ASME B31.1 與 ASME B31.3 感應熱彎退應力熱處理(SRHT)差異化分析研究 (Comparative Analysis of Post-Bend Stress Relief Heat Treatment (SRHT) Requirements for Induction Bends in ASME B31.1 and ASME B31.3)

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一、 規範演進歷史與設計哲學之根本歧異

壓力管線系統的設計規範在過去一個世紀中經歷了顯著的演變，其核心在於如何在安全性與經濟效益之間取得平衡。美國機械工程師學會（ASME）所制定的 B31 系列規範，最初起源於 1926 年啟動的 B31 專案，當時由 ASME 擔任唯一贊助商，旨在為快速發展的工業領域建立統一的管線標準 1。隨著技術分支的專業化，原本大一統的規範逐漸分拆，形成了現今我們熟知的動力管線（ASME B31.1）與製程管線（ASME B31.3）兩大體系 3。

ASME B31.1 的歷史地位與其對公共安全的極度重視密切相關 。該規範主要應用於發電廠、集中供熱系統以及工業鍋爐的外部管線（Boiler External Piping, BEP），這些系統通常處於極端的高壓與高溫環境下 。B31.1 的設計哲學建立在「高可靠性」之上，因為發電設施的非預期停機不僅會造成巨大的經濟損失，還可能影響數以萬計公眾的生活品質與安全 。這種哲學反映在其採用的安全係數（Factor of Safety）上。長期以來，B31.1 堅持使用約為 4.0 的安全係數，其材料許用應力的設定較為保守 。

相對而言，ASME B31.3 的適用範疇則廣泛得多，涵蓋了石油煉製、化學、製藥、半導體、造紙以及低溫設施等各類加工廠 。B31.3 的設計哲學更傾向於「風險管理與靈活性」，它賦予了業主（Owner）極大的責任與裁量權，要求業主根據流體的性質（如毒性、可燃性、腐蝕性）來定義流體服務類別（Fluid Service Category） 。B31.3 的安全係數通常設定為 3.0，這使得在相同材料下，B31.3 允許的許用應力高於 B31.1，進而允許使用較薄的管壁以優化成本 。

比較項目 ASME B31.1 (動力管線) ASME B31.3 (製程管線)
主要應用範圍 發電廠、高壓蒸汽系統、鍋爐外部管線 化工廠、煉油廠、製藥、半導體設施
安全係數基準 4.0 (高可靠性導向) 3.0 (成本與性能平衡導向)
典型設計壽命 40 年或以上 20 至 30 年
材料許用應力 較低 (保守) 較高 (經濟)
業主責任等級 較低，規範條文具高度指令性 極高，業主需定義流體類別與安全需求
規範架構關聯 與 ASME BPVC Section I 保持平行 獨立性較強，涵蓋多種專門章節

二、感應熱彎工法之物理機制與材料學效應

感應熱彎（Induction Bending）是一種結合了局部電磁感應加熱與機械成型的先進技術。其物理原理係利用交變磁場在管材特定區域感應出渦流（Eddy Current），使其在極短時間內升溫至塑性變形溫度，通常範圍在 850°C 至 1100°C 之間，具體取決於材料的臨界轉變溫度 。這種加熱方式的優點在於熱影響區（HAZ）窄且溫度控制精確，能有效減少整體熱變形 5。

然而，感應熱彎過程對材料的機械性能會產生深遠影響。當管材在外力的作用下繞彎曲模具旋轉時，其外弧側（Extrados）會受到拉伸應力，導致壁厚減薄（Wall Thinning）；而內弧側（Intrados）則受到壓縮應力，可能導致壁厚增厚或出現微觀褶皺 。緊接在加熱帶後方的噴水或空氣淬冷系統（Quenching）會迅速降低管溫，以鎖定幾何形狀。這一急冷過程雖然能恢復部分的強度，但也可能在材料內部誘發殘餘應力（Residual Stress），並改變碳鋼或合金鋼的微觀金相組織 。

從材料學的角度來看，感應熱彎相當於對管材進行了一次局部的熱機械處理。對於高強度鋼材（如 API 5L X70 或 X80），如果不進行適當的後退應力熱處理（SRHT），其彎曲區域的硬度可能會急劇上升，韌性則會相應下降 。在高壓或具腐蝕性的環境中，這些高硬度區極易成為應力腐蝕開裂（SCC）的發源地 。因此，退應力熱處理的主要目的在於：

  1. 消除殘餘應力： 釋放彎曲與急冷過程中積累的內部彈性應變 7。
  2. 改善組織與延展性： 透過重新加熱與受控冷卻（如正火或回火），恢復材料的衝擊韌性與塑性 。
  3. 均勻化硬度： 降低冷速過快產生的硬化相，確保整體管線性能的一致性 。

三、ASME B31.1 動力管線對熱成型後熱處理的規定

ASME B31.1 在對待熱彎後的熱處理要求時，表現出高度的指令性與保守性。其規定主要集中在第 129 節（彎曲與成型）以及表 132（後焊與後成型熱處理要求）中 。B31.1 的核心邏輯在於，管材一旦經過顯著的形變或高溫歷程，就必須透過標準化的熱處理程序來保證其在電廠長達數十年的服役壽命 。

3.1 鐵素體合金鋼的強制熱處理

根據條文 129.3.2，所有經過加熱彎曲或成型的鐵素體合金鋼管線，在安裝前必須接受熱處理 。這類熱處理可以包括應力消除（Stress Relieving）、完全退火（Full Anneal）或正火加回火（Normalize and Temper） 。對於動力管線中常見的鉻鉬合金鋼（如 P-No. 4 的 P11 或 P-No. 5A 的 P22），熱處理不僅是為了釋放應力，更是為了確保在高溫蠕變環境下的結構穩定性 。

3.2 碳鋼（P-No. 1）的熱處理門檻

對於碳鋼材料，B31.1 則設定了具體的厚度與工法邊界。如果熱彎溫度超過了 1650°F (898°C) 且能在空氣中自然均勻冷卻，則對於某些特定條件下的碳鋼可豁免後續熱處理，前提是材料性能仍符合原始規範 。然而，對於冷彎（Cold Bending）或溫度低於臨界點的成型，B31.1 規定了以下強制應力消除的條件：

  1. 名義壁厚門檻： 對於 P-No. 1 碳鋼，當管壁厚度達到或超過 3/4 英吋 (19.0 mm) 時，必須進行應力消除熱處理 。
  2. 管徑與厚度組合： 對於所有的鐵素體合金鋼，若名義管徑大於等於 NPS 4，或壁厚大於等於 1/2 英吋 (12.5 mm) 時，熱處理即成為強制要求 。

這種基於「物理尺寸」的判斷準則簡化了檢驗流程，但也意味著 B31.1 在設計上不鼓勵對厚壁組件進行任何可能影響金相組織的非標準化嘗試 。

3.3 蠕變強度增強型材料（CSEF）的特殊要求

在 2024 年的最新版本中，B31.1 針對如 P91 等高溫材料（P-No. 15E）引入了更為嚴苛的溫度控制規範 。感應熱彎後的熱處理必須嚴格遵守特定的升溫與降溫速率，因為這類材料的強度高度依賴於精確的回火馬氏體組織 。如果熱處理溫度控制不當，可能會導致材料發生提早的蠕變失效 9。

四、ASME B31.3 製程管線對熱成型後熱處理的規定

ASME B31.3 的熱處理規範則體現了另一種思維模式：基於「形變程度（Strain）」與「材料韌性餘量」。B31.3 將熱處理的要求與彎曲過程中的纖維伸長率（Fiber Elongation）直接掛鉤，這為工程設計提供了更多的靈活性 。

4.1 熱彎與熱成型 (332.4.1)

對於 P-No. 3, 4, 5, 6 及 10A 等中高合金鋼，B31.3 的規定較為嚴格，要求所有厚度的組件在進行熱彎或成型後，必須依照表 331.1.1 的規範執行熱處理 。這一點與 B31.1 較為接近，均認可合金鋼對熱歷程的高度敏感性。然而，對於碳鋼（P-No. 1），B31.3 通常允許在熱彎後透過工法評定來豁免熱處理，只要能證明機械性能符合要求 。

4.2 冷彎與纖維伸長率準則 (332.4.2)

這是 B31.3 最具特色的部分。對於 P-No. 1 至 P-No. 6 的材料，在冷彎或成型後，若滿足下列任一條件，則必須進行熱處理：

  1. 50% 伸長率規則： 計算所得的最大極限纖維伸長率超過了材料規範中規定的基本最小伸長率的 50% 。
  2. 10% 韌性保留要求： 除非業主能證明選用的管材與彎曲工法在完成狀態下，受拉最嚴重的區域仍保留至少 10% 的伸長率，否則必須進行熱處理 。

纖維伸長率的計算在 B31.3 中具有核心地位。對於管材彎曲，其外纖維的伸長率 e 可以透過公式 e = 100r/R 進行估算，其中 r 為管子名義半徑，R 為中線彎曲半徑 。如果一個彎管的彎曲半徑較小（如 1.5D），其伸長率可能輕易超過 20%，這往往會觸發熱處理需求 。

4.3 硬度與特定服務環境的考量 (331.1.7)

B31.3 雖然在某些厚度下允許豁免熱處理，但在特定流體服務下，熱處理則成為控制硬度的必要手段。例如，在處理含硫化氫（H2S）的酸性流體時，規範要求硬度必須限制在一定數值以下（通常是 22 HRC 或 235 HBW），以避免發生氫誘導開裂 。在這種情況下，熱處理的主要功能不再是釋放應力，而是作為一種化學適應性處理。

規範 碳鋼 (P-No. 1) 熱處理觸發門檻 合金鋼 (P-No. 4, 5) 熱處理觸發門檻
ASME B31.1 壁厚 ≧ 19 mm (3/4 in) NPS 4 以上或壁厚 ≧ 12.5 mm (1/2 in)
ASME B31.3 纖維伸長率 > 50% 的最小規格伸長率 熱彎必須進行；冷彎視伸長率而定

五、感應熱彎後退應力熱處理之技術參數對照

熱處理的具體執行涉及溫度、保溫時間以及冷卻方式三大要素。兩套規範在這些細節上的差異，直接決定了熱處理設備的配置與能源成本 。

5.1 溫度範圍之決定與轉變點考量

熱處理溫度必須精確控制在材料的臨界溫度範圍內。對於應力消除（SRHT），溫度通常設定在下臨界點（Ac1）以下，以避免發生相變而改變材料強度 。

材料類別 典型材質 ASME B31.1 建議溫度範疇 ASME B31.3 建議溫度範疇
P-No. 1 A106 Gr. B / A53 Gr. B 595°C ~ 650°C 595°C ~ 650°C
P-No. 3 A335 P1 (碳鉬鋼) 595°C ~ 650°C 595°C ~ 650°C
P-No. 4 A335 P11 (1.25Cr-0.5Mo) 650°C ~ 705°C 650°C ~ 705°C
P-No. 5A A335 P22 (2.25Cr-1Mo) 675°C ~ 760°C 675°C ~ 760°C
P-No. 8 304 / 316 不銹鋼 通常不要求，除非固溶處理 通常不要求，除非設計規定

5.2 保溫時間之計算邏輯

保溫時間是為了確保管壁內外熱均勻，並完成應力釋放的原子擴散過程。兩者均採取「單位厚度計時制」，通常為每 25 mm 名義壁厚保溫一小時 。然而，B31.1 在 2022 年以後的版本中，針對超厚壁組件（超過 50 mm 或 2 英吋）引入了遞減率，即在首兩小時後，後續每英吋厚度的增加僅需累加 15 分鐘的保溫時間 。這種設定旨在避免長時間高溫暴露導致材料晶粒粗化，這反映了動力管線對材料微觀品質的細膩管理。

5.3 冷卻速率與脆性防控

冷卻速率對於防止合金鋼出現「475度脆性」或「回火脆性」至關重要。B31.3 在表 331.1.1 的附註中明確規定，對於某些 P-No. 材料，冷卻至 1200°F (649°C) 前的速率必須小於 100°F (56°C) 每小時，隨後則應快速冷卻以防止脆化 。相比之下，B31.1 更強調對大口徑厚壁組件進行分段冷卻監控，確保內外壁溫差不會引起新的熱應力裂紋 。

六、感應熱彎之品質檢驗與硬度測試差異分析

感應熱彎作為一種高度自動化的工法，其品質保證不僅依賴於熱處理，還包括對成型幾何與微觀完整性的嚴格測試。

6.1 硬度測試的頻率與標準

硬度測試是驗證熱處理效果最直接的無損檢測（NDT）手段。過高的硬度通常與材料韌性不足及氫開裂風險相關，而過低的硬度則可能意味著熱處理溫度過高導致強度損失 。

  • B31.3 的規定： 在 331.1.7 節中，B31.3 要求對於在表 331.1.1 中指定有硬度限制的材料，至少需測試 10% 的熱成型組件（每批次爐次）。如果採取局部感應回火，則測試比例應提升至 100% 。其硬度限制通常參考 NACE MR0175 或特定的工程規格書，如碳鋼不應超過 225 HBW 。
  • B31.1 的實踐： 雖然 B31.1 的規範主體中對硬度測試的比例規定較少，但在實務上通常引用 ASME B16.49。該標準要求對每個生產彎管進行硬度測試，測試點必須涵蓋起彎點、中點以及外弧、內弧等關鍵受應力區域 。

6.2 幾何完整性：扁平率與壁厚減薄

感應熱彎過程中不可避免會發生截面畸變。兩套規範對此均有詳細要求：

  1. 扁平率 (Ovality)： 彎管截面最大直徑與最小直徑之差，對於承受內壓的管線通常限制在名義外徑的 8% 以內，承受外壓（如真空系統）則收緊至 3% 。
  2. 壁厚減薄量： 雖然規範允許一定的減薄，但彎曲後的外弧壁厚必須滿足設計公式所得的最小壁厚 tm。Barlow 公式 P = 2SEt/D 經常用於檢算減薄後的壓力承載力 。如果減薄超過 5%，工程上通常要求進行 100% 的超音波測厚 。

6.3 參考標準之整合：ASME B16.49 與 ISO 15590-1

在現代管線工程中，感應熱彎通常不僅僅滿足 B31.1 或 B31.3 的基本條文，還需要符合專門的產品標準 。

標準 適用性與重點內容 硬度要求範例
ASME B16.49 工廠製造之感應熱彎管，涵蓋設計、材料、製造與檢驗 依等級而定，通常母材與焊縫均有測量點
ISO 15590-1 石油與天然氣工業用感應熱彎管 硬度通常限制在 ≦ 250 Hv10 或 ≦ 22 HRC
NACE MR0175 酸性環境 (Sour Service) 服務，對硬度有極嚴苛要求 碳鋼最大硬度 22 HRC

七、結構完整性評估與應力分析之連鎖反應

熱處理的需求與否，直接影響了彎管在管線系統應力分析（Pipe Stress Analysis）中的表現。這涉及應力增強因子（SIF）以及材料在熱循環下的疲勞抗力 。

7.1 安全係數與可靠性設計

B31.1 的安全係數為 4，這意味著它對材料失效的容忍度極低。在進行感應熱彎時，這種保守性體現在對熱處理豁免條件的嚴格控制上 。即使材料性能僅發生輕微下降，在安全係數 4 的架構下可能仍屬安全，但 B31.1 仍會要求熱處理以確保 40 年以上的長期可靠性 。

相對而言，B31.3 使用安全係數 3，並採取更先進的應力計算方法 。B31.3 區分了面內（In-plane）與面外（Out-of-plane）的彎矩影響，這使得設計者能精確評估彎管在複雜載荷下的應力分佈 。如果在成型後不進行熱處理導致區域性脆化，這類精確計算出的應力集中點極易發生疲勞開裂 。

7.2 應力增強因子 (SIF) 的處理差異

  1. ASME B31.1： 採取簡化的單一 SIF 取值方法。對於一個彎管，無論受力方向如何，均取面內與面外 SIF 中的較大值進行計算 。這種方法雖保守，但在處理熱處理不完全產生的殘餘應力時，提供了一個較大的緩衝空間。
  2. ASME B31.3： 認可彎矩方向對應力的不同貢獻。面內彎矩傾向於使彎管截面發生卵化（Ovalization），而面外彎矩則產生扭轉成分 。B31.3 要求分別計算這些分量，這意味著如果熱處理未能有效消除成型後的卵化殘餘應力，實際運行中的應力可能會超過預期 。

7.3 壁厚減薄對 Barlow 公式的影響

感應熱彎產生的外弧壁厚減薄會降低管件的額定壓力。Barlow 公式計算顯示，當壁厚減少時，在相同內部壓力下，環向應力（Hoop Stress）會成比例增加 。

Sh = PD/2t

如果一個 X70 鋼材的彎管在成型後屈服強度因冷速過慢而下降了 10%，且壁厚因彎曲減少了 15%，則其最終的安全邊際將顯著縮減 。在這種情況下，B31.3 的伸長率準則會強制要求熱處理以恢復材料強度，而 B31.1 則可能因厚度未達門檻而豁免，這凸顯了兩者在技術風險管控點上的差異。

八、特定材料與服務環境下的進階分析

在實務應用中，管材的 P-Number 分類不足以涵蓋所有技術風險，特別是在氫氣服務、高溫蠕變或極低溫環境下。

8.1 碳鋼 (P-No. 1) 與氫脆風險

在現代煉油廠與氫能設施中，B31.3 被廣泛使用。感應熱彎後的殘餘應力若未透過 SRHT 消除，氫原子極易在應力場中聚集，導致「應力導向氫誘導開裂」（SOHIC） 。儘管 B31.3 根據厚度與伸長率可能允許豁免熱處理，但在氫氣服務中，API 941 等規範通常會覆蓋 B31.3 的基本要求，強制要求所有感應熱彎管進行應力消除 8。

8.2 鉻鉬合金鋼 (P-No. 4/5) 的 EPRI 研究見解

電力工業研究協會（EPRI）曾針對 P-4 與 P-5A 材料的熱處理豁免進行了深度研究 。研究發現，目前的 B31.1 規範中將 NPS 4 作為熱處理的邊界，其科學基礎相對薄弱 。實際上，對於大直徑薄壁管，焊接或成型後的應力分佈往往比小直徑厚壁管更為有利 。EPRI 建議將豁免條件統一集中在壁厚（例如小於 16 mm 或 0.625 英吋）而非管徑上，這預示了 B31.1 未來可能的修正方向 。

8.3 奧氏體不銹鋼 (P-No. 8) 的固溶退火需求

對於 304 或 316 等不銹鋼，B31.1 與 B31.3 均允許在「彎曲狀態」下使用，除非設計有特殊要求 。然而，感應熱彎的高溫可能導致碳化物在晶界析出，產生敏化（Sensitization）現象，進而引發晶間腐蝕 。在這種情況下，B31.3 建議進行高溫固溶退火（Solution Annealing），溫度通常高於 1050°C，隨後快速淬火至 400°C 以下 。

九、工程實務中的經濟與營運決策影響

熱處理的要求不僅是技術問題，更是項目管理中的成本與進度關鍵變量。

9.1 熱處理成本與施工週期

  1. 能源消耗： 大型感應熱彎管的爐內熱處理需要耗費大量電能或燃氣，且升溫與降溫週期長達數十小時 。
  2. 物流與檢驗： 熱處理通常需要將彎管送往專業的熱處理廠，這涉及物流成本。熱處理後的 100% 硬度測試與表面 NDE（如 MT 或 PT）也會增加檢驗成本 。
  3. 表面處理： 熱處理會產生氧化皮（Scale），必須透過噴砂消除，這在B31.1 與 B31.3 中均被視為必要程序，以防止氧化皮脫落進入下游的蒸汽輪機或精細過濾器 。

9.2 業主裁量權與合約風險

B31.3 的靈活性意味著業主必須具備足夠的專業知識來做出技術判斷。如果業主盲目選擇豁免熱處理以節省成本，而忽略了流體腐蝕性對殘餘應力的敏感度，最終的失效責任將完全由業主承擔 。相比之下，B31.1 的規定雖然死板，但它為設計者提供了一個穩定的安全防線，減少了因人為判斷錯誤導致的事故 。

十、結論與綜合建議

本研究針對 ASME B31.1 與 ASME B31.3 在感應熱彎後退應力熱處理（SRHT）的差異化分析，歸納出核心的技術取捨與管理策略。

10.1 核心差異總結

ASME B31.1 採取了「基於尺寸的預防機制」，將壁厚（如碳鋼 19 mm）與管徑（如合金鋼 NPS 4）作為熱處理的紅線。這種做法極大化了長期運行的安全性，尤其適用於發電行業對「零故障」的追求 。

ASME B31.3 則採取了「基於形變的性能機制」，以 50% 的纖維伸長率為判斷點。這要求製造商與業主必須具備精確的計算與測試能力，但也為石油、化工等行業提供了優化壁厚與材料成本的科學依據 。

10.2 未來工程建議

  1. 跨界系統之銜接： 當管線跨越動力設施（B31.1）與製程設施（B31.3）的邊界時，建議在連接點處採取最嚴格的熱處理標準，以確保整體的結構連續性 。
  2. 標準化與評定： 無論規範如何規定，建議針對感應熱彎過程執行專門的工法評定（PQT）。透過測試彎管起點、中點與終點的機械性能，建立該批次材料的真實熱影響模型，而非僅依賴規範的豁免條文 。
  3. 環境適應性優化： 在設計初期應定義流體特性。若流體具有氫氣損傷或應力腐蝕傾向，即使3 在厚度上允許豁免熱處理，設計者仍應強制要求 SRHT，以消弭感應熱彎產生的殘餘應力場 。
  4. 技術更新與追蹤： 應持續追蹤 ASME B31 委員會對 CSEF 材料及新型高強度鋼材的熱處理修訂，特別是關於冷卻速率與亞臨界回火溫度的細節，這些細節往往是現代管線失效分析中的關鍵點 。

透過本研究的系統性對照，工程人員能更精確地掌握感應熱彎技術的應用邊界，並在保障系統完整性的前提下，實現工程效益的最大化。

參考文獻

  1. ASME B31.3 Process Piping – AquaEnergy Expo Knowledge Hub, https://kh.aquaenergyexpo.com/wp-content/uploads/2025/02/ASME-B31.3-Process-Piping.pdf
  2. 1, POWER PIPING – ASME Digital Collection, https://asmedigitalcollection.asme.org/ebooks/book/chapter-pdf/2794329/802694_ch16.pdf
  3. 3 PROCESS PIPING – ASME Digital Collection, https://asmedigitalcollection.asme.org/ebooks/book/chapter-pdf/2793222/802183_ch17.pdf
  4. ASME Piping Codes: B31.3 Process, https://asmedigitalcollection.asme.org/ebooks/book/chapter-pdf/4105046/861318_ch36.pdf
  5. Induction Pipe Bending – Make Piping Easy, https://makepipingeasy.com/induction-pipe-bending/
  6. The Key to Successful Bending Practices – Engineering Services LP, https://engineeringserviceslp.com/wp-content/uploads/2020/11/PAPER-BENDING.pdf
  7. ASME B31.1 vs. ASME B31.3: Know the Piping Design Codes – Future Energy Steel, https://energy-steel.com/asme-b31-1-vs-asme-b31-3-know-the-piping-design-codes/
  8. What is the criteria for PWHT as per ASME B31.3? – Google Groups, https://groups.google.com/g/materials-welding/c/fAhfiJsi7qM
  9. ASME B31.1-2024: Power Piping [New] [Changes] – The ANSI Blog, https://blog.ansi.org/ansi/asme-b31-1-2024-power-piping-changes/
  10. PWHT Recommendation Temperature | PDF – Scribd, https://www.scribd.com/document/665818153/PWHT-Recommendation-Temperature
  11. Review of Postweld Heat Treatment Requirements for P-4 … – EPRI, https://restservice.epri.com/publicdownload/TR-108129/0/Product
  12. Interpretation of Hardness testing for the P1 Base Materials as per ASME B31.3 Edition 2012, https://groups.google.com/g/materials-welding/c/hQhxUW6TkBg/m/YWqg30WYAgAJ
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