針對 P91 鋼管於 2026 年 ASME 規範下彎管成型應變率(ε)與熱處理(PBHT) 策略深度研究報告 (In-depth Research Report on Bending Strain Rate (ε) and Post-Bend Heat Treatment (PBHT) Strategies for P91 Steel Piping under the 2026 ASME Code)

/ Uncategorized / 作者:

一、緒論:高溫高壓電力管線材料之演進與 P91 鋼的技術定位

在現代超超臨界（USC）火力發電廠與先進石油化工設施中，管線系統必須在極端的高溫與高壓環境下穩定運行，這對材料的蠕變斷裂強度、抗氧化性以及熱疲勞壽命提出了嚴苛要求 1。Grade 91 鋼（即 P91/T91，9Cr-1Mo-V-Nb）作為一種蠕變強度增強型鐵素體鋼（CSEF），其開發旨在彌補傳統鉻鉬合金鋼（如 Grade 22）在 565°C 以上環境強度不足的缺點 3。P91 鋼的卓越性能源於其精細調節的化學成分，特別是釩（V）與鈮（Nb）的微合金化，這使得材料在經過適當的熱處理後，能形成穩定的回火馬氏體組織，並透過 M23C6 碳化物與 MX 型碳氮化物的彌散強化來抑制位錯運動 1。

然而，這種高度工程化的顯微組織對加工工法極其敏感。任何不當的冷加工變形或熱處理程序都可能導致組織軟化，進而誘發嚴重的早期失效，如著名的 IV 型開裂（Type IV Cracking） 8。隨著 2025 版 ASME 鍋爐與壓力容器規範（BPVC）的發布，以及其在 2026 年起的強制執行，對於 P91 鋼管在冷彎加工後的熱處理要求變得更為嚴格且具體 10。本報告旨在深入分析針對 0.5″ 至 8″ P91 鋼管的不同彎徑策略，評估其在應變率計算、規範符合性、冶金穩定性、流體動力學性能以及經濟效益等方面的綜合表現。

1.1 P91 合金化與顯微組織基礎

P91 鋼的成功依賴於對其相變溫度的精確掌握，特別是下臨界溫度 AC1與上臨界溫度AC3  6。合金元素如錳（Mn）與鎳（Ni）的含量會顯著降低 AC1溫度，這在進行銲後熱處理（PWHT）或回火時必須嚴加控制，以避免產生未回火的馬氏體 13。

元素 規格要求 (wt%) 技術作用
鉻 (Cr) 8.00–9.50 提供抗氧化性與耐腐蝕性 1
鉬 (Mo) 0.85–1.05 固溶強化並提高蠕變強度 1
釩 (V) 0.18–0.25 形成穩定碳氮化物，提供彌散強化 1
鈮 (Nb) 0.06–0.10 細化晶粒並增強沉澱強化 1
氮 (N) 0.03–0.07 提升高溫持久強度 3

顯微組織在正常化（Normalizing）過程中轉變為奧氏體，隨後冷卻至馬氏體轉變開始溫度MS  以下形成馬氏體 12。後續的回火處理（Tempering）則是為了降低內應力並穩定組織，使碳化物在亞晶界析出 4。冷彎過程引入的塑性應變會破壞這種精細平衡，增加能量狀態，從而加速高溫下的組織粗化與軟化 14。

二、彎管加工中的力學應變與外纖維變形分析

管材在冷彎過程中，其橫截面會發生顯著的應力分布變化。管子外側（背弧，Extrados）受拉伸應力而變薄，而內側（腹弧，Intrados）則受壓應力而增厚 17。中性軸會向內側偏移，這導致外纖維（Outer Fiber）承擔了最大的拉伸應變 19。

2.1 應變率計算模型

根據 ASME BPVC Section I Paragraph PG-19 的規定，管件冷彎後的成型應變（Forming Strain）計算公式如下：

ε = 100r/R

其中： ε = 成型應變（%）  r= 管子標稱外半徑（OD/2） R = 彎曲中心線半徑 11

對於不同彎徑比（R/D ratio），理論外纖維應變率呈現顯著差異。以 3D 彎徑（R=3D）與 5D 彎徑（R=5D）為例，其理論值計算如下：

  • 3D 彎徑：ε = 100(D/2)/3D = 16.67%
  • 5D 彎徑： ε = 100(D/2)/5D = 10%

然而，在實際工程中，由於壁厚公差（SCH 160 等高壓等級壁厚較大）以及彎曲過程中的截面畸變，實際應變率往往高於理論值 17。數據顯示，0.5″ 至 8″ 的 P91 鋼管採用 5D 彎徑時，實際應變率介於 10.78% 至 16.80% 之間，這與高壁厚管材在彎曲時的實際變形特徵相符 24。

2.2 壁厚對應變分布的影響

在厚壁管（如 SCH 160 或更高級別）中，徑向應力的影響不可忽略。較大的 t/D（壁厚與外徑之比）會導致中性軸發生更明顯的偏移，使得外纖維拉伸更為集中 1。

標稱管徑 (NPS) 外徑 (in) SCH 160 壁厚 (in) 5D 彎半徑 (in) 估計實際應變 (%)
0.5″ 0.840 0.188 4.20 10.78–12.5 23
2″ 2.375 0.344 11.88 12.0–14.2 23
4″ 4.500 0.531 22.50 14.5–15.8 23
8″ 8.625 0.906 43.13 16.0–16.8 24

這種應變率的增加直接決定了是否需要對管線進行昂貴的重新常規化與回火處理（N+T）。

 

三、2025/2026 ASME BPVC 規範下之熱處理門檻解析

2025 年版 ASME Section I 正式更新了 Table PG-20，針對 CSEF 鋼種（如 Grade 91）設立了更為細緻的冷成型後熱處理門檻 21。這些規定的核心目的在於防止高度變形的 P91 材在未經完全重新奧氏體化的情況下投入使用，因為單純的局部回火不足以修復過度扭曲的晶格結構 5。

3.1 Table PG-20 核心熱處理要求

對於 P91（UNS K90901），規範根據設計溫度與應變率劃分了以下要求 21：

  1. 設計溫度低於 540°C (1000°F)：
    • 應變率 >5%但 ≦25%：需進行彎後熱處理（PBHT/回火）。
    • 應變率 >25%：強制進行全管重新常規化與回火（N+T）。
  2. 設計溫度介於 540°C與600°C  (1115°F) 之間：
    • 應變率 >5%但 ≦20%：需進行 PBHT。
    • 應變率 ≦20%：強制進行 N+T 14。

特別值得注意的是 Paragraph PG-19.3 的「減半規則」：若無法精確計算成型應變，或成型過程中涉及顯著的壁厚減薄（如某些非標彎曲工法），則上述門檻必須減半使用 11。這意味著在保守設計下，10% 的應變就可能觸發 N+T 要求。

3.2 重新常規化與回火 (N+T) 的技術風險與成本

全管 N+T 處理涉及將整個管組件加熱至1040°C  以上，這在工程實踐中存在巨大挑戰：

  • 變形風險：在高溫下，重型管件極易發生自重下垂或幾何變形，導致預製管橋無法精確對接 5。
  • 冷卻速率控制：2025 規範新增了對 Grade 91 Type 2 材料的冷卻速率限制，要求從 900°C冷卻至 480°C的速度不得低於5°C/min  10。在大型熱處理爐內，要確保複雜幾何形狀的所有部位都達到此冷卻速度極其困難。
  • 成本負擔：全管 N+T 需動用大型熱處理爐，且包含長時間的升溫、保溫及精確冷卻控制，其成本通常是局部回火（PWHT）的 5 至 10 倍 4。

四、兩種彎徑策略的對比研究與風險評估

基於規範更新與實際工程需求，我們對兩種方案進行詳細比對：方案一為「全系列 5D 彎徑」，方案二為「5D（小管）+ 3D（大管）混合彎徑」。

4.1方案一：全系列 5D 彎徑 (0.5″–8″)

此方案的核心優勢在於將所有尺寸的應變率壓低至 20% 以下。

  • 合規性分析：最高應變率80% 遠低於 600 °C設計溫度下的 20% 門檻 21。即使考慮到 PG-19.3 的不確定性，5D 彎徑提供的安全餘裕也遠大於 3D。
  • 熱處理簡化：全系列僅需進行局部回火（PBHT），溫度範圍為 730°C至785°C  12。這可以使用柔性陶瓷加熱毯（FCP）在現場或工廠輕鬆完成，無需進入大型爐 26。
  • 技術穩健性：由於避免了 N+T，管線的顯微組織能保持母材出廠時的高質量，減少了因人為熱處理失誤（如冷卻過慢導致產生先共析鐵素體）帶來的風險 7。

4.2方案二：混合彎徑方案 (0.5″–2″ 5D; 2.5″–8″ 3D)

此方案試圖在空間利用與規範合規之間尋找平衡，但對於 P91 材料而言，這潛伏著巨大的技術債。

  • 大管應變超標風險：對於5″ 至 8″ 的管材，採用 3D 彎徑的理論應變已達 16.67%。若考慮到 SCH 160 的壁厚效應及實際背弧變薄，其實際應變率極易超過 20% 17。
  • 強制 N+T 觸發：一旦應變率跨過 20% 的紅線，整個5″ 至 8″ 的管線區段必須進行全管 N+T 21。這將導致製造週期大幅延長，且物流與熱處理成本將呈指數級增長。
  • 組織異質性：同一管線系統中存在「僅回火」與「全 N+T」兩種不同的組織狀態，增加了長期維護中蠕變監測的複雜性 5。
方案 NPS 範圍 彎徑 預計最大應變 規範門檻 (N+T) 建議熱處理
全 5D 0.5″–8″ 5D 16.80% 20% 局部回火 (PBHT) 21
混合 0.5″–2″ 5D 12.50% 20% 局部回火 (PBHT)
  2.5″–8″ 3D 21.5% (預估) 20% 強制全管 N+T 14

從上表可見，方案二在 2.5″ 以上尺寸極具風險，可能導致整個預製項目的經濟效益歸零。

五、冶金完整性與長期可靠性分析

P91 鋼的蠕變斷裂壽命高度依賴於其析出相的尺寸與分布。冷加工應變會增加材料內部的儲能，降低析出相的穩定性 14。

5.1 IV 型開裂 (Type IV Cracking) 的風險控制

IV 型開裂主要發生在焊縫的細晶熱影響區（FGHAZ）或過度變形的冷加工區 8。研究顯示，經過高應變（>15%）後的 P91 材，其在高溫運行中的軟化速率會加快 9。 採用 5D 彎徑能顯著降低初始位錯密度，使得後續的回火處理更有效地修復晶格損傷，從而提高管線對抗 IV 型開裂的能力 8。相比之下，方案二中的 3D 彎段即使進行了 N+T，若爐內溫度控制不均，仍可能產生細晶區，成為系統的薄弱環節。

5.2硬度控制與顯微組織監測

P91 鋼的硬度是其顯微組織狀態的直接體現。合格的回火馬氏體組織硬度應在 190 HV 至 250 HV 之間 1。過高的冷作應變會顯著提高初始硬度，若回火不充分，則材料脆性增加；若為了消減硬度而過度回火，則會導致強度下降 12。 5D 彎徑由於變形較為溫和，其回火後的硬度分布更為均勻，能有效避免因局部高硬度引起的應力腐蝕開裂風險 1。

六、流體動力學與運維性能評估

管線的彎曲半徑直接影響系統的總壓降與能耗。在超超臨界機組中，主蒸汽管線的壓力損失會直接降低渦輪機的熱效率 2。

6.1壓降與 K 因子分析

根據流體力學中的阻力係數（K -factor）研究，彎徑半徑越大，局部阻力損失越小 29。

彎徑類型 R/D 比 阻力係數 K (預估) 壓力降影響
3D 彎徑 3.0 0.08–0.12 較高，易產生湍流 31
5D 彎徑 5.0 0.05–0.07 較低，流動平順 27

對於高流速的過熱蒸汽管線（流速可達 60-80 m/s）， 5D 彎徑能顯著減少「迪恩渦流」（Dean Vortices）的強度，從而降低管線振動（FIV）與背弧的沖蝕風險 2。

6.2 震動與沖蝕疲勞

在高能量系統中，流體引起的震動（Flow-Induced Vibration）是管線失效的主因之一 33。3D 彎徑較窄的曲率半徑會導致更強的流動分離（Flow Separation）與壓力脈動 33。這對於 8″ 等較大尺寸的管路尤為重要，因為較大的動能配合較尖銳的彎曲轉折會產生巨大的反作用力，增加對支吊架系統的負擔 2。全系列採用 5D 彎徑可大幅緩解這些問題，提高整體系統的靜默性與安全性。

 

七、經濟考量與物流影響評估

雖然 5D 彎管占用的空間較大，且單個彎管的材料成本略高，但其帶來的系統性成本節約卻是巨大的。

7.1 熱處理與物流成本對比

進行一次全管 N+T 的費用包含以下各項：

  1. 專用運輸費：大型預製管橋需特種運輸至具備大型控制爐的熱處理廠 21。
  2. 爐內租賃費：Grade 91 的熱處理周期長，需精確控制升溫與冷卻曲線，費用極高 4。
  3. 校正費：高溫處理後發生幾何變形的機率約為 15%–20%，需進行額外的熱校正或機械校正 5。
成本項目 方案一 (全 5D) 方案二 (混合)
材料用量 較高 (彎半徑長) 較低 (彎半徑短)
彎曲工法難度 中等 高 (3D 彎曲易產生褶皺) 36
熱處理成本 低 (局部回火) 極高 (2.5″–8″ 需 N+T) 21
品質檢驗 (NDE) 標準 高 (N+T 後需全量複檢) 12
預計總成本 100% (基準) 145%–180% (受 N+T 驅動)

7.2供應鏈穩定性

在 2026 年規範全面實施後，具備合格 N+T 能力且能證明冷卻速率符合 ASME Supplement 的熱處理設施將變得極其稀缺 10。若方案二被採納，預製進度將完全受限於第三方熱處理廠的排期，這在大型電廠建設周期中是不可接受的風險。方案一則能將主動權掌握在預製廠手中，僅需使用移動式熱處理設備即可完成作業 12。

 

八、結論與策略建議

綜合對比 0.5″ 至 8″ P91 鋼管的兩套彎徑策略，研究結論明確指向「全系列採用 5D 彎徑」為最優工程路徑。

8.1核心結論匯總

  1. 規避強制 N+T：2025/2026 ASME 規範針對設計溫度高於 540°C的 P91 鋼，將應變率超過 20% 的組件列為必須重新常規化與回火的對象 14。方案一將最高應變控制在80%，安全地避開了這一昂貴且具備高度風險的程序。
  2. 確保顯微組織品質：避免 N+T 意味著保留了管材原始最優的熱處理狀態，減少了因現場大爐熱處理不當（如冷卻速率不足 5°C/min）導致材料蠕變性能大幅退化的可能性 10。
  3. 流體與結構增益：5D 彎徑提供了更優異的流動特性，降低了壓降與流體引起的震動，有利於提高發電效率並延長系統的疲勞壽命 27。
  4. 經濟效益極大化：雖然單管耗材略增，但透過免除全管 N+T、簡化物流、縮短製造周期以及降低檢驗複雜性，方案一的總成本顯著低於混合彎徑方案 4。

8.2 專業建議

針對 2026 年規範強制實施期，建議所有 P91 管線設計與預製單位採取以下行動：

  • 標準化 5D 半徑：在所有5″ 至 8″ 的 P91 規格中統一採用 5D 彎半徑，建立標準化的工法規程。
  • 加強應變監測：即使採用 5D，也應對首件產品進行精確的壁厚測量與應變核算，以符合 Paragraph PG-19.2 的數據記錄要求，避免被判定為不確定應變而受制於減半規則 11。
  • 優化局部回火程序：投資於高精度的微電腦控制感應加熱設備，確保局部回火（PBHT）的均熱區覆蓋所有受應變影響的過渡區域 12。
  • 空間配置預留：在管線佈置設計階段，應優先考慮 5D 彎徑所需的空間，將「冶金安全性」置於「佈置緊湊性」之上，以確保機組全壽命周期的運行可靠性 27。

此項研究表明，技術規範的嚴格化正在推動工程設計從單純的幾何優化轉向更深層次的冶金與全周期壽命保障，全 5D 彎徑策略正是這一趨勢下的最佳工程實踐。

 

參考文獻

  1. ASTM A335 P91 Pipe Specification (Chrome Moly Pipe) – Octal Steel, https://www.octalsteel.com/resources/astm-a335-p91-pipe/
  2. Ultimate Guide to Steam Piping Design: Engineering Considerations for 2026 – EPCLand, https://epcland.com/steam-piping-design-guide/
  3. Welding process of ASTM A335 P91 Pipe-Boiler Tubes,Heat-Exchanger Tubes,Superheater Tubes,Supplier,Beite, https://www.btboilertube.com/News/Steel_News/Welding_process_of_ASTM_A335_P91_Pipes.html
  4. P22 vs P91: Composition, Heat Treatment, Properties & Applications Exp – Metal Zenith, https://metalzenith.com/blogs/steel-compare/p22-vs-p91
  5. Fabrication, Construction, and Operation Problems for Grade 91 Fossil Power Components, https://www.researchgate.net/publication/239402195_Fabrication_Construction_and_Operation_Problems_for_Grade_91_Fossil_Power_Components
  6. Influence of Post-Weld Heat Treatment on the Mechanical Properties and Microstructure of a Seamless Pipe of an ASTM A335 Gr P91 Steel – SciELO, https://www.scielo.br/j/mr/a/pdFCPvYYPLwVy7QgTjQW4jM/
  7. ASTM A335 Grade P91 NACE Pipe Manufacturer with value-engineered pricing, https://www.sunnysteel.com/astm-a335-grade-p91-nace-pipe.php
  8. Type IV Cracking of Weldments in Enhanced Ferritic Steels – TWI, https://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/review-of-type-iv-cracking-of-weldments-in-9-12cr-creep-strength-enhanced-ferritic-steels/
  9. Review of Type IV Cracking in Piping Welds – EPRI, https://restservice.epri.com/publicdownload/TR-108971/0/Product
  10. ASME BPVC latest Edition – Major Changes – PED – Pressure Equipment Directory, https://ped-online.com/asme-bpvc-latest-edition-major-changes/
  11. ASME Sec I 2025 76 | PDF | Heat Treating | Pipe (Fluid Conveyance), https://www.scribd.com/document/935191977/ASME-Sec-I-2025-76
  12. A review of effect of welding and post weld heat treatment on microstructure and mechanical properties of grade 91 steel – SciSpace, https://scispace.com/pdf/a-review-of-effect-of-welding-and-post-weld-heat-treatment-22u9wx5l85.pdf
  13. Optimization of PWHT of Simulated HAZ Subzones in P91 Steel with Respect to Hardness and Impact Toughness – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/347574622_Optimization_of_PWHT_of_Simulated_HAZ_Subzones_in_P91_Steel_with_Respect_to_Hardness_and_Impact_Toughness
  14. Fabrication of Grade 91/92 Materials | PDF | Heat Treating – Scribd, https://www.scribd.com/presentation/323996206/Gr9192-Forming-Reqt-Mr-RaviKumar-Worked
  15. ASTM A335 Alloy Steel P91 Spool Manufacturer with value-engineered pricing, https://www.sunnysteel.com/astm-a335-alloy-steel-p91-spool.php
  16. Experimental and Numerical Analysis of Initial Plasticity in P91 Steel Small Punch Creep Samples – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/316662022_Experimental_and_Numerical_Analysis_of_Initial_Plasticity_in_P91_Steel_Small_Punch_Creep_Samples
  17. Calculation of stresses and strain with the analytical method of pipes in high frequency longitudinal welded pipes – Neliti, https://media.neliti.com/media/publications/354096-calculation-of-stresses-and-strain-with-86cfe131.pdf
  18. What Is K Factor in Sheet Metal Bending? The Ultimate Guide – SendCutSend, https://sendcutsend.com/blog/what-is-k-factor-in-bending-terminology/
  19. Everything you need to know about the K-factor | 247TailorSteel, https://247tailorsteel.com/en/about-us/knowledge-centre/blog/k-factor
  20. K-factors, Y-factors, and press brake bending precision – The Fabricator, https://www.thefabricator.com/thefabricator/article/bending/k-factors-y-factors-and-press-brake-bending-precision
  21. ASME Sec I 2025 77 | PDF | Heat Treating | Welding – Scribd, https://www.scribd.com/document/935191966/ASME-Sec-I-2025-77
  22. Calculation of forming strains of tube or pipe bends according to ASME Code Section VIII Division 1, https://www.cis-inspector.com/asme-code-calculation-forming-strain-tube-bend.html
  23. ASTM A335 P91 Seamless Pipe Supplier – Rakesh Metals, https://www.rakeshmetals.com/astm-a335-p91-seamless-pipe-supplier.html
  24. Order 8″ Nom. Schedule 160 Stainless Pipe 304 Online, Nominal, https://www.onlinemetals.com/en/buy/stainless-steel/8-nom-schedule-160-stainless-pipe-304/pid/27608
  25. ASME BPVC.I-2025 Section I: Power Boiler Construction Rules – Studylib, https://studylib.net/doc/27980335/asme-sec-i-2025
  26. ASME Pressure Vessel Fabrication Standards and Practices – Wattco, https://www.wattco.com/2025/11/asme-pressure-vessel-fabrication-standards-and-practices/
  27. 5D Bend Pipe Manufacturer with value-engineered pricing – Sunny Steel, https://www.sunnysteel.com/5d-pipe-bending.php
  28. 5D radiuis bends in the steam lines, https://www.steamforum.com/steamforum_tree.asp?master=14721
  29. https://www.maxpipefittings.com/blog/3d-elbow-vs-5d-elbow-understanding-the-differences/#:~:text=Flow%20Requirements%3A%20For%20smoother%20flow,environments%20or%20long%2Dterm%20durability.
  30. (To be removed) Hydraulic resistance in pipe bend – MATLAB – MathWorks, https://www.mathworks.com/help/hydro/ref/pipebend.html
  31. Pipe Fitting Losses – CheGuide, https://cheguide.com/piping_fitting.html
  32. 3D Elbow vs 5D Elbow: Key Differences and Applications – Max Pipes & Fittings Inc., https://www.maxpipefittings.com/blog/3d-elbow-vs-5d-elbow-understanding-the-differences/
  33. Numerical and Experimental Analysis of the Influence of Pipe Fittings on the Turbulence-Induced Vibration – ABCM Events System, http://www.sistema.abcm.org.br/articleFiles/download/11197
  34. Computational study of turbulent flow in pipe bends – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/282950530_Computational_study_of_turbulent_flow_in_pipe_bends
  35. (PDF) Flow Induced Forces on Pipe Elbows – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/377295592_Flow_Induced_Forces_on_Pipe_Elbows
  36. Steel Pipe Bend / 3D, 5D Bend (Differences with Elbow) – Octal Pipe Fittings, https://www.octalpipefittings.com/steel-pipe-bend/
  37. 3D & 5D Pipe Bend For Pipeline | PDF – Scribd, https://www.scribd.com/document/244562414/3D-5D-Pipe-bend-for-pipeline
  38. How to control cracks when weld P91 and P91 – Google Groups, https://groups.google.com/g/materials-welding/c/j_UIUkRkhX8
  39. 3d Pipe Bend vs 5d Pipe Bend: Which is Right for Your Project – Metal Forge India, https://metalforgeindia.com/3d-pipe-bend-vs-5d-pipe-bend-which-is-right-for-your-project/
購物車