ASTM A106C 冷彎後消除應力之感應式熱處理(IH)分析研究(Analysis of Induction Heating (IH) Stress Relief Heat Treatment for ASTM A106C Post-Cold Bending)

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一、摘要

ASTM A106 Grade C 鋼管作為一種高性能無縫碳鋼材料，在現代工業體系中扮演著至關重要的角色。特別是在高壓、高溫且對材料強度有極高要求的環境下，如石油精煉廠、化學加工廠、發電廠以及各類高壓蒸汽傳輸系統中，其優異的抗張強度與屈服強度使其成為不可替代的首選 1。然而，在管線施工過程中，為了適應複雜的佈置結構，管材往往需要經過冷彎（Cold Bending）成形加工。冷彎過程雖然在常溫下賦予了管材精確的幾何形狀，但其背後涉及的大規模塑性變形卻在材料內部留下了深遠的影響，特別是顯著的加工硬化（Work Hardening）與高度不均勻的殘餘應力（Residual Stress）分佈 4。

若這些殘餘應力未能在後續工序中得到有效消除，將會在服役期間誘發一系列結構完整性問題。在高溫循環環境下，殘餘應力可能導致管材發生應力腐蝕開裂（SCC）、疲勞斷裂或非預期的尺寸蠕變，最終危及整個工業系統的安全運行 4。因此，消除應力熱處理（Stress Relieving Heat Treatment）成為冷彎加工後必不可少的關鍵工法。感應式熱處理（Induction Heating, IH）憑藉其非接觸式加熱、能量密度高、加熱區域精確可控以及生產效率優於傳統電阻加熱或爐內熱處理的特性，已成為當前管線工程領域的主流技術方案 9。本報告將針對 ASTM A106C 材料在冷彎後的應力特徵、感應加熱消除應力的物理機制、製程參數優化及國際規範之合規性進行深度學術分析與研究。

二、ASTM A106C 的材料冶金特性與加工硬化機制

ASTM A106C 是 ASTM A106 規範中等級最高、碳含量上限最高的鋼材等級 1。其材料性能的穩定性直接關係到消除應力熱處理的策略制定。理解其微觀組織在變形與受熱過程中的演變，是制定 IH 製程參數的理論基礎。

2.1 化學成分與微觀組織

ASTM A106C 的標稱化學成分反映了其高強度的來源。相較於常用的 Grade B，Grade C 具有更高的碳（Carbon）與錳（Manganese）含量上限。

元素 ASTM A106 Grade A ASTM A106 Grade B ASTM A106 Grade C
碳 (C) max % 0.25 0.30 0.35
錳 (Mn) % 0.27 – 0.93 0.29 – 1.06 0.29 – 1.06
磷 (P) max % 0.035 0.035 0.035
硫 (S) max % 0.035 0.035 0.035
矽 (Si) min % 0.10 0.10 0.10
抗拉強度 min (MPa) 330 415 485
屈服強度 min (MPa) 205 240 275

數據來源參考：1

較高的碳含量（最高達 0.35%）使得 ASTM A106C 的原始組織主要由鐵素體（Ferrite）與珠光體（Pearlite）組成。珠光體含量的增加賦予了該材料極高的抗拉與屈服強度，但也提升了材料的硬化指數（η-value）。錳元素的加入則進一步提高了淬硬性（Hardenability）與韌性平衡，在熱處理過程中，錳能有效地穩定碳化物，延緩亞臨界退火過程中的組織粗化 2。

2.2 冷加工中的位錯增殖與加工硬化

當 ASTM A106C 管材進行冷彎時，晶格內部的位錯（Dislocations）發生劇烈的增殖與堆疊。由於該鋼種碳含量較高，碳原子傾向於在位錯線周圍形成科垂爾氣團（Cottrell Atmospheres），這阻礙了位錯的進一步運動，導致顯著的加工硬化現象 15。

在宏觀力學表現上，這種現象遵循 Hollomon 方程式：

σt = K * εtn

其中，σ t 為真應力，εt 為真應變，K 為強度係數，n為應變硬化指數 15。對於 ASTM A106C，其 n 值通常位於 0.15 至 0.25 之間，這意味著每增加一單位的塑性變形，內部儲存的彈性應變能便會顯著增加。這些儲存在晶格畸變中的能量，正是後續熱處理過程中驅動回復與再結晶的熱力學動力 15。

三、冷彎加工對管材殘餘應力分佈的影響

冷彎加工是一種高度非線性的變形過程，其產生的殘餘應力分佈極為複雜，且與管材的壁厚、彎曲半徑（R）以及回彈行為（Spring-back）密切相關 5。

3.1 內弧面與外弧面的應力極性分析

在管材繞模具彎曲的瞬間，物理上的受力狀態如下：

  • 外弧面（Extrados）： 受到強大的張應力作用，導致管壁纖維拉伸、變薄，厚度減薄率在特定條件下可超過 10% 19。
  • 內弧面（Intrados）： 受到強大的壓應力作用，導致管壁纖維壓縮、增厚 19。

然而，當彎曲載荷移除後，材料發生的彈性回彈會使應力分佈發生「反轉」。實驗與理論分析指出，卸載後的殘餘應力分佈如下：

 

位置 變形期間應力性質 卸載後殘餘應力性質 結構風險
內弧面 (Intrados) 壓縮 (Compression) 拉伸 (Tension) 易誘發應力腐蝕開裂 (SCC) 與內部裂紋 5
外弧面 (Extrados) 拉伸 (Tension) 壓縮 (Compression) 壁厚減薄可能導致耐壓能力下降 7
中性層 (Neutral Axis) 極小應力 剪切殘餘應力 組織畸變較小

數據來源參考：7

研究表明，最高水平的拉伸殘餘應力通常出現在內弧面的切點區域（Point of Tangency），因為該處存在極大的塑性應變梯度 7。對於 ASTM A106C 而言，這些殘餘應力的數值往往可以達到屈服強度的 60% – 90%，若不經處理，在服役期間與內部工作壓力疊加，極易導致管壁應力超過材料極限，引發災難性失效 5。

四、感應式熱處理 (IH) 的物理機制與技術優勢

感應式熱處理技術利用電磁感應（Electromagnetic Induction）現象，使鋼管內部直接產生熱量。這種「內生性」的加熱方式與依賴熱輻射或熱對流的傳統加熱法有著本質區別。

4.1 電磁感應與焦耳熱生成

當高頻或中頻交流電通過包裹在管材外部的感應線圈時，會產生交變磁場。根據法拉第電磁感應定律，管材內部會感應出旋渦狀的電流，即渦流（Eddy Currents）。由於鋼材具有電阻率，渦流在流動過程中根據焦耳定律轉化為熱能：

Q = I2 R * t

感應加熱的一個核心特點是趨膚效應（Skin Effect）。電流密度自表面向核心呈指數衰減，其穿透深度（δ）可表述為：

δ= 503 √(ρ/μr f)

其中，ρ 為材料電阻率，μr 為相對磁導率，f 為電流頻率 23。對於厚壁的 ASTM A106C 管材，若使用過高的頻率，熱量將僅集中在極薄的表層，導致嚴重的內外溫差。因此，在消除應力應用中，通常選用中頻（1 – 10 kHz）電源，以確保熱量能夠深入管壁內部，實現全截面的應力釋放 23。

4.2 IH 的技術卓越性分析

感應加熱在消除冷彎應力方面的優勢不僅體現在速度上，更體現在對材料微觀組織的保護上：

  1. 精確的局部化加熱： IH 僅對感應圈覆蓋的區域進行加熱，熱影響區（HAZ）極窄。這對於大型管線系統中僅需針對彎曲段進行處理的需求極為契合 10。
  2. 極高的熱效率： 超過 90% 的能量被直接轉換為工件熱能，相較於傳統加熱爐高達 60% 以上的散失率，IH 顯著降低了能源成本 10。
  3. 防止組織脆化： 由於加熱與降溫速率可由變頻電源精確受控，能夠有效避免因溫度波動導致的非預期相變（如馬氏體轉變），這對碳含量較高的 A106C 尤為重要 6。

五、亞臨界消除應力熱處理的冶金機制

針對 ASTM A106C 冷彎管，消除應力的目標是在不改變基本微觀組織（鐵素體+珠光體）的前提下，通過熱激發使晶格恢復平衡。這通常在 Ac1（下臨界點）溫度以下進行，屬於亞臨界熱處理範疇 30。

5.1 回復與再結晶過程

在加熱至 600°C – 700°C 的過程中，材料內部發生以下三階段演變：

  1. 回復階段（Recovery）： 原子在熱能驅動下開始擴散，位錯開始相互湮滅或重新排列成低能量的位錯牆（多邊形化）。此階段可消除約 50% – 70% 的殘餘應力，而材料的硬度與強度下降不明顯 8。
  2. 再結晶階段（Recrystallization）： 當溫度接近 700°C 且時間足夠長時，冷變形產生的畸變晶粒內部會萌生新的無畸變等軸晶粒。這會顯著降低硬度並大幅提升延伸率 8。
  3. 蠕變鬆弛機制（Creep Relaxation）： 在保溫期間，材料在微觀尺度上發生應力驅動的塑性流動（蠕變），使得原本不均勻的彈性應變場趨於平緩。這也是消除厚壁管內部應力的主導機制之一 7。

 

5.2 組織完整性的維持

對於 ASTM A106C，理想的應力消除應避免發生奧氏體相變。若加熱溫度過高（超過 727°C），部分組織會轉變為奧氏體，隨後的冷卻若失控，可能產生硬脆的組織結構，引發開裂風險 6。因此，精確的感應控溫技術（如紅外測溫或多點熱電偶監控）是製程成功的關鍵 10。

六、ASTM A106C 感應式熱處理製程參數之優化

為了達成最佳的應力釋放效果，必須對 IH 製程中的溫度、時間及冷卻速率進行科學化設定。

6.1 溫度與時間的協同效應

消除應力的效果是溫度與時間的函數。對於碳鋼，較高的溫度可以縮短保溫時間，但在感應加熱中，必須考慮熱量在厚度方向上的傳導時間。

參數 建議標準 科學依據與影響因素
加熱速率 ≦ 220°C/hr 防止過大熱應力導致新的變形 35
保溫溫度 600°C – 700°C 低於 Ac1 約 30°C – 50°C 最佳 8
保溫時間 2.5 min/mm 壁厚 確保全截面應力釋放，最小值為 30 – 60 min 8
冷卻速率 ≦15°C – 25°C/min 緩慢冷卻至 300°C 以下，防止二次殘餘應力生成 8

數據來源參考：8

6.2 冷卻階段的關鍵管控

冷卻速率是決定最終應力狀態的最後一道防線。研究指出，感應熱處理中最常見的失敗原因即是冷卻過快 8。若加熱後的管材直接暴露在強風或噴水中，管壁外層會迅速收縮，而內部仍處於熱膨脹狀態，這會在外層重新產生巨大的拉伸應力。正確的做法應是將感應圈與隔熱棉（Insulation Blankets）一同保留在管材上，實施受控的緩慢冷卻（Still Air Cooling），直至溫度降至 300°C 以下 8。

七、國際工程法規對冷彎熱處理的強制要求

在實際工程應用中，是否對 ASTM A106C 彎管進行應力消除，並非僅憑經驗，而是有嚴格的法規限制。主要的參考規範包括 ASME B31.3（製程管線）以及 ASME Section VIII（壓力容器）。

7.1 ASME B31.3 的判定準則

根據 ASME B31.3 第 332.4.2 節，冷彎後的熱處理要求取決於變形程度。對於 P-No. 1 材料（包括 A106C），若滿足以下條件，則必須進行熱處理：

  • 極限纖維伸長率計算：
    Elongation % = 100 *t / (2R + t)

（其中 t 為壁厚，R 為中線彎曲半徑）

  • 強制執行門檻： 當計算出的纖維伸長率超過該規格材料最小延伸率的 50% 時。例如，若 A106C 標稱延伸率為 30%，則冷彎伸長率超過 15% 時即必須進行消除應力熱處理 37。
  • 特定豁免： 若能證明成形後的殘餘延伸率仍大於 10%，則在某些非關鍵應用中可申請豁免，但對於高壓蒸汽系統，通常不予豁免 37。

7.2 ASME VIII Div 1 (UCS-79) 的補充考量

在壓力容器相關的配管中，UCS-79 對於 P-No. 1 材料的要求更為細緻。若厚度超過 5/8 英吋（16 mm），或冷加工減薄率超過 10%，則熱處理是強制性的 39。由於 ASTM A106C 常被用於厚壁應用，因此其冷彎件幾乎均落在強制熱處理的範圍內。

八、應力消除效果的實驗驗證與測量分析

為了驗證感應加熱（IH）的成效，工業界發展出了多種應力測量與組織分析技術。

8.1 殘餘應力減少率評估 (XRD vs. 盲孔法)

殘餘應力測量是評估熱處理成功與否的最直接手段。研究數據顯示，採用合理的 IH 製程後，ASTM A106C 的應力下降極為顯著。

測量方法 熱處理前 (MPa) 熱處理後 (MPa) 應力減少率 技術特性
X 射線繞射 (XRD) +350 ~+450 +80 ~+120 70% – 80% 非破壞性，精確測量晶格畸變 21
盲孔法 (HDM) +320 ~+400 +60 ~+100 75% – 85% 輕微破壞性，適合現場深度分佈測量 41
有限元素模擬 (FEA) +420 +150 64% 用於預測複雜幾何區域的應力集中 44

數據來源參考：41

數據清楚表明，IH 熱處理可以將殘餘應力從屈服強度邊緣降低至安全水平（通常低於 100 MPa），這大幅降低了環境誘發開裂的機率 44。

8.2 硬度梯度分析 (Hardness Profile)

硬度是評估加工硬化釋放的重要指標。ASTM A106C 冷彎區域的硬度往往會提升至 220 ~240 HB 甚至更高。熱處理後，硬度應回落至 160 ~ 200 HB 的區間內 19。

  • 硬度不均： 若內弧面硬度顯著高於母材，說明回復不完全。
  • 局部軟區： 若出現低於 150 HB 的區域，則需警惕是否發生了脫碳或嚴重的碳化物球化，這會損害材料的耐沖蝕能力。

九、IH 製程中的線圈設計與均勻性控制

感應式熱處理的均勻性受線圈佈置影響極大。對於管材彎曲段，由於幾何結構的不對稱性，必須進行特殊的工程設計。

9.1 線圈類型與應用場景

針對彎管的不同需求，感應線圈有以下幾種典型配置：

  1. 螺線管線圈 (Solenoid Coil)： 繞製在管周，適合對整個彎曲段進行整體加熱。優點是效率高，缺點是對內外弧的加熱不均勻 24。
  2. 柔性線圈 (Flexible Cables)： 使用絕緣柔性銅纜手工纏繞，極適合於異形彎管或現場狹窄空間。工程師可通過調整線圈疏密度來補償散熱快的區域 24。
  3. 大餅線圈 (Pancake Coil)： 放置在管材側面，常用於局部銲縫或特定點位的補償加熱 24。

9.2 克服 Barber-poling 效應

在快速感應加熱中，若線圈匝間距過大，會產生所謂的「理髮店招牌（Barber-poling）」螺旋狀加熱不均現象。對於 ASTM A106C，這會導致微觀組織在螺旋路徑上性質不一。解決方案包括使用較小的匝間距、在加熱期間旋轉管材（若製程允許），或在線圈外增加磁屏蔽蓋以使磁場分佈更均勻 25。

十、故障模式與風險預防分析

在執行 ASTM A106C 感應熱處理時，必須識別並規避潛在的製程風險。

10.1 局部馬氏體生成的危害

若 IH 加熱溫度意外衝過 Ac3（約 850°C – 900°C），隨後若發生斷電或冷卻水洩漏，管材會發生類似猝火（Quenching）的效果，導致局部生成硬脆的馬氏體（Martensite）。這在輸氣管線中極端危險，已有案例顯示，這種異常組織在服役壓力下會發生脆性崩裂，引發管線洩漏 6。

預防措施： 建立嚴格的功率曲線監控與超溫報警機制，並在熱處理後進行 100% 表面硬度檢查。

10.2 應力重新引入風險

熱處理後的快速移除感應設備是另一個風險點。鋼材在高溫下機械強度極低，若此時吊裝或支架受力不均，會引入新的塑性變形，抵消熱處理的效果 8。此外，降溫過程中的「不均勻冷卻」會導致新的熱應力，對於大直徑厚壁管（如 NPS 24 以上），應使用多層隔熱棉包裹，延長降溫時間 8。

十一、結論與前瞻性建議

針對 ASTM A106C 冷彎後消除應力的感應式熱處理研究顯示，IH 技術在提供高品質、高可靠性的工業管道組件方面具有核心競爭力。

11.1 研究結論

  1. 材料適用性： ASTM A106C 由於其較高的碳與錳含量，對冷彎變形高度敏感，其產生的殘餘拉伸應力往往高達屈服強度的 80% 以上，必須進行消除處理。
  2. IH 技術效能： 感應加熱能將殘餘應力有效降低 70% – 85%，且能在不破壞母材珠光體組織的前提下，實現材料延伸率與衝擊韌性的顯著恢復。
  3. 合規性要點： 根據 ASME B31.3，伸長率超過 50% 的最小規定延伸率門檻時，熱處理是法規強制的安全性要求。
  4. 製程穩定性： 精確控制 600°C – 700°C 的保溫區間以及低於 220°C/hr 的升溫與受控冷卻，是防止組織脆化與二次應力的關鍵。

11.2 未來研究與工程建議

為提升 ASTM A106C 的處理效益，建議未來工程實踐中引入以下改進：

  • 數位孿生技術： 利用有限元素法預測感應線圈的最佳匝數分佈，特別是在處理變壁厚彎管時。
  • 在線應力監測： 探討磁巴克豪森噪聲（MBN）等無損檢測技術在 IH 熱處理期間即時監測應力釋放進度的可能性。
  • 標準化作業程序： 針對感應加熱的局部性特點，應制定比傳統爐溫控制更嚴格的線圈耦合距離與絕緣包裹標準，以確保處理後組織的高度一致性。

總結而言，ASTM A106C 的感應式熱處理不僅僅是一道簡單的加熱工序，更是確保高壓管線系統長期結構完整性的核心冶金保障。通過精確的參數控制與合規性管理，IH 技術將繼續支撐能源與化學工業向更高效率、更高安全性的方向發展。

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  52. Induction Bending – Albina Co., Inc., https://www.albinaco.com/bending-methods/induction-bending
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