ASME B31.1 規範的設計強度與安全裕度分析研究報告 (Research Report on Design Strength and Safety Margin Analysis of ASME B31.1 Code)

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一、 ASME B31.1 動力管線的概述與安全哲學

 

1.1 規範的背景、範圍與應用重點

ASME B31.1《動力管線規範》（Power Piping Code）是針對特定高風險、高能量系統設計和建造的行業標準。該規範的範圍涵蓋發電廠、工業和機構設施中的管線系統，特別是電廠內的蒸汽-水迴路 1。B31.1 亦適用於地熱加熱系統、集中和區域供熱與製冷系統，以及工廠內部燃料氣體和燃油系統（儀表下游） 2。

B31.1 的設計核心在於確保長期機械完整性和高可靠度，特別是針對高壓和高溫條件 5。由於動力管線系統一旦發生故障，不僅會影響管線本身，更可能導致大範圍的電力、供暖和空調中斷，產生嚴重的社會和經濟後果 3。因此，B31.1 在設計強度和安全裕度上採取了極為保守且嚴格的標準，以最大限度地降低營運風險。

B31.1 的設計準則主要聚焦於三種應力類別：持續載荷（Sustained Loads, Primary）、瞬時載荷（Occasional Loads, Primary short-term）和膨脹載荷（Expansion Loads, Secondary/Fatigue） 6。歷史上，此規範在演變過程中經歷了 ASA、ANSI，最終成為 ASME B31.1，但其基本設計方法始終堅持「許用應力設計」（Allowable Stress Design, ASD） 4。

 

1.2 核心安全裕度：應用風險與設計哲學

ASME B31.1 規範的核心安全哲學體現於其對靜態強度的設計裕度要求。相較於 ASME B31.3《製程管線規範》（Process Piping），B31.1 傳統上要求更高的安全係數（Factor of Safety, FoS）。B31.1 使用的安全係數為 4.0，以確保比製程工廠更高的可靠性 5。相比之下，ASME B31.3 採用的安全係數通常為 3.0 5。

這種更高的固有安全係數是設計決策的直接結果，反映了動力管線系統的高風險性質。由於這些系統通常處理大量高能流體（如蒸汽和高溫水），一旦發生故障，可能引發災難性後果。因此，透過提高對極限抗拉強度（Su）的安全係數，B31.1 旨在建立一個遠超最低屈服極限的設計包絡線，以達成最高程度的營運完整性。

B31.1 堅守傳統的許用應力設計（ASD）方法，這與某些現代規範（如歐洲標準 EN 13480）趨向的載荷與阻力係數設計（LRFD）或極限狀態設計（LSD）方法形成對比 9。對 ASD 的堅持使得 B31.1 必須在材料強度上施加較高的、明確的安全裕度，從而提供穩健的設計，儘管這可能犧牲了某些設計效率或精確的損傷評估（尤其在高溫蠕變領域）。

 

二、 材料許用應力 (S) 的確定與內在安全裕度

 

2.1 許用應力 (S) 的決定基礎（第 102.3 節）

ASME B31.1 管線材料的最大許用應力（S）是設計強度的核心參數，它直接影響所需的管壁厚度和元件的壓力等級 9。許用應力值在規範強制性附錄 A 中以表格形式列出，並受到多重材料限制的約束，這些限制會根據金屬的設計溫度而變化 12。

 

2.2 非蠕變範圍內 (T < Tcreep) 的 S 計算

在低溫和中溫範圍內（即材料尚未進入蠕變範圍），許用應力 S 必須滿足對材料強度屬性施加的安全裕度準則。許用應力 S 是基於指定材料最小屬性計算的最低值：

  1. 極限抗拉強度 (Su) 準則： S 不得超過材料指定最小極限抗拉強度 (Su) 的四分之一：
    S ≦ Su/4.0
    該4.0 的安全係數 8 是 B31.1 規範整體保守性的主要來源，旨在防止在正常操作條件下發生全面結構斷裂。
  2. 屈服強度 (Sy) 準則： S 不得超過材料指定最小屈服強度 (Sy) 的 67%（或 Sy 除以1.5）：
    S ≦ Sy/1.5
    這個 1.5 的裕度 15 確保在持續載荷作用下，材料不會發生不可接受的塑性變形或屈服。

透過同時應用對 Su（4.0）和 Sy（1.5）的高裕度，B31.1 的設計旨在對抗短期內的延性失效 (Sy) 和長期的整體結構失效 (Su)。這種雙重約束對於動力管線系統至關重要，因為它們會經歷顯著的壓力和熱瞬變，要求極高的營運完整性。

 

表 2-1: 基本許用應力準則（非蠕變範圍）

材料屬性 ASME B31.1 準則（非蠕變） 內含安全裕度 設計目的
指定最小極限抗拉強度 (Su) S≦0.25*Su  (Su /4.0) 4.0 防止整體結構斷裂
指定最小屈服強度 (Sy) S≦0.67*Sy   (Sy /1.5) 1.5 防止過度塑性變形（屈服）

 

2.3 蠕變範圍內 (T > Tcreep) 的 S 計算與限制

當設計溫度達到或超過材料的蠕變起始溫度（對於碳鋼通常高於 750°F）時，設計限制轉向時間相關的持久性失效準則。在蠕變範圍內，許用應力 S 受限於與材料長期性能相關的標準，通常基於以下較低的值：

  1. 達到 100,000 小時蠕變斷裂所需的平均應力值。
  2. 達到 100,000 小時 1% 蠕變應變所需的平均應力值的某個分數（例如 60%）。

當蠕變損傷成為主要限制因素時，不同規範（包括 B31.1 和 B31.3）計算得出的許用應力值會趨於一致 13。這表明在極端高溫下，材料固有的時間-溫度-應力行為成為設計的最終約束，超過了規範對靜態強度的傳統安全裕度。

 

2.4 許用應力值的調整因素

許用應力值 S 必須根據材料的使用形式進行調整。根據規範第 102.3.2(c) 節的規定，查表得出的許用應力值必須乘以適用的縱向銲縫品質係數 (E) 16。對於無縫管，通常使用 E=1.0 17。對於銲接管，如果品質保證和非破壞性檢測水準較低，則 E 值可能小於 1.0。

設計許用應力分為兩類：熱態許用應力 (Sh) 是在金屬設計溫度下的最大許用應力，用於持續載荷的限制 7。冷態許用應力 (Sc) 則是在最小金屬溫度（通常是環境溫度或 100°F）下的許用應力，主要用於計算疲勞應力範圍 16。

 

三、 主要應力分析：持續載荷與瞬時載荷

 

主要應力是維持管線系統靜力平衡所必需的應力，它們是非自限性的。如果在主要應力下發生失效，將是結構性的、災難性的，因此必須確保這些應力在材料屈服點之下保持較大的安全裕度 19。

 

3.1 持續縱向應力 (SL) 的限制

持續載荷應力 (SL) 是由內部壓力、管線自重和其他持續存在的靜態載荷（例如，持續的機械力矩）引起的縱向應力總和 18。

合規限制： 計算所得的持續縱向應力 (SL) 必須不超過熱態許用應力 (Sh)：

SL ≦ Sh * E

其中 E 是銲縫品質係數。這個限制是確保管線在整個營運期間維持結構完整性的基礎 7。由於 Sh 內建了對 Su 的 4.0 安全係數，因此持續載荷具有最高的靜態安全裕度。

截面模數 (Z) 的計算： 在 SL 的計算中，ASME B31.1 與 B31.3 存在一個關鍵差異。B31.1 規定在計算用於持續應力或瞬時應力的截面模數 (Z) 時，必須使用公稱壁厚。規範明確指出，計算 Z 時不應扣除腐蝕裕度或其他設計裕度 5。

相較之下，B31.3 要求在計算持續應力時使用扣除腐蝕裕度的壁厚，這看起來更保守。然而，B31.1 的做法是基於其應用環境的特性：動力管線通常輸送高純度流體（如蒸汽或給水），內部腐蝕往往可以忽略或受到嚴格控制。因此，B31.1 依靠其高達 4.0 的基本 FoS 來提供整體安全性，同時允許在計算 Z 時使用公稱厚度，從而反映其受控的運營環境。

 

3.2 瞬時載荷 (SOcc) 的應力提升裕度

瞬時載荷應力是作用時間短暫的載荷，例如風載荷、地震載荷或水錘/蒸汽錘等動態效應 20。規範允許在這些短暫事件中，將許用應力提升至略高於 Sh 的水準。

合規限制： 持續應力與瞬時應力的總和 (SL +SOcc ) 必須滿足以下限制：

SL +SOcc ≦ k * Sh * E

其中 k是瞬時載荷係數，通常為 1.15 或 1.20 5。

瞬時載荷的時間約束： 這種提高許用應力值的做法（例如 k=1.15，允許 15% 的超應力）必須受到嚴格的時間限制 21。例如，允許超應力 15% 的事件發生時間，在任何 24 小時運營期內不得超過 10% 21。其他時間限制包括允許 33% 的超應力，但每年不得超過 100 小時，或者 20% 的超應力，每年不得超過 500 小時 22。

裕度解釋： 允許 Sh 暫時超載 15% 到 20% 是工程上的權衡。由於這些載荷是短暫且非重複性的，規範允許應力短暫地接近或局部輕微超過材料的屈服點。透過利用材料的延展性來吸收這些瞬態能量，規範避免了針對極罕見事件進行過度設計，同時仍維持了可接受的結構完整性，將對 Su 的 FoS 暫時降低至約 3.48（當 k=1.15 時）。

表 3-1: ASME B31.1 主要應力類別限制

應力類別 載荷類型 代碼限制 對 Su​ 的隱含 FoS（當 SL​ 接近 Sh​ 時）
持續應力 (SL) 壓力、重量 SL ≦ Sh * E 4.0
瞬時應力 (SOcc) SL + 動態載荷 SL + SOcc ≦ k * Sh * E (k=1.15 或 1.20) 3.48 至 3.33（暫時降低）

 

四、 次要應力分析：熱膨脹與疲勞控制

 

次要應力，如熱膨脹應力，是自限性的。它們由變形引起，而非由外部載荷引起，因此不會導致整體結構失效。然而，重複的熱循環會導致疲勞損傷，因此設計必須確保管線系統具有足夠的柔性來管理這些位移應力 19。

 

4.1 位移應力 (SE) 與許用應力範圍 (SA)

位移應力 (SE) 是由於熱膨脹和收縮受到約束而產生的，例如，管線被錨固或連接到設備噴嘴時 6。B31.1 的設計要求系統能夠安全地承受在啟動/停機循環中經歷的循環應力範圍。

合規限制： 計算所得的位移應力範圍 (SE) 必須小於許用應力範圍 (SA) 7：

SE ≦ SA

SA 計算公式： 許用應力範圍 SA 的通用形式為：

SA = f * [1.25(Sc+Sh) – SL]

其中 Sc 和 Sh 分別是冷態和熱態許用應力，SL 是持續縱向應力，f 是循環應力範圍折減係數。等式中的 1.25 係數是疲勞設計的傳統組成部分，它反映了材料在應力範圍內利用局部塑性變形（應變硬化）以實現穩定持久的能力。

 

4.2 疲勞保守性：循環應力折減係數 (f)

循環應力範圍折減係數 (f) 旨在調整 SA 以適應不同的設計循環壽命。B31.1 在此參數上體現了關鍵的保守性：B31.1 規定 f 的最大值為 1.0 5。

這與 B31.3 形成鮮明對比，B31.3 允許 f 的最大值為 1.2 5。B31.1 嚴格限制 f 在 1.0，強制設計者對低循環、高振幅的熱疲勞事件採取更為保守的估計。這是由於動力管線雖然循環次數可能較少，但其啟動/停機過程中的熱瞬變往往更加嚴峻，因此必須確保系統在這些低循環載荷下具有極強的耐用性。

 

4.3 應力強化係數（SIF）的簡化處理

ASME B31.1 對於幾何不連續性（例如彎頭、三通、銲縫）處的局部應力分析，採用了簡化的單一應力強化係數（SIF）方法 5。這種方法與 B31.3 要求區分平面內 (in-plane) 和平面外 (out-of-plane) SIF 的複雜方法明顯不同 5。

B31.1 對特定元件的 SIF 施加了限制：

  • 異徑管 (Reducers)：B31.1 在應力計算中使用的最大 SIF 為 2.0 5。
  • 對接銲縫 (Butt Welds)：B31.1 使用的 SIF 最高可達 1.9，而 B31.3 則使用 1.0 5。

B31.1 採用簡化 SIF 方法的前提是，其較高的基本安全係數（Su/4.0）已經提供了足夠的整體安全包絡線。如果 B31.1 採用較低的 FoS（如 3.0），這種簡化 SIF 計算引入的局部應力峰值不確定性將難以接受。因此，簡化 SIF 是一種設計效率措施，但必須由其高整體設計保守性來支撐。

 

五、 高級安全裕度考量與高溫限制分析

 

5.1 正常運營變動的許容度（第 102.2.4 節）

ASME B31.1 規範體認到，在實際運營中，管線系統可能會因為控制系統波動等原因，暫時超過設計壓力或溫度。為了提供操作彈性而不導致非計畫性停機，規範允許在短時間內提高許用應力 22。

規範允許超過壓力等級或許用應力的限制：

  1. 不得超過 33%，且在任何時間不得超過 10 小時，每年不得超過 100 小時 22。
  2. 不得超過 20%，且在任何時間不得超過 50 小時，每年不得超過 500 小時 22。

裕度影響： 這些操作變動許容度是以犧牲設計保守性為代價的。例如，允許 33% 的超應力相當於將對 Su 的 FoS 從 4.0 臨時降低至 4.0/1.33 ≒ 3.0。這是一種權衡，用設計強度儲備來換取關鍵電廠設備的運營靈活性。

 

5.2 對蠕變斷裂壽命消耗的影響

在運營於蠕變範圍的管線材料中，利用這些短暫的超應力許容度會顯著加速材料的損傷。研究表明，利用這些操作變動許容度會大幅增加基材的蠕變斷裂壽命消耗 24。對於先進的高溫材料，如 ASTM A335 等級 P91，這些許容度可能導致高達 25% 的蠕變斷裂壽命消耗，遠高於 P11 或 P22 等級的材料 24。

這揭示了 B31.1 在高溫設計中的一個局限性。傳統 B31.1 的許用應力設計，主要基於應力大小而非時間相關的損傷累積。有研究比較 B31.1 與現代蠕變專注規範（如 RCC-MRx）時發現，對於長期在高溫下運行的系統，B31.1 的設計評估結果可能與運行時間無關，這可能導致長期蠕變運行結果不保守 25。這要求設計師在處理 P91 等現代高溫材料時，必須採用補充的分析方法（例如有限元分析 FEA 或更高級的服役適用性 FFS 評估）來精確管理壽命消耗，以彌補規範在時間相關損傷模型上的不足。

 

表 5-1: ASME B31.1 運營變動許容度與蠕變影響

許容度（最大超應力） 最大年度時長 (h/y) 對 Su​ 的臨時 FoS（從 4.0） P91 蠕變壽命消耗 (約值)
33% (即 1.33 Sh) 100 小時/年 3.01 顯著增加（許容度 A） 24
20% (即 1.20 Sh) 500 小時/年 3.33 高達 25%（許容度 B） 24

 

5.3 水壓與氣壓試驗的安全裕度驗證

壓力測試是 B31.1 確保最終製造和安裝品質的強制性步驟。測試壓力遠高於設計壓力，作為驗證管線結構完整性的最後安全裕度 9。

水壓試驗： 通常要求試驗壓力為設計壓力 (Pdesign) 的 1.5 倍 8。在水壓試驗期間，產生的環向和縱向應力必須不超過材料屈服強度 (Sy) 的 90% 9。這提供了一個強制性的、針對屈服應力的 1/0.9 ≒ 1.11 最小裕度。

氣壓試驗： 氣壓試驗則要求試驗壓力在 Pdesign 的 1.2 到 1.5 倍之間 8。

這些測試裕度確保了即使在遠超正常運營的壓力下，系統也能保持完整性，從而驗證了材料屬性、管壁厚度以及所有銲縫和元件的製造品質。

 

5.4 非編列材料的許用強度應用

雖然 B31.1 嚴重依賴附錄 A 中編列的材料，但規範也允許採用未編列的材料，前提是能夠提供該材料在設計溫度下的最小保證屈服強度 (Sy) 和極限抗拉強度 (Su) 15。一旦這些數據獲得，該材料的許用強度 (S) 必須根據 B31.1 的核心安全公式 (Su/4 和 Sy/1.5) 確定 15。

對於通過爆破試驗（Burst Test）來驗證內部壓力的非編列接頭或配件，B31.1 要求最小的設計裕度（爆破壓力/設計壓力）必須達到 3 倍 22。這確保了所有特殊元件的設計強度都必須達到或超過 B31.1 對主要應力的嚴格安全要求。

 

六、 綜合安全哲學比較與設計建議

 

6.1 B31.1 高可靠性裕度模型的綜合分析

ASME B31.1 規範的設計強度分析揭示了一個清晰的高可靠性設計藍圖，其主要特點是：

  1. 高靜態安全係數： 堅持4.0 對 Su 的安全係數，提供了所有主流工業管線規範中最高的傳統靜態安全裕度 5。
  2. 熱疲勞保守性： 限制循環應力折減係數 f 為1.0，確保在動力系統常見的低循環、高應變熱瞬變載荷下具有極高的疲勞強度 5。
  3. 環境信任： 在持續應力計算中，使用公稱壁厚而不扣除腐蝕裕度 5，這建立在對動力系統流體品質嚴格控制的信任基礎之上。

然而，這些高裕度是透過工程權衡來實現的。允許短暫超載 (1.15 至 1.33 倍 Sh) 雖然削弱了部分 FoS，但提供了必要的營運彈性。

 

6.2 ASME B31.1 與 B31.3 安全哲學的關鍵差異比較

ASME B31.1 和 B31.3 作為最常用的兩大管線規範，其核心差異體現了動力系統（高能、低腐蝕、高後果）與製程系統（多樣化流體、高腐蝕、複雜化學反應）之間的不同風險認知。

 

表 6-1: ASME B31.1 與 B31.3 安全裕度比較摘要

參數 ASME B31.1（動力管線） ASME B31.3（製程管線） B31.1 相對保守性
對 Su 的基本 FoS 4.0 5 3.0 5 更高（靜態強度更保守）
瞬時應力限制 1.15 至 1.20 * Sh 5 1.33 * Sh 5 更高（對瞬態載荷更保守）
截面模數 (Z) 基礎 公稱厚度（不扣除腐蝕裕度) 5 扣除腐蝕裕度的縮減厚度 5 更低（信任環境控制腐蝕）
SIF 方法 簡化單一 SIF 5 複雜的平面內/平面外 SIF 8 更低（簡化分析，但由高 FoS 彌補）
循環因子 (f max) 1.0 5 1.2 5 更高（對疲勞振幅限制更嚴格）

B31.1 選擇在基本強度（FoS 4.0）和熱疲勞（f=1.0）方面達到最高保守性，以應對高溫、高壓和潛在的災難性後果。B31.3 則在基本安全的前提下，通過較低的 FoS 和更複雜的應力分析（如 Z 扣減和雙 SIF），優化設計以適應多樣化的化學工藝環境。

 

6.3 結論與建議

ASME B31.1 規範的設計強度和安全裕度建立在高度保守的基礎上，旨在為動力系統提供極致的可靠性。其 Su/4.0 的基準是設計的起點，為所有主要載荷提供了堅實的結構保障。然而，工程師在應用 B31.1 進行現代高溫設計時，必須保持警惕並採取補充措施。

設計與運營建議：

  1. 蠕變風險管理： 對於使用高溫合金材料（如 P91）並運營於蠕變範圍的管線，僅依靠B31.1 規範中列出的許用應力是不夠的。由於 B31.1 在長期蠕變損傷評估方面可能出現非保守結果 25，設計和資產完整性團隊必須實施補充分析（例如，基於有限元或專門的蠕變損傷模型）來精確預測和監測操作變動（第 102.2.4 節）對組件壽命的累積影響 24。
  2. 元件資格驗證： 對於所有特殊配件或未編列材料，必須嚴格按照B31.1 的核心強度基礎 (Su/4 和 Sy/1.5) 進行資格鑑定。如果採用爆破試驗，必須確認設計裕度符合或超過 3 倍的要求 15，以確保這些元件不會成為系統安全鏈中的薄弱環節。
  3. 利用 Z 差異： 雖然B31.1 在持續應力計算中採用公稱厚度計算截面模數，但若系統流體品質控制不佳或存在局部腐蝕風險，工程師應考慮採用更為保守的設計裕度（例如在設計時扣除腐蝕裕度），以彌補 B31.1 在此特定計算領域的潛在不足。

 

參考文獻

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  25. Risks of non-conservative design according to ASME B31.1 for high-temperature piping subjected to long-term operation in the creep range | Request PDF – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/332334050_Risks_of_non-conservative_design_according_to_ASME_B311_for_high-temperature_piping_subjected_to_long-term_operation_in_the_creep_range
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