2026 ASME新修訂規範：CCPP 316L&317L 對比冷作彎管與電銲作業之細部設計規劃分析研究 (A Comparative Study on Detailed Design Planning for Cold Bending and Welding Operations of 316L & 317L in CCPP: Analysis under the 2026 ASME Revised Codes)

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一、緒論: 全球電力產業轉型與 2026 年 ASME 規範強制實施之戰略背景

隨著全球能源結構向低碳化與高效率化轉型，複循環發電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）已成為支撐電力穩定與減少碳排放的核心技術路徑。在這一過程中，熱回收蒸汽產生器（HRSG）及相關的高溫高壓管線系統對材料性能與製造工法的要求日益嚴苛。美國機械工程師學會（ASME）於 2025 年正式發布了最新版本的鍋爐及壓力容器規範（BPVC）以及壓力管線規範（B31 Series），並預計於 2026 年 1 月起強制實施 1。這一修訂標誌著壓力設備工程領域進入了一個基於性能（Performance-based）與高度整合的新紀元。

對於 CCPP 項目而言，316L 與 317L 奧氏體不銹鋼因其卓越的耐腐蝕性與高溫強度，被廣泛應用於煙氣冷凝、海水冷卻、化學加藥及低溫服務等關鍵子系統。2026 年規範的修訂，特別是關於 ASME B31.3（製程管線）與 B31.1（電力管線）中對於應力分析方法（B31J 整合）、材料豁免準則及製造工法控制的變革，直接影響了細部設計規劃的技術決策。工程師必須在「冷作彎管」與「電銲作業」之間進行更具前瞻性的權衡，以應對新規範下對於疲勞斜率、殘餘應力控制及非破壞性檢測（NDE）的嚴格要求 1。

二、316L 與 317L 奧氏體不銹鋼之材料科學特徵與 CCPP 環境適應性

奧氏體不銹鋼在 CCPP 環境中的應用，其核心挑戰在於應對煙氣脫硫（FGD）過程中的酸性氯化物環境以及 HRSG 尾部低溫段的煙氣露點腐蝕。316L（UNS S31603）與 317L（UNS S31703）雖然同屬含鉬奧氏體鋼，但其合金化程度的細微差異決定了它們在新規範設計下的應力許用值與耐蝕極限 4。

2.1 合金化程度與點蝕抗性當量（PREN）之技術對比

鉬（Mo）含量的增加是區分這兩種材料的關鍵標誌。316L 含有 2% 至 3% 的鉬，而 317L 則將這一比例提升至 3% 至 4% 4。鉬的主要作用在於穩定鈍化膜，特別是在氯離子存在的情況下，能夠顯著提高材料對點蝕（Pitting）和縫隙腐蝕（Crevice Corrosion）的抗性。在 CCPP 的海水循環系統或處理高鹽度廢水的管線中，點蝕抗性當量（PREN）是評估材料可靠性的量化指標，其計算公式如下：

PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N)

根據 2026 年 ASME 修訂中對 Section II Part D 材料屬性的更新，317L 的 PREN 值通常分布在 27.9 至 33.2 之間，顯著高於 316L 的 22.6 至 27.9 7。當 PREN 值超過 32 時，材料通常被認為具有抵抗海水環境點蝕的基本能力，這使得 317L 成為更極端環境下的首選方案。

元素成分 (%) 316L (UNS S31603) 317L (UNS S31703)
鉻 (Chromium, Cr) 16.0 – 18.0 18.0 – 20.0
鎳 (Nickel, Ni) 10.0 – 14.0 11.0 – 15.0
鉬 (Molybdenum, Mo) 2.0 – 3.0 3.0 – 4.0
碳 (Carbon, C) 0.030 Max 0.030 Max
氮 (Nitrogen, N) 0.10 Max 0.10 Max
錳 (Manganese, Mn) 2.00 Max 2.00 Max
磷 (Phosphorus, P) 0.045 Max 0.045 Max
典型 PREN 值 25 30

資料參考來源:9

2.2 CCPP 低溫露點與高溫蠕變環境下的力學表現

在 CCPP 運作中，管線系統不僅要面對室溫下的腐蝕，還需承受頻繁的熱循環。316L 與 317L 作為低碳級別材料，其主要的設計優勢在於銲接後的抗敏化（Sensitization）能力。敏化是指鉻碳化物在晶界處析出，導致貧鉻區的產生，進而引發晶間腐蝕 10。

根據 Section II Part D 的修訂，316L 與 317L 的最高使用溫度在 Section VIII Division 1 應用中限制為 850°F (454°C)，這是因為在更高溫度下，奧氏體鋼可能發生長期蠕變損傷或相位轉變 6。在 HRSG 的過熱器管件中，若溫度超過此限制，通常需要切換至 H 級（高碳）或穩定化級別（如 321 或 347）。然而，對於冷凝水、廢水處理及海水冷卻系統，316L 與 317L 的低溫韌性使其在低溫應用中表現優異，甚至可應用於 -320°F (-196°C) 的液氮環境，前提是符合特定的衝擊試驗豁免條件 12。

三、2026 年 ASME B31.3 與 B31.1 修訂對管線應力分析之核心影響

ASME 2024 年版（2026 強制執行）對管線設計規則最顯著的變動之一，是全面強制整合 ASME B31J 規範用於計算應力強化因子（SIF）和柔性因子（k-factors），取代了舊有的附錄 D 方法 1。

3.1 持續應力指數 (Ss) 的變革與其對 316L/317L 管線的影響

在傳統的 ASME B31.3 計算中，持續應力指數（Sustained Stress Index, Ss）通常取值為 0.75i（其中 i 為應力強化因子）。然而，2026 年新規範流程中，Ss 對於多數管件（如彎頭、三通等）預設為 1.00，這直接導致計算出的持續應力增加了約 33% 1。

對於 316L 和 317L 這種屈服強度相對較低（相較於高強度碳鋼或合金鋼）的奧氏體不銹鋼，這一應力計算的增加可能導致既有的支撐間距規劃不再符合規範要求。設計者必須在規劃階段增加管線支撐的頻率，或通過優化「冷作彎管」半徑來利用 B31J 中更為精確的應力係數。

3.2 疲勞斜率與地震設計循環的調整

ASME B31.3 2024 年版採用了更陡的疲勞斜率（-0.333 對比 B31.1 的 -0.2） 15。這意味著隨著循環次數的增加，許用位移應力範圍（Allowable Displacement Stress Range, SA）下降的速度更快。在 CCPP 頻繁啟停（Daily Cycling）的運作模式下，316L/317L 管線在銲接熱影響區（HAZ）的疲勞風險評估變得至關重要。冷作彎管因其幾何連續性，在疲勞分析中通常優於具有銲接接頭的組件。

四、冷作彎管（Cold Bending）工法之細部設計規劃與技術限制

冷作彎管技術通過機械手段在環境溫度下將管材彎曲成形。在 CCPP 項目的 316L/317L 應用中，冷彎被視為減少銲縫數量、提高系統誠信度的有效手段。

4.1 變變應變計算與 ASME Para 332.2.3 之合規性

冷彎過程必然導致外半徑側（Extrados）的壁厚減薄與內半徑側（Intrados）的壁厚增厚。ASME B31.3 對於冷彎後的熱處理要求，主要取決於外側纖維伸長率（Fiber Elongation）。計算公式如下：

εcold = 100*r / R

其中 r 為管子公稱外半徑，R 為彎曲中心半徑 16。

根據 Para 332.2.3 的修訂，對於 P-No. 8（奧氏體不銹鋼）材料，若該材料在運作中需要進行衝擊試驗，且冷彎應變超過 5%，則必須進行後彎熱處理 16。然而，在許多非低溫或非致命流體服務中，316L/317L 被允許在「彎管狀態」（As-bent）下使用，前提是設計工程能夠證明其剩餘延展性滿足 10% 以上的要求。

4.2 幾何公差與流體力學優勢

冷彎管的截面扁平化（Flattening）受到嚴格控制。對於內壓系統，扁平化不得超過公稱外徑的 8%；對於外壓系統，則限制在 3% 以內 16。相比於標準的 1.5D 銲接彎頭，冷彎通常採用 3D 或 5D 半徑，這在流體動力學上具有顯著優勢。

通過較大的彎曲半徑，流體在轉向時產生的二次流（Secondary Flow）與湍流強度顯著降低 18。根據 Darcy-Weisbach 方程和 K 因子法，冷彎管的局部阻力係數 K 隨 R/D 比值的增加而減小，這能有效降低 CCPP 循環水系統的泵送能量損失。

彎曲半徑 (R/D) 阻力係數 K (估計值) 應力強化因子 i (B31J)
1.5D (銲接彎頭) 0.39 較高
3.0D (冷彎) 0.25 中等
5.0D (冷彎) 0.18 較低

資料參考來源:1

五、電銲作業（Welding Operations）之細部設計規劃與冶金挑戰

銲接是 CCPP 現場安裝中最靈活的連接方式，但對於 316L/317L 而言，銲接熱輸入（Heat Input）的控制與殘餘應力的管理是細部設計的重中之重。

5.1 ASME Section IX 最新修訂與 317L 銲接程序（WPS）

2025 年版 Section IX 對於 P-Numbers 進行了重組，並新增了 P-No. 81 類別 15。對於 317L 材料，設計規劃必須確保填料（Filler Metal）的鉬含量不低於母材。通常使用 ER317L 或具有更高耐蝕性的鎳基合金（如 Alloy 625）作為填料，以補償銲縫處合金元素的燒損 22。

新規範修訂了 QW-403.16 和 QW-403.32，對於管徑與壁厚變量的合格範圍提供了更清晰的指導 15。此外，為了應對薄壁不銹鋼管在銲接中的變形問題，新規範引入了關於「寬織銲」（Wide-weave）的控制變量 QW-410.92，強制要求在 WPS 中註明銲道寬度與熱輸入限制，以防止過熱導致的耐蝕性下降 15。

5.2 殘餘應力、殘餘鐵素體與應力腐蝕開裂（SCC）

316L/317L 銲接接頭在冷卻過程中會產生極高的拉伸殘餘應力。研究顯示，未經處理的 316L 銲接區域拉伸殘餘應力可高達 +100 ksi 23。這種應力與 CCPP 環境中的氯離子結合，極易引發氯化物應力腐蝕開裂（CISCC）。

為了抑制銲接熱裂紋（Hot Cracking），316L/317L 的銲縫通常含有 5% 至 10% 的殘餘 δ-鐵素體 24。雖然鐵素體有助於防止裂紋，但在某些化學環境下，鐵素體相位可能成為優先腐蝕的位點。因此，2026 年規範強化了對銲縫鐵素體數量（Ferrite Number, FN）的控制與測量要求，特別是在低溫和強腐蝕服務中 12。

六、冷作彎管與電銲作業之多維度對比與設計決策

在 CCPP 項目的設計規劃中，選擇冷彎還是銲接，需要從冶金誠信、施工工期及全生命週期成本三個層面進行綜合評估。

6.1 冶金與腐蝕性能之對比分析

冷作彎管保留了材料的整體性，避免了銲縫中可能出現的孔隙、夾渣及化學成分偏析 25。更重要的是，冷彎不會產生熱影響區（HAZ），這對於 317L 這種高合金材料而言，顯著降低了敏化與局部點蝕的風險 5。

然而，冷彎會在管壁外部產生加工硬化（Work Hardening）和拉伸預應力，這在某些特定的酸性環境下可能增加 SCC 的敏感性。電銲作業則通過局部熔融實現連接，雖然引入了 HAZ，但通過精確的後銲表面處理，可以恢復其耐蝕性能 23。

6.2 經濟性與施工工期之實證對比

根據大型 CCPP 建設項目的數據，管線系統的成本結構正發生顯著變化。銲接作業依賴於高度專業化的勞動力（合格銲工、NDE 技術員），且工序複雜。

成本與效率指標 電銲作業 (Welding) 冷作彎管 (Cold Bending)
人工與材料佔比 1/3 材料, 2/3 勞務 2/3 材料, 1/3 勞務
檢驗成本 (NDE) 高 (需 100% RT/UT) 低 (主要是尺寸與表面檢測)
施工速度 較慢 (需對口、銲接、冷卻、檢測) 較快 (機械化成形)
典型工期節省 基準 約 58% (相較於傳統手動銲接)

資料參考來源:29

冷彎的主要經濟優勢在於減少了非破壞性檢測（NDT）的需求。對於 316L/317L 的銲縫，2026 年規範要求在特定危險服務下進行 100% 射線檢測（RT）或超音波檢測（UT） 31。採用冷彎管可以節省大量的檢測費用與相關的輻射安全防護工期。

七、非破壞性檢測（NDE）之技術演進與 2026 年規範要求

ASME BPVC Section V 2025 年版引入了多項先進檢測技術的應用準則，這對 316L/317L 銲件的質量保證具有重大意義 33。

7.1 射線檢測（RT）與超音波檢測（UT）的選擇基準

  • 全矩陣捕獲（FMC）與相位陣列超音波（PAUT）： 針對奧氏體不銹鋼銲縫常見的粗大晶粒結構，傳統 UT 往往因散射嚴重而難以檢測。2026 年規範正式將 FMC 技術納入許可範圍，這能顯著提高對 316L/317L 銲縫內部平面型缺陷（如未熔合）的檢出率 2。
  • 數位射線攝影（Digital Radiography）： 相比於傳統膠片，數位 RT 縮短了顯影時間，且更易於整合進 CCPP 項目的品質管理系統中 3。

7.2 洩漏測試的實務簡化：Para 345.2.3 的應用

如前所述，2026 強制實施的 B31.3 修訂允許對預測試的子組合件在現場連接處（機械連接或閉合銲縫）採用「初始服務洩漏測試」（Initial Service Leak Test）或敏感洩漏測試，而無需重複進行整體的系統水壓試驗 1。這對於 316L/317L 管線在 CCPP 施工現場的快速翻轉與調試具有關鍵價值。

八、針對 CCPP 關鍵子系統的細部設計規劃建議

根據 2026 年 ASME 修訂精神，對 316L/317L 管線系統的設計規劃應遵循以下路徑：

8.1 HRSG 煙氣低溫段與 FGD 管線

在此區域，腐蝕抗性是最高優先級。建議選用 317L 材料，並盡可能採用冷作彎管以減少銲縫。對於必須銲接的部位，應要求進行銲後噴丸（Peening）處理，以引入壓應力層，抵消銲接拉伸應力，從而防止氯化物誘導的 SCC 23。

8.2 高壓加藥與化學處理系統

這些系統通常管徑較小（NPS 2 及以下），但壓力等級較高。對於這類系統，316L 的電銲（特別是自動軌道銲接）通常是更具成本效益的選擇，因為小管徑冷彎的幾何控制難度較大。細部設計應確保遵循最新 Section IX 的小管徑銲接變量控制 15。

8.3 跨部門規則（Common Rules）的整合規劃

設計者需注意，2026 年起，Section VIII Division 1 的許多計算方法將直接鏈接至 Division 2。這區域在設計 CCPP 的不銹鋼壓力容器附屬管線時，必須具備 Division 2 Part 4 的設計知識，特別是關於法蘭應力因子（FS 和 VS）的計算及簡化法蘭面 seating width 的更新 3。

九、結論與前瞻性設計建議

2026 年 ASME 規範的修訂反映了工程界對於系統安全性、施工效率與新技術整合的全面追求。對於 CCPP 項目中的 316L 與 317L 管線細部設計規劃，本研究得出以下關鍵結論：

  1. 材料選擇的精準化： 317L 在 CCPP 的高腐蝕環境中具有明顯的 PREN 優勢，應優先應用於高氯化物與酸性冷凝區域 8。
  2. 應力分析的適應化： 必須採納 B31J 規範，重新評估 316L/317L 管線的持續應力與柔性，應對 Ss = 1.0 帶來的應力增長 1。
  3. 加工工法的平衡化： 在 10 吋以下管徑，應最大化利用冷作彎管的經濟與冶金優勢，減少銲縫與 NDT 支出 29。
  4. 銲接品質的動態化： 遵循 Section IX 關於熱輸入與寬織銲的最新限制，確保 317L 銲縫的耐蝕性不低於母材 3。
  5. 檢驗流程的現代化： 積極採用 FMC/PAUT 等先進 NDT 技術，並利用規範對預測試組合件洩漏測試的便利規定，優化 CCPP 施工週期 1。

通過深入理解並實施這些修訂規範，CCPP 工程團隊不僅能確保項目的合規性，更能通過優化細部設計，提升發電設施在全壽命週期內的結構誠信度與營運效益。2026 年規範的實施，不僅是挑戰，更是動力管線工程技術升級的重要機遇。

參考文獻

  1. ASME B31.3 2024 Changes: Key Updates & Summary (2026 …, https://epcland.com/asme-b31-3-2024-changes/
  2. ASME BPVC latest Edition – Major Changes – PED – Pressure Equipment Directory, https://ped-online.com/asme-bpvc-latest-edition-major-changes/
  3. What’s New in ASME Section VIII 2025: Updated Methods, Materials …, https://info.thinkcei.com/think-tank/asme-viii-2025-code-updates-methods-materials-organization
  4. Difference Between 316L and 317L Stainless Steel Pipes, https://www.piyushsteel-pipes.com/blog/understanding-the-difference-between-316l-and-317l-stainless-steel/
  5. Difference between 316L and 317L Stainless Steel | Data Sheet, https://www.pipingmaterial.ae/blog/difference-between-316l-and-317l-stainless-steel/
  6. ATI 316™, ATI 316L™, ATI 317™, ATI 317L™ – ATI Materials, https://www.atimaterials.com/Products/Documents/datasheets/stainless-specialty-steel/austenitic/ati_316_316l_317_317l_tds_en1.pdf
  7. Calculating Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) – Penflex, https://www.penflex.com/news/calculating-pitting-resistance-pren/
  8. AISI 317L – Aperam, https://brasil.aperam.com/wp-content/uploads/2015/11/AISI-317L-Molybdenum-bearing-Austenitic-Stainless-Steel.pdf
  9. 316 vs 317L – Composition, Heat Treatment, Properties, and Applications – Metal Zenith, https://metalzenith.com/blogs/steel-compare/316-vs-317l
  10. Prevention of SCC in 316 Stainless Steel Welding – Inspenet, https://inspenet.com/en/articulo/scc-prevention-in-316-stainless-steel/
  11. Intergranular Corrosion Analysis of Austenitic Stainless Steels in Molten Nitrate Salt Using Electrochemical Characterization – MDPI, https://www.mdpi.com/2075-4701/14/1/106
  12. Toughness Testing and ASME B31.3 Process Piping Code – Meyer Tool & Mfg., https://www.mtm-inc.com/toughness-testing-and-asme-b313-process-piping-code.html
  13. Ultra-Low Temperature Testing Requirements for 316L Stainless Steel in ASME B31.3 (Projects 157 and 173), https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20240010957/downloads/B31_3%20Low%20Temp%20Presentation%20240829.pdf
  14. Postweld Heat Treatment Code Exemption – Pt 1 – TWI Ltd, https://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/a-review-of-postweld-heat-treatment-code-exemption-part-1-march-2006/
  15. Webinar Recap: 2024–2025 Code Changes | ASME, AWS & More, https://info.thinkcei.com/think-tank/2025-asme-aws-code-webinar
  16. L-001et ASME B31-3 332 (Cold Bending) | PDF – Scribd, https://www.scribd.com/document/763881636/L-001et-ASME-B31-3-332-cold-bending
  17. 46 CFR § 56.80-15 – Heat treatment of bends and formed components. – Law.Cornell.Edu, https://www.law.cornell.edu/cfr/text/46/56.80-15
  18. Bends, Flow and Pressure Drop in – Thermopedia, https://www.thermopedia.com/content/577/
  19. Pressure drop in pipe fittings and valves | equivalent length and resistance coefficient, https://www.katmarsoftware.com/articles/pipe-fitting-pressure-drop.htm
  20. Piping System Fundamentals, https://www.av8rdas.com/uploads/1/0/3/2/103277290/piping_system_fundamentals_valve_and_fittings_chapter.pdf
  21. Pressure losses for fluid flow in 90 degrees pipe bends, https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/21/jresv21n1p1_A1b.pdf
  22. 317L Stainless Steel – UNS S31703 – Mega Mex, https://megamex.com/stainless-317l/
  23. RESIDUAL STRESS AND STRESS CORROSION CRACK …, https://www.lambdatechs.com/wp-content/uploads/Residual-Stress-and-Stress-Corrosion-Cracking-Characterization-of-LPB%C2%AE-Treated-316L-Stainless-Steel-Weldments.pdf
  24. Effect of welding on the stress corrosion cracking behaviour of prior cold worked AISI 316L stainless steel studied by using the slow strain rate test – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/257086461_Effect_of_welding_on_the_stress_corrosion_cracking_behaviour_of_prior_cold_worked_AISI_316L_stainless_steel_studied_by_using_the_slow_strain_rate_test
  25. Bending vs. welding in stainless steel piping installations – Pharmaceutical Online, https://www.pharmaceuticalonline.com/doc/bending-vs-welding-in-stainless-steel-piping-0001
  26. Asme B31. PWHT | PDF | Pipe (Fluid Conveyance) | Heat Treating – Scribd, https://www.scribd.com/document/888388707/ASME-B31-PWHT
  27. Investigation of pitting corrosion of austenitic stainless steel types AISI 304L and AISI 317L, especially from the aspect of molybdenum content | Zastita Materijala, https://www.zastita-materijala.org/index.php/home/article/view/1400
  28. Study of Mechanical Properties, Microstructure, and Residual Stresses of AISI 304/304L Stainless Steel Submerged Arc Weld for Spent Fuel Dry Storage Systems – MDPI, https://www.mdpi.com/2075-4701/14/3/262
  29. Welded vs press-fit stainless steel tube: what is more cost-effective? – Waterworks Blog, https://blog.waterworksnz.co.nz/welded-vs-press-fit-stainless-steel-tube
  30. The Economics of Pipe Fabrication: Understanding Costs and Rates – Calpiping Industrial, https://calpiping.com/post/the-economics-of-pipe-fabrication-understanding-costs-and-rates
  31. ASME B31.3 Code: Process Piping Design & Compliance (2026) – EPCLand, https://epcland.com/asme-b31-3-process-piping-code/
  32. ASME B31.1/B31.3 PWHT Exemption Guide | PDF | Pipe (Fluid Conveyance) | Construction, https://www.scribd.com/document/654328983/TB-2022-01-PWHT-Exemption-Table
  33. ASME B31.3 Design Criteria For Thermal Stress | Calgary, AB – Little P.Eng. Engineering, https://www.littlepeng.com/single-post/2018/03/16/asme-b313-design-criteria-for-thermal-stress-calgary-ab
  34. ASME BPVC 2025 Edition – Understanding the Key Code Changes – TWI India, https://www.twi-global.com/locations/india/news-and-events/news/2025/asme-bpvc-2025-edition-understanding-the-key-code-changes
  35. ASME BPVC 2025 Section VIII Division 1 – Afnor EDITIONS, https://www.boutique.afnor.org/en-gb/standard/asme-bpvc-2025-section-viii-division-1/section-viii-rules-for-construction-of-pressure-vessels-division-1/as789/447340
  36. NDT for Pipe Welds: X-ray vs. Ultrasonic Testing | Allland, https://alllandpipes.com/blogs/ndt-for-pipe-welds-x-ray-vs-ultrasonic-testing.html
  37. ASME B31.3 Process Piping: Changes in the 2024 Edition – Becht, https://becht.com/becht-blog/entry/asme-b31-3-process-piping-changes-in-the-2024-edition/
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