一、緒論: 複循環電廠蒸汽系統之技術演進與規範轉型背景
在當前全球能源轉型與高效電力生成的背景下，複循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）因其卓越的熱效率與較低的環境排放，成為現代電力工業的主幹。蒸汽管線系統作為 CCPP 的核心能量傳輸通道，其設計與施工品質直接決定了電廠的營運壽命與安全性。隨著美國機械工程師學會（ASME）發布 2025 年版（2025 Edition）規範，並預計於 2026 年 1 月 1 日正式實施，電力管線設計面臨了從技術變數到品質管理系統的全面升級 1。特別是針對 ASTM A335 P22（2.25Cr-1Mo）這一類在高溫高壓環境下廣泛應用的合金鋼材，其在設計規劃中的成型方式冷作彎管（Cold Bending）與電銲作業（Welding）之對比分析，成為工程界必須深入探討的關鍵課題 3。
ASTM A335 P22 之所以被視為 CCPP 蒸汽管線的首選材料，主要在於其優異的高溫蠕變強度、抗氧化性能以及良好的加工適應性 3。在 CCPP 的運作環境中，主蒸汽與再熱蒸汽管線通常需承受超過 540°C 的高溫與極高的內部壓力 4。傳統設計中，電銲作業是組裝複雜管網的主要手段，但隨著材料科學與加工技術的進步，冷作彎管在減少銲縫、降低熱影響區（HAZ）風險方面的優勢日益凸顯 7。ASME 2025 Edition 的修訂不僅在 Section II Part D 的材料強度數據上進行了更新，更在 B31.1 動力管線規範與 Section IX 銲接評定中引入了多項基本變數與品質控制要求的變革 1。
本研究旨在透過對 2025 Edition 規範的細部解析，針對 A335 P22 蒸汽管線在冷作彎管與電銲作業兩大製程間進行設計規劃的深度對比。分析內容將涵蓋材料微觀組織的穩定性、變形應變控制、銲後熱處理（PWHT）的新型時程要求，以及新版規範中強調的涵蓋管線系統（Covered Piping Systems, CPS）之品質管理要求 1。這不僅是技術參數的選擇，更是基於全生命週期成本、營運可靠性與法規合規性的綜合評估。
二、ASME 2025 Edition 規範修訂對 A335 P22管線設計之影響分析
2.1 B31.1 動力管線規範之定義與計算公式修訂
ASME B31.1 2025 Edition 對於動力管線的設計基礎進行了多項關鍵修訂。首先是對於基本定義的重新梳理，新增了「設計者」（Designer）與「管材」（Pipe）的定義，並對「雇主」、「位移應力」等詞彙進行了修正 1。這反映出規範體系正朝向權責明確化邁進，尤其是在 EPC 統包工程中，設計者的法律責任與技術要求被進一步量化。在壓力設計方面，Section 104.8 針對管件分析新增了縱向壓力應力（Longitudinal Pressure Stress, Slp）的定義，這對於 A335 P22 這種在高溫下容易產生蠕變位移的材料而言，提供了更精確的應力驗證基準 1。
此外，新版規範在計算偶發負載應力時，刪除了與偶發負載同時存在的壓力參數 Po 的定義，並對 Section 104.1.1 中直管受內壓的最小壁厚計算公式進行了重新排列，使術語字母順序更符合工程習慣，並強化了銲接強度折減係數（Weld Strength Reduction Factor, W）的應用邏輯 1。對於 A335 P22 管線，這意味著在設計階段就必須更精確地評估管材是採用無縫（Seamless）還是銲製（Welded）形式，因為這直接影響到在蠕變範圍（Creep Range）內的允許應力取值。新版規範同時明確指出，在考慮環境影響時，風載與地震負載不需要同時考慮，這有效優化了管線支撐結構的應力裕量設計 1。
2.2 Section IX 銲接、釬銲及熔敷程序與人員評定修訂
ASME Section IX 2025 Edition 針對銲接程序的評定引入了顯著的技術變革，特別是針對熱輸入控制與熱處理要求的細化。QG-108 條款的修訂明確了利用舊版評定紀錄（PQR）更新至新版程序規範（WPS）的條件，規定所有基本變數（Essential Variables）以及當涉及韌性要求時的補充基本變數（Supplementary Essential Variables）都必須依據最新版本進行記錄與驗證 10。這對於 CCPP 蒸汽管線至關重要，因為 P22 材料的韌性受銲接熱輸入影響極大，任何程序更新都必須確保其微觀組織的抗蠕變性能不受損。
在具體技術變數上，新增的 QW-410.92 針對「擺動銲接」（Weaving）寬度進行了限制。若銲道寬度超過 1 英吋，必須使用電極橫向移動的線性行進速度來計算熱輸入，而非傳統的平行行進速度 10。這項變動旨在解決大寬度銲道中因冷卻速率緩慢而導致的晶粒粗化問題，對於 A335 P22 這種在高溫下依賴精細析出相強化（Dispersion Strengthening）的合金鋼而言，能更有效地管控熱影響區的性質。同時，針對銲後熱處理（PWHT），QW-407.2 修正了所謂的「80% 規則」，明確該規則僅適用於低於下臨界相變溫度（Lower Transformation Temperature, Ac1）的熱處理過程，這規範了生產現場熱處理與程序評定熱處理時間的對應關係 10。
2.3 Section II Part D 材料特性與允許應力更新
ASME Section II Part D 2025 Edition 對於材料允許應力表（Table 1A）進行了全面更新，並引入了公制 NPS 等效值，體現了國際化的應用趨勢 12。針對 A335 P22，其在高溫環境下的允許應力取值需基於其化學成分與熱處理狀態（正火加回火或退火）。P22 合金中含有的 2.25% 鉻與 1% 鉬，在高溫下能形成穩定的 M23C6 碳化物，提供優異的蠕變斷裂強度 5。新規範在更新數據時，更加細緻地考慮了材料在高溫下的持久塑性與強度折減因子。
下表整理了 A335 P22 管材的主要化學成分要求與其在 2025 規範下的工程意義：
| 元素 | 規範含量 (%) | 技術功能與對 2025 版設計之影響 |
| 鉻 (Cr) | 1.90 – 2.60 | 提升高溫抗氧化性，為 B31.1 FAC 評估提供材料基礎 |
| 鉬 (Mo) | 0.87 – 1.13 | 強化鐵素體基體，決定了 Section II Table 1A 的高溫應力取值 |
| 碳 (C) | 0.05 – 0.15 | 決定銲接硬化敏感性，直接影響 Section IX 預熱溫度選擇 |
| 矽 (Si) | Max 0.50 | 提升鋼材在高溫蒸汽環境下的抗氧化能力 |
| 錳 (Mn) | 0.30 – 0.60 | 脫氧並增加強度，其含量與鉬的交互作用影響回火脆性 |
三、A335 P22 蒸汽管線冷作彎管之細部設計規劃
冷作彎管製程在 CCPP 蒸汽管線中的應用，主要針對中小口徑（通常 NPS 12 以下）的輔助蒸汽與再熱蒸汽支管 16。透過機械力在室溫下對管材進行形塑，可以大幅減少系統中的銲道數量，從而降低施工期間的銲接成本與運作期間的檢測負擔 7。
3.1 成型應變控制與 ASME B31.1 2025 要求
冷作彎管設計的核心在於應變（Strain）的管控。根據 ASME B31.1 Section 129，彎管過程中產生的纖維伸長應變必須被精確計算，以判斷是否需要進行成型後熱處理（PBHT）。應變的通用估算公式如下所示：
ε= 100*d / (2R+d)
其中 d 為管材外徑，R 為彎曲半徑 17。ASME 2025 Edition 強化了對成型應變的監控要求，特別是將鎳合金納入計算範疇，並在 Table 129.3.2.1-1 中針對鐵素體鋼（如 P22）設定了明確的應變極限值 1。對於 P22 材料，若冷完成型後的應變超過 5%，或設計溫度預計進入蠕變範圍（超過 425°C），新規範傾向於要求進行正火加回火處理，以恢復材料的抗蠕變微觀組織 17。
在設計規劃中，必須考慮冷彎引起的外弧壁厚減薄（Thinning）與內弧管壁增厚，以及截面的橢圓化（Ovality）。ASME B31.1 102.4.5 節規定，彎管成型後的最小壁厚必須滿足直管壓力設計厚度，加上補償減薄的裕量 4。2025 Edition 對於「彎曲片段與斜接片段」的設計條款進行了重新修訂，要求設計者在規劃時必須具體化彎曲半徑與壁厚容差的連動關係 1。
3.2 冷作彎管之材料劣化與 PBHT 規劃
冷作彎管雖然避免了銲接熱循環，但機械變形會導致材料內部產生高密度的位錯（Dislocations），進而引發加工硬化（Work Hardening）。對於 A335 P22 這種在高溫下運作的材料，未釋放的冷作應變會在服務初期與高溫環境發生反應，加速碳化物的球化與聚集，進而降低蠕變斷裂壽命 14。
因此，2025 Edition 的設計實務建議針對關鍵蒸汽管線採取嚴格的 PBHT 規劃：
- 熱處理類型：對於應變超過 5% 的 P22 彎管，應採取全退火或正火加回火處理，而非僅僅是低溫應力消除 17。
- 溫控標準：正火溫度應保持在 900°C – 960°C 之間，回火溫度則不得低於 675°C 3。
- 微觀驗證：在設計規格書中應明確要求進行現場金相抽檢（Replica），確保回火馬氏體或鐵素體-珠光體組織的均勻性，防止大晶粒產生（Overheating during heat treatment），這在以往的 P22 失效案例中是常見的根本原因 20。
四、A335 P22 蒸汽管線電銲作業之細部設計規劃
對於大口徑主蒸汽管線或管網連接處，電銲作業依然是不可或缺的工法。然而，銲接接頭是管線系統中最薄弱的環節，特別是 P22 材料容易在熱影響區產生 IV 型開裂 9。
4.1 4.2銲接程序（WPS）與預熱控制
在 2025 Edition 的架構下，A335 P22 的銲接程序規劃必須整合最新的 Section IX 變數。P22 屬於 P-No 5A 材料，由於其含鉻量較高，具備自淬硬性（Self-hardening in air） 15。設計規劃中必須嚴格定義預熱溫度，根據 ASME B31.1 Table 131.4.1-1，P22 的最低預熱溫度為 150°C 25。
預熱的主要目的是減緩銲後冷卻速度，防止在 HAZ 產生脆性的馬氏體組織，並促進氫氣從銲縫中擴散，降低延遲裂紋風險 27。在 CCPP 的高空安裝環境中，設計規範應強制要求使用電阻加熱毯（Electrical Resistance Blankets）而非火焰加熱，並配合自動記錄儀進行溫控監測。層間溫度的上限應控制在 315°C 以下，以維持細緻的晶粒結構 29。
4.2 銲後熱處理（PWHT）之技術深化與新規範合規
PWHT 是 A335 P22 銲接成功的關鍵。新規範對於 CPS（涵蓋管線系統）的 PWHT 要求更為透明且具備追溯性。下表呈現了 A335 P22 在 2025 Edition 下的 PWHT 指標要求：
| 參數項目 | 規格要求 | 2025 規範合規重點 |
| 強制熱處理厚度 | > 13 mm (0.5 in) | 設計時需核對實測厚度，而非僅名義厚度 |
| 浸泡溫度區間 | 675°C – 745°C | 嚴禁超過下臨界溫度 Ac1 (約 800°C) |
| 最短浸泡時間 | 1 hr/inch (最少 1 hr) | 需符合 QW-407.2 之「80% 規則」評定 |
| 升/降溫速率 | ≦222°C/hr 除以厚度 | 針對 CPS 管線需提供完整的數位溫度曲線紀錄 |
| 測溫點分布 | 銲縫、HAZ 及兩側母材 | 符合新版附錄 R 的紀錄保存要求 |
值得注意的是，ASME 2025 Edition 更加強調了不同 P-Number 材料連接時的 PWHT 邏輯。當 P22（P-No 5A）與較低等級材料銲接時，熱處理應以要求較高溫度者為準，但最高溫度不得超過兩者中較低者的Ac1 18。這在 CCPP 中常見於 P22 蒸汽管與碳鋼集箱的連接，設計規劃中必須精確計算溫控窗口，避免低合金側發生過熱過燒。
五、冷作彎管與電銲作業之細部設計規劃對比分析
針對 CCPP A335 P22 蒸汽管線，選擇冷完成型或銲接組合取決於安全性、經濟性與長期的完整性管理。
5.1 微觀組織穩定性與蠕變裂紋分析
在長期高溫服務下，銲接接頭最致命的威脅是 IV 型開裂。這是一種發生在細晶熱影響區（FGHAZ）或臨界熱影響區（ICZ）的局部蠕變失效 9。由於銲接熱循環會使局部區域加熱至剛好超過 Ac3 或介於 Ac1 與 Ac3 之間，導致原有的強化相（如馬氏體板條與析出物）發生熱軟化（Thermal Softening），形成一個弱化的區域 9。
相比之下，冷作彎管雖然也會引入變形能，但隨後的 PBHT（正火加回火）可以使整個彎管段的組織重新轉化，實現微觀結構的整體一致性 14。從 2025 Edition 的安全哲學來看，對於承受高循環應力與高溫蠕變交互作用的主蒸汽管線，減少銲縫數量即是減少了潛在的 IV 型開裂起始點 9。
5.2 非破壞檢測（NDE）與品質保證之對比
ASME 2025 Edition 在 Section V 與 B31.1 中引入了多項先進 NDE 技術的應用導則，這改變了冷彎與銲接的檢測規劃成本結構 1。
- 電銲作業檢測：銲道需進行 100% 體積檢測（RT 或 UT）。新版規範中，相控陣超聲檢測（PAUT）與全矩陣捕捉（FMC）技術的引入，使得對銲道內部微小缺陷的辨識度大幅提升，但同時也提高了檢測的人力與設備成本 2。銲接過程中的「電弧擦傷」（Arc Strike）在新版定義中被嚴格列管，需進行表面移除與 PT 檢測 1。
- 冷作彎管檢測：冷彎管的 NDE 重點在於彎曲外弧的減薄測量與磁粉檢測（MT）以確認有無拉伸裂紋。對於厚壁 P22 管材，新版規範鼓勵採用聲發射（AE）技術進行成型過程中的即時監測，這雖然增加了設計規劃的複雜度，但能極大地預防成型缺陷 2。
5.3 經濟效益與工期管理對比
在 2025 年的工業供應鏈背景下，預製化（Prefabrication）比例已成為控制成本的核心 16。
- 冷作彎管：其優勢在於工廠化作業的高效率。單個冷彎工序僅需數分鐘，且後續的熱處理可在大容量電爐中成批進行。雖然初期模具投資較高，但對於標準化程度高的 CCPP 專案，冷彎能縮短現場安裝時程約 30% 以上 7。
- 電銲作業：銲接通常涉及管段對接（Girth Welds），每道銲縫均需經歷：坡口加工、組對、預熱、銲接（可能長達數小時）、保溫、NDT、PWHT、最終 NDT 27。在高空管架上進行這些作業的成本，通常是工廠預製的 3 到 5 倍。然而，銲接提供了設計上的極大靈活性，適用於任何複雜的空間幾何布局 7。
| 比較項目 | 冷作彎管設計規劃 | 電銲作業設計規劃 | 2025 規範之權重分配 |
| 初期設計難度 | 中 (需精確計算應變與減薄) | 高 (需進行複雜的銲接應力模擬) | 規範要求「設計者」承擔更多模擬責任 |
| 品質穩定性 | 優 (機械控制，微觀組織均一) | 中 (受銲工技藝與環境影響) | 強調 QMS 與附錄 Q 的管理流程 |
| 運作風險 | 低 (無 HAZ，抗蠕變性佳) | 高 (IV 型裂紋風險) | 增加對 CPS 管線的定期檢測要求 |
| 檢測與維護 | 易 (定期測厚即可) | 難 (需定期對銲道進行深度 UT) | 鼓勵引入生命週期評估數據 |
六、ASME 2025 Edition 之品質管理系統（CPS）與數位化要求
ASME B31.1 2025 Edition 新增了 Mandatory Appendix Q 與 Appendix R，這對 CCPP 蒸汽管線的設計規劃產生了深遠影響。新規範將主蒸汽、再熱蒸汽等關鍵管線定義為「涵蓋管線系統」（Covered Piping Systems, CPS），要求必須建立完整的品質管理程序與數位化紀錄 1。
6.1 附錄 Q：品質管理計畫要求
對於 A335 P22 管線，Appendix Q 要求從材料採購階段就必須開始品質追蹤。這包含材料供應商的評鑑、銲材的成分批次驗證，以及冷彎設備的校準 1。設計者在規劃時，必須在圖面上明確標註 CPS 的範圍，這將直接影響施工單位後續的紀錄密度與監檢點（Hold Points）設置。新規範中「品質管理系統」取代了舊有的「品質系統」，強調了對過程（Process）的持續監控，而非僅僅是結果的檢測 34。
6.2 附錄 R：文件紀錄與報告要求
Appendix R 詳細規範了 CPS 管線必須保存的文件清單。這不僅包含銲接地圖（Weld Map）與 NDT 報告，還首度強調了「成型紀錄」的重要性 1。針對 P22 冷作彎管，設計規劃必須包含：
- 成型變數清單：記錄彎曲速率、使用潤滑劑類型、夾緊壓力等變數。
- 數位化熱處理曲線：所有的 PBHT 或 PWHT 都必須提供與工件唯一編號對應的數位時間-溫度曲線圖，並需由具備資質的檢驗員確認 18。
- NDE 數據的長期可追溯性：特別是對於採用自動超聲檢測（AUT）的銲道，必須保存原始數位信號，以便未來進行運行中的對比評估 2。
七、結論與技術規劃建議
基於 2026 年即將實施的 ASME 2025 Edition 規範，針對 CCPP A335 P22 蒸汽管線的設計規劃分析顯示，工程界正處於從「經驗導向」轉向「數據與品質系統導向」的過渡期。
在冷作彎管方面，設計規劃應充分利用其組織均勻性的技術優勢，特別是在減少 HAZ 軟化區、預防 IV 型開裂方面。然而，設計者必須嚴格遵循新版 B31.1 對於成型應變的計算要求，並在應變超過 5% 或設計溫度進入蠕變區時，強制規劃正火加回火的熱處理循環，而非僅僅依賴於材料的出廠狀態。
在電銲作業方面，核心挑戰在於如何在新版 Section IX 的嚴格規範下，達成熱輸入的精確控制。透過引入 QW-410.92 的擺動銲接限制，以及對 PWHT 「80% 規則」的落實，可以顯著提升 P22 銲道的抗蠕變性能。同時，針對 2025 Edition 新增的 Appendix Q 與 R，設計與施工單位應儘速建立數位化管線履歷系統，確保 CPS 管線在全生命週期內的合規性與可追溯性。
總結而言，未來 CCPP 蒸汽管線的優化規劃應採取「冷彎為主、銲接為輔」的混合策略，結合自動化銲接與進階 NDT 監測。這不僅能大幅提升電廠在高溫交變負載下的運轉可靠性，更能在符合 ASME 2025 新修訂規範的前提下，實現最優的總體營運成本。
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