高爐爐壁內襯冷卻管在ASME B31.3規範下冷作彎管分析報告 (Analysis Report on Cold Bending of Cooling Stave Pipes in Blast Furnace Shell Lining under ASME B31.3 Standard)

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1: 緒論與應用分析

 

1.1 高爐冷卻爐襯系統概述與冷卻管功能性要求

高爐（Blast Furnace, BF）冷卻爐襯系統，特別是銅或鑄鐵 Stave 內嵌的冷卻管，是確保高爐長期穩定運行的核心元件。這些冷卻管必須在高熱負荷、高溫梯度和機械應力的極端環境下運作，其完整性直接決定了爐役壽命的長短 1。冷卻管的主要功能是循環冷卻水，維持爐襯壁面的溫度在可控範圍內，促成保護性渣皮形成。

由於爐內氣流溫度變化劇烈（在非穩定操作下，氣體溫度可在 900s 內從 1000°C 上升至 1600°C），冷卻 Stave 的熱邊會產生巨大的溫度梯度，最高可達 65°C/mm 2。這種高頻率、高幅度的熱衝擊導致冷卻管承受極高的循環熱應力，應力強度變化率甚至可達到 45 MPa/s 2。因此，製造過程中任何引入的缺陷或殘餘應力，都可能成為疲勞裂紋萌生或應力腐蝕破裂（Stress Corrosion Cracking, SCC）的源頭，從而加速元件失效。

 

1.2 壓力管線規範選定：ASME B31.3適用性論證

高爐冷卻管屬於工業流程中輸送高壓/高溫流體（冷卻水）的管線系統，故依據行業慣例和工程設計標準，應遵循美國機械工程師協會（ASME）B31.3《製程管線規範》（Process Piping Code）進行設計、製造、檢查和測試 3。

ASME B31.3 相較於 ASME B31.1（動力管線）在設計理念上存在差異。B31.3 採用相對較低的 3.0 安全係數 4，允許更複雜的應力分析方法，例如使用複雜的平面內（in-plane）和平面外（out-of-plane）應力強化因子（Stress Intensification Factors, SIF）來評估管線的柔性與疲勞壽命 4。對於冷作彎管作業的分析與控制，B31.3 提供了詳細且嚴格的幾何和冶金要求，是確保高爐冷卻管長期完整性的強制性標準。

 

1.3 冷卻管常用材料特性與分類

高爐冷卻管通常選用碳鋼或低合金鋼，其中 ASTM A106/ASME SA-106 Grade B (Gr. B) 是廣泛採用的無縫碳鋼管材，適用於高溫服務 5。該材料被歸類為 ASME B31.3 中的 P-No. 1 材料組。

ASTM A106 Gr. B 的關鍵機械性能包括最小屈服強度 (Fy) 為 240MPa，最小抗拉強度 (Fu) 為 415 MPa 5。這些基礎力學性能，特別是材料的延展性，是評估冷作彎曲後是否需要進行後彎曲熱處理（Post-Bend Heat Treatment, PBHT）的關鍵輸入參數。

 

2: ASME B31.3 冷作彎管製程合規要求

 

依據 ASME B31.3 規範第 332 節的要求，所有冷作彎管作業都必須在嚴格受控的程序下執行，以確保管線或管材的機械完整性未因塑性變形而受損。

 

2.1 彎管程序資格記錄 (PQR) 之強制要求與變數控制

ASME B31.3 強制要求所有彎管作業必須依據合格的書面程序進行 3。冷作彎管機具（液壓或機械式）必須通過試驗進行資格鑑定（Qualification by test），以證明其能夠對彎管後的最小壁厚和橢圓度進行有效控制 3。

彎管程序資格記錄（PQR）必須詳細記錄彎曲工法和所有關鍵變數。依據行業規範指南，製造商必須確保程序在以下幾個方面保持穩定性：

Table 1: B31.3 冷作彎管程序資格記錄 (PQR) 關鍵變數

變數類別 ASME B31.3 PQR 資格變數 變動限制或合格範圍
材料 (Material) 材料規格 (Material Specification) 每個材料數據規範 (MDS)
尺寸 (Dimension) 直徑 (Diameter, D) +100% 至 -50%
壁厚 (Wall Thickness, t) 壁厚 (Wall Thickness, t) +25% 至 -50%
幾何參數 彎曲半徑 (Bend Radius, R) 一個半徑 R 合格所有更大的 R 9
製程控制 彎曲溫度 (Bending Temperature) ±25°C
結果驗證 彎曲後尺寸要求 彎曲前後的橢圓度、壁厚須滿足要求 8

 

2.2 冷作最低溫度限制與操作規範

冷作（Cold Bending）被定義為在材料的變態溫度範圍（Transformation Range）以下進行的彎曲作業 3。對於鐵素體材料（如碳鋼），此作業必須在低於變態溫度下進行 10。此外，規範明確規定，不得在金屬溫度低於 40°F (約 4.4°C) 的條件下進行任何管線彎曲作業 3。在嚴寒地區或季節進行製造時，必須對管材進行預熱以確保達到最低溫度要求。

 

2.3 縱向銲縫位置與設計限制

如果冷卻管是由縱向銲縫管製造而成，其製造過程必須嚴格控制縱向銲縫的位置，以避免其位於最大應變區域。ASME B31.3 要求縱向銲縫必須位於距彎曲平面軸向 30° 以外 3。

此外，規範禁止使用褶皺或波紋彎頭（Creased or corrugated bends are not permitted）3。這項要求至關重要，因為褶皺會導致應力集中和局部壁厚急劇減薄，在高爐冷卻管的高疲勞服務條件下極易失效。

 

3: 幾何變形與尺寸接受標準的嚴格控制

 

冷作彎管引起的幾何變形主要包括壁厚減薄（Wall Thinning）、橢圓度（Ovality/Flattening）和頸縮（Necking）。ASME B31.3 對這些參數設有明確的限制，以確保彎曲後的組件仍具有足夠的承壓能力和結構完整性。

 

3.1 壁厚減薄率之計算與限值

冷作彎曲會導致彎管外側（Extrados）的壁厚減薄。減薄的程度與彎曲半徑和公稱直徑的比值 (R/D) 密切相關 3。規範對管線（Pipe）和管材（Tube）的減薄限制有所區別：

  • 對於管線 (Pipe)：
    • 彎曲半徑 R≧ 5D 時，減薄率不應超過 10% 3。
    • 彎曲半徑 R≦ 3D 時，減薄率不應超過 21% 3。
  • 對於管材 (Tube)：
    • 彎曲半徑 R≧ 5D 時，減薄率不應超過 12% 3。
    • 彎曲半徑 R≦ 3D 時，減薄率不應超過 22% 3。
    • 對於極緊密的彎曲 R≦5D，減薄率可達 37% 3。

在實際製造中，建議在彎曲外側的切點（Tangent Point）內 150mm 處以及彎管的 1/4, 1/2, 3/4 點進行壁厚量測，以監控最大減薄量 12。

 

3.2 橢圓度 (Ovality/Flattening) 的設計選擇與控制

橢圓度是指彎管橫截面最大與最小外徑之差，與公稱外徑之比。ASME B31.3 對此參數規定了兩種不同的限值，取決於管線承受的設計壓力類型 3：

  1. 內部壓力 (Internal Pressure)： 橢圓度不應超過公稱外徑的 8% 3。
  2. 外部壓力 (External Pressure)： 橢圓度不應超過公稱外徑的 3% 3。

對於高爐冷卻管的製造，必須採用更嚴格的 3% 外部壓力限值作為驗收標準。這是因為冷卻管被整體澆築或緊密安裝在 Stave 內，在爐體運行過程中，Stave 本身的膨脹和收縮會對冷卻管產生巨大的剛性外部約束力，本質上構成外部壓力工況 3。採用 8% 的內部壓力限值將嚴重低估組件在實際服役中的變形風險和局部應力集中。因此，製造商必須依據 3% 的極限要求來設計彎管工法，這通常要求採用高品質的通蕊芯軸（Mandrel）和彎模來確保彎曲精度 3。

 

3.3 頸縮與皺褶的控制與檢驗

除了減薄和橢圓度，B31.3 還規定了對其他形變的限制：

  • 頸縮 (Necking)： 通過測量外圓周減少量來確定，減少量不得超過 4% 3。
  • 皺褶 (Wrinkles)： 彎曲完成後，成品表面必須通過目視檢查（Visual Inspection）確保無裂紋，且基本上無屈曲 3。內側皺褶的深度（從波峰到波谷測量）不應超過公稱管尺寸的5% 3。

以下彙整了 ASME B31.3 對冷作彎管的關鍵幾何接受標準：

Table 2: ASME B31.3 冷作彎管幾何接受標準詳解

幾何參數 (Geometric Parameter) 標準限制 (Standard Limit) 高爐應用強制標準 B31.3 段落
壁厚減薄率 (Pipe, R≧ 5D) ≦10% ≦10% 339, 332.2.3(j)(i) 3
壁厚減薄率 (Pipe, R≦3D) ≦21% ≦21% 339, 332.2.3(j)(ii) 3
橢圓度 (內部壓力, Internal P) ≦8% OD 不適用 (須採 3% 限制) 342, 332.2.1 10
橢圓度 (外部壓力, External P) ≦3% OD ≦3% OD 342, 332.2.1 10
頸縮率 (Necking) ≦4% ≦4% 341, 332.2.4 3
皺褶深度 (Wrinkles) ≦1.5% NPS ≦1.5% NPS 332.2.5(h) 3

 

4: 冷作對材料力學性能與微觀結構的影響及 PBHT 決策

 

冷作彎曲本質上是一種塑性成形過程，會對材料的微觀結構和力學性能產生不可逆的影響，這直接關係到元件在極端環境下的壽命。

 

4.1 應變硬化與延展性損失分析

冷作導致材料發生應變硬化（Work Hardening），這會改變晶體結構，通常表現為屈服強度和抗拉強度的提高 13。在彎曲過程中，管材外側承受拉伸應力，內側承受壓縮應力，導致強度在彎曲截面上非均勻分佈 13。

然而，應變硬化的代價是材料延展性（Ductility）的降低 13。延展性的損失是工程師在評估冷作彎管是否合格時最關心的問題，因為延展性不足會使材料對缺口和衝擊更為敏感，並在後續服役中更容易發生脆性斷裂或疲勞失效。

 

4.2 殘餘應力場的形成、分佈與 FEA 預測

冷作彎曲不可避免地在管材中引入殘餘應力（Residual Stress）。當彎曲載荷移除後，部分塑性變形區域會試圖彈性恢復，但受到周圍材料的約束，導致內部應力鎖定。這些殘餘應力主要表現為在彎管外側（拉伸區）的縱向拉伸應力和在內側（壓縮區）的縱向壓縮應力 13。

殘餘拉伸應力的存在極大地影響了冷卻管的長期完整性，特別是在 BF 這樣受熱循環和潛在腐蝕介質影響的環境中。這些殘餘應力與操作中的循環熱應力疊加，可能導致局部應力超過材料的實際疲勞極限，加速裂紋的萌生。業界已廣泛使用非線性有限元分析（FEA）方法來精確模擬冷彎過程，考慮塑性行為、大位移和不同材料硬化模型（如各向同性或運動硬化），從而準確預測殘餘應力和塑性應變的分佈 14。

 

4.3 後彎曲熱處理 (PBHT) 的必要性判斷與策略

後彎曲熱處理（PBHT）的主要目的是釋放冷作引起的殘餘應力，並恢復因應變硬化而損失的延展性。ASME B31.3 對 P-No. 1 材料（如 SA-106 Gr B）的 PBHT 設有明確的強制要求 10。

PBHT 強制要求條件：

如果發生以下任一情況，則必須進行 PBHT（溫度和持續時間按 Table 331.1.1 規定執行）10：

  1. 延展性損失超限： 對於 P-No. 1 到 P-No. 6 材料，如果彎曲後計算出的最大纖維伸長率（ε）超過該材料規定基本最小伸長率（Emin）的50% 10。極限纖維伸長率可通過以下幾何近似公式計算：ε = t / 2Rf

    其中 t 為公稱壁厚，Rf 為彎曲中心線半徑 12。

  2. 衝擊測試要求： 對於任何要求進行衝擊測試的材料，如果最大計算纖維伸長率超過5% 10。

PBHT 豁免策略 (Strategy B)：

儘管計算出的纖維伸長率可能超過 50% Emin 的極限值，B31.3 仍然提供了豁免 PBHT 的途徑 10。製造商可以通過嚴格的 PQR 測試來證明，即使在冷作後，最受應變的材料部分仍能保持至少 10% 的伸長率 10。

工程決策分析： PBHT 是一項耗時且昂貴的工法。因此，對於高爐冷卻管製造，最佳策略是利用 FEA 精確預測實際塑性應變 14，並在 PQR 中執行延展性測試，以爭取豁免 PBHT。如果無法成功證明 10% 的延展性保留，則必須執行 PBHT，以消除殘餘應力，這是確保高爐爐襯長壽命的關鍵預防措施。

以下彙整了 PBHT 的決策流程：

Table 3: P-No. 1 材料冷作後熱處理 (PBHT) 強制要求與決策流程

決策步驟 條件 結果 執行
1. 纖維伸長率計算 計算最大纖維伸長率ε。
2. 極限值判斷 ε > 50% Emin？ 10 否 (No) 無需 PBHT，但須滿足幾何標準
3. 豁免測試 (Strategy B) 是 (Yes) -> 證明最受應變材料保留延展性≧10% 10 是 (Yes) 可豁免 PBHT
4. 強制執行 是 (Yes) -> 豁免測試失敗，或材料要求衝擊測試且ε > 5% 10 否 (No) 強制執行 PBHT

 

5: 殘餘應力對爐襯服役壽命的影響與風險評估

 

冷作彎曲引入的殘餘應力對高爐冷卻管的長期性能構成重大風險，特別是在與操作環境中的其他失效機制耦合時。

 

5.1 高爐操作條件下的主要失效機制：熱疲勞與應力集中

高爐冷卻管長期處於劇烈的熱循環環境中 2。冷作在彎管外側引入的殘餘拉伸應力 13，將直接與操作過程中因熱負荷波動產生的循環熱應力相疊加。這種疊加效應導致局部應力峰值遠高於僅考慮操作應力的設計值。

由於 BF 冷卻管的壽命主要受熱疲勞控制，殘餘拉伸應力會顯著降低疲勞裂紋萌生的極限值，縮短疲勞壽命。因此，如果製造過程中未能通過 PBHT 消除這些殘餘應力，則組件在服役期間將更快地達到疲勞壽命終點，尤其是在應力集中區域（如銲道附近或彎管外側）。

 

5.2 應力腐蝕破裂 (SCC) 與冷作殘餘應力耦合分析

應力腐蝕破裂（SCC）是一種在特定腐蝕環境下，材料受拉伸應力作用時發生的破裂現象。SCC 的發生需要三個條件同時存在：敏感材料、特定的腐蝕介質和殘餘或外加拉伸應力 13。

對於碳鋼冷卻管線，冷作彎曲在彎管外側產生的殘餘拉伸應力是誘發 SCC 的重要因素。如果冷卻水環境（即腐蝕介質）未能得到充分控制，冷作區域的殘餘拉伸應力將作為 SCC 的驅動力，使管材在高溫服役條件下對破裂變得高度敏感 13。

 

5.3 建議的冷卻水化學控制標準與風險轉移

為了在高殘餘應力（即豁免 PBHT）的冷作彎管中最小化 SCC 風險，運營方必須實施極為嚴格的冷卻水化學控制標準。

對於碳鋼管線，研究表明當冷卻水 pH 值維持在 8.2 或更高時，一般腐蝕速率會降至最低 17。較低的pH 值會導致氧化物形態溶解度增加，從而顯著提高腐蝕速率 17，並增加 SCC 的敏感性 18。因此，如果製造商選擇豁免 PBHT 以節省成本，這本質上是將長期結構完整性的部分風險轉嫁給了爐廠的運營和水處理團隊。運營方必須保證冷卻系統的pH 值持續維持在≧8.2 的安全範圍，並嚴格控制氧氣和特定離子濃度，以防止 SCC 的發生。

 

5.4 有限元分析 (FEA) 在應力評估與 FFS (Fitness for Service) 中的應用

鑑於高爐冷卻管服務的嚴酷性，有限元分析（FEA）在高爐冷卻管製造中應被提升為一種高級的設計驗證方法，而不僅僅是優化工具 14。

FEA 能夠模擬複雜的彎曲過程，準確預測塑性應變和最終的殘餘應力場 15。這些數據至關重要，它們用於：

  1. 支持 PBHT 豁免： 提供精確的塑性應變值，用於判定是否滿足 50% Emin 的極限值，並指導延展性測試取樣。
  2. 應力疊加分析： 將冷作殘餘應力場與高爐運行中的熱應力場疊加，計算實際的應力峰值，評估元件在循環載荷下的疲勞壽命 14。
  3. 支持 FFS 評估： 這些數據是進行後續的應力強度因子（SIF）計算和爐襯剩餘壽命（Fitness for Service, FFS）評估的基礎，確保即使在冷作情況下，組件也能滿足設計壽命要求。

 

6: 品質保證、檢驗與監控

 

ASME B31.3 對冷作彎管的品質保證（QA）和檢驗（Examination）要求旨在確保製程控制的有效性和成品的結構完整性。

 

6.1 彎管程序資格與檢驗頻率

在彎管程序資格（PQR）階段，必須對試驗彎頭進行彎曲前後的詳細尺寸檢查，包括壁厚和橢圓度，以證明工法符合所有規範要求 8。

對於高爐冷卻管這樣的高風險、關鍵壽命元件，建議的檢驗頻率應遠高於一般管線。建議對所有彎頭進行100% 的尺寸檢查，特別是壁厚和橢圓度，以確保所有成品均滿足嚴格的 3% 橢圓度和最小壁厚要求 12。這些檢查必須在規定位置（彎管外側的切點內及中間點）執行，並詳細記錄結果 12。

 

6.2 表面完整性檢查：目視與非破壞性檢驗

表面完整性檢查是發現冷作缺陷的初級手段，分為目視檢查和非破壞性檢驗（NDE）。

  1. 目視檢查 (VT)： 這是強制性的檢查，確保彎管表面無裂紋、無明顯屈曲，並檢查皺褶深度是否符合≦5% NPS 的限制 3。
  2. 非破壞性檢驗 (NDE)： 鑒於彎管外側承受最大的拉伸應變和殘餘應力，強烈建議使用液體滲透檢驗（PT）或磁粉檢驗（MT）對外側區域進行額外的表面缺陷檢測 19。ASME B31.3 對表面缺陷的接受標準極為嚴格：任何線性指示（例如裂紋或線性撕裂）只要長度大於 1/16” (約1.59mm) 即構成拒絕性缺陷 20。

 

6.3 製造記錄與可追溯性

製造商必須建立完整的製造數據手冊（MDR），以確保冷卻管在整個高爐服役週期內的可追溯性。MDR 必須包含所有合格的彎管程序（WPS/PQR）、彎管設備資格證明、所有生產彎頭的尺寸測量記錄、NDE 報告、材料證明（MTR），以及任何支持 PBHT 豁免的 FEA 報告和延展性測試結果 8。

 

7: 結論與策略性建議

 

冷作彎管在高爐冷卻管製造中是一項高效但高風險的工法。成功且安全的作業不僅需要遵循 ASME B31.3 的基本要求，更需要針對高爐服役環境的特殊性實施超越規範最低要求的嚴格品質控制和工程分析。

 

7.1 關鍵合規要點總結

本分析確認了在 ASME B31.3 規範下，高爐冷卻管冷作彎管作業的兩個核心挑戰和關鍵合規點：

  1. 橢圓度標準收緊： 由於冷卻管被外部 Stave 剛性約束，工程師必須將橢圓度接受標準從內部壓力的 8% 嚴格降至外部壓力的3%。這要求製造商必須採用高精度的通蕊芯軸彎曲工法並在 PQR 中驗證此項能力。
  2. PBHT 決策的嚴謹性： P-No. 1 碳鋼管彎曲後的纖維伸長率很可能超過 50% Emin 的極限值。如果決定豁免 PBHT，則必須通過昂貴且嚴格的 PQR 延展性測試，證明材料保留了至少 10% 的延展性，並通過 FEA 數據提供技術支持。

 

7.2 針對 BF 冷卻管的優化製造決策框架

基於對殘餘應力與爐襯失效耦合機制的理解，建議採用以下戰略性決策框架：

Table 4: 製造策略與決策分析

製造策略 PBHT 狀態 優點 缺點/條件 風險轉移
策略 A (保守) 執行 PBHT 殘餘應力基本消除，延展性完全恢復，SCC 和疲勞風險最低。 成本高，製程時間長。 無 (製造風險最小化)
策略 B (優化) 豁免 PBHT 製造成本低，時間短。 必須通過 PQR 證明保留≧10% 延展性；製造缺陷對 SCC 敏感性高。 將長期 SCC 風險部分轉嫁給運營方（水質控制）。

對於極度關鍵的大型高爐冷卻管，策略 A（強制 PBHT）是提供最高可靠性和最長爐役壽命保障的黃金標準。如果採用 策略 B，則製造商必須提交詳細的 FEA 報告證明殘餘應力在可接受範圍內，同時運營方必須承諾實施嚴格的冷卻水化學控制 (pH≧8.2)，以確保環境因素不會引發應力腐蝕破裂。

 

7.3 協同合作與長期 FFS 評估

最終，冷作彎管的完整性需要設計、製造和營運團隊之間的緊密協同。製造商提供的彎管殘餘應力數據（通過 FEA 或 PBHT 記錄）必須納入高爐設計和運營團隊的 FFS 評估中。只有將製造引入的殘餘應力與服役期間的循環熱應力及環境因素（水質）綜合考量，才能準確預測高爐冷卻爐襯的實際壽命，從而實現長期、可靠的運行目標。

照片分享:(cold bending of cooling stave pipes by Ying Zhang Co.)

參考文獻

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  18. Chapter 24 – Corrosion Control-Cooling Systems – Veolia Water Technologies & Solutions, https://www.watertechnologies.com/handbook/chapter-24-corrosion-control-cooling-systems
  19. QUALITY ASSURANCE SPECIFICATIONS MANUAL, https://www.nrg.com/assets/documents/legal/quality-assurance-specifications/qas-4-01-welding-asme-bpvc-section-i-viii-asme-b31-1-bep-082914.pdf
  20. Acceptance Criteria for Liquid Penetrant Testing – OnestopNDT, https://www.onestopndt.com/ndt-articles/acceptance-criteria-for-liquid-penetrant-testing
  21. NDE Penetrant testing (PT) Standards and Criteria – AMARINE, https://amarineblog.com/2019/11/03/nde-penetrant-testing-pt-standards-and-criteria/
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