先進氣渦輪機組採用A335材質系列之冷作彎管加工技術分析(Analysis of Cold Bending Technology for A335 Material Series Used in Advanced Gas Turbine Units)

1.0 緒論：先進氣渦輪機組管路與成型挑戰

1.1 先進氣渦輪機組及其嚴苛環境

現代發電廠的核心，特別是結合複循環技術的先進氣渦輪機組，其運作仰賴於極高的溫度與壓力，以最大化熱力學效率及電力輸出。在這些極端條件下，連接鍋爐、過熱器與汽輪機等關鍵組件的高溫高壓管路，必須承受巨大的熱應力與機械應力。管路的任何失效都可能導致災難性後果，例如曾發生在某些汽輪機上的管路熱膨脹引發的對心偏差問題，其可能造成高振動，最終損害汽輪機組件，因此管線的應力與載荷分析至關重要 ¹。這類應用對管線材料的本質要求極高，其必須具備卓越的高溫強度、抗蠕變能力與抗氧化性。

1.2 高溫環境下無縫鐵素體合金鋼ASTM A335概述

ASTM A335（美國機械工程師協會ASME標準對應為SA335）是專為高溫服務設計的無縫鐵素體合金鋼管的行業標準 ²。此系列材料因其化學成分中關鍵的鉻（Chromium, Cr）和鉬（Molybdenum, Mo）元素而常被稱為「鉻鉬管」（chrome-moly pipe）²。鉻的添加賦予材料出色的抗腐蝕、抗氧化及耐熱性，而鉬則能提高鋼的彈性極限、耐磨性、衝擊韌性，並增強其在極端高溫下的抗蠕變能力 ²。

此標準涵蓋多個等級（P-grades），其中P11、P22和P91因其優異的高溫性能，在發電廠、石化處理和核能等領域被廣泛應用 ⁴。特別是P91級，它是一種先進的「蠕變強化鐵素體鋼」（Creep Strength Enhanced Ferritic, CSEF），專為超超臨界機組設計，具備超高的強度，能在高達約650°C的溫度下穩定運作 ⁶。

1.3 採用冷作彎管技術於關鍵應用的考量

傳統上，管線系統的幾何變化通常透過焊接彎頭（elbows）或透過熱作彎管（hot bending）來實現。然而，在處理像A335這類高合金鋼時，製造效率與維持材料完整性之間存在著微妙的平衡。選擇冷作彎管（cold bending）而非傳統熱作或焊接方法，是一項深思熟慮的策略性決策，其核心在於權衡製造成本與時間，以及確保材料精心設計的冶金特性不被損害。

冷作彎管在常溫下透過機械力使管線塑性變形，此過程完全避免了高溫熱處理可能帶來的風險 ¹²。像P91這樣的高階材料，其卓越性能源於精確控制的化學成分與熱處理，造就了其獨特而穩定的回火馬氏體微觀結構 ¹⁰。傳統熱作彎管通常需將材料加熱至高溫（850-1100°C），這會改變其內部晶體結構，可能降低其機械性能，並需要額外的後續熱處理（如正火和回火）來恢復 ¹⁵。因此，冷作彎管因其非熱加工的本質，能最大限度地保留基材的原始微觀結構和機械性能，這使其成為一種能夠在成型管線的同時，有效維持其高性能特性的理想方法。

2.0 ASTM A335系列材料彎管應用的技術特性

2.1 關鍵等級的化學成分與微觀結構分析

ASTM A335系列材料的性能差異主要源於其化學成分的精細調整。

P11級：主要含有0-1.5%的鉻與0.44-0.65%的鉬。該等級具有良好的可焊性與中等溫度強度，常被用於中溫發電廠鍋爐 ⁶。
P22級：鉻含量0.9-2.6%與鉬含量0.87-1.13%均高於P11級，因此具備更優異的抗蠕變與耐腐蝕性能，並常被應用於發電廠鍋爐 ⁶。
P91級：代表了該系列中最先進的材料。其標準化學成分包含8.0-9.5%的鉻和0.85-1.05%的鉬，但其超高強度的關鍵在於精確控制添加的微合金元素——釩（Vanadium）、鈮（Niobium）和氮（Nitrogen）⁵。這些元素的添加，配合嚴格的正火（normalizing）與回火（tempering）熱處理（例如，在1050°C正火後空冷至200°C，再加熱至760°C回火），使材料形成一種細緻、穩定的回火馬氏體微觀結構 ¹⁰。正是這種獨特的冶金設計，使P91能在高溫下展現出卓越的長期蠕變強度與抗疲勞壽命，使其成為超超臨界機組的理想選擇。因此，任何加工方法都必須尊重並維持這種精密的微觀結構，這使得冷作彎管成為一個特別有吸引力的選項。

2.2 機械性能分析

下表總結了ASTM A335系列中幾個關鍵等級的機械性能參數，這些數據是評估其冷作彎曲可行性的基礎。

表1：ASTM A335關鍵等級的彎曲特性

特性	P11	P22	P91 (Type 1 & 2)	參考來源
化學成分（主要）	Cr: 1.0-1.5% Mo: 0.44-0.65%	Cr: 1.9-2.6% Mo: 0.87-1.13%	Cr: 8.0-9.5% Mo: 0.85-1.05% V, Nb, N	⁵
熱處理	正火及回火或全退火	正火及回火或全退火	正火及回火，或淬火及回火	⁵
最低抗拉強度	415 MPa	415 MPa	585 MPa	²
最低屈服強度	205 MPa	205 MPa	415 MPa	²
伸長率（%）	30% min	30% min	20% min	²
最高硬度	未提供	未提供	250 HBW / 25 HRC	²

從上表可見，P91級的屈服強度（415 MPa）顯著高於P11和P22級（205 MPa）²。這種高強度特性在設計上允許使用更薄的管壁來承受相同的內部壓力，從而減輕了結構重量並降低了材料成本 ¹⁰。然而，這也為冷作彎管加工帶來了更大的挑戰：更高的屈服強度意味著在塑性變形過程中需要施加更大的機械力，同時也會導致更明顯的回彈現象和加工硬化效應 ¹⁷。

2.3 材料適用性：延展性與成形性探討

根據ASTM A335標準，此系列管道「應適用於彎曲、翻邊（vanstoning）及類似的成型操作」³。這項規定從根本上確認了這些材料具備進行冷作彎管加工的潛力。材料的彎曲成形能力與其延展性（ductility）直接相關，而延展性可由伸長率（elongation）等機械性能指標量化。儘管P91的伸長率（至少20%）略低於P11/P22，但其仍處於可塑性變形的合格範圍內 ²。這表明，雖然P91的加工難度更高，但透過精確的工藝控制，仍可成功地進行冷作彎管加工，且能保持其優異的機械完整性。

3.0 冷作彎管技術：原理、工藝與優勢

3.1 冷塑性變形的基礎力學

冷作彎管是一種在材料常溫下，利用外部機械力使其發生塑性變形，從而形成所需曲率的加工方法 ¹²。在彎曲過程中，管道橫截面的應力分佈會發生顯著變化。管外壁（extrados）承受拉伸應力，導致材料伸長與壁厚減薄；而管內壁（intrados）則承受壓縮應力，導致材料受壓變厚，並可能產生皺褶 ¹⁸。有效控制這些相對應力是維持彎管品質的關鍵。

3.2 與熱作彎管的關鍵比較分析

冷作彎管與傳統的熱作或感應彎管（hot/induction bending）在多個關鍵維度上存在根本性差異。

表2：冷作彎管與熱作/感應彎管的比較分析

特性	冷作彎管 (Cold Bending)	熱作/感應彎管 (Hot/Induction Bending)	參考來源
熱量輸入	無額外熱量輸入	必須，感應加熱至850-1100°C	¹³
工藝速度	快速，無需加熱與冷卻時間	較慢，加熱過程耗時	¹³
成本	設備與工藝較簡單，成本較低	設備複雜且昂貴，能源消耗高	¹³
尺寸精度	更高，不受熱膨脹與收縮影響	較低，冷卻後尺寸與角度可能改變	¹²
冶金影響	保留原始微觀結構，產生加工硬化	改變微觀結構，可能導致晶粒粗化	¹³
彎曲半徑	較小彎曲半徑，有極限	可實現較大或較激進的彎曲	¹³
適用範圍	小直徑與薄壁管，通常<10吋	大直徑與厚壁管，適合超大彎曲	¹³

冷作彎管的最大優勢在於它能完全避免熱效應對材料微觀結構的影響 ¹³。對於P91這類材料，其性能高度依賴於精密的熱處理所形成的回火馬氏體結構，冷作彎管能確保這種結構不受破壞，從而維持材料的高溫強度和蠕變性能，避免了後續昂貴且耗時的熱處理工序 ¹⁵。此外，冷作彎管在尺寸上提供了更高的精確度，因為它不受熱膨脹和冷卻收縮的影響，且能產生更平滑、美觀的表面 ¹²。

3.3 先進的冷作彎管工藝

旋轉拉伸彎曲（Rotary Draw Bending）： 這是最精確且廣泛使用的冷作彎曲工藝之一 ²⁰。此方法將管件一端夾緊在彎曲模具上，透過彎曲模具的旋轉，將管件圍繞模具輪廓拉伸成型。為了防止管件在彎曲過程中塌陷，通常會在管件內部插入芯軸（mandrel）以提供內部支撐 ¹²。這種方法特別適用於需要高精度與小半徑彎曲的應用，例如在汽車排氣系統和航空航太部件中 ²⁰。
滾彎（Roll Bending）： 此方法是將管件放置於一系列可調整高度和距離的滾輪之間，透過滾輪的調整來逐步產生彎曲 ¹²。滾彎通常用於需要較大彎曲弧度或多重彎曲的產品，其效率較高且製程具備連續性 ¹²。
沖壓彎曲（Press Bending）： 沖壓彎曲是一種更簡單的方法，將管件置於上下兩片具有曲度的模具之間，透過沖壓來使其彎曲成型 ¹²。雖然此方法不如旋轉拉伸彎曲精確，但它適用於需要較寬、較不複雜彎曲的結構框架與支撐件 ²⁰。

4.0 A335冷作彎管的工程挑戰與先進解決方案

4.1 回彈現象及其補償技術

回彈（Springback）是所有彎曲加工中都會遇到的普遍現象，指當彎曲力移除後，材料因其彈性而部分恢復到原始形狀，導致最終的彎曲角度小於預期 ¹⁷。對於高屈服強度的A335 P91材料，其回彈現象會特別顯著，其回彈量可能比低碳鋼大得多 ¹⁷。回彈量的大小取決於材料的彈性模量、屈服強度、壁厚與管徑比以及彎曲速度等因素 ¹⁷。

為了解決這個問題，業界已發展出多種先進的補償方案：

過彎（Over-bending）： 最直接的方法是將管件彎曲至略微超過目標角度，以在回彈後達到預期值 ²⁴。透過對每批新材料進行試彎，可以確定一個基準回彈量並將其輸入到數控系統中 ²⁴。
預補償演算法與數據驅動： 現代數控彎管機可以利用先進的演算法，基於少數測試數據點（例如30°和120°）來生成精確的回彈補償曲線 ¹⁷。這使得機器能夠精準地預測並自動補償從0°到180°的任何彎曲角度，顯著提高了「一次到位」的生產效率和首件良率 ²⁴。
電腦輔助工程（CAE）模擬： 這是最為精密的解決方案。利用有限元分析（FEA）軟體，工程師可以在加工前對彎曲過程進行虛擬模擬，預測應力分佈和回彈量 ¹⁷。這種方法減少了反覆試驗的成本與時間，並能針對複雜的幾何形狀提供最佳的製程參數，成為生產決策的核心依據 ²⁵。

4.2 尺寸異常控制：橢圓、壁厚減薄與起皺

在冷作彎管過程中，若無適當的內部支撐，管件可能會出現橢圓化（ovalization）、外壁過度減薄（wall thinning）或內壁起皺（wrinkling）等尺寸缺陷。

芯軸與防皺板： 為了解決這些問題，使用芯軸（mandrel）來為管件內壁提供支撐是不可或缺的 ¹²。芯軸能夠有效防止管件在彎曲時塌陷變形為橢圓形 ¹²。此外，防皺板（wiper dies）被用於彎曲模具的切線位置，以防止管件內側半徑出現皺褶 ²³。
先進芯軸技術： 針對更嚴苛的應用，已開發出分段式或活動關節式芯軸 ²²。這種芯軸能在彎曲過程中精確地支撐彎曲區域的內壁，從而最大限度地減少變形和塌陷 ²²。
模具材料選擇： 模具與芯軸的材料選擇對於確保表面質量至關重要。使用鋁青銅（aluminum bronze）或高硬度鋼（如45鋼、3Cr2W8V）等專用工具鋼，可以提供更好的滑動特性，減少摩擦、刮傷和卡頓，從而提高產品表面光潔度並延長工具壽命 ²³。

4.3 電腦輔助工程（CAE）與數位模擬的角色

電腦輔助工程（CAE）已成為現代冷作彎管技術的基石 ²⁶。透過CAE/FEA軟體，工程師可以在虛擬環境中對彎曲過程進行精確建模與分析。這種模擬能夠在材料實際加工前，預測在內壓作用下管件的應力分佈（基於von Mises準則）²⁸。此外，CAE還能用來評估含腐蝕缺陷彎管的爆破壓力，其分析結果與實際測試結果誤差小於5%，滿足工程要求 ²⁹。

這種虛擬化技術已演進為「數位孿生」（Digital Twin）的概念，即建立機器與工藝流程的虛擬模型，以即時模擬與預測潛在的異常或碰撞 ²⁵。這不僅能優化彎曲路徑、減少廢品率，還能透過感測器與大數據回饋，實現閉環式（closed-loop）智慧製程控制，自動進行誤差補償與參數微調，確保每一件產品都達到一致的高品質標準 ²⁵。

5.0 彎後完整性與品質保證

5.1 彎管的非破壞性檢測（NDT）標準與方法

為確保彎管在嚴苛的服務條件下的可靠性，必須採用系統化的非破壞性檢測（Non-Destructive Testing, NDT）方法，以評估其完整性而不造成永久性損害 ³⁰。

表3：彎管的非破壞性檢測（NDT）方法

方法	原理	適用性與檢測目標	優勢與局限性	參考來源
目視檢驗 (VT)	透過肉眼或輔助工具檢查表面	表面缺陷，如皺褶、裂紋、表面不均勻	簡單、快速，但無法檢測內部缺陷	³⁰
滲透劑檢測 (PT)	利用毛細作用讓滲透劑滲入表面開口缺陷	非多孔性材料（如A335合金鋼）的表面裂紋與孔隙	操作簡單，不需電源；只能檢測表面開口缺陷	³⁰
磁粉檢測 (MT)	磁場遇到缺陷產生洩漏磁場，吸附磁粉	鐵磁性材料（如A335）的表面及近表面缺陷	操作簡單快速，適用廣泛溫度；僅限於鐵磁材料	³⁰
超音波檢測 (UT)	透過高頻聲波在材料內部的傳播與反射	內部缺陷，如裂紋、夾渣、氣孔、分層	可檢測內部缺陷，精度高；需要專業設備與操作人員	³⁰

在彎曲加工後，超音波檢測（UT）尤其關鍵，因為它可以發現冷作變形可能導致的內部細微缺陷，這些缺陷無法透過磁粉或滲透劑檢測來發現 ³⁰。

5.2 彎後熱處理：必要性與目的

儘管冷作彎管避免了對材料微觀結構的熱衝擊，但冷塑性變形過程會在管件中引入殘餘拉伸應力，特別是在彎曲內側表面 ¹⁸。這種殘餘應力可能成為疲勞裂紋萌生和應力腐蝕的潛在來源 ¹⁸。因此，對於一些對疲勞壽命要求極高或存在潛在應力腐蝕風險的應用，可考慮進行低溫應力消除退火（stress relief annealing）來降低這些殘餘應力 ¹⁷。這與熱彎曲後必須進行的恢復性熱處理有根本區別，冷彎後的熱處理是為了進一步優化性能，而非恢復因加工而損害的原始性能。

5.3 遵循ASME B31.1動力管線規範

先進氣渦輪機組的管路系統屬於動力管線（Power Piping）範疇，其設計、製造、安裝與檢驗必須嚴格遵循ASME B31.1規範 ³⁴。該規範是專為高風險、高後果的工業環境（如發電站）制定的，其要求遠比其他工藝管線規範（如B31.3）更為嚴格 ³⁵。

這項規範的嚴格性體現在多個方面：例如，它採用更高的安全係數（通常為4.0，而B31.3為3.0），並將管線設計壽命延長至40年或更長 ³⁵。因此，在A335材料上進行冷作彎管加工，不僅要實現精確的幾何成型，更要確保整個製程符合B31.1的嚴格要求，包括材料驗證、應力分析、焊接控制以及全面的無損檢測 ³⁶。冷作彎管因其能夠維持材料的原始完整性，從而為符合這些嚴苛標準提供了堅實的技術基礎。

6.0 結論與建議

6.1 核心結論

本報告的分析明確指出，在先進氣渦輪機組中對ASTM A335系列材料採用冷作彎管技術是完全可行的，且具備顯著的工程優勢。此技術的核心價值在於其非熱加工的本質，能夠完整保留材料（特別是P91級）因精密熱處理而獲得的優異微觀結構和機械性能。與傳統熱作彎曲相比，冷作彎管在尺寸精度、製程效率及成本控制方面表現更佳，特別適用於中小口徑且對幾何精度要求高的管線。

雖然冷作彎管面臨回彈、橢圓化和壁厚減薄等挑戰，但透過業界發展的先進解決方案，這些問題均能得到有效管理。其中，電腦輔助工程（CAE/FEA）的預測性模擬與現代數控彎管機的智慧補償演算法，已將彎管加工從經驗導向轉變為數據驅動，顯著提高了生產的穩定性與良率。

6.2 流程選擇與品質控制的建議

基於上述分析，提出以下針對A335冷作彎管加工的實務建議：

工藝選擇： 應根據管線的具體規格和應用需求來決定。對於直徑小於10英寸、需要高精度和小半徑彎曲的A335管線，冷作彎管應作為首選。對於大口徑或厚壁管線，感應熱彎仍是更合適的選擇。
工具與工藝控制： 必須強制使用配備芯軸與防皺板的專用彎管機，以確保管件的內部支撐和外部形狀完整。建議採用先進的工具材料，如鋁青銅或特種鋼，以最大限度地減少表面損傷。在生產前，應透過試彎或CAE模擬來確定回彈補償值，並將其納入數控系統。
品質保證： 嚴格遵循ASME B31.1規範是確保產品完整性的根本。除了常規的目視檢查外，必須實施全面的NDT方案，包括磁粉或滲透劑檢測以檢查表面缺陷，以及最關鍵的超音波檢測來探查任何潛在的內部缺陷。

6.3 冷作彎管技術的未來趨勢

冷作彎管技術的發展正與「智慧製造」和「工業4.0」的浪潮深度融合。未來，結合人工智慧（AI）、大數據分析與數位孿生的彎管系統將成為主流 ²⁵。這些系統將能夠自動學習並調整製程參數，實現預測性維護，並在生產前精準預測並防止所有可能的缺陷。這種全面的數位化與智慧化將進一步鞏固冷作彎管作為高精度、高效能且冶金完整性卓越的先進加工技術地位，以滿足未來能源產業對高性能管道系統日益增長的需求。

(照片分享:燃氣複循環發電廠所使用A335.P91_XXS 依ISO圖冷作彎管所成型的SPOOL管段花絮)