. Section VIII 與1 的協調： 2025/2026 版規範強調了更清晰的組織結構與術語定義（如 Subcritical Heat Treatment），這使得工程師在擬定熱處理計畫（PWHT）時能有更精確的依據 23。

2.3 P91 的關鍵變態溫度對加工之意義

P91 的加工必須嚴格參考其相變態溫度。任何加熱過程若接近或超過下臨界溫度（AC1），都會導致組織的重新分配與軟化。

  • AC1 (下臨界溫度)： 約為 800°C 至 830°C。PWHT 溫度必須低於此點，否則會產生部分沃斯田鐵，冷卻後形成未回火的高硬度麻田散鐵 22。
  • AC3 (上臨界溫度)： 約為 900°C 至 940°C。全沃斯田鐵化區 22。
  • MS與Mf  (麻田散鐵變態起迄溫度)：  MS約為 400°C， Mf約為 100°C 6。在銲接後的冷卻過程中，必須先冷卻至  Mf以下確保完全變態，方可進行 PWHT 26。

三、P91 電銲技術深度分析與數據對比

3.1 銲接熱循環對 P91 顯微組織的衝擊

在中鋼 CDQ 專案現場，管線對接銲接通常採用手工電弧銲（SMAW）與鎢極氬弧銲（GTAW）的組合 28。銲接熱循環會在銲縫周圍形成一個複雜的熱影響區（HAZ），這個區域是 P91 系統中最薄弱的環節。根據加熱溫度的不同，HAZ 可細分為五個區域，其組織與性能存在顯著差異 11。

  1. 熔合區 (Fusion Zone, WZ)： 完全熔化後重新凝固。若填充金屬與母材匹配良好（如 E9015-B9），則在 PWHT 後可獲得與母材相當的強度 28。
  2. 粗晶熱影響區 (Coarse-Grained HAZ, CGHAZ)： 加熱溫度遠高於 AC3。MX 沉澱物完全溶解，晶粒劇烈長大。此區脆性最高，且容易在銲後冷卻過程中產生裂紋 26。
  3. 細晶熱影響區 (Fine-Grained HAZ, FGHAZ)： 加熱溫度略高於 AC3。晶粒微細化，但 MX 沉澱物未能完全溶解。此區域在長期運行中極易發生 Type IV 開裂 14。
  4. 臨界區 (Intercritical HAZ, ICHAZ)： 加熱溫度在 AC1與  AC3之間。組織部分轉化為沃斯田鐵，冷卻後形成極不穩定的混合組織，硬度顯著下降 11。
  5. 過回火區 (Over-tempered Zone)： 加熱溫度低於 AC1 但高於回火溫度。原有的 M23C6 碳化物發生粗化，降低了材料的強度 22。

3.2 2026 ASME 規範下之銲接製程參數要求

針對 P91 的高硬化性（碳當量 Ceq≒1.96），必須採取嚴格的預熱與銲後處理 28。

製程步驟 2026 ASME 基準 / 最佳實踐建議 技術理由與數據來源
銲接材料選擇 GTAW: ER90S-B9 / SMAW: E9015-B9 確保化學成分匹配，維持 9Cr-1Mo-V-Nb 體系 28
預熱溫度 200°C – 300°C (不低於 150°C) 驅除水分，降低冷裂紋敏感性 27
層間溫度 控制在 200°C – 300°C (Max 350°C) 防止熱影響區過熱導致組織劣化 6
銲後氫烘烤 (DNH) 300°C 保持至少 2-4 小時 防止擴散氫誘發遲延裂紋 6
PWHT 溫度 730°C – 770°C (或依 ASME B31.1 Table 132) 消除應力並回火麻田散鐵，硬度降至 < 275 HBW 27
PWHT 升降溫率 ≦55°C/hr (高於 300°C 時) 防止過大的熱應力導致管線變形或開裂 28

3.3 Type IV 開裂風險及其監控數據

Type IV 開裂是 P91 銲縫最隱蔽且致命的失效模式。這種開裂通常發生在 FGHAZ 與母材的過渡區，由於該區域的蠕變抗力顯著低於母材與銲縫金屬 12。在 CDQ 高溫運轉環境下，長期應力會導致該區空洞化，最終發生無塑性變形的脆性斷裂 14。

研究數據顯示，P91 銲縫在 600°C 運轉時，其強度削減係數（Weld Strength Reduction Factor, WSRF）可能低至 0.6 至 0.7 13。這意味著在設計時，銲縫處的許用應力必須大幅下修。這進一步強化了「減少現場銲道數量」的設計必要性。

四、P91 冷彎技術數據與應變控制

4.1 冷彎過程中的力學行為與硬化效應

冷彎（Cold Bending）是指管線在室溫下通過彎管機（如 CNC 抽芯彎管機）利用機械力強行改變其形狀 36。對於 P91 這種高硬度、低延展性的合金鋼，冷彎會導致顯著的加工硬化（Work Hardening）與殘餘應力累積 37。

冷彎後的主要技術數據變化如下：

  • 硬度升高： 變形區域的位錯密度增加，導致硬度通常會從母材的 220 HBW 升高至 280-320 HBW 34。
  • 壁厚減薄： 彎曲外弧（Extrados）會因拉伸而減薄，而內弧（Intrados）則因壓縮而增厚 39。
  • 組織畸變： 顯微鏡下可見拉長的麻田散鐵板條，這會降低材料的熱穩定性，導致在 CDQ 高溫運行中更快發生蠕變軟化 29。

4.2 ASME B31.1 對於冷彎後的熱處理強制要求

中鋼 CDQ 專案屬於高壓動力管線，受 ASME B31.1 規範管轄 17。新規範對冷彎後的處理提出了基於外層纖維應變（Outer Fiber Elongation）的嚴格要求。

外層纖維應變計算公式為：

ε=100*r/R

其中  r為管線外徑之半，R 為中線彎曲半徑 39。

根據 ASME B31.1 第 129.3 節，若 P91 管線冷彎應變超過 5%，或者管徑大於 NPS 4，則必須執行熱處理 43。針對 P91 這類 P-No. 15E 材料，通常要求執行以下兩種處理之一：

  1. 次臨界熱處理 (Subcritical heat treatment)： 即 PBHT，溫度通常在 730°C 至 780°C，旨在消除殘餘應力。
  2. 完全熱處理 (Full N+T)： 對於應變極大的區域（如 R≦3D），必須重新進行 1,050°C 常規化與 760°C 回火，以恢復原始的冶金特性 6。

4.3 冷彎與電銲的尺寸公差對比數據

在 CDQ 安裝中，尺寸精確度直接影響系統的應力分佈 17。冷彎在大直徑、厚壁管加工上存在顯著的回彈（Springback）與橢圓度控制難題 36。

尺寸指標 電銲組對 (銲接) 冷彎 (Cold Bending) 2026 ASME/業界標準要求
最小壁厚 (tmin) 受對正公差與銲縫餘高限制 外弧側顯著減薄 不得低於直管計算所需最小壁厚 39
橢圓度 (Ovality) 無顯著影響 彎曲中心區易發生變形 通常要求 ≦8% 39
角度公差 取決於對接精度 取決於機器補償能力 ±0.5° 39
壁厚減薄公差 不適用 通常為 12.5% 以內 必須滿足設計壓力下之treq  46

五、感應熱彎（Induction Bending）的技術優勢與數據比較

鑑於冷彎對 P91 材料的變形硬化以及電銲對組織的熱破壞，感應熱彎（Hot Induction Bending）已成為中鋼 CDQ 專案中最具競爭力的技術選項 39。

5.1 感應熱彎的製程機制

感應熱彎利用感應線圈對管線進行局部環形加熱（溫度通常控制在 1,000°C 至 1,100°C，即沃斯田鐵區），同時施加推力使管線繞彎 40。隨後利用壓縮空氣或水進行即時冷卻，確保材料轉化為麻田散鐵 39。

其核心數據表現優於其他工法：

  • 減少 75% 銲縫： 感應彎管可以在一根長直管上製作多個彎度，大幅減少了現場對接銲縫的數量，降低了 Type IV 開裂的潛在故障點 39。
  • 組織均勻性： 彎管後整件進行 N+T 熱處理，組織的一致性遠高於銲接熱影響區 39。
  • 壁厚與橢圓度： 由於高溫下金屬流動性好，橢圓度可控制在 1% 左右，壁厚減薄也更易於預測 39。

5.2 三種加工工法之性能綜合對比 (Table)

評價指標 電銲對接 (銲接) 室溫冷彎 (Cold Bend) 感應熱彎 (Induction Bend)
高溫蠕變抗力 最低 (HAZ 為弱點) 中 (視熱處理完整性) 最高 (近母材性能) 6
殘餘應力水平 極高 (必須 PWHT) 高 (需應力消除) 低 (經全管熱處理) 33
施工速度 慢 (需預熱/銲接/PWHT) 快 (一次成型) 中 (需專業設備加工) 37
檢驗成本 (NDE) 最高 (100% RT/UT) 最低 (測厚/磁粉) 中 (測厚/組織鑑定) 41
流體壓降 高 (短半徑肘管) 低 (長半徑彎管) 最低 (5D/10D 大半徑) 49
長期運轉安全性 較低 (Type IV 風險) 中 (變形硬化風險) 優 (組織穩定性高) 12

六、2026 ASME 規範下的品質保證與先進 NDE 技術

在 CDQ 專案的業主監督中，傳統的 NDE 方法已不足以確保 P91 的施工品質。2026 ASME 規範在檢驗技術上提供了更強大的支援 16。

6.1 全矩陣捕捉 (FMC) 與 全聚焦法 (TFM)

2025/2026 版 ASME Section V 強化了對 FMC 技術的要求。相較於傳統的超音波探傷（UT），FMC 能記錄每個晶片發射與接收的完整數據集，再透過 TFM 演算法進行全域聚焦成像 16。

  • CDQ 應用價值： 對於 P91 的 FGHAZ 區域，TFM 能提供更高的解析度來識別早期的蠕變微空洞（Creep Voids），這在以往只能透過極其繁瑣的表面金相複製（Replication）才能達成 16。

6.2 硬度測試的侷限與顯微組織評估

ASME B31.3 與 B31.1 對 P91 銲後硬度有著約 200 至 275 BHN 的建議區間 34。

  • 警告事項： 單純的硬度合格並不代表熱處理完全正確 32。例如，如果材料被加熱到 AC1以上，冷卻後形成的「 fresh martensite」可能讓硬度看起來正常，但其蠕變持久強度已大幅下降 25。
  • 技術建議： 應要求包商在關鍵銲道與彎管受力區進行 100% 的可攜式硬度測試，並隨機抽取 5% 進行表面金相複製檢驗，以確證麻田散鐵板條組織的完整性 31。

七、業主技術建議書：中鋼 CDQ 專案 P91 加工指引

基於對 2026 ASME 規範的深入解讀與技術數據比較，本研究為中鋼業主提出以下具體技術建議：

7.1 材料採購階段之關鍵控管

  • 優先採用 P91 Type 2： 在採購合約中必須載明採用 SA-335 P91 Type 2 材料，利用其更嚴格的化學成分限制來降低有害相沉澱的風險 18。
  • 強制要求冷卻速率數據： 要求鋼廠提供的 MTC 報告中必須包含根據 2026 ASME 規範要求的 ≧5°C/min冷卻曲線，以確保原始母材組織的優質性 16。

7.2 管線系統設計與佈置優化

  • 實施「銲縫最小化」策略： 在設計初期即應規劃儘可能使用冷彎技術或感應熱彎管（Induction Bends）替代銲接肘管（Elbows）。建議彎曲半徑設定為 3D 或 5D，以進一步降低應力集中與流體湍流產生的磨損 39。
  • 評估冷彈簧（Cold Spring）技術： 對於高溫管系，考慮適當的冷彈簧安裝，以減輕在工作溫度下銲縫所承受的持久應力，延緩 Type IV 開裂的萌生 32。

7.3 銲接施工之嚴格監管

  • 自動化加熱監控系統： 現場銲接與熱處理應強制使用配備多點熱電偶（TC）的自動溫度控制設備。層間溫度的上限（300-350°C）應列為核心關鍵停工待檢點（Hold Point） 27。
  • PWHT 溫度的精準控制： PWHT 溫度應精確設定在 750°C – 770°C 之間。嚴禁超過 800°C 以防止進入臨界區導致材料報廢 22。

7.4 冷彎加工之應用限制

  • 大管徑厚壁管限制冷彎： 對於 NPS 12 (DN300) 以上或壁厚大於 20mm 的 P91 管線件，建議禁止採用現場冷彎，統一改由工廠端感應熱彎並進行完整 N+T 37。
  • 冷彎後的組織恢復要求： 若採用冷彎，應根據 2026 規範執行高溫應力消除；若應變 ε>25%，必須強制要求重新進行全管常規化與回火，嚴禁僅做局部回火處理 32。

7.5 先進檢驗技術的導入

  • 建立 FMC/TFM 初始指紋： 針對 CDQ 系統的蒸汽出口集箱銲縫與第一道彎頭銲縫，應採用 FMC 技術進行基線檢測（Baseline inspection），將其數位數據存檔，作為未來 150,000 小時運轉評估的對比依據 16。
  • 強化表面複製金相檢驗： 對於任何硬度測試數值異常（低於 190 或高於 285 HBW）的區域，應立即啟動表面金相複製檢驗，評估 MX 沉澱相分佈與亞晶粒狀態 31。

八、結論

中鋼 CDQ 專案 P91 管線系統的成功運行，取決於其顯微組織的精確維持。電銲技術雖然具有現場施工的便利性，但其帶來的 Type IV 開裂風險是 P91 的「阿基里斯之腱」，必須透過嚴格的預熱、層間溫度控制以及精準的 PWHT 才能緩解 12。冷彎技術雖能避免銲接熱影響，但其導致的變形硬化與殘餘應力同樣需要高品質的應力消除處理 37。

本研究結論指出，以 2026 ASME 規範為基準，感應熱彎憑藉其組織均勻性、低銲縫數量以及優異的尺寸控制，應作為 CDQ 專案的主導工法 39。同時，配合 FMC/TFM 等先進 NDE 技術的應用，中鋼將能有效地監控 P91 材料在長期高溫下的演化規律，防患於未然。

最終，建議中鋼建立專門的 P91 施工品質手冊，並針對包商的人員資質與設備精度進行年度審查，確保所有熱加工過程均在 ASME 規範的安全框架內運行。

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