實作燃氣複循環電廠中小口徑管線冷作彎管的系統化工程管理與風險控制心得報告 (Systematic Engineering Management and Risk Control Report for Cold Bending of Small and Medium-Bore Piping in CCPP)

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I. 總論與法規基礎 (Regulatory Foundation and Scope)

 

1.1 CCPP 小口徑管線 (SBP) 的功能重要性與失效風險概述

在燃氣複循環電廠 (CCPP) 複雜的熱力系統中，小口徑管線 (Small Bore Pipe, SBP)，通常定義為公稱管徑 (NPS) ≦2或 ≦4的管線，扮演著不可或缺的輔助角色。這些管線承載儀表信號線、蒸汽排氣、洩壓排放和冷凝水回流等關鍵功能。儘管尺寸較小，但 SBP 的結構完整性與電廠的運營可靠性直接相關；事實證明，SBP 的突發失效是導致主機組非計劃跳機 (Trip) 的主要原因之一 1。

CCPP 系統的運行環境具有高溫、高壓的特徵，並伴隨著頻繁的啟停和負載變動所導致的熱循環。這種動態環境，加上系統內部的高流速和壓力脈動，使得 SBP 極易遭受振動誘發疲勞 (Vibration-Induced Fatigue, VIF) 的風險 1。冷作彎管 (Cold Bending) 作為 SBP 連接的一種實作方式，相較於傳統的銲接彎頭工序，其優勢在於減少了銲縫數量，進而降低了銲道附近的應力集中風險，並改善了流體動力學性能。然而，冷作過程本身對管線材料的影響，尤其是不可避免地引入殘餘應力，必須被視為主要的潛在風險因子，需要透過嚴格的工程管理加以控制 2。

 

1.2 ASME B31.1《動力管線規範》在冷彎實作中的核心地位

CCPP 作為動力設施，其管線系統的設計、製造、安裝與檢驗必須嚴格遵循 ASME B31.1《動力管線規範》(Power Piping) 的要求。相比於 ASME B31.3（過程管線），B31.1 對於管件的製造、檢測和熱處理有著更為嚴苛的規定，特別是在高溫高壓服務的應用中 4。

冷彎操作主要受到 B31.1 第 102 條（設計要求）和第 129 條（製造和裝配）的約束。工程師在實作冷彎時，必須確保彎曲後的管線滿足嚴格的幾何要求，包括最小壁厚、最大扁平度限制，以及根據材料特性可能需要的熱處理要求 5。由於 ASME B31.1 允許的缺陷尺寸容許值較 B31.3 更小，且對於高溫管線有強制性的無損檢測 (NDT) 要求，因此，彎管的品質控制標準必須達到電力行業的最高水準 4。

 

1.3 冷作彎管實作思維的系統化層次

成功的冷作彎管實作思維應從單純的現場工法操作，提升到涵蓋設計審查、製造控制、嚴格驗證和長期運營風險緩解的系統性工程管理框架。核心目標是：第一，在彎曲過程中實現精確的應變控制，確保幾何尺寸符合規範；第二，透過適當的後處理工法（如熱處理）消除或有效減輕冷作引入的有害殘餘應力；第三，將管線的冷作歷史納入運營階段的 VIF 疲勞風險評估中，確保管線能夠在 CCPP 的惡劣動態環境下長期可靠運行。

 

II. 冷彎設計原則與規範要求：幾何與材料完整性 (Cold Bending Design Principles: Geometry and Material Integrity)

 

2.1 幾何限制詳解：壁厚減薄、扁平度 (Ovality) 與最小彎曲半徑

冷彎工法的挑戰在於，在實現預期角度的同時，最大限度地維持管線的原始承載能力。這主要通過控制彎曲部位的壁厚減薄和扁平度來實現。

2.1.1 壁厚減薄計算與控制

在管線冷彎過程中，管線的外弧 (Extrados) 由於拉伸作用會發生壁厚減薄，而內弧 (Intrados) 則會因壓縮作用而增厚 6。根據 ASME B31.1 Section 102.4 的規定，最終彎曲後的壁厚在任何點上均不得小於設計所需的最小壁厚 5。彎曲減薄餘量 (Thinning Allowance) 可根據 B31.1 Table 102.4.5 的數據進行初步估算 5。然而，此表格提供的數值僅為估算值。因此，工程實務中不能僅依賴設計計算，而必須在製造完成後，透過超音波測厚 (UT) 檢測來驗證外弧的實際最小厚度 6。這項驗證是確認管線承壓能力是否滿足設計規範的強制性品管步驟。

2.1.2 最大容許扁平度 (Flattening/Ovality)

扁平度，或稱失圓度，被定義為管線在任何橫截面上最大外徑與最小外徑之間的差異，除以管線的標稱外徑，並以百分比表示 5。ASME B31.1 Appendix III-5.2.1 針對受內部壓力的管線（CCPP 大多數 SBP 屬於此類）設定了嚴格的限制：扁平度不得超過 8% 5。一旦扁平度超過此限制，管線的抗壓能力將顯著下降，並在管壁最薄弱處引入局部應力集中，成為潛在的失效源。對於 SBP 而言，保持低扁平度尤為重要，因為其壁厚容許裕度較小。

2.1.3 最小中心線彎曲半徑 (Minimum Centerline Radius, R)

彎曲半徑 (R) 是影響冷作應變的關鍵設計參數。行業最佳實踐建議，彎曲中心線半徑應至少為管外徑 (D) 的 3 到 5 倍 (R≧3D到5D ) 2。設計階段必須極力爭取最大的彎曲半徑，以最大限度地降低冷作應變。研究表明，彎曲半徑若減少 25%，材料的塑性應變增幅可能達到 30% 3。高塑性應變是殘餘應力生成和疲勞壽命降低的直接原因，因此，最大化彎曲半徑是設計階段預防VIF風險的首要措施。

 

2.2 材料特性與冷作效應 (Material Characteristics and Cold Working Effects)

 

冷彎是一種冷加工過程，它對管線材料的機械性能和微觀結構產生顯著影響。這種加工會導致晶粒尺寸和取向的變化，從而提高材料強度（應變硬化），但同時可能降低塑性和韌性 2。

冷作引入的最重要後果是殘餘應力。在彎曲外弧處，材料被拉伸，產生殘餘拉伸應力；而在內弧處，材料被壓縮，產生殘餘壓縮應力。這種殘餘應力與 CCPP 運營中不可避免的循環應力（源自 VIF 或熱循環）疊加。殘餘拉伸應力會提高材料的平均應力水平，在高週疲勞環境下（如 VIF），這將極大地加速疲勞裂紋的萌生和擴展 3。這意味著，即使在設計時預測的 VIF 應力範圍在可接受範圍內，由冷作產生的殘餘應力也可能成為管線提前失效的短板。因此，疲勞評估必須考量冷作歷史，因為塑性應變的引入可能導致疲勞壽命下降超過 20% 3。

關鍵表格 I：冷彎管線幾何與材料限制對照表（設計驗證階段）

 

參數 (Parameter) ASME B31.1 規範要求/行業最佳實踐 控制目標與驗證方法 來源依據
最大外徑扁平度 (Ovality)  ≦8%(內部壓力管線) 必須通過卡尺/外徑 (OD) 測量驗證 5
最小壁厚 (Min. Wall Thickness) 實際厚度≧最小設計要求 UT 測量彎曲外弧 (Extrados) 實測值 5
最小中心線半徑 (R)  R≧3D至5D (建議值) 應在工程圖紙中最大化，以最小化塑性應變 2
塑性應變增幅 (Plastic Strain) 應使用有限元分析 (FEA) 模擬，目標是最小化 應變增加與疲勞壽命降低呈線性相關 3

 

III. 製造工法控制與品質保證 (Fabrication Process Control and Quality Assurance)

 

3.1 最佳冷彎工法流程與設備要求

 

為了確保 SBP 冷彎件達到 CCPP 所要求的精度和完整性，必須採用高標準的製造工法和設備。

3.1.1 高精度彎管技術的應用

CCPP SBP 的冷彎操作應優先採用高精度的數控 (NC) 或電腦數控 (CNC) 彎管機 8。這些精密設備能夠嚴格控制彎曲的速度、角度和位置，實現高達 ±0.15˚的彎曲精度 8。這種精度對於確保彎管幾何尺寸與應力分析模型高度一致至關重要。任何微小的角度或半徑偏差都可能在管線系統組裝時導致額外的預應力，進而降低其抗疲勞能力。

3.1.2 心軸與潤滑管理

對於壁厚相對較薄或要求較小彎曲半徑的 SBP，使用心軸 (Mandrel) 是防止管線在彎曲過程中發生內部塌陷或過度扁平化的關鍵措施 2。心軸能提供內部支撐，有效控制扁平度在 ASME B31.1 規定的 8% 以內 5。此外，在彎曲操作中必須使用適當的潤滑劑，以減少模具與管材之間的摩擦，防止管材表面出現刮傷 (Scoring)，進一步保護材料的表面完整性 2。

 

3.2 彎後熱處理 (Post-Bending Heat Treatment, PBHT) 的判斷與執行

 

3.2.1 PBHT 的目的與材料考量

PBHT 的主要目的是釋放冷作引入的殘餘應力，並在一定程度上恢復材料的延展性和韌性，這對於高溫高應力服務的低合金鋼或鉻鉬 (Cr-Mo) 鋼至關重要 2。Cr-Mo 鋼等材料若殘留高拉伸應力，在特定環境下可能容易發生應力腐蝕裂紋 (SCC) 或氫致裂紋 (HIC)。

3.2.2 PWHT 規範閾值與豁免條款分析

ASME B31.1 對於 P-No. 4 和 P-No. 5A 材料（常見於 CCPP 的高溫蒸汽和主給水 SBP）要求嚴格的銲後熱處理 (Postweld Heat Treatment, PWHT)。B31 Case 170 提供了針對 P-No. 4 和 5A 材料的額外 PWHT 豁免，但此豁免僅適用於公稱管徑大於 NPS 4 的情況 5。由於 SBP 的定義通常為 NPS 4 或更小，這項豁免條款事實上不適用於 CCPP 的大多數冷彎 SBP 。因此，對於 P-No. 4/5A 等合金鋼 SBP 的冷彎件，必須根據 B31.1 Table 132 的原始規定，嚴格評估並執行 PBHT/PWHT，以確保殘餘應力被有效消除 5。對於 Cr-Mo 鋼等，應使用如 Larson-Miller 參數等專業工具，確保熱處理的保溫時間和溫度足以充分鬆弛殘餘應力 9。

 

3.3 彎管作業的文件化與可追溯性 (Documentation and Traceability)

 

為了確保工程質量和未來資產完整性管理，所有的冷彎作業都必須詳細記錄。根據品質管理程序，強制性記錄應包含但不限於 11：彎曲工法與所使用的參數設定；實際達成的彎曲半徑和角度；所有執行的尺寸與無損檢測的測試結果報告；以及管線的原始材料證書 (Material Certificate) 11。這些文件記錄了管線的「冷作歷史」，是未來進行振動分析、疲勞壽命評估或失效分析時，判斷初始應力狀態的關鍵依據。

關鍵表格 II：冷彎管線製造與風險控制策略 (工程管理階段)

 

控制環節 工程管理目標 質量驗證/控制工具 風險緩解機制 來源依據
設計輸入 最大化R值 ，最小化彎曲應變 FEA 應變分析，最小半徑R≧3D 減少殘餘應力生成，增加疲勞裕度 2
製造工法 確保幾何精度和低缺陷率 CNC/NC 彎管機 (±0.15˚)，通蕊軸使用 防止過度扁平化和壁厚不均勻 8
材料恢復 消除或釋放殘餘拉伸應力 PBHT/PWHT (依據 P-No. 評估)，熱處理參數優化 預防應力腐蝕裂紋和加速 VIF 疲勞 5
品質驗證 (QA) 驗證規範符合性 UT, PT/MT, 靜水壓試驗 (1.5x 設計壓) 檢測壁厚減薄、表面裂紋、結構完整性 4
運營風險 管理 VIF 威脅 振動監測，RBI 優先級劃分 避免殘餘應力與循環應力疊加導致失效 1

 

IV. 完工品質驗證與非破壞性檢測 (Post-Fabrication Quality Verification and NDT)

 

4.1 檢測覆蓋範圍與必要性：冷彎部位的獨特性考量

 

冷彎管線的品質檢測不同於銲接管線，其焦點從檢測銲縫熔合缺陷轉移到材料的整體變形和應變所引發的缺陷。檢測必須驗證最終幾何尺寸是否符合設計規範，並確認冷作過程未在外弧部位引入微裂紋或過度的壁厚減薄 4。

 

4.2 幾何尺寸與壁厚驗證 (Geometric and Wall Thickness Verification)

4.2.1 超音波測厚 (UT) 的核心應用

超音波測厚 (UT) 是一種高效、非破壞性的檢測方法，能夠從單側精確測量管線材料的厚度 7。在冷彎管線的品質驗證中，UT 扮演著核心角色。檢測員必須在彎管中跨點的外弧 (Extrados) 處進行測量，以確認實際壁厚是否大於或等於 ASME B31.1 根據減薄餘量計算出的最小要求厚度 6。此外，UT 數據也可以作為運營期間監測腐蝕或侵蝕速率的基準線。

4.2.2 扁平度測量

扁平度的驗證需使用高精度測量工具在彎曲的關鍵橫截面進行，以確保扁平度百分比嚴格控制在 ASME B31.1 所允許的 8% 最大限制內 5。如果扁平度超標，則必須報廢或根據修復程序進行更換。

 

4.3 表面和次表面缺陷檢測 (Surface and Subsurface NDT)

 

對於 SBP 而言，冷作應變最大的區域是外弧的表面層。為了檢測冷作可能引起的微小表面缺陷，如髮絲裂紋或應變痕跡，通常採用磁粉檢測 (MT) 或液體滲透檢測 (PT) 9。PT 適用於所有非多孔材料，而 MT 則用於鐵磁性材料。在彎管外弧處，這兩種表面檢測方法是品質控制的標準防線 9。雖然 B31.1 對於非銲接收件的 NDT 要求不如對銲縫的放射線檢測 (RT) 那樣嚴格，但考慮到 CCPP SBP 的疲勞失效風險，對冷彎高應變區域進行表面檢測是行業最佳實踐。

 

4.4 壓力測試與最終驗收 (Pressure Testing and Final Acceptance)

 

ASME B31.1 強制規定，所有管線系統在安裝完成後都必須進行靜水壓試驗 (Hydrostatic Testing)。此測試要求將管線系統注滿水或不可壓縮液體，並加壓至設計壓力的 1.5 倍 4。靜水壓試驗是最終驗證管線整體結構完整性、密封性以及冷彎部位承壓能力是否可靠的強制性步驟 4。

 

V. 系統風險與資產完整性管理 (Systemic Risk and Asset Integrity Management)

 

5.1 CCPP SBP 的振動誘發疲勞 (VIF) 風險評估

 

SBP 在 CCPP 中具有固有的脆弱性。它們通常支撐不足，且靠近高能設備，是 VIF 疲勞失效的最主要來源 1。冷作彎管的實作必須與 VIF 風險管理緊密結合。

5.1.1 振動激勵源分析

在 CCPP 系統中，主要的振動源包括：

  1. 聲學誘發振動 (AIV): 這是高頻振動，通常在流體通過控制閥、安全閥或限流孔板等節流裝置導致上游到下游壓力比達到臨界值時發生，形成阻塞流 (Choked Flow)，產生高聲能 1。
  2. 流體誘發振動 (FIV): 這是低頻振動，源於管內流體的高速、不穩定流動、兩相流動、或管線內部組件（如熱電偶套管、盲端分支）引起的渦流脫落 (Vortex Shedding) 1。值得注意的是，冷彎管線本身就是流體轉向的部件，它會產生局部湍流，進一步加劇 FIV 風險 1。

5.1.2 冷彎殘餘應力對 VIF 的影響模型

殘餘應力與 VIF 的交互作用是冷彎 SBP 失效的關鍵機制。冷彎引入的殘餘拉伸應力，使得管壁在外弧處的平均應力水準升高。疲勞理論指出，在給定的循環應力範圍下，平均應力的提高會顯著縮短材料的疲勞壽命 3。因此，在 CCPP 運行的高週疲勞環境下，即使振動的循環應力範圍不大，冷作歷史帶來的塑性應變和殘餘應力也會成為疲勞失效的催化劑。工程師在進行疲勞評估時，必須納入製造過程中的塑性應變歷史，因為這已被證實會導致材料疲勞壽命降低 20% 甚至更多 3。

 

5.2 基於風險的檢驗 (RBI) 策略納入冷彎管線

 

由於冷彎 SBP 兼具內在的應力風險和外部的 VIF 威脅，其在資產完整性管理 (AIM) 框架下的風險評級應被提高。在基於風險的檢驗 (RBI) 矩陣中，冷彎管段應獲得比相同材質和尺寸的直管段或標準銲接管線更高的優先級。運營階段的檢驗策略應結合非接觸式振動傳感器監測與定期的無損檢測。特別是應定期對彎管外弧進行 UT 複測，以及表面檢查（如 PT/MT），以監測壁厚變化或應力腐蝕裂紋的早期萌生 7。

 

5.3 設計優化建議：降低應力集中與振動風險的實作措施

 

為了最大化冷彎 SBP 的可靠性，應採取以下設計與實作措施：

  1. 最大化彎曲半徑： 嚴格遵循 R≧5D的指導原則，以最小化塑性應變。較大的半徑不僅減少了殘餘應力，也有利於減緩流體湍流的產生，間接降低 FIV 的激勵 2。
  2. 策略化實施 PBHT： 對於所有高風險服務（例如 P-No. 4/5A 高溫材料）的 SBP 冷彎件，應主動規劃 PBHT，而不是依賴不適用於 SBP 的B31.1 NPS > 4 豁免條款 。充分的熱處理是釋放殘餘拉伸應力，從根本上解決 VIF 潛在失效風險的最佳途徑 10。
  3. 優化支撐與減振： 必須在冷彎管段附近、特別是彎曲開始和結束的點，設置額外的剛性或減振支撐。這有助於提高彎管的固有頻率，使其脫離 CCPP 操作中常見的低頻 FIV 振動頻帶，從而降低共振風險 1。

 

VI. 結論與建議

 

冷作彎管在燃氣複循環電廠的小口徑管線中具有顯著的工程優勢，特別是在減少銲縫和提高流體性能方面。然而，其實施必須基於對 ASME B31.1《動力管線規範》的深入理解，並將其視為一個全面的工程管理與風險控制課題。

本報告的分析得出以下核心結論：

  1. 幾何控制為基礎： 冷彎實作必須嚴格遵守 B31.1 對幾何尺寸的限制。管線扁平度不得超過 8% 5，且外弧壁厚經 UT驗證後必須滿足最小設計要求 6。設計階段應最大化彎曲半徑 (R≧5D)，以從源頭上控制塑性應變和殘餘應力的產生 2。
  2. 殘餘應力為潛在的疲勞加速器： 冷作引入的殘餘拉伸應力是 CCPP SBP 在運營中抵抗振動誘發疲勞 (VIF) 的主要障礙 3。殘餘應力提高了平均應力水準，將顯著加速裂紋萌生。
  3. PBHT 的必要性不可輕視： 對於用於高溫服務的 P-No. 4/5A 合金鋼 SBP（NPS≦4），由於 B31.1  的 PWHT 豁免條款不適用於此尺寸 ，工程師必須策略性地執行彎後熱處理 (PBHT)，以釋放殘餘應力，確保長期可靠性 10。
  4. 系統性驗證： 必須使用高精度 CNC 設備進行製造 8，並透過 UT 和 MT/PT 進行全面的品質驗證，記錄所有關鍵參數，以確保管線的可追溯性 11。

總體而言，成功的冷作彎管實踐要求工程管理層面將製造品質的控制（應變和熱處理）與運營環境的威脅（VIF）緊密連結。只有透過嚴格遵循 B31.1 規範、採用高精度製造技術，並採取積極的殘餘應力緩解措施，才能確保冷彎 SBP 在 CCPP 中實現長期的資產完整性。

 

參考文獻

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  2. Cold bending properties of ASTM A53 Gr B pipe – Longma, https://www.longma-group.com/knowledge/cold-bending-properties-of-astm-a53-gr-b-pipe
  3. Effect of bending process on the fatigue behaviour of high strength steel – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/350565559_Effect_of_bending_process_on_the_fatigue_behaviour_of_high_strength_steel
  4. What is ASME B31.1? A Guide to Power Piping Standards – PetroSync, https://www.petrosync.com/blog/what-is-asme-b31-1/
  5. ANSI/ASME B31.1, “Power Piping” American National … – NRC, https://www.nrc.gov/docs/ML0314/ML031470601.pdf
  6. ASME B31.1 Power Piping Bend – Pipeng Toolbox, http://pipeng.com/index.php/ts/itdmotdiam006l/
  7. Ultrasonic Pipe Thickness Testing – Applied Technical Services, https://atslab.com/inspection/certified-pipe/ultrasonic-pipe-thickness-testing/
  8. NC Pipe Bending Machine – Hippo Bender, https://www.hippobender.com/nc-pipe-bending-machine/
  9. RELAXATION OF RESIDUAL STRESSES AN OVERVIEW – shotpeener.com, https://www.shotpeener.com/library/pdf/1987127.pdf
  10. Liquid Penetrant and Magnetic Particle Testing at Level 2 – Scientific, technical publications in the nuclear field | IAEA, https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/TCS-11.pdf
  11. L-001et ASME B31-3 332 (Cold Bending) | PDF – Scribd, https://www.scribd.com/document/763881636/L-001et-ASME-B31-3-332-cold-bending
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