鐵素體合金鋼管類之冷熱彎管與熱處理、冶金演化及尺寸與厚度規定對比分析 (Research on Ferritic Alloy Steel Pipes: Comparative Analysis of Bending Processes, Heat Treatment, Metallurgical Evolution, and Geometric Specifications)

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一、前言: 能源工業與高溫管線系統之演進背景

在現代火力發電與石化工業的發展歷程中，提升運作溫度與壓力一直是追求熱效率與環境保護的核心路徑。隨著發電技術由亞臨界（Subcritical）轉向超超臨界（USC），管線系統所承受的熱機械應力呈現幾何級數增加，這直接驅動了對高性能鐵素體合金鋼（Ferritic Alloy Steels）的需求 1。這類材料，特別是 ASTM A335 系列中的 P11、P22 與 P91，被賦予了極佳的高溫蠕變強度、抗氧化性與抗熱疲勞性能 3。然而，材料性能的發揮高度依賴於加工過程中的熱機械歷史。

管線系統的佈置不可避免地需要大量的彎管（Bending）加工以實現流體轉向。彎管過程不僅是物理幾何的改變，更涉及到材料內部的位錯（Dislocation）密度變化、晶粒結構重組以及第二相碳化物的溶解與再析出 5。對於如 P91 這類蠕變強度強化型鐵素體鋼（CSEF），其優異性能來自於精確控制的馬氏體亞結構與納米級析出物。任何在冷彎或熱彎過程中的控制疏忽，都可能導致材料性質的「退化」，進而在長期服役中誘發災難性的 IV 型開裂（Type IV Cracking） 7。

國際標準如 ASME B31.1、ASME B31.3 以及歐洲標準 EN 13480、EN 12952，針對這些高性能管件的成型後的減薄率、真圓度與熱處理程序設定了嚴苛的紅線 9。本報告旨在從冶金動力學與工程力學的角度，深度剖析冷、熱彎管工法對材料微觀組織的影響，並對比主要國際法規在尺寸與厚度管控上的技術差異。

二、鐵素體合金鋼之冶金基礎與合金化設計

鐵素體合金鋼的卓越性能源於其精密的合金配比，這不僅決定了材料的初始組織，更決定了其在極端熱機械加工過程中的穩定性。

2.1 典型鐵素體合金鋼的化學組成分析

合金元素 (wt.%) ASTM A335 P11 ASTM A335 P22 ASTM A335 P91 (Type 2)
碳 (C) 0.05 – 0.15 0.05 – 0.15 0.08 – 0.12
錳 (Mn) 0.30 – 0.60 0.30 – 0.60 0.30 – 0.60
矽 (Si) 0.50 – 1.00 ≤ 0.50 0.20 – 0.50
鉻 (Cr) 1.00 – 1.50 1.90 – 2.60 8.00 – 9.50
鉬 (Mo) 0.44 – 0.65 0.87 – 1.13 0.85 – 1.05
釩 (V) – – 0.18 – 0.25
鈮 (Nb) – – 0.06 – 0.10
氮 (N) – – 0.030 – 0.070
磷 (P), max 0.025 0.025 0.020
硫 (S), max 0.025 0.025 0.010

數據來源參考：3

2.2 合金元素之功能與冶金機制

鉻（Chromium）是提升材料抗氧化與耐腐蝕性能的核心。在高溫環境下，鉻能促進緻密氧化膜的形成，防止管壁發生過度氧化與剝落 14。對於 P11 到 P91 的演進，鉻含量由 1.25% 大幅提升至 9%，這不僅強化了基體的固溶強化效果，更為穩定馬氏體結構提供了基礎 3。

鉬（Molybdenum）是提升高溫蠕變強度的最關鍵元素。鉬原子的直徑較大，在鐵晶格中引發顯著的固溶強化效果。更重要的是，鉬能形成穩定的 M23C6 碳化物並抑制晶粒長大 4。在 P91 中，鉬的添加量控制在 1% 左右，過高的鉬含量會促進 δ-鐵素體的形成，這對材料的低溫韌性是不利的 15。

微合金元素釩（V）與鈮（Nb）的引入是 P91 鋼種性能飛躍的關鍵。這些元素與氮結合成 MX 型碳氮化物。相較於易於粗化的M23C6，MX 相具有極高的熱穩定性，能夠有效地錨定位錯，防止在高溫蠕變過程中的亞晶界移動 1。這種機制被稱為析出強化，是超超臨界鋼種的核心技術。

2.3 初始顯微組織與熱機械性質

鐵素體合金鋼的顯微組織取決於其熱處理狀態。P11 與 P22 通常供應於正火加回火（N+T）或等溫退火（Isothermal Annealing）狀態，其微觀組織主要為鐵素體基體上的珠光體或回火貝氏體 3。而 P91 則嚴格要求在完成成型後處於回火馬氏體狀態。

機械性質 P11 P22 P91 (Type 2)
抗拉強度 (MPa) ≥ 415 ≥ 415 ≥ 585
屈服強度 (MPa) ≥ 205 ≥ 205 ≥ 415
伸長率 (2″,縱向) ≥ 30% ≥ 30% ≥ 20%
最大硬度 (HBW/HV) ≤ 163 HBW ≤ 163 HBW 190 – 250 HBW

數據來源參考：3

P91 的高屈服強度意味著其在彎管加工時需要更大的成型力，且其對冷變形的容忍度（韌性）雖然良好，但若處理不當極易引發加工硬化後的延性喪失 11。

三、彎管工法：冷彎與熱彎的熱機械對比

管件彎曲的核心挑戰在於如何克服材料的流動應力，同時將幾何變形控制在公差範圍內。

3.1 冷彎工法的物理性質與技術局限

冷彎通常在環境溫度下100°F(56°C)進行，其溫度範圍定義為低於材料下臨界溫度（Ac1 ）21。冷彎依靠管件內外的應力差異實現形變：外側（Extrados）受張力而拉伸減薄，內側（Intrados）受壓力而壓縮增厚 2。

冷彎的主要優勢在於：

  1. 表面質量：無高溫氧化層形成，表面光滑且尺寸精度高 5。
  2. 成本效益：省去了昂貴的加熱能源與複雜的控溫設備 23。
  3. 強度增益：位錯密度的增加產生加工硬化，從而在室溫下提升了彎曲區域的硬度與強度 5。

然而，對於鐵素體合金鋼管，冷彎存在顯著限制。大口徑、厚壁或高強度的 P91 管件在冷彎時極易發生開裂，因為材料的延展性在室溫下有限 11。此外，冷彎產生的巨大殘餘應力若不進行後續去應力退火（Stress Relief），在富含氫氣或腐蝕性介質的環境中極易引發應力腐蝕開裂（SCC） 11。冷彎通常僅適用於標稱直徑（NPS）小於 2-3 英吋的小徑管 22。

3.2 熱彎（感應加熱彎管）的冶金動態

熱彎涉及將管材加熱至再結晶溫度以上（通常為 870°C 至 1200°C），此時金屬的屈服應力大幅下降 5。感應加熱彎管（Induction Bending）是目前大口徑高等級合金鋼管最先進的成型工法。

感應加熱過程利用高頻磁場在管壁局部產生焦耳熱。加熱寬度（Heating Band）的精確控制是防止皺褶（Buckling）與過度減薄的關鍵 2。感應彎管能夠處理大直徑（如 NPS 24 及以上）且壁厚極大的管件，並能實現極小的彎曲半徑（R≦3D） 21。

熱彎的風險點在於熱歷程的控制。對於 P91 鋼，若感應加熱溫度過高，會導致晶粒顯著粗化；若冷卻速度不均勻，則會造成彎管不同區域組織的極大非均質性 2。此外，局部加熱會形成熱影響區（HAZ），這與銲接接頭類似，可能成為未來失效的薄弱點 8。

四、冶金演化：顯微組織與相變動力學

彎管加工過程中的冶金演化是決定管件長期可靠性的根本。

4.1 冷加工中的位錯網絡與硬化

在冷彎過程中，鐵素體合金鋼的基體發生塑性形變，內部生成大量位錯。對於 P22 等鐵素體-珠光體鋼，冷加工會導致珠光體片的碎化 27。研究顯示，當冷變形量增加時，硬度呈線性上升，這反映了位錯交互作用的加劇 28。

這種狀態下的組織處於亞穩態，雖然短期內增加了強度，但在高溫服役下會發生回覆（Recovery）與再結晶。位錯網絡的重新排列會釋放儲存能，導致硬度大幅下降，若回覆過快，可能造成局部的軟化，進而引發局部應力集中。

4.2 熱加工中的相變與碳化物行為

熱彎（特別是正火溫度的感應熱彎）涉及複雜的奧氏體化過程。

  1. 奧氏體形成與晶粒長大：當溫度升至 Ac3（對於 P91 約為 900-930°C）以上時，原組織完全轉變為奧氏體 7。細小的鈮、釩碳化物（MX）在此階段起到關鍵作用，透過釘紮晶界（Grain Boundary Pinning）抑制奧氏體晶粒的快速粗化 30。
  2. 析出物溶解動力學：M23C6 碳化物在 1000°C 以上開始快速溶解於奧氏體中，釋放鉻、鉬與碳原子。研究指出，感應加熱的快速熱循環可能使碳化物的溶解不完全，導致化學成分局部不均勻，這會影響冷卻後的馬氏體轉變與硬度分佈 31。
  3. 馬氏體轉變：彎管後的快速冷卻（空氣冷卻或水噴淋）必須確保溫度降至 Ms（馬氏體開始溫度，約 400°C）以下，以獲得均一的板條狀馬氏體 7。對於 P91，若冷卻速度過慢（例如厚壁管件心部），可能發生貝氏體轉變，這會劇烈降低蠕變抗力 7。

4.3 磷偏析與化學偏析

在 P22 感應熱彎研究中發現，感應線圈產生的重複局部加熱與冷卻循環會促進雜質元素磷（P）在鐵素體相中的富集（Enrichment） 6。磷的偏析會顯著降低晶界的內聚力，並成為腐蝕起始點。實驗顯示，熱彎區域在硼酸溶液中的腐蝕速率遠高於母材。這強調了彎管後重新進行完整熱處理（正火+回火）的重要性，以重新分配溶質原子 6。

五、熱處理規範：程序與微觀組織穩定性

熱處理是消除加工影響並賦予材料最終性能的法定程序。

5.1 國際標準熱處理要求對比

標準規範 鋼種 成型狀態 要求之熱處理
ASTM A335 P11 / P12 冷/熱成型 最終熱處理溫度範圍 650°C – 705°C 18
ASTM A335 P22 熱成型 完全退火、等溫退火或正火+回火 (回火 min 675°C) 12
ASTM A335 P91 熱成型 正火 (1040-1080°C) + 回火 (730-800°C) 7
EN 13480-4 合金鋼 熱成型 依據材料分組，通常需進行正火加回火 35

 

5.2 P91 熱處理的臨界精確度

P91 鋼對熱處理溫度的容錯率極低。若回火溫度低於 730°C，材料將保留極高的內應力與脆性；若回火溫度超過 800°C（接近 Ac1），會觸發逆轉向奧氏體相變，冷卻後形成未回火的鮮脆馬氏體，這在業界被稱為「致命組織」 7。

回火過程的目的在於使M23C6 在晶界與板條界析出，同時促使納米級 MX 相在基體內部彌散分佈。這種「顆粒強化」與「馬氏體板條界強化」的結合，構成了 P91 在 600°C 下穩定服役的微觀基礎 1。

5.3 過回火與硬度控制

過回火（Over-tempering）常發生於承包商誤將 P91 視為 P22 進行處理時。過回火的 P91 組織中，馬氏體特有的高位錯密度板條發生回覆，晶粒變為等軸狀，碳化物發生球化與粗化 3。此時，材料的室溫硬度會低於 190 HB，其高溫蠕變強度可能損失超過 50%。因此，ASME 與 ASTM 明確規定 P91 彎管的硬度應嚴格控制在 190 – 250 HBW（或 196 – 265 HV）範圍內 12。

六、尺寸與厚度規定：主要法規深度對比

彎管加工導致的幾何變化直接影響管線的承壓安全。國際法規針對「減薄、真圓度、皺褶」設定了明確的計算公式。

6.1 最小壁厚與減薄量規定

在彎管外側（Extrados），壁厚會因拉伸而減薄。法律要求彎曲後的最小壁厚不得低於計算所得的最小所需厚度 tm。

6.2 ASME B31.3 製程管線計算模式

ASME B31.3 段落 304.1.2 給出了彎管所需厚度的計算公式 9：

tm = PD/2 +c

其中，I 為彎管幾何修正係數，反映了彎曲曲率對應力分佈的影響。內側（Intrados）承受更大的切向應力，因此所需厚度更高。

  • 內側係數：Iint = [4(R/D)]–1 / [4(R/D)–2]
  • 外側係數：Iext = [4(R/D)+1] / [4(R/D)+2]
  • 側邊係數：Iside = 1.0

這意味著若使用 1.5D 的緊湊半徑彎管，Iint 約為 1.25，這要求管件初始厚度必須比直管標稱厚度高出至少 25%，才能保證彎曲後的安全餘量 37。

6.3 ASME B31.1 動力管線之建議值

ASME B31.1 提供了一個更為簡便的「成型前建議厚度」對照表，旨在引導製造商選擇合適的母管厚度 39：

彎曲半徑 (R/D) 成型前建議最小壁厚 (tn​) 預估減薄率
≧6D 1.06 tm 6%
5D 1.08 tm 8%
4D 1.14 tm 12%
3D 1.25 tm 20%

數據來源參考：38

6.4 EN 13480-4 與 EN 12952-5 體系

歐洲標準則更強調對變形量（ε）的直接管控。EN 12952-5 特別針對水管鍋爐管件，規定了外側最大容許減薄率與內側最大增厚率的計算，並根據材料的分組（如 P-Number 15E 代表 P91）設定了不同的熱處理豁免邊界 10。對於直徑大於 142mm 的管件，EN 標準要求更為詳盡的幾何記錄 10。

6.5 真圓度（Ovality / Out-of-Roundness）管控

真圓度定義為同一截面最大外徑與最小外徑之差佔標稱外徑的比例 41。

  • ASME B31.3 / B31.1：對於內部壓力服務，彎管後的真圓度上限為 8% 41。但在銲接端，為了保證對接質量，真圓度通常縮減至 3% 41。
  • EN 13480-4：提供計算公式 u = [2(dmax-dmin) / dmax+dmin]* 100%。標準要求一般情況下 u≦10%，但對於高溫高壓關鍵部件，通常合約會要求更嚴格的限制 35。
  • 薄壁管特殊條款：根據 ASTM A1016，壁厚小於直徑 3% 的薄壁管在校直或彎曲過程中極易產生橢圓化。法規允許薄壁管在平均直徑符合公差的前提下，擁有較大的單點橢圓度，這反映了對物理失穩現象的妥協 42。

6.6 皺褶（Buckling / Waves）與波浪度

在彎管內側，由於強大的壓縮應力，管壁可能發生失穩產生皺褶。ASME B31.3 規定皺褶高度（峰到谷的距離）不得超過特定限制（通常為標稱壁厚的 3% 到 5%），且波形必須平滑過渡，不得有尖銳折痕，以免產生嚴重的應力集中 2。

七、高溫失效機制：彎管區域的脆弱性分析

彎管區域由於經歷了強烈的熱機械應力，其失效行為展現出獨特的特徵。

7.1 球化（Spheroidization）與石墨化（Graphitization）

對於 P1（0.5Mo）及低鉻鋼（如 P11），在 455°C 以上長期服役時，碳化物會由片狀轉變為球狀，這會降低材料的強度。更嚴重的石墨化現象會使碳原子自碳化物中析出形成自由石墨，這會導致脆性斷裂 3。彎管過程中的局部變形增加了位錯密度，這實際上提供了碳原子擴散的通道，可能加速球化的動力學過程。

7.2 IV 型開裂（Type IV Cracking）與 EPRI 觀點

IV 型開裂是 P91 鋼在高溫環境中最具威脅的失效模式。這種開裂通常發生在細晶熱影響區（FGHAZ），其根源在於局部熱循環造成的顯微組織軟化 8。

電力研究協會（EPRI）的研究指出：

  1. 壽命大幅縮短：IV 型開裂可使高溫管線的預期設計壽命縮短達 5 倍 8。
  2. 檢測困難：這類裂紋往往從壁厚內部引發，常規的表面檢測（如 MT/PT）極難在早期發現 8。
  3. 感應彎管的作用：採用長跨度感應彎管代替標準彎頭（Elbow）可以減少高達 75% 的現場環向銲縫。由於銲縫與其熱影響區是 IV 型開裂的高發區，減少銲縫數量顯著提升了系統的整體安全性 2。

7.3 碳遷移（Carbon Migration）與異材銲接

當 P22 與 P91 進行異材連接（例如彎管段與直管段材質不同）並處於高溫服役時，化學勢能的差異會驅動碳原子從低鉻端（P22）向高鉻端（P91）遷移。這會導致 P22 側出現脫碳軟化帶，而 P91 側出現增碳硬化帶，形成一個極其脆弱的界面，這是造成管線非預期斷裂的常見原因 33。

八、品質保證與非破壞性檢測（NDT）

為了驗證彎管是否符合法規與安全要求，必須建立多層次的檢測體系。

8.1 硬度檢測與現場金相

硬度測試是評價熱處理質量的非破壞性「黃金標準」。

  • 驗收基準：P91 要求 190 – 250 HBW 11。
  • 現場檢測：通常在彎管的內、外側與中性軸區域各取多點測量。
  • 現場金相複刻（Replica）：對於 P91 關鍵管件，工程師常使用金相複刻技術觀察回火馬氏體組織，確認有無「過回火」或殘餘奧氏體，這比單純的硬度測試更能揭示微觀組織的健康度 7。

8.2 表面與近表面缺陷檢測

由於彎管外側承受最大的拉伸應力，微小的表面裂紋可能演變為致命的斷裂。

  • 磁粉檢測 (MT)：對於鐵素體鋼，MT 是首選方法。ASME B31.1 規定任何裂紋或線性指示均不可接受 48。
  • 滲透檢測 (PT)：適用於非磁性檢測或現場便攜式檢查 50。

8.3 體積檢測與壁厚掃描

  • 超音波測厚 (UT)：在彎管成型後，必須沿著弧線進行全方位的壁厚量測，驗證是否滿足3 或 B31.1 的最小壁厚（tm）要求 18。
  • 射線檢測 (RT)：若彎管包含銲接接頭（例如在弧段中存在銲縫），法規強烈建議在彎管前與彎管後各進行一次 RT，以確認變形過程未誘發內部銲接裂紋 21。

九、未來趨勢與行業實務建議

隨著全球對更高效率能源系統的追求，鐵素體合金鋼的應用將進一步向 P92 與 P122 演進。這些新一代鋼種透過添加鎢（W）與硼（B）進一步提升了強度，但其對彎管加工的熱敏感性也隨之增加。

行業實務建議

  1. 強化承包商管理：確保施工單位具備處理 P91 等高級合金的專門資格。應嚴防「將 P91 當作 P22」的慣性思維，這是目前電廠管線事故的主要溫床 7。
  2. 數據化成型監控：感應加熱過程應實現數位化參數紀錄，包括加熱溫度（紅外線監控）、推進速度與冷卻流量，這應作為彎管質量證明文件（MDR）的核心部分 2。
  3. 預防應力腐蝕：所有冷彎件應無條件進行去應力熱處理。在 P91 銲接與彎管後，若不能立即進行熱處理，應維持預熱溫度或存放在乾燥環境，以防止「環境輔助開裂」 7。
  4. 採用長半徑與感應彎管：在設計階段，應盡量選擇 R≧3D 的長半徑感應彎管。這不僅能大幅減少高風險的環向銲縫，還能減少流體紊流帶來的侵蝕-腐蝕風險，延長設備壽命 2。

十、結論

鐵素體合金鋼管的冷熱彎管加工絕非單純的幾何塑形，而是一場精密的冶金調控。從 P11 的簡單固溶強化到 P91 的納米析出強化，合金系統的複雜化要求加工工法必須具備極高的科學嚴謹性。

冷彎依靠加工硬化提供短期強度，但其留下的殘餘應力與對小尺寸的限制使其應用受限。感應熱彎雖然在設備投資上較高，但其對大口徑厚壁管材的處理能力，以及透過減少銲縫數量來規避 IV 型開裂的能力，使其成為高溫、高壓管線系統的最佳選擇。然而，熱彎工法後的「恢復熱處理」是整條供應鏈中最易出錯但也最重要的環節。

國際法規如 ASME 與 EN 標準為尺寸與厚度管控提供了堅實的底線。設計者必須深刻理解 I 係數與減薄公差的物理意義，在源頭母管的選擇上預留充足餘量。透過結合先進的感應成型技術、精確的熱處理溫控以及多維度的 NDT 驗證，工業界方能確保這些高性能鐵素體管件在長達數十年的極端服役中保持穩定的結構完整性。

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