船舶、燃氣發電廠與化工廠冷作彎管製造與規範差異分析報告

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摘要

 

本研究旨在比較船舶、燃氣發電廠 (依循 ASME B31.1) 和化工廠 (依循 ASME B31.3) 三個主要工業領域在冷作彎管製造標準與要求上的差異性。分析結果顯示，儘管 ASME B31.1 與 B31.3 在橢圓度 (Ovality) 等公差要求上存在相似處 (如最大允許 8% 1)，但對於管壁減薄的計算與限制、彎管後熱處理門檻 (例如：應變超過 5% 時需熱處理 2)，以及最終壓力試驗的壓力倍數上，各規範因應其操作環境 (高溫高壓或製程多樣性) 而有所側重。此外，船舶行業更強調船級社規範對冷彎硬化管材進行應力消除熱處理的要求，以確保海上作業的結構完整性 3。本研究亦探討了不同行業特有的潛在故障機制，如電廠系統的熱疲勞 4，以及高壓管線的失效模式轉變 5。

 

一、前言

 

管線系統是工業生產和運輸設施的核心骨幹。在管線佈設中，彎管是不可或缺的元件，其製造品質直接影響系統的安全性與壽命。冷作彎管因其經濟性及效率，被廣泛應用。然而，船舶、燃氣發電廠和化工廠由於操作環境、流體性質及法規要求迥異，對彎管的技術標準存在顯著差異。本研究即針對這三個領域，比較其在規範適用性、製造公差、熱處理需求和壓力測試上的異同。

 

二、規範與應用背景

 

管線系統設計與製造的核心要求由各行業所採納的工程標準和法規確立。

 

2.1 產業別與核心工程規範

 

產業別 主要應用範圍 核心工程規範或標準
船舶/海事 燃油、海水、潤滑油管路等 國際船級社規範（如 Lloyd’s Register、DNV、ABS）6
燃氣發電廠 蒸汽、給水、高溫高壓管路 ASME B31.1 (Power Piping) 8
化工廠 製程流體、公用設施管路、化學輸送 ASME B31.3 (Process Piping) 8

 

2.2 規範重點差異

  • 船舶與海事： 船用管線需符合船級社的嚴格要求，特別針對冷作硬化後的管材，船級社規範通常要求在水壓試驗前進行適當的熱處理，以消除內部應力 7。
  • ASME B31.1 (電廠管線)： 專注於發電設施中高溫、高壓等嚴苛操作條件 8。由於潛在的嚴重後果，設計通常採用較為保守的安全裕度。
  • ASME B31.3 (化工製程管線)： 適用於多樣化的製程環境，在設計彈性上較1 更高，但相較 B31.1，其安全係數相對較低 8。

 

三、冷作彎管技術參數比較

 

冷作彎管的結構完整性主要受控於幾何形狀的變形程度，包括橢圓度和管壁減薄。ASME B31.1 和 B31.3 在此方面均有明確限制 1。

 

3.1 製造公差與完整性要求

 

公差參數 ASME B31.3 (化工廠) ASME B31.1 (電廠) 規範差異性備註
橢圓度 (Ovality) 內壓管線：最大允許公稱外徑的 8% 1 內壓管線：通常為 8% 1 兩者在橢圓度上常採用相似或相同的最大值 1。對於外壓管線，B31.3 要求更嚴格，僅 3% 11。
管壁減薄 (Wall Thinning) 彎曲半徑 (R) 為 5D 或更大：不超過 10% 11。

R 為 3D：不超過 21% 11。

 通常最大為 12% 1。 兩者允許的最大減薄量隨彎曲半徑和壁厚要求而異。B31.1 有特定的最小厚度計算公式 12。
褶皺 (Wrinkles) 彎管內側褶皺深度 (波峰至波谷) 不得超過公稱管徑的 1.5% 11。 建議的最大波高 (Max vertical height) 不得超過公稱管徑的 3% 13。 兩者均禁止出現摺痕或波紋狀彎管 11。

 

3.2 彎管後熱處理與材料考量

ASME B31.3 允許冷作或熱作彎管，並設定了應變門檻：當彎曲應變超過 5% 時，通常需要進行彎管後熱處理 2。

  1. 船舶與硬化管材： 船級社 (如 Lloyd’s Register) 要求經冷彎硬化後的銅管需退火 (Annealed)，銅合金管需退火或應力消除熱處理，以消除內部應力 3。
  2. 不鏽鋼： 奧氏體不鏽鋼若經加熱彎曲，除非設計規範另有要求，否則可在「As-bent」（未經後續熱處理）狀態下使用 14。
  3. 高強度材料： 對於某些高硬度材料，如 4130 鉻合金 (常見於海上應用)，冷作彎曲可能無法實施，需採用熱成形 (Hot Forming) 或感應彎曲 (Induction Bending) 等工藝。感應彎曲透過電磁線圈對窄環帶加熱至高溫後彎曲成型 1。

 

3.3 壓力測試要求

冷作彎管後，系統需進行壓力測試以驗證結構完整性。雖然兩種 ASME 標準的水壓試驗壓力倍數相同，但在氣壓試驗倍數上有所不同 10。

 

測試類型 ASME B31.1 (電廠) ASME B31.3 (化工廠)
水壓試驗壓力 設計壓力的 1.5 倍 10 設計壓力的 1.5 倍 10
氣壓試驗壓力 設計壓力的 1.2 至 1.5 倍 10 設計壓力的 1.1 至 1.33 倍 10

 

四、故障機制與行業風險分析

 

不同行業的管線系統，其彎管部位潛在的故障模式亦有所差異：

  1. 燃氣發電廠 (ASME B31.1)： 主要風險之一是熱疲勞。核電廠管線系統曾在不同溫度流體湍流混合點出現熱疲勞損傷的案例 4。這種高週次、高頻率的熱負荷可能導致管線破裂 4。
  2. 化工廠與一般高壓管線 (ASME B31.3)：
    • 屈曲/褶皺： 冷作彎管在壓縮側容易因應力集中產生褶皺 5。
    • 失效模式轉變： 對於高壓管線，內壓會影響其失效模式。在內部壓力較高 (例如大於等於 67% 指定最小屈服強度 SMYS) 的情況下，失效模式可能會從傳統的壓縮側屈曲轉變為張力側斷裂 5。
  3. 綜合風險： 無論在任何行業，如果彎管過程中的累積應變 (accumulated strain) 未達材料的極限應變，管線仍可能因疲勞、漸進式管線移動或屈曲處的高應力集中而失效 19。

 

五、結論

 

船舶、電廠和化工廠的冷作彎管規範差異，體現了各行業對安全係數、操作環境和材料特性的權衡。船舶行業的規範側重於消除冷作硬化後的應力；電廠 (B31.1) 則因應高溫高壓，在某些公差和安全裕度上更為嚴格；而化工廠 (B31.3) 則在製程複雜性下提供了更大的設計彈性，尤其在壓力測試倍數及公差要求上與 B31.1 略有不同。理解這些規範差異，對於確保各行業管線系統的長期可靠性和安全性至關重要。

 

參考文獻

  1. Pipe and Round Tube Bending – Bend It Inc, https://benditinc.com/pipe-and-round-tube-bending/
  2. Piping Code Comparison EN 13480 – ASME B31.3, https://www.energy.gov/sites/default/files/2024-08/Report%20-%20EN%2013480%2C%20ASME%20B31%20Comparison%20-%2021%20A.pdf
  3. rules and regulations for the classification of special service craft – UPCommons, https://upcommons.upc.edu/bitstreams/508bf50a-aaf1-4d4e-856d-de6162354867/download
  4. Final Report of the NESC-Thermal Fatigue Project, EUR22763., https://www.nrc.gov/docs/ml1233/ML12335A522.pdf
  5. Numerical Analysis of Pressurized Cold Bend Pipes under Bending to Investigate the Transition from Compression to Tension Side Failures – ASCE Library, https://ascelibrary.org/doi/10.1061/9780784413357.175
  6. DNV-RP-D101: Structural Analysis of Piping Systems – Engineering.com, https://files.engineering.com/download.aspx?folder=141c8b4e-ee62-461f-b228-633465309a30&file=dnv_rp_d101_structural_analysis_of_piping_systems.pdf
  7. Rules, regulations and standards for ships | LR – Lloyd’s Register, https://www.lr.org/en/knowledge/lloyds-register-rules/
  8. ASME B31.1 vs. ASME B31.3: Know the Piping Design Codes – Future Energy Steel, https://energy-steel.com/asme-b31-1-vs-asme-b31-3-know-the-piping-design-codes/
  9. Power Piping ASME Code for Pressure Piping, B31, https://haisms.ir/images/iso/638800062948430981ASME%20B31.1-2024.pdf
  10. ASME B31.3 vs. ASME B31.1: What’s the Difference? – ALEKVS Machinery, https://www.alekvs.com/asme-b31-3-vs-asme-b31-1-whats-the-difference/
  11. ASME B31.3 Process Piping Guide – LANL Engineering Standards, https://engstandards.lanl.gov/esm/pressure_safety/Section%20REF-3-R0.pdf
  12. PIPE BENDING METHODS, TOLERANCES, PROCESS AND MATERIAL REQUIREMENTS, https://asbending.com/wp-content/uploads/2023/09/PFI-ES-24-Pipe-Bending-Methods-Tolerances-etc.pdf
  13. The Key to Successful Bending Practices – Engineering Services LP, https://engineeringserviceslp.com/wp-content/uploads/2020/11/PAPER-BENDING.pdf
  14. 46 CFR § 56.80-15 – Heat treatment of bends and formed components., https://www.law.cornell.edu/cfr/text/46/56.80-15
  15. Induction Bending and Fabrication – Proclad Integrated Engineering Solutions, https://www.proclad.com/pro-blogs/induction-bending-and-fabrication
  16. Pipe Bending and Fabrication: Techniques and Applications, https://asbending.com/pipe-bending-techniques-and-applications-in-industry/
  17. Pressure Test: Hydrostatic and Pneumatic Test Requirements – ARANER, https://www.araner.com/blog/pressure-test-hydrostatic-pneumatic-requirements
  18. A Special Thermal Fatigue Failure Mode of Pipe in Nuclear Power Plant and Its Countermeasures – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/351178579_A_Special_Thermal_Fatigue_Failure_Mode_of_Pipe_in_Nuclear_Power_Plant_and_Its_Countermeasures
  19. ASSESSMENT AND ANALYSIS OF PIPLINE BUCKLES – PPSA online, https://ppsa-online.com/papers/2007-2-Yablonskikh.pdf
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