核電級冷作彎管ASME Section III 合規生產與檢驗流程及ITP制定指南 (Nuclear Grade Cold Bending Pipe: ASME Section III Compliance in Production, Inspection, and ITP Formulation)

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1. 概述：核電級冷作彎管的挑戰與法規基礎

 

核電廠元件的製造和檢驗涉及極高的安全標準，其中冷作彎管作為重要管線系統的一部分，必須嚴格遵循美國機械工程師協會鍋爐及壓力容器規範 (ASME BPV Code) Section III, Division 1 的規定。這些規範確保了元件在設計壽命內，特別是在應急和高應力條件下，能夠維持結構完整性。

1.1 適用範圍與元件分類

ASME Section III, Division 1 規範了核電元件的構造，其結構包括一般要求 (NCA) 以及根據安全等級劃分的特定子章節 1。元件的安全等級決定了製造、設計、檢驗和測試的嚴格程度：

  • NB (Class 1): 適用於反應爐主要冷卻系統的元件，通常要求最嚴苛的品質標準 1。
  • NC (Class 2): 適用於重要安全系統，如應急爐心冷卻系統 1。
  • ND (Class 3): 適用於維持電廠運營所需的輔助系統 1。

核電級冷作彎管的製造流程和檢驗測試計畫 (ITP) 必須明確參照適用的 NB、NC 或 ND 子章節中的要求（例如 NB/NC/ND-4200 成形要求和 NB/NC/ND-5000 檢驗要求）。

1.2 法規背書與版本控制

核電元件的建造合規性，依賴於法規的版本和時效性控制。根據 NCA-1140 的規定，業主或其指定者必須在設計規格中確立所使用的 Code 版本和增補版 (Addenda) 1。這個版本選擇受到嚴格限制：其日期不得早於核電廠施工許可證申請日期前三年，也不能晚於監管機構（如美國核能管理委員會, NRC）當時背書的最新版本 1。

這種對 Code 版本時效性的強制性鏈接，意味著製造商必須具備極高水準的版本管理和文檔控制能力。如果製造商計畫採用 Code Cases（由 ASME 開發和批准的替代方案）2，則必須確認這些 Code Cases 已獲得 NRC 或當地監管機構的正式背書。若使用尚未背書的替代方案，則必須依據 10 CFR 50.55a(z) 條款，向監管機構證明該替代方案能提供可接受的品質和安全水準，並獲得其授權使用 2。因此，ITP 必須具備完整的 Code 版本歷史、增補版和 Code Case 的核准記錄，以證明其完全符合監管要求。

1.3 品質保證體系 (QA System Mandate: NCA-4000)

冷作彎管作為一項特殊製造工法，必須在製造商的品質保證程序 (Q.S. Program) 下進行控制。依據 NCA-4000 和相關標準（如 NQA-1），Q.S. Program 必須確保所有影響品質的活動，都在適當的受控條件下執行，包括使用合適的設備、工具和技能 3。

在執行冷作彎管相關的檢測活動時，檢測人員的資格尤為關鍵。非破壞性檢測 (NDE) 人員（特別是 Level III）的資格證明必須依照雇主的程序進行認證和再認證 4。這些資格記錄是 Q.S. Program 的組成部分 5，在 ITP 中簽署任何檢測報告的人員，其資格必須可追溯至 NCA-4000 的要求，以確保檢測結果的有效性和可靠性。

 

2. 材料管制與追溯性要求

 

核電級製造的核心要求是材料的追溯性，這是確保元件設計安全性和防止不合格材料混入的關鍵防線。

2.1 材料認證與採購

冷作彎管所用的「母管」(Mother Pipe) 必須附帶經認證材料測試報告 (CMTRs/MTRs) 6。這些文件由材料製造商提供，證明材料的化學成分、機械性能以及（若適用）衝擊試驗結果，並包含完整的爐號追溯性 6。根據 NCA-3862 的要求，材料必須獲得適當認證，以符合設計和規範要求 1。

2.2 標識、標記與追溯性流程

依據 NB-4122 (Material Identification) 和 NCA-3856，當核級材料被切割或加工時，原始的爐號和其他識別標記必須準確且完整地轉移到所有新產生的零件上 1。

在冷彎作業中，由於管件將承受高應力，標記轉移的流程（例如使用低應力點打標）必須在經批准的程序中詳細規定，以避免標記區域成為應力集中點。如果在加工過程中，材料的爐號追溯性丟失，該管件將視為不合格。即使彎曲製程完美，如果無法證明材料來源符合 CMTRs 的要求，其核級身份也將無法被證實。

因此，ITP 必須設置一個強制性的Hold Point (H)，專門用於在任何加工操作（包括冷彎前的尺寸準備）之前，驗證所有標記的完整性和正確轉移。

 

步驟 活動描述 (Activity Description) 參考文件/標準 (Reference) 驗收標準 (Acceptance Criteria) QC 職責 ANI 職責
1.1 接收核對 CMTRs NCA-3862 爐號、化學/機械性能符合採購規範。 R/W W
1.2 尺寸確認與外觀檢驗 NB-4240 尺寸公差，無運輸損傷。 W M
1.3 標記轉移 (Marking Transfer) NB-4122, Approved Marking Procedure 100% 爐號標記轉移完成且清晰。 H W
1.4 彎曲設備工裝清潔 N/A 不銹鋼工裝無鋅污染 8。 M M

 

3. 冷作彎管程序資格鑑定

 

核電級冷作彎管的關鍵在於證明成形過程本身不會對材料的微觀結構和機械性能造成不可接受的損害。

3.1 資格鑑定程序依據：NB/NC/ND-4213

NB/NC/ND-4213 條款要求對成形工法進行資格鑑定，特別是針對需要衝擊韌性要求的材料。這與一些規範要求對所有成形材料進行後續測試不同 9。此類資格鑑定的目的是證明冷成形過程（包括彎曲量、半徑、速度等參數）能夠維持材料原有的衝擊韌性。

資格鑑定的程序必須包括對經歷最大應變區域（通常是彎管外弧）的取樣，並進行衝擊試驗 10。衝擊試驗結果必須符合 NB-2300 的驗收標準，包括夏比 V 型缺口衝擊能量值和側向膨脹值 11，以確保零延性轉變溫度 (RTNDT) 仍在設計要求的安全範圍內。如果程序鑑定（PQR）未能證明衝擊性能的維持，則該冷彎方法將被視為不合格，無法用於核級生產。

3.2 彎曲應變計算與界限

冷作彎曲程序書必須包含最大纖維伸長率（即彎曲應變）的計算方法。雖然 ASME Section III 對於冷成形應變值本身沒有明確的強制性臨界值 12，但業界通常參照 EN 13480 或 B31.3 的標準，其中規定鐵素體鋼若彎曲應變超過 5% 時，通常需要進行彎曲後熱處理 (PBHT) 12。對於奧氏體不銹鋼，只要成形後伸長率仍維持在 15% 以上，通常可豁免 PBHT 12。精確的應變計算是決定是否需要執行 PBHT，以及確保材料韌性不被降級的先決條件。

3.3 尺寸公差與驗收標準

冷作彎管的尺寸公差控制是品質驗收的強制性要求。

  1. 壁厚減薄 (Wall Thinning)： 彎曲操作必然導致管壁在外弧處減薄。減薄量必須在設計規格規定的最小壁厚要求內。雖然 NB/NC/ND-4233 引用設計要求，但製造商應遵循行業標準如 PFI ES-24 13，確保減薄率在規定範圍內（例如，某些標準要求最大減薄不超過名義壁厚的 5% 14）。
  2. 橢圓度 (Ovality)： 彎管截面的變形（橢圓度）必須在規範允許的公差範圍內。橢圓度過大可能導致應力集中，影響管線的承壓能力。
  3. 缺陷排除： 彎曲區域絕對不允許出現頸縮 (Necking, 管徑收縮) 或起皺 (Wrinkling) 等缺陷 8。

由於 NB-4213 允許豁免所有生產件的衝擊試驗，此程序資格鑑定必須在 ITP 中被視為最高級別的控制點。ITP 必須設定一個 Hold Point (H)，要求品質管制 (QC) 人員與授權核能檢查員 (ANI) 共同審查並批准程序資格鑑定報告 (PQR)，確認衝擊試驗結果、應變計算以及資格試件的尺寸驗收均已滿足要求。

 

4. 生產與製程控制流程

 

核電級冷作彎管的生產流程必須在高度受控的環境下執行，尤其關注工裝的清潔度、材料的放置以及彎曲後熱處理的必要性。

4.1 彎曲作業準備與控制

在開始彎曲作業前，必須確保所有相關設備和工裝均處於良好狀態。所有測量和控制設備（如壓力計、溫度計、角度儀）必須在有效的校準期內 15。

對於不銹鋼管件，用於彎曲的芯棒和模具必須確保不含鋅等低熔點金屬污染，以防止高溫或應力下的腐蝕風險 8。若使用銲管進行冷彎，為避免對銲縫造成過度應力集中，管件的縱向銲縫不應位於彎曲平面中心線軸向 30 度範圍內 8。

冷彎作業必須按照經批准的程序執行，確認彎曲溫度維持在材料下臨界溫度以下至少 100°F (約 55°C) 的冷作定義範圍內 13。

4.2 彎管後熱處理 (Post-Bending Heat Treatment, PBHT) 決策方針

是否需要執行 PBHT 是冷作彎管過程中的一個關鍵決策，主要依據 NB/NC/ND-4622 條款，取決於材料類型、厚度以及冷成形引入的應變量。

  1. 鐵素體鋼： 對於對冷作硬化敏感的鐵素體材料，如果冷成形應變超過 Code 規定的臨界值 12，或材料厚度超出 NB-4622 規定的豁免範圍 ，則強制要求執行 PWHT（應力消除熱處理），以恢復材料韌性並釋放殘餘應力 16。
  2. 奧氏體不銹鋼： 奧氏體不銹鋼通常在冷彎後可以豁免 PBHT 12。然而，在特定的腐蝕環境中或應變極高時，可能需要執行固溶退火，以消除冷作應力，防止應力腐蝕裂紋 (SCC)。

 

重新認證的強制性

如果製造過程決定對管件進行全面熱處理，例如正火 (Normalizing)、淬火和回火 (Quenched and Tempering) 或固溶退火 (Solution Annealing)，這將導致材料的原始機械性能認證失效。在這種情況下，NB-4622 規定必須對材料進行重新認證 (Re-certification) 18。重新認證要求進行新的測試，包括衝擊試驗，測試範圍必須符合對應於「鍛造管件」的材料數據規範 (MDS) 18。

由於重新認證涉及額外的測試費用和時間，製造商必須在 ITP 中將 PBHT 決策和後續的重新認證測試報告審核設定為嚴格的 Hold Point (H)，由 QC 和 ANI 共同審核。

材料類型 冷作應變/厚度判斷 ASME Code 參考 PBHT 要求/控制 ITP 管制點
鐵素體鋼 高應變或厚度超出 NB-4622 豁免範圍 NB/NC/ND-4622 強制執行 PWHT (應力消除)。 H (審核 PBHT 參數與記錄)
鐵素體鋼 低應變且厚度滿足豁免條件 NB/NC/ND-4622 審核豁免依據，並記錄。 R (審核豁免文件包)
奧氏體不銹鋼 需進行固溶退火或其他完全熱處理 NB/NC/ND-4622 強制重新認證，需進行新的 MTRs 測試。 H (審核新的 MTRs)

 

5. 檢驗與非破壞性檢測 (NDE)

 

核電級冷作彎管的檢驗要求遠超一般工業標準，主要集中在 100% 表面檢測，以確保彎曲區域沒有潛在的微裂紋。

5.1 檢驗人員資格與程序

所有非破壞性檢測 (NDE) 必須由經認證的 Level II 或 Level III 人員執行，並遵循經批准的 NDE 程序書 4。這些程序書必須符合 ASME Section V 的要求，並在 ITP 中被引用。

5.2 形成區域的 NDE 要求 (NB/NC/ND-5220)

根據 NB/NC/ND-5220 的規定，冷作彎管的成形區域必須執行極為嚴格的表面檢查。這是核級規範的強制性要求，旨在識別和排除冷作過程中可能產生的表面缺陷。

  • 檢測範圍： 必須對冷彎管的成形區域執行 100% 表面檢測 18。
    • 對於鐵素體鋼，通常採用磁粉檢測 (MT) 9。
    • 對於奧氏體不銹鋼，通常採用液體滲透檢測 (PT) 9。
  • 驗收標準： NDE 驗收標準必須符合 NB/NC/ND-5000 的要求，通常要求彎曲區域的表面沒有任何可接受的線性指示或其他不連續性 9。

與 ASME B31.3 等非核規範（可能僅要求對銲縫進行 5% 隨機射線檢測 19）相比，100% 表面檢測是核級製造中對冷作應力高風險區域的強制性控制。如果檢測發現缺陷，製造商必須立即停止該批次管件的生產，將檢測範圍擴大到 100%（如果尚未執行），並在確定缺陷原因並糾正生產流程後，才能恢復生產 18。

5.3 最終尺寸驗收

除了 NDE，所有彎管在製造完成後都必須進行 100% 尺寸檢查 18。這包括驗證整體長度、彎曲角度、中心線半徑以及關鍵的壁厚減薄和橢圓度是否符合工程圖紙和 NB/NC/ND-4233 的公差要求 13。

 

6. 核電級冷作彎管 ITP 制定與管理

 

檢查和測試計畫 (ITP) 是將設計要求轉化為可執行和可驗證的製造步驟的總體規劃文件 20。對於核電級元件，ITP 必須嚴格界定製造商、品質管制 (QC) 人員和授權核能檢查員 (ANI) 的職責。

6.1 關鍵控制點的設定與職責

ITP 必須明確標註每個關鍵活動的管制點，通常分為 Hold Point (H) 和 Witness Point (W) 21。

  • Hold Point (H, 暫停點)： 在到達此點時，工作必須停止，直到指定的檢驗方（通常是 QC 或 ANI）到場檢查並簽署批准後才能繼續進行 15。
  • Witness Point (W, 見證點)： 允許指定的檢驗方選擇性地參與或見證該活動。如果檢驗方在規定的通知期後未能到場，則工作可以繼續進行，但必須保留所有檢驗記錄。

對於安全相關 (Safety Related, SR) 的核電管線，彎管作業本身被視為強制性的 QC Hold Point 15。ANI 通常會根據元件的安全等級和製造商的歷史表現，將此點指定為 H 或 W。

ITP 的任何更改，特別是針對 H 或 W 點的修改，都必須通過正式的文件變更控制程序 (如 PCN/TPCN) 進行，以確保監管鏈的不可破壞性 15。

6.2 核電級冷作彎管 ITP 範本：關鍵活動與管制點

以下表格概述了核電級冷作彎管 ITP 中必須包含的關鍵活動、驗收標準，以及 QC 和 ANI 的參與程度。

 

步驟 活動描述 (Activity) 參考文件/標準 驗收標準 (Criteria) QC 職責 (H/W) ANI 職責 (H/W)
A.1 冷彎程序書提交與批准 Bending Procedure, NB-4213 PQR 衝擊性能符合 NB-2300，尺寸公差合格。 H (批准) A (批准)
B.1 彎曲前材料接收與清潔度 NCA-3862, NB-4240 CMTRs 完整，爐號可追溯，工裝清潔 8。 H W
B.2 彎曲前標記轉移驗證 NB-4122, Approved Marking Procedure 爐號轉移 (100% 驗證) 1。 H W
B.3 冷彎作業執行 (SR Piping) Approved Procedure 設備校準有效，最大應變監控，無頸縮 14。 H 15 H 或 W 15
B.4 PBHT 決策與執行/記錄 NB-4622 滿足豁免條件，或 PBHT 爐記錄符合要求。 H R/W
C.1 彎曲後 100% 表面 NDE (PT/MT) NB/NC/ND-5220, NDE Procedures 彎曲區域無可接受的線性指示 18。 H W
C.2 最終尺寸/橢圓度檢測 PFI ES-24/Drawings 滿足圖紙及 Code 公差要求 (100% 檢查) 18。 W R
D.1 文件包審核與最終報告 NCA-4000, NPP-1 Data Report 22 所有檢驗記錄齊全，符合 Code 要求。 R A (最終簽署)

 

7. 結論與最終文件書冊

 

制定核電級冷作彎管的 ITP 是一個高度複雜的過程，它將 ASME Section III 的嚴格設計要求與實際製造過程中的品質控制點緊密結合。成功的合規製造不僅依賴於正確執行單個步驟，更取決於整個品質管理體系的協同運作。

7.1 最終文件書冊 (Data Report Package)

製造商必須編纂一個完整的最終文件彙整，作為組件符合 ASME Section III 規則的法律證據。此文件包必須由持有 NPT 證書的製造商授權代表和 ANI 簽署最終的 Code Data Report（如 NPP-1 表格）22。

關鍵文件組成部分包括：

  1. 經 ANI 批准的 ITP 及所有簽署頁。
  2. 經認證的材料測試報告 (CMTRs) 和完整的標記轉移記錄。
  3. NB-4213 冷彎程序資格鑑定報告 (PQR)，特別是衝擊試驗結果。
  4. 所有 NDE 報告 (包括 100% 表面檢測結果) 18。
  5. 100% 尺寸和公差檢查報告。
  6. PBHT 記錄（若適用）或 NB-4622 豁免文件。

7.2 實施建議

為確保核電級冷作彎管生產流程的長期合規性，建議採取以下措施：

  1. 建立缺陷應急機制： ITP 應包含針對 NDE 或尺寸檢測失敗的明確糾正措施流程。該流程必須詳述如何確定缺陷根源，如何擴大檢測範圍，以及如何實施必要的製程修復 18。
  2. 持續人員資格維持： 依照 NCA-4000 的要求，持續對執行特殊工法（如冷彎、NDE）的人員進行再培訓和資格維持，以確保其專業能力持續符合標準 3。
  3. 推動數字化管理： 考慮採用數字化文檔系統，實現 ITP 的電子化管理和追溯性數據的實時採集 7。這對於核電廠數十年壽命週期內，維持記錄的完整性和可檢索性，是至關重要的。
  4. 工裝與設備的核級要求： 對於不銹鋼等對污染物敏感的材料，應嚴格控制所有接觸材料的工裝和設備，確保其符合清潔度和材料相容性要求 8。

 

參考文獻

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  7. What are the compliance requirements for traceability in pipe fabrication? – PipeCloud, https://pipecloud.fi/what-are-the-compliance-requirements-for-traceability-in-pipe-fabrication/
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  11. Impact Test Acceptance Criteria for ASME VIII Div 1 Pressure Vessel? API 510, API SIFE Exam – YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=ozRTB9oXVcY
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