2025 年 ASME 規範下 CCPP 冷作彎管細部設計與技術實務研究：熱處理豁免與 NDT 新標準分析報告 (Detailed Design and Technical Practice of Cold-Bent Pipes in CCPP under 2025 ASME Codes: An Analytical Report on PBHT Exemptions and New NDT Standards)

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一、緒論:複循環電廠技術演進與動力管線設計之轉型

隨著全球能源結構向低碳與高彈性電力系統轉型，燃氣複循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）已成為支撐電網穩定性的核心基載與中載電力來源。在 CCPP 系統中，熱回收蒸汽發生器（HRSG）與蒸汽輪機之間的高溫高壓管線（Main Steam, Reheat Steam）承受著極為嚴苛的操作條件，特別是在電力需求劇烈波動導致的頻繁升降載（Cycling Service）模式下，動力管線的可靠性直接決定了電廠的營運壽命與安全性 1。

傳統上，高壓動力管線多採用標準彎頭銲接或熱感應彎管（Hot Induction Bending），然而這類工法在 CCPP 頻繁熱循環的環境下，容易在銲縫熱影響區（HAZ）產生應力集中，甚至誘發早期蠕變斷裂。近年來，冷作彎管（Cold Bending）技術憑藉其高精度、無熱影響區以及大幅減少對接銲縫的優勢，在複循環電廠的細部設計規劃中受到高度重視 2。特別是進入 2025 年，ASME B31.1 動力管線規範 2024 Edition 正式生效，針對冷作加工的變形率限制、熱處理（Post-Bending Heat Treatment, PBHT）豁免準則，以及非破壞性檢測（NDT）的人員資格與技術要求進行了全面修訂 1。

在這一規範轉型期，潁璋工程（Ying Zhang Engineering）引進 CNC 高精度冷彎專用機，針對 CCPP 需求開發出 3D 與 5D 彎徑技術，有效處理 P91、P92 等蠕變強度強化鐵素體鋼（CSEF Steels）與不銹鋼材料 2。本報告旨在深度解析 2025 年 ASME 規範下的冷作彎管設計關鍵，並探討其在 PBHT 豁免與 NDT 新標準下的技術實務。

二、2025 年 ASME B31.1 規範核心修訂與設計哲學

ASME B31.1-2024（2025 Edition）的修訂反映了對動力管線長期完整性管理（Integrity Management）的深刻變革。規範不再僅僅關注靜態的壓力設計，而是轉向涵蓋管線系統（Covered Piping Systems, CPS）的全生命週期紀錄與質量控制 1。

2.1 關鍵定義的重塑與責任轉移

在 2025 年 Edition 中，規範對「設計者」（Designer）與「管線」（Pipe）的定義進行了精細化調整。新增的「設計者」定義明確了其在製造廠質量控制系統下的具體責任，並在 Mandatory Appendix 47 中刪除了傳統的「負責主管」（Responsible Charge）語言，將責任轉向由製造廠定義的最低資歷要求與質量保證體系 4。這種轉變意味著如潁璋工程等製造單位，必須具備更完整的內部技術鑑定與設計驗證程序，而非單純依賴外部簽證。

此外，針對應力計算公式中的變量，新規範新增了縱向壓力應力 Slp 的定義，並在偶發負載分析中調整了壓力項 Po 的計算邏輯，確保在地震或風載荷等動態效應下，管線的靈活性分析能更精確地反映真實應力狀態 1。

2.2 鍋爐外部管線 (BEP) 與非鍋爐外部管線 (NBEP) 的界限

在 CCPP 工程中，明確劃分 BEP 與 NBEP 是細部規劃的首要任務。BEP 受 ASME Section I 與 B31.1 共同管轄，必須具備 ASME 認證戳記（如 S, A, 或 PP）與嚴格的數據報告程序 3。新規範在 Figure 100.1.2-1 至 100.1.2-5 中重新描繪了管轄邊界，特別是針對熱回收蒸汽發生器（HRSG）中的減溫保護裝置（Desuperheater Protection Devices），明確了其與主蒸汽系統的銜接標準 1。

比較項目 鍋爐外部管線 (BEP) 非鍋爐外部管線 (NBEP)
適用規範主體 ASME Section I & B31.1 ASME B31.1
認證要求 必須標記 ASME 認證戳記 視合約與 Appendix Q 要求
設計責任 須遵循嚴格的設計公式與組裝要求 依據工程設計規範，強調靈活性 3
數據報告 需填寫 P-4A/B 表格 遵循新增之 Appendix R 要求 9
材料追溯 100% 絕對追溯 依據質量等級追溯 5

三、冷作彎管細部設計規劃與幾何控制

在 CCPP 的管線配置中，冷作彎管的設計必須平衡流體動力學、空間配置與材料應力。2025 年規範下，冷作彎管的設計不再被視為簡單的幾何彎曲，而是涉及壁厚補償與扁平度控制的複雜計算。

3.1 壁厚減薄補償與壓力設計公式

當管材進行冷作彎曲時，其外弧面（Extrados）會因拉伸而減薄，而內弧面（Intrados）則會因壓縮而增厚。ASME B31.1 Section 104.2.1 規定，彎管在完成後的最小壁厚 tm 必須滿足以下壓力設計要求：

tm = P•D / 2 (S•E•W / I + P•Y)

其中，I 為彎管修正係數。在 2025 年的設計實務中，針對內、外弧面的係數計算至關重要：

  • 內弧面（Intrados）: IInt = 4(R1/D)–1 / 4(R1/D)-2
  • 外弧面（Extrados）: IExt = 4(R1/D)+1 / 4(R1/D)+2

其中 R1 為彎曲中線半徑，D 為管材外徑 10。根據公式分析，當彎曲半徑比（R/D）愈小時，I 值的偏離度愈大，導致所需的原始管材公稱壁厚大幅增加。潁璋工程針對 CCPP 常用的大口徑厚壁管，通常建議採用 3D 或 5D 彎徑，以降低 I 係數對設計壁厚的影響，確保選用標準等級管材即可符合規範，從而降低採購成本 2。

3.2 真圓度（Roundness）與表面品質管理

新規範延續了對彎管截面扁平度的嚴格要求，規定真圓度（任一截面最大與最小外徑差）在承受內部壓力時不得超過公稱外徑的 8%，在承受外部壓力（如真空系統）時不得超過 3% 11。

在實際操作中，冷作加工若缺乏高精度的控制，極易產生表面皺褶或背部拉裂。潁璋工程使用的 CNC 冷彎專用機具備伺服壓力模與多球心棒技術，能精確支撐管內壁，將真圓度偏差穩定控制在 5% 以內。這種幾何精度對於 CCPP 中的高流速蒸汽管線尤為重要，因為高真圓度能顯著減少湍流與流體誘導振動（FIV），提升系統的熱循環效率 2。

四、熱處理 (PBHT) 豁免準則與材質冶金學研究

冷作加工引起的塑性變形會導致加工硬化、延展性下降及殘餘應力的產生。對於 CCPP 常用的高合金鋼（如 P91、P22）與奧氏體不銹鋼，是否需要進行熱處理（PBHT）是技術決策的核心。

4.1 極限纖維伸長率與 PBHT 觸發標準

ASME B31.1-2024 對於冷作後是否需要熱處理，主要依據材料類別（P-Number）與計算出的極限纖維伸長率 ε。計算公式為：

ε = 100*r/R = 50*D/R

其中 r 為管子半徑，R 為彎曲半徑。下表整理了 2025 年 Edition 下關鍵材質的熱處理要求：

材料類別 應變限制 (ϵ) 熱處理 (PBHT) 條件
P-No. 1 (碳鋼, 如 A106B) ε> 5% 若厚度 ≧ 3/4″ (19mm) 或應變過大，需去應力處理 12
P-No. 15E (CSEF 鋼, 如 P91) ε> 5% 必須進行正規化與回火 (N+T) 或局部熱處理 8
P-No. 8 (奧氏體不銹鋼) ε> 20% 視製程與抗腐蝕需求決定是否固溶處理 11
P-No. 3/4 (低合金鋼) ε> 5% 通常需要去應力處理 11

值得注意的是，對於 CCPP 中極其敏感的 P91 材質，任何超過 5% 的冷作應變都會導致材料微觀組織中的馬氏體板條碎化與位錯密度增加。研究顯示，冷作應變若未經 PBHT 修復，將使 P91 在 550°C 以上的高溫環境中，蠕變斷裂壽命從預期的 10 萬小時縮減至不到 2 萬小時 13。因此，細部設計中必須精確計算 R/D 比。若選用 10D 以上的超大半徑彎管，應變可能低於 5%，從而達成 PBHT 豁免，但這往往受到電廠空間佈置的限制 11。

4.2 P91 與 P92 的特殊熱處理考量

在 2025 年的規範框架下，P91 等 CSEF 鋼的 PBHT 被賦予了極高的重要性。新規範在 Table 129.3.3.1-1 中細化了 P91 的應變限制與熱處理溫度範圍 8。

  1. 低應變區域 (5% < ε≦ 10%): 允許進行亞臨界退火（Subcritical Annealing），旨在消除殘餘應力而不改變基體組織。
  2. 高應變區域 (ε> 10%): 必須進行全規模的正規化與回火（N+T）。這在實務上極具挑戰性，因為大尺寸管件的整體正規化需要極大型的熱處理爐與精確的冷卻速度控制 16。

潁璋工程在實務中採取「預防性設計」策略，透過優化冷彎程序與控制加工熱增益，儘量將應變控制在豁免或低溫處理區間，並對完成後的 P91 彎管進行 100% 硬度檢測，確保其硬度值維持在 190-230 HB 之間，避免發生因過熱導致的軟化或因冷作導致的脆化 2。

五、NDT 新標準：人員資格、技術革新與驗收準則

2024-2025 年 ASME B31.1 的另一大亮點是針對非破壞性檢測（NDT/NDE）標準的根本性修訂。這不僅影響檢測方法，更直接改變了品質保證體系的運作模式。

5.1 NDE 人員資格的國際化接軌 (Section 136.3.2)

過去，B31.1 對於 NDE 人員的資格鑑定較多由雇主依據內部程序決定。然而，2025 Edition 強化了與第三方標準的掛鉤。新規範 136.3.2(a) 條款要求，雇主的書面練習程序必須基於以下標準之一進行培訓、考試與資歷認證 3：

  • ASNT SNT-TC-1A (2020 Edition)
  • ASNT CP-189 (2020 Edition)
  • ISO 9712 (2012 Edition)

這一修訂對 CCPP 承包商提出了更高的管理要求。對於如潁璋工程這類製造廠，必須確保其內部的視覺檢查（VT）、滲透檢測（PT）與磁粉檢測（MT）人員具備符合最新版 SNT-TC-1A 的證書，且視覺檢查人員必須通過 Jaeger 1 視力測試及年度考核 18。

5.2 體積檢測技術的演進：PAUT 取代 RT

在 CCPP 的厚壁管彎製與組裝過程中，傳統的射線檢測（RT）因存在放射源風險且對厚度敏感度有限，正逐漸被相位陣列超音波檢測（PAUT）所取代。2025 年規範在 Mandatory Appendix O 中提供了詳盡的超音波替代驗收標準 8。

對於冷作彎管，2025 版規範在 Table 136.4.1-1 中列出了強制性的最低檢測要求：

  • 高壓主蒸汽系統: 必須進行 100% 體積檢測（UT 或 RT）以及 100% 表面檢測 3。
  • 冷作彎曲區域: 2025 年新標準強調了對彎管拉伸區（外弧面）的微裂紋掃描。引入的高靈敏度 UT 技術，能有效偵測冷作過程中產生的亞微米級皮層損傷，這對於防止 CCPP 運行中發生的應力腐蝕開裂（SCC）至關重要 2。

5.3 驗收準則的修訂：線性指示與圓形指示

2025 年 Edition 在 Table 136.4.1-2 中更新了對不連續性（Discontinuities）的定義。針對冷作管件，規範更嚴格地限制了線性指示（Linear Indications）的長度。任何超過 1/16″ (1.5mm) 的線性指示均被視為缺陷，而對於圓形指示，則引入了與壁厚相關的統計分佈標準 1。這種細微的修訂反映了對現代高變動載荷下，微小瑕疵可能引發疲勞裂紋擴展的隱憂。

六、潁璋工程 (Ying Zhang Engineering) 技術能力與應用分析

潁璋工程在冷作彎管領域的實務應用，代表了 2025 ASME 規範下工程技術的領先水準。其技術架構不僅滿足基礎規範，更在降本增效方面提供了具體路徑。

6.1 CNC 冷彎技術與 XXS 壁厚等級處理

潁璋工程專為發電廠開發設計的 CNC 冷彎專用機系列，具備處理超厚管線（如 XXS 等級）的能力。在 CCPP 的設計中，高壓旁路系統（Bypass System）常選用極厚壁的 P91 管材。傳統熱彎容易導致壁厚不均，而潁璋的技術能確保冷彎後的壁厚偏差控制在公差內 2。

潁璋工程的核心能力指標

服務項目 技術指標 / 應用場景
彎徑比 (R/D Ratio) 1.5DR (石化 LNG), 3D & 5D (CCPP 高壓系統) 2
材質範疇 P91, P92, P22, A106B/C, 316L/317L 不銹鋼 2
加工能力 涵蓋小口徑 (Small Bore) 到大口徑 (Large Bore) 管線 2
工程實績 燃氣複循環電廠、氫氣壓縮機 Skid、離岸風電灌漿管 2

6.2 降低銲接工序與 NDT 使用量

冷彎技術最大的經濟價值在於「以彎代銲」。一個典型的 90 度彎管若使用標準彎頭，需要兩道周向對接銲縫。在 CCPP 複雜的 Skid 模組（如 H2 壓縮機或天然氣減壓站）中，空間極度受限，銲接與 RT 檢測的施工難度極高。

潁璋工程透過連續冷彎技術，能在一根長管上實現多個方向的 3D/5D 彎曲，大幅降低了對接銲縫的數量 2。這帶來的連鎖反應包括：

  1. 時間成本壓縮: 減少銲接與等待 NDT 報告的時間。
  2. 檢驗量降低: 減少 RT 的使用頻率，這在 2025 年 NDT 人員資歷要求趨嚴的背景下，有效緩解了人力成本壓力。
  3. 整體成本優化 (Cost Down): 雖然冷彎技術水準較高，但省去的銲接、熱處理與檢驗成本使得總體專案預算顯著下降 2。

七、品質管理系統的升級：Mandatory Appendix Q 與 Appendix R

ASME B31.1-2024 (2025 Edition) 最具革命性的變化之一是引入了針對非鍋爐外部管線（NBEP）的強制性管理附件。這要求製造廠如潁璋工程，必須將品質管控從工廠延伸至全過程的紀錄。

7.1 Appendix Q：質量管理程序要求 (QMP)

針對涵蓋管線系統（CPS），Appendix Q 要求製造廠建立完整的質量管理程序。這不再僅是 ISO 9001 的範疇，而是具備 ASME 專業特色的程序要求，包括對彎製程序（Bending Procedures）的資格評定與材料標識的終身維護 1。

7.2 Appendix R：文件、紀錄與報告要求 (PSFR)

根據 Appendix R，每個 CPS 系統在完工前必須產出一份「管線系統最終報告」（Piping System Final Report, PSFR）。這份報告是電廠營運的「出生證明」，其內容必須包含 9：

  • 設計計算書與規格書: 包含壓力設計與靈活性分析的參數。
  • 製造與組裝紀錄: 包含銲縫地圖、熱處理曲線、彎管尺寸紀錄。
  • NDT 報告: 包含所有檢測方法的人員證照、方法及驗收結果。
  • Form CC-1 與 CC-2: 這是新規範引入的證書，用於聲明管線系統完全符合 ASME B31.1 2024 年版要求 9。

潁璋工程已提前佈局這類資料的自動化採集，其 CNC 設備能即時產出彎管的幾何數據報告，並與熱處理紀錄勾稽，協助 CCPP 業主在電廠啟動前即獲得完整且符合規範的 Appendix R 文件包 2。

八、2025 年規範下 CCPP 冷作彎管的戰略規劃與結論

綜上所述，在 2025 年 ASME 規範的引導下，CCPP 冷作彎管的細部設計規劃已進入一個「高精度、強管理、全數位化」的新時代。熱處理（PBHT）豁免準則的精確運用，結合 NDT 新標準的落實，不僅是合規的要求，更是電廠安全與經濟性的雙重保障。

8.1 技術實務建議

  1. 優先採用大半徑冷彎 (3D/5D): 透過增加彎曲半徑，有效將纖維應變控制在 5% 附近，爭取碳鋼與部分合金鋼的 PBHT 豁免，並改善流體流動性能 2。
  2. 嚴格控管 P91 等高溫材料: 針對 P91 等關鍵材質，即便應變受控，仍建議執行 100% 硬度檢測與微觀組織抽檢，避免發生早期失效風險 。
  3. 落實人員資格轉換: 儘快完成 NDE 人員依據 ASNT SNT-TC-1A 2020 或 ISO 9712 的資格重審，以因應 2025 年 Edition 的強制要求 18。
  4. 建立數位化 PSFR 系統: 利用如潁璋工程提供的技術支持，從設計階段即規劃 Appendix R 的數據採集邏輯，確保工程交付的完整性與合規性 9。

冷作彎管技術在 2025 年 ASME 規範下的應用，不僅展示了工程技術的進步，更體現了對生命財產安全與能源基礎設施長效運行的承諾。透過與專業製造廠的深度協作，CCPP 專案將能在複雜的技術規範中尋得最優路徑，實現高品質、低成本與高可靠性的完美平衡 2。

參考文獻

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  4. Webinar Recap: 2024–2025 Code Changes | ASME, AWS & More – Think Tank, https://info.thinkcei.com/think-tank/2025-asme-aws-code-webinar
  5. 1 – Power Piping – ASME, https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31-1-power-piping
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  18. Pressure Points | Munich Re, https://www.munichre.com/content/dam/munichre/hsb/hsb-iic/documents/hsb-gies-2023-december-pressure-points-newsletter.pdf/_jcr_content/renditions/original./hsb-gies-2023-december-pressure-points-newsletter.pdf
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