燃氣鍋爐外圍聯絡管線之冷作彎管與加熱彎曲工法在ASME B31.1規範下之分析研究報告 (Study and Analysis Report on Cold Bending and Hot Forming Methods for Piping Interconnections on Gas-Fired Boilers under ASME B31.1 Code)

/ Uncategorized / 作者:

一、 導論與管轄規範適用性

 

1.1 概述與範疇界定

 

本報告旨在針對燃氣鍋爐外圍聯絡管線（通常屬於動力管線範疇）的管路彎曲製造工法進行專業分析，特別比較冷作彎管 (Cold Bending) 與加熱彎曲 (Hot Bending/Induction Bending) 兩種方法。分析的基礎嚴格遵循美國機械工程師協會（ASME）B31.1《動力管線規範》（Power Piping Code），並深入探討兩種工法在法規符合性、材料完整性、高壓高溫鍋爐環境下的性能以及成本效益方面的差異。

選擇適當的彎管技術是確保發電廠和鍋爐系統長期安全運營的關鍵。ASME B31.1規範允許管線使用任何熱作或冷作方法進行彎曲 1，但前提是成品必須滿足所有設計、尺寸公差和表面完整性要求。這將選擇和驗證方法的責任完全歸於製造商和工程師，要求其對材料性能和後續熱處理有深入的理解。

 

1.2 ASME B31.1 動力管線規範概述

ASME B31.1 規範管轄範圍涵蓋鍋爐外部管線（Boiler External Piping, BEP）及電廠中的其他高壓、高溫流體輸送管線。這些管線通常承受高熱應力與壓力循環，故對製造品質的要求極為嚴苛。

規範的基本立場是，無論採用何種彎曲方法（冷作或熱作），管路成品都必須符合規範第129節（Bending and Forming）的規定。對於在蠕變溫度範圍內運行的關鍵合金材料（例如鉻鉬合金，如P-No. 4和P-No. 5A），製造過程中對材料微結構和殘餘應力的控制，是決定其長期蠕變和疲勞壽命的決定性因素 3。因此，選擇彎曲工法絕非僅是製造成本的考量，更是系統長期完整性管理的必要環節。

 

二、 ASME B31.1 尺寸驗收與完整性要求（第 129 節）

 

ASME B31.1 對彎管設定了明確的幾何和表面品質標準。這些標準是強制性的，必須通過檢驗和測試來證明符合性。

 

2.1 最小壁厚要求與減薄限制

ASME B31.1 強制規定，彎曲後的最小壁厚絕不能小於直管段所需的設計壁厚 1。這一要求是基於壓力、溫度和材料容許應力計算得出的。

2.1.1 設計壁厚的決定性因素

根據規範第102.4.5段的設計要求，管路外側半徑（Extrados）處因拉伸而產生的壁厚減薄必須保持在最低要求壁厚 (tmin) 以上 4。設計時，tmin 取決於材料在操作溫度下的容許應力 (S)。對於高溫鍋爐管線常用的鉻鉬合金（如P-No. 4），其在 750°F (399°C) 以上的容許應力顯著下降 5。

如果管線服務溫度較高，容許應力 (S) 較低，則計算得出的最低要求壁厚 (tmin) 會相對較高。這直接導致製造過程中允許的壁厚減薄公差收窄。雖然行業慣例中，最大減薄量通常限制在名義壁厚的 12% 6，但這 12% 僅是製造公差上限。在設計條件嚴苛（高溫高壓）的情況下，實際可接受的減薄百分比可能遠低於 12%。因此，對於高溫高壓的燃氣鍋爐管線，精確控制壁厚減薄是選擇彎曲工法時的首要考量。

驗收時，必須測量彎管中段外側半徑（Extrados，減薄處）、內側半徑（Intrados，增厚處）和彎曲中心線處的實際壁厚，以確保符合 tmin 4。

 

2.2 橢圓度與應力集中

橢圓度（Ovality，即管截面變扁的程度）是彎曲過程中的另一個關鍵尺寸公差。ASME B31.1 要求橢圓度必須滿足設計標準（第102.4.5段）。業界通常採用的最大橢圓度限制是管路名義外徑的 8% 6。

橢圓度的控制至關重要，因為高橢圓度會顯著增加應力強化係數（Stress Intensification Factor, SIF），從而影響彎管的疲勞壽命。在鍋爐系統中，管線承受啟動、停機和負載變化帶來的熱循環，這些循環載荷極易引發疲勞 7。如果橢圓度超限，將使得疲勞分析結果不符合設計壽命要求，對管線的長期完整性構成直接威脅。

 

2.3 表面完整性：裂紋、褶皺與屈曲

規範對彎管的表面品質採取零容忍態度。彎曲表面必須沒有裂紋和屈曲（Buckles/Wrinkles）1。

屈曲或褶皺是在彎曲過程中，尤其是在冷作壓縮側常見的缺陷。雖然研究表明，輕微的褶皺可能對瞬時爆破壓力影響不大 8，但它們對管線的長期性能影響是災難性的。褶皺會形成幾何上的不連續性，在縱向循環載荷作用下，會成為疲勞裂紋的啟動點並加速擴展 8。因此，規範對屈曲的禁止要求，實際上是將幾何完整性要求提升到了核心疲勞壽命保證的高度。

由於冷作彎管在處理高強度材料或緊密半徑彎曲時，易於產生褶皺 8，這使得冷作彎管的製造風險和隨後的非破壞性檢測（NDE）複雜性增加，不如熱作彎管的成品品質可靠 10。

 

三、 冷作彎管分析：殘餘應力與成型後熱處理（PFHT）

 

冷作彎管在常溫下進行塑性變形，雖然成本低廉，但其對材料機械性能和內部應力狀態的影響，必須嚴格按照ASME B31.1規範進行評估和緩解。

 

3.1 冷作彎曲的機械與冶金影響

3.1.1 應變硬化與韌性損失

冷作彎曲對材料的主要影響是應變硬化 (Strain Hardening)。塑性變形在管材彎曲區域（特別是內側和外側）引入了局部應變，導致材料強度增加，但伴隨而來的是材料韌性（延展性）的顯著降低 11。

研究顯示，冷作彎曲和隨後的熱處理，雖然減輕了應力，但彎管內外側區域的強度仍高於母材，而韌性則低於母材直管段 11。這種韌性下降對於在熱循環下運行的鍋爐管線是潛在的風險因素。由於鍋爐系統不可避免地面臨熱應力循環，材料韌性降低會加速微裂紋的形成和擴展，從而降低組件抵抗疲勞失效的安全裕度。

3.1.2 殘餘應力分佈

冷作成型會產生高且不均勻的殘餘應力 (Residual Stress, RS) 場 7。彎管外側半徑（拉伸側）產生殘餘拉伸應力，而內側半徑（壓縮側）產生殘餘壓縮應力。這些殘餘應力與流體結構相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）或熱載荷產生的運行應力疊加，共同決定了管件的實際完整性和壽命 7。由於高殘餘應力可能導致應力腐蝕裂紋（SCC）或加速疲勞裂紋萌生，因此必須考慮後續處理以緩解這些應力。

 

3.2 冷作成型後強制熱處理 (PFHT) 的要求

為了解除殘餘應力並嘗試恢復因冷作而損失的韌性，ASME B31.1 要求在特定情況下對彎管進行成型後熱處理（Post Cold-Forming Heat Treatment, PFHT）1。

3.2.1 高合金材料的應變限制與PFHT

對於鍋爐管線中常見的低合金鋼，如P-No. 4 (1.25Cr-0.5Mo) 和 P-No. 5A (2.25Cr-1Mo)，這些材料主要用於高溫環境以確保蠕變強度。規範對這些材料的冷成型應變設有極低的限制 12。一旦實際彎曲產生的塑性應變超過特定閾值，則必須進行PFHT 13。

對於奧氏體材料和鎳合金，規範同樣增加了關於冷成型後熱處理的條款，明確了在超出應變限制時，強制進行PFHT 12。這也適用於P-No. 10H材料 13。因此，對於關鍵的鉻鉬合金鍋爐管線，冷作彎管實際上幾乎總是需要進行強制性PFHT，以確保微結構穩定性和長期性能。

3.2.2 P-No. 1 碳鋼材料的PFHT

對於碳鋼（P-No. 1 組）材料，雖然其應變限制相對較高，但在壁厚超過一定閾值時，或在特定工況下，仍需進行PFHT。一般而言，P-No. 1 組材料的最低熱處理溫度為 1100°F (593°C) 14。若管線屬於較大的直徑和較厚的壁厚，即使是碳鋼，也必須考慮PFHT。

 

四、 熱彎曲（熱成型）分析：感應彎曲與微結構控制

 

熱彎曲，特別是先進的感應彎曲 (Induction Bending) 技術，是處理大直徑或高合金鋼管線的優選方法，尤其適用於需要嚴格控制微結構和殘餘應力的鍋爐管線。

 

4.1 感應彎曲的優勢

感應彎曲是一種高度受控的熱作工法。它利用感應線圈對管路需要彎曲的狹窄環狀區域進行局部加熱，在材料達到高延展性（高溫）狀態時進行彎曲成型 10。

4.1.1 尺寸控制與品質保障

感應彎曲相較於冷彎，所需的物理力較小 9，能夠有效控制幾何變形，顯著降低褶皺和橢圓度（尤其是大直徑管）的風險 9。對於要求嚴格的發電行業應用，感應彎曲能夠實現最小的扭曲變形 10，這使得彎曲過程更具可預測性。在極端情況下，感應彎曲可以實現小至 1.5D（中心線半徑為管徑的1.5倍）的半徑，同時將橢圓度控制在 1% 以下 16。

4.1.2 殘餘應力與平滑度

由於成型是在高溫下進行的，材料的應變能得到連續釋放，因此熱彎曲形成的組件具有較低的殘餘應力分佈 15。此外，熱彎曲往往能產生更平滑的曲線 15，這對於要求流體均勻流動（如高溫蒸汽管線）的鍋爐系統至關重要 7。

 

4.2 P-No. 材料的嚴格熱處理要求

對於燃氣鍋爐管線中使用的合金鋼，熱成型和隨後的熱處理必須嚴格遵守ASME B31.1的溫度範圍，以維持其關鍵的機械性能，尤其是蠕變強度。

4.2.1 P-No. 4 材料的溫度控制

P-No. 4（如 P11）材料的強制性 PWHT/PFHT 溫度範圍通常為 1300°F 到 1375°F 17。

對於這些鉻鉬合金，其蠕變強度依賴於特定的微結構和析出相。如果熱處理溫度過高，超過建議的上限（儘管規範允許不超過材料的下臨界溫度），可能導致微結構嚴重退化，縮短組件的預期壽命 17。由於熱彎曲過程中涉及的溫度與PWHT的溫度範圍密切相關，精確控制加熱溫度（如感應彎曲）是確保合金微結構不被破壞、維持長期蠕變性能的根本保障。這使得熱彎曲成為維持高溫合金材料完整性的必要品質要求。

 

4.3 PWHT豁免與小管徑應用

雖然 PWHT/PFHT 要求普遍適用，但 ASME B31.1 為小管徑和薄壁管線提供了豁免的可能性。對於 P-No. 4 和 P-No. 5A 材料，如果管徑不超過 NPS 4 英寸，且名義壁厚不超過 0.50 英寸 19，則可能豁免銲接或成型後的強制熱處理，前提是同時滿足其他相關的冶金條件（如碳含量等）。

在這些特定的豁免條件下，冷作彎管對於輔助管線（例如洩水管、排氣管等）可能成為可行的且具有成本效益的選擇 19。然而，在選擇冷作時，仍然需要嚴格驗證幾何尺寸和應變水準是否符合規範要求，以避免產生褶皺或超限的橢圓度。

 

五、 性能、完整性與經濟性比較分析

 

綜合ASME B31.1的技術要求和鍋爐管線的服務條件，兩種彎管工法的適用性存在明顯差異。

 

5.1 完整性比較：殘餘應力與疲勞壽命

參數 冷作彎管 (Cold Bending) 熱彎曲 (Hot Bending/Induction Bending)
成型溫度 室溫（產生塑性應變）15 高溫（材料高延展性區間）15
殘餘應力水準 高，不均勻 7 低，應力得到持續釋放 15
材料韌性 降低（即使PFHT後仍可能部分損失）11 保持或恢復，微結構控制良好 15
疲勞風險 較高（高殘餘應力與低韌性疊加）7 較低（應力釋放，材料性能穩定）
表面缺陷風險 較高（易產生褶皺/屈曲）8 較低（控制精度高，無褶皺）9

冷作彎管引入的高殘餘應力場，與鍋爐系統運營中的熱負荷和流體結構相互作用，共同作用於管線完整性 7。即使通過PFHT來緩解應力，應變硬化導致的局部韌性下降仍然存在 11。因此，對於承受高頻熱循環的關鍵鍋爐聯絡管線，冷作彎管在長期疲勞壽命方面存在固有風險。相反，熱彎曲過程有效地控制了殘餘應力，在冶金上提供了更高的可靠性和可預測的疲勞/蠕變壽命。

 

5.2 尺寸控制與質量保證

熱彎曲，尤其是感應彎曲，對於大口徑管線和複雜幾何形狀具有天然優勢。它能夠實現優異的尺寸控制，尤其是在限制壁厚減薄和橢圓度方面 9。

冷作彎曲受限於更大的物理力需求，對於大直徑管路難以應用，且更容易在緊密彎曲時造成高機率的表面褶皺和橢圓度超標 9。一旦發生褶皺，該管件在 B31.1 規範下即被視為不合格品 1。

 

5.3 經濟效益與製造權衡

5.3.1 冷作彎管的成本優勢與陷阱

冷作彎曲的直接優勢在於其低廉的初始成本。它不消耗熱能，設備較簡單，故被認為是節省成本的方法 9。

然而，對於鍋爐管線中常見的 P-No. 4 和 P-No. 5A 高合金材料，這種初始的成本節約往往被強制性的 PFHT 要求所抵消 12。PFHT 是一個時間密集、能源消耗高且需要精確控制的工法步驟。此外，如果冷彎品質不佳導致返工或報廢，也會極大地增加整體製造成本和工期。

5.3.2 熱彎曲的長期價值

熱彎曲（感應彎曲）雖然設備和工法成本較高 9，但在動力管線中具有顯著的長期價值。它可以生產出更高品質、更符合幾何公差的管件，減少對現場銲接彎頭的需求 21。減少銲接接頭，意味著減少了相關的 NDE、現場 PWHT 和潛在的銲接缺陷，從而提高了整體系統的完整性和效率。因此，對於關鍵的主管線，熱彎曲的較高初始投資能夠帶來更低的全生命週期成本和更高的安全裕度。

 

5.4 應用矩陣：材料與幾何依賴性

下表為根據 ASME B31.1 要求和材料特性，在燃氣鍋爐管線應用中選擇彎管工法的建議。

燃氣鍋爐管線彎曲工法選擇矩陣

設計參數 P-No. 1 碳鋼管線 P-No. 4/5A 鉻鉬合金管線
大直徑（NPS > 6″） 熱彎曲/感應彎曲（為控制橢圓度）9 熱彎曲/感應彎曲（強制性或首選） (高應變須 PFHT，且需低殘餘應力確保蠕變壽命) 12
小直徑 NPS≦ 4″ 及薄壁 冷作彎曲（若滿足應變和尺寸限制，最具成本效益）20 冷作彎曲（限於滿足 B31.1 PWHT 豁免條件 19 且應變受控的輔助管線）
緊密半徑 (R/D < 5) 熱彎曲/感應彎曲（以控制減薄與橢圓度）9 熱彎曲/感應彎曲（強制性） (冷作極易導致強制性 PFHT 及韌性下降) 11

 

六、 結論與建議

 

6.1 總結與技術評估

針對燃氣鍋爐外圍聯絡管線，本分析得出以下結論：

  1. 關鍵高溫管線（P-No. 4, P-No. 5A）必須採用熱彎曲工法： 對於在高溫蠕變制度下運行的主要管線，強制性 PFHT 要求、對微結構穩定性的嚴格控制，以及對低殘餘應力以抵抗疲勞和蠕變的需求，使得感應彎曲成為唯一技術上可靠或法規上實際強制的方法。冷作彎曲產生的應變硬化和高殘餘應力，即使經過熱處理，也可能導致韌性部分損失 11，為高循環疲勞服務帶來無法接受的風險。
  2. 冷作彎曲適用於非關鍵小口徑管線： 冷作彎曲的經濟優勢僅在於管線材料為碳鋼（P-No. 1），或管徑/壁厚符合 ASME B31.1 中 PWHT 豁免條件 19 的輔助線路。在此情況下，必須嚴格驗證壁厚減薄 (t ≧ tmin) 和橢圓度 (≦ 8%) 6。

 

6.2 採購與製造規範建議

為確保ASME B31.1的完全符合性和管線的長期完整性，建議在採購規範和製造文件階段執行以下規定：

  1. 規格制定： 採購文件應明確規定所有彎管必須滿足 ASME B31.1 第 129 節的表面完整性標準（零容忍裂紋和屈曲）1，以及最小設計壁厚 (tmin) 4 和最大橢圓度 (≦ 8%）6。
  2. 冷作管件的應變計算與 PFHT 記錄： 若允許對高合金管線進行冷作，製造商必須提交詳細的塑性應變計算報告。如果應變超過1 表 129.3.3.1-1 所列限制，則必須提供經認證的 PFHT 記錄，證明加熱溫度和保持時間符合規範要求 12。
  3. 設計應力分析考量： 應力分析（例如有限元分析）必須將冷作彎管的固有殘餘應力場納入考慮 7。對於那些僅經過應力消除但韌性可能受損的冷作彎管，疲勞分析應採用更保守的材料參數，以彌補應變硬化導致的性能退化 11。
  4. 優先採用感應彎曲： 對於所有 NPS 6 英寸及以上或壁厚較厚的 P-No. 4/5A 管線，應將熱作（感應彎曲）列為優先或強制性製造工法，以最大限度地降低製造缺陷和長期運行風險。

 

參考文獻

  1. Pipe Bending – Resource Compliance, https://resourcecompliance.com/2015/04/27/pipe-bending/
  2. PWHT Recommendation Temperature | PDF – Scribd, https://www.scribd.com/document/665818153/PWHT-Recommendation-Temperature
  3. Stress–Strain Behavior and Fatigue of High-Temperature Component Made of P92 Steel in a Coal-Fired Power Boiler – MDPI, https://www.mdpi.com/1996-1073/17/12/2870
  4. ASME B31.1 Power Piping Bend – Pipeng Toolbox, http://pipeng.com/index.php/ts/itdmotdiam006l/
  5. ASME B31.3 Table A-1 Basic Allowable Stress In Tension (ksi) per Temperature (F) Carbon Steel Pipe And Tube – WordPress.com, https://engineersforengineers.files.wordpress.com/2019/12/asme-b31.3-table-a-1-basic-allowable-stress-carbon-steel-pipe-and-tube-data-table-1.pdf
  6. Pipe and Round Tube Bending – Bend It Inc, https://benditinc.com/pipe-and-round-tube-bending/
  7. Full article: Combined residual stresses and fluid-structure interaction finite element analysis on bent pipes – Taylor & Francis Online, https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09603409.2021.1971358
  8. Strain – Base Design of Pipelines – BSEE.gov, https://www.bsee.gov/sites/bsee.gov/files/tap-technical-assessment-program/434aa.pdf
  9. What is the difference between cold bending vs hot bending? – Plate Rolling Machine, https://www.plateroller.com/plate-roller-operation-manual/what-is-the-difference-between-cold-bending-vs-hot-bending.html
  10. What’s the Deal with Induction Bending – The Chicago Curve, https://www.cmrp.com/blog/bending/whats-the-deal-with-induction-bending.html
  11. Estimation of Tensile Properties of Pipe Bends Manufactured by Cold-Bending | Request PDF – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/264105826_Estimation_of_Tensile_Properties_of_Pipe_Bends_Manufactured_by_Cold-Bending
  12. ASME B31.1 Power Piping 2018 Changes – Bradley Sawler, https://www.bradleysawler.com/engineering/asme-b31-1-power-piping-2018-changes/
  13. ASME B31.1-2024: Power Piping [New] [Changes] – The ANSI Blog, https://blog.ansi.org/ansi/asme-b31-1-2024-power-piping-changes/
  14. Asme Sec I PWHT Requirement | PDF | Pipe (Fluid Conveyance) | Heat Treating – Scribd, https://www.scribd.com/document/422026019/Asme-Sec-i-Pwht-Requirement
  15. Differences Between Metal Cold Bending and Hot Bending …, https://www.zp-aluminium.com/info/differences-of-cold-bending-and-hot-bending-93678203.html
  16. Induction bending: the state of the art – The Fabricator, https://www.thefabricator.com/thefabricator/article/tubepipefabrication/induction-bending-the-state-of-the-art
  17. Technical Basis to Minimize Post Weld Heat Treatment Requirements – EPRI, https://restservice.epri.com/publicdownload/000000000001003291/0/Product
  18. com <
  19. Review of Postweld Heat Treatment Requirements for P-4 and P-5A Cr-Mo Materials – EPRI, https://restservice.epri.com/publicdownload/TR-108129/0/Product
  20. Hot Bending vs. Cold Bending: Techniques for MS Pipes – Kesar Steel Vapi, https://kesarsteel.com/blog/hot-bending-vs-cold-bending-ms-pipes
  21. Pipeline Bending: Techniques, Tools, and Uses – Angle, Beam & Pipe Bending Services, https://asbending.com/pipeline-bending-techniques-tools-and-uses/
購物車