依據ASME B31.1規範對A335 P91/P92管線冷彎研究 (Cold Bending Study of ASME B31.1 Piping with A335 P91/P92 Material)

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I. 摘要：P91/P92冷成形關鍵性分析

本報告旨在提供美國機械工程師協會（ASME）B31.1《動力管線規範》下，對於ASTM A335 P91和P92（統稱為P-No. 15E，蠕變強化鐵素體鋼，Creep-Strength Enhanced Ferritic Steels, CSEF）管線材料進行冷彎操作時的強制性要求、限制以及冶金學考量。

P91和P92鋼材被設計用於超超臨界（ultra-supercritical）發電廠等高溫高壓環境，其蠕變強度（Creep Strength）的維持，極度依賴於精確調控的回火馬氏體微觀結構 1。冷變形，即使是輕微的塑性應變，也會破壞這種微結構的穩定性，導致蠕變性能急劇下降。因此，ASME B31.1對P91/P92的冷彎實施了比傳統鐵素體合金更為嚴格的規定。

核心概要： 根據ASME B31.1，對於涉及顯著應變或超過特定尺寸/厚度界線值的冷彎P91/P92彎管，需要進行強制性的正火與回火（Normalizing and Tempering, N&T）熱處理，而非僅是標準的銲後熱處理（Postweld Heat Treatment, PWHT）或應力消除 1。N&T是恢復材料原始蠕變強度的關鍵步驟。不遵守或錯誤執行N&T，將會導致馬氏體板條（martensite laths）結構失穩、析出物（如MX碳氮化物）過早粗化，並顯著增加在高溫運行中遭受Type IV蠕變開裂（Creep Cracking）等災難性故障的風險 3。

 

II. ASME B31.1 CSEF鋼材A335 P91/P92法規框架

 

2.1 P91/P92的範圍與分類

ASME B31.1 標準詳細規定了動力管線系統的設計、製造、安裝和測試要求，這些系統通常用於電力生產設施中輸送高壓和高溫下的蒸汽、水、油和氣體 5。

ASTM A335 P91（9Cr-1Mo-V-Nb）和P92（9Cr-2W-V-Nb）鋼材屬於高性能蠕變強化鐵素體（CSEF）鋼家族，根據ASME鍋爐與壓力容器規範（BPVC）第IX篇，它們被分類為P-No. 15E組 6。P91和P92的優勢在於其在高達 600°C(1112°F) 的溫度下具有卓越的蠕變斷裂強度，允許設計人員顯著減小管線壁厚，從而降低熱應力並延長服役壽命 7。

P92是在P91的基礎上發展起來的，它用鎢（W）取代了部分鉬（Mo），鎢的添加提高了固溶強化效果，增強了蠕變強度 1。然而，這種成分的改變使得P92在銲接和成形過程中對熱處理的敏感性更高，製造控制更為複雜 11。P92的微觀結構是一種經過回火處理的馬氏體基體，依靠MX型和 M23C6 型析出物實現強化和穩定性 1。

 

2.2 彎曲與成形（第129段）的規定

ASME B31.1 第129.1段規定，管線可以通過任何熱彎或冷彎方法進行彎曲，只要彎曲後的表面沒有裂紋，並滿足第102.4.5段關於最小壁厚的設計要求即可 6。

針對CSEF鋼材（P-No. 15E），規範特別定義了冷彎與熱彎的溫度界線，這體現了對這類材料微觀結構穩定性的重視 6。

  • 冷彎/冷成形定義： 對於CSEF鋼材（P-No. 15E），冷彎或冷成形操作是指在低於1300°F(705°C) 的溫度下進行 6。
  • 熱彎/熱成形定義： 對於P-No. 15E，熱彎或熱成形是指在等於或高於1300°F(705°C)的溫度下進行 6。

將CSEF材料的冷熱成形溫度界限值固定為1300°F(705°C)，而不是採用傳統鐵素體合金的下臨界溫度 (Tcrit) 減去 100°F (56°C) 的方法，這表明ASME規範已正式承認這些材料的特殊敏感性。對於傳統鐵素體合金，應力消除通常足夠。然而，對於CSEF鋼材，一旦在低於 1300°F 進行了顯著的冷加工，就必須進行正火處理以完全恢復馬氏體結構，而非僅僅回火。這種規範的強制性旨在解決以往因冷加工後熱處理不足而導致的現場失效問題 2。

 

III. 冷彎極限與尺寸完整性分析

 

3.1 最大容許冷應變和PFHT(強制熱處理)的觸發條件

ASME B31.1 第129.3.3段規定了鐵素體合金管道冷彎後必須進行熱處理的尺寸標準。

強制熱處理的尺寸觸發： 冷彎和成形操作後，所有公稱管徑（NPS）大於或等於 4 英寸，或壁厚大於或等於 0.5 英寸（12.7 mm）的鐵素體合金管線，均需要進行應力消除處理（Stress-relieving treatment） 13。公稱尺寸和壁厚小於此規定的管道，可以在不進行銲後熱處理的情況下使用 13。

CSEF鋼材的應變限制： 雖然B31.1的尺寸標準要求最低限度的應力消除，但由於P91/P92材料對應變的敏感性，業界通常採用更嚴格的、基於應變的標準。

  • 製造商指出，P92管線在冷彎時，若應變在約 5% 以內，通常可以不進行銲後熱處理，但同時也強調，具體的規範要求會有所不同 1。
  • 然而，對於更極端的冷加工情況，例如最終可能需要進行完整N&T循環的情況，Grade 91的最大冷應變極限可能接近 15% 至 20% 7。需要強調的是，達到或超過 5% 應變的任何程度的冷加工，絕對必須進行充分的N&T處理，以確保高溫蠕變性能不受損。

對於關鍵的高溫P91/P92應用，設計人員應當遵循最為保守的要求。由於CSEF微觀結構損傷主要由應變驅動，因此應變超過 5% 的界限值，無論是否達到 B31.1 規定的 0.5 英寸壁厚，均應視為需要進行 N&T 處理，以確保冶金恢復和蠕變強度。

 

3.2 尺寸驗收標準

冷彎操作對管線幾何形狀的影響受到嚴格限制，以確保結構完整性。

  • 扁平度（Ovality）： 彎頭的扁平度（或稱橢圓度）定義為最大和最小外徑之間的差值，占公稱外徑的百分比 14。對於承受內部壓力的管線，扁平度不得超過 8% 14。
  • 壁厚減薄（Wall Thinning）： 彎曲後的壁厚不得小於設計計算（第4.5段）要求的最小壁厚 6。壁厚減薄主要發生在彎頭外弧（Extrados）處的拉伸區域。

P91/P92之所以被選用，正是因為其優越的蠕變強度允許設計者使用更薄的壁厚 8。因此，壁厚減薄是一個更嚴重的風險。如果彎曲導致的壁厚小於最小設計厚度（tmin），則管道在高溫下的環向應力裕度和蠕變斷裂壽命將立即受到影響，可能導致部件過早失效 7。因此，必須通過無損檢測（NDE）對彎頭外弧的厚度進行嚴格檢查。

下表總結了基於 B31.1 和相關行業規範的冷彎設計和製造限制：

表 1: 冷彎操作的尺寸及熱處理要求 (基於 B31.1)

標準 限制/要求 ASME B31.1 參考 / 來源
扁平度 (內部壓力) 不得超過公稱外徑的 8%。 Paragraph 104.2.1(B) / §III-5.2.1 14
壁厚減薄 彎曲後的厚度不得小於設計要求的厚度 (Para 102.4.5)。 Paragraph 129.1 / §III-5.2.1 6
CSEF (P-No. 15E) 冷成形溫度界限值 低於1300°F(705°C)。 Paragraph 129.3.1 6
鐵素體合金PFHT觸發 (尺寸) NPS ≧4 英寸或壁厚 ≧0.5 英寸時，強制應力消除處理。 §129.3.3 (引用自 CFR 46 §56.80-15) 13

 

IV. 冷變形引起的冶金機制與劣化風險

 

4.1 回火馬氏體微觀結構的重要性

P91/P92鋼材的卓越性能源於其精確控制的回火馬氏體微觀結構 2。這種結構的特點是：

  1. 細小的亞晶界（馬氏體板條）提供了高的位錯密度。
  2. 穩定的析出相（主要為M23C6碳化物和MX碳氮化物）在回火過程中析出，並在晶界和板條邊界上固定 1。

這些析出物能有效阻止馬氏體板條的恢復和粗化，這是確保材料長期蠕變斷裂強度的主要機制 10。

 

4.2 冷變形對微觀結構的影響

冷彎操作在管道外弧區域引入了顯著的局部塑性應變和高位錯密度 17。這種塑性變形極大地增加了內部的殘餘應力，導致材料的機械硬化和延展性降低 17。

蠕變性能退化： 當管線投入高溫運行時，冷加工引入的高位錯密度和內部應變會導致微觀結構失穩 19。這些高應變區域的微觀結構恢復（應力鬆弛）速度將快於未應變的母材，從而加速蠕變變形，顯著降低部件的蠕變斷裂壽命 1。

應力鬆弛開裂（SRC）和氫致開裂（HAC）： 冷變形產生的高殘餘應力與隨後的熱循環（如銲接或啟動）結合，會增加材料對應力鬆弛開裂的敏感性 22。此外，P91/P92的馬氏體結構在未經充分熱處理時，對氫致冷開裂（HAC）的敏感性較高 23。強制性的N&T循環通過穩定微觀結構和降低內部應力，是緩解這些風險的關鍵手段。

N&T作為微觀結構重置： 冷加工對CSEF鋼材造成的微觀結構損傷是永久性的，單純的應力消除處理（低於 AC1 溫度）不足以恢復蠕變性能。應力消除僅能緩解宏觀應力，但無法溶解和重新析出關鍵的MX強化相，也無法優化亞晶界結構 2。因此，正火（N）是必要的，它通過重新奧氏體化將晶體結構完全重置，隨後的回火（T）才能使MX和  M23C6相以最佳尺寸和分佈重新析出，從而完全恢復原始蠕變強度。

 

4.3 與高溫失效模式的關聯性

如果冷彎操作導致的受損微觀結構未能通過N&T完全恢復，組件將極易受到 Type IV 開裂的影響 3。

Type IV 開裂通常發生在組件中最薄弱的微結構區域，即銲縫附近細晶粒熱影響區（FGHAZ）或亞臨界熱影響區 4。冷彎引入的嚴重應變區域，如果未充分熱處理，其微結構可能會變得類似於蠕變強度較低的細晶粒熱影響區，成為部件蠕變壽命的限制因素。這種由彎曲引起的微觀結構劣化甚至可能比熱彎操作導致的蠕變性能下降更為嚴重 21。

P92的特殊風險： P92雖然在蠕變強度上優於P91 8，但其鎢（W）的添加和鉬（Mo）的減少使得其微結構控制更為複雜 1。製造中的任何偏差，包括冷彎後熱處理不準確，都可能使材料易於發生Type IV開裂或衝擊韌性不足，從而抵消其優勢，對品質控制提出了更高的要求。

 

V. 強制性成形後熱處理（PFHT）協議

 

5.1 法規要求與處理類型

根據ASME B31.1，對於經歷過顯著冷加工的CSEF鋼材（P91/P92），熱處理是恢復機械性能和蠕變性能的強制要求 2。

如前所述，當冷彎應變超過行業公認的安全界限值（例如 5%）或達到 B31.1 的尺寸觸發條件 13 時，所需的處理通常為正火與回火（N&T）循環 1。這是因為CSEF鋼材要求形成的管線性能必須與原始材料規範一致 13，而實現原始蠕變強度必須依賴N&T來完全重置因冷加工而受損的馬氏體結構。

 

5.2 P91 和 P92 的詳細 PFHT 循環參數

PFHT 循環必須嚴格遵守原始材料規範 ASTM A335/ASME SA-335 對 P91/P92 等級規定的 N&T 要求：

5.2.1 正火（Normalizing）循環

正火是通過將材料加熱到奧氏體化溫度以上，然後在靜止空氣中冷卻，形成細晶粒、 100% 馬氏體結構的過程 1。

  • 溫度範圍： 最小 1900°F (1040°C) 至 1975°F (1080°C) 26。
  • 目的： 完全溶解先前存在的析出物，消除冷加工留下的殘餘應變和位錯，並將受損的鐵素體結構轉變為均質的奧氏體 26。
  • 保溫時間： 必須有足夠的保溫時間以確保整個壁厚均勻轉變。通常的行業標準為每英寸厚度 1小時，最小 30 分鐘。

5.2.2 回火（Tempering）循環

回火是在奧氏體轉變溫度以下進行的熱處理，用於軟化硬脆的馬氏體，並析出穩定的碳化物。

  • 溫度範圍： 最小 1350°F (730°C) 至 1470°F(800°C) 26。
  • 目的： 釋放殘餘應力，將馬氏體結構轉化為韌性更強的回火馬氏體，最重要的是，使 M23C6 和 MX 析出物在最佳尺寸和分佈下沉澱，以確保長期蠕變抗性 1。
  • 保溫時間： 浸泡時間通常按厚度確定。對於類似的銲後熱處理，規範可能要求每毫米銲縫厚度 5 分鐘，最短 1 小時 28。精確的保溫時間必須由設計師確定，以確保完全回火和應力鬆弛。

 

5.3 加熱、冷卻控制和局部應用

ASME B31.1 第132.5段規定了強制性的加熱和冷卻速率 14。對於CSEF鋼材，控制這些速率至關重要，以避免產生溫度梯度，這可能導致熱應力開裂或不必要的相變（如 δ-鐵素體）。在熱處理過程中產生的氧化皮（Scale）必須在管線安裝前清除，以防止影響後續銲接或服役性能 13。

PFHT 的熱浸泡時間必須由被熱處理組件中最厚的截面來控制（如 B31.1 第132.4段定義的控制厚度概念） 14。對於厚壁 P91/P92 彎頭，如果未能依據正確厚度計算保溫時間，可能會導致核心區域回火不足，留下殘餘應力或未回火的馬氏體，影響長期蠕變壽命。

下表總結了 P-No. 15E（A335 P91/P92）冷加工後所需的 PFHT 參數：

表 2: P-No. 15E (A335 P91/P92) 冷加工後的成形後熱處理 (PFHT) 參數

工法步驟 目的 最低溫度範圍 最低保溫時間要求
正火 (N) 恢復完全馬氏體結構 (重新奧氏體化)。 1900-1975°F (1040-1080°C) 確保均勻熱浸泡 (通常為每英寸厚度 1 小時，最少 30 分鐘)。
回火 (T) 軟化馬氏體，消除應力，析出穩定析出物 (M23C6)。 1350-1470°F (730-800°C) 最小 1 小時，或 2.5 分鐘/毫米厚度，最短 1 小時。
PFHT 總要求 嚴重冷加工後強制要求 N&T。 遵循 B31.1 §129.3.3 及設計規範。 強制 N&T 處理 2。

 

VI. 品質控制、檢驗與文件要求

 

對於冷彎的 P91/P92 管線，嚴格的品質控制和無損檢測（NDE）是確保組件符合設計壽命的必要環節 5。

 

6.1 冷成形組件的強制性 NDE 要求

6.1.1 尺寸驗證與外觀檢查

在彎曲操作完成後、進行 PFHT 之前，必須進行以下檢查：

  • 外觀檢查（VT）： 必須檢查彎曲表面是否存在明顯缺陷，如裂紋、皺褶，並驗證扁平度（橢圓度）是否符合 8% 的最大限值 14。
  • 壁厚測量： 必須使用超聲波檢測（UT）等方法，對彎管外弧（減薄區域）進行強制性壁厚測量，確保剩餘壁厚滿足第4.5段的最小設計要求 14。由於 P91/P92 設計已經是減薄壁厚，任何進一步的減薄都對蠕變壽命構成嚴重威脅。

6.1.2 最終熱處理後的表面裂紋檢測

由於冷加工和熱處理可能導致細微裂紋或延遲氫致開裂的發生，因此在最終回火操作後必須進行表面 NDE 2。

  • 磁粉檢測（MT）或液體滲透檢測（PT）： 必須在完成最終熱處理循環並充分冷卻後進行 2。行業最佳實踐通常要求在熱處理完成後，經過一段時間的等待期（例如 48 小時）後再進行表面 NDE 31。這樣做的目的是確保在殘餘應力重新平衡期間可能發生的延遲缺陷能夠充分顯現。

6.1.3 微觀結構驗證（硬度測試）

硬度測試是最終回火處理後必須進行的一項關鍵品質檢查 30。

  • 目的： 硬度值必須落在設計規定的範圍內。如果硬度過高，可能表示回火不足，存在未回火的馬氏體，導致脆性增加；如果硬度過低，則可能表示回火過度，導致蠕變強化析出物粗化，蠕變強度下降。任何偏離規定硬度範圍的情況都應視為需要返工或重新熱處理的依據 31。

 

6.2 文件和可追溯性

對於 CSEF 鋼材，全面的文件記錄和可追溯性是強制性的 2。

  • 認證材料測試報告（CMTRs）： 必須提供起始管線材料的化學成分、機械性能和初始熱處理狀態的 CMTRs 記錄。
  • PFHT 記錄： 必須保留成形後熱處理循環的詳細記錄。這應包括：
    • 熱電偶記錄的時間-溫度圖表，證明加熱和保溫階段在指定的正火和回火範圍內均勻執行 28。
    • 符合加熱和冷卻速率限制的證明文件 14。
    • 表面 NDE（MT/PT）和最終硬度測試的結果。

下表列出了冷彎組件的無損檢測要求：

表 3: 冷彎管道的無損檢測 (NDE) 要求

檢驗類型 時機 目的 ASME B31.1/行業要求
外觀檢查 (VT) 彎曲後，PFHT前 檢查表面裂紋、皺褶和尺寸一致性 (扁平度)。 強制要求 14。
壁厚測量 (UT) 彎曲後，PFHT前 驗證剩餘厚度是否滿足最小設計要求。 強制要求 14。
表面 NDE (MT 或 PT) 最終 PFHT 後 (冷卻等待期後) 檢測成形或熱循環引起的表面裂紋。 關鍵 CSEF 管道強制要求 2。
硬度測試 最終回火後 驗證微觀結構恢復和可接受的強度/韌性平衡。 強制 QC 檢查 (例如，特定的 HRC 範圍)。

 

VII. 結論與建議最佳實踐

 

7.1 P91/P92 冷彎製造流程總結

冷彎 CSEF 管線必須遵循嚴格的製造流程，並由設計師和 QA/QC 部門驗證：

  1. 設計審查： 確認彎曲半徑和產生的應變在可接受的範圍內（例如，總應變不超過20%；若不進行 N&T，應變必須嚴格控制在 5% 以下） 1。計算最小設計壁厚 (tmin)。
  2. 冷彎執行： 必須在 1300°F (705°C) 溫度界限值以下進行彎曲操作 6。
  3. 中間 NDE： 彎曲後立即進行 VT 和 UT 壁厚測量 14。
  4. 強制性 PFHT (N&T)： 對於所有需要恢復蠕變強度的彎管，必須進行完整的正火（1900-1975°F）和回火（1350-1470°F）循環，嚴格遵守加熱/冷卻速率和依據厚度確定的保溫時間 26。
  5. 最終 NDE 和驗證： 遵守強制性的冷卻和等待時間（例如 48 小時） 31。執行表面 NDE（MT/PT）和硬度測試，以確認微觀結構已恢復 30。
  6. 文件歸檔： 整理全面的 CMTRs 和 PFHT 記錄，以備長期追溯。

 

7.2 緩解蠕變性能退化風險的建議

  1. 優先採用 N&T 而非應力消除： 對於ASME B31.1規範中，所有用於高溫蠕變服役的 CSEF 管線（運行溫度高於 900°F/482°C），即使尺寸/厚度標準僅要求進行「應力消除處理」 13，設計規格也應當強制要求進行完整的正火與回火（N&T）循環，以確保蠕變性能的完全恢復，防止過早失效。規範是最低安全要求，對於 P91/P92 而言，應採用超越最低要求的工程判斷 32。
  2. 嚴格控制冷應變： 除非設計規格特別允許，並證明 5% 以下的冷應變不會影響蠕變強度，否則應視 5% 為冷彎而不進行 N&T 的實際上限 1。超過此應變值，即應視為需要進行完整的 N&T 處理。
  3. P92 的特殊預防措施： 由於 P92 中鎢（W）的添加使其冶金控制更為複雜，其製造品質控制和對 N&T 參數的遵守必須比 P91 更為嚴格 1。這是確保 P92 能夠發揮其優越蠕變性能的必要條件。
  4. 品質保證與代碼更新： 業主和製造商必須不斷升級其質量保證流程，以符合針對 CSEF 材料不斷發展的規範修訂和行業最佳實踐 7。這些修訂通常是吸取了實際運營中失效經驗的教訓，對於確保組件的長期可靠性至關重要。

 

參考文獻

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