2026 ASME新修訂規範：CCPP A335 P91 蒸汽管線對比冷作彎管與電銲作業之細部設計規劃分析研究 (Detailed Design Planning and Analytical Research on CCPP ASTM A335 P91 Steam Pipelines: A Comparative Study of Cold Bending vs. Welding Operations under the 2025 ASME Code (2026 Revision))

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一、緒論

隨著全球電力需求與能源結構轉型的演進，複循環火力發電廠（CCPP）已成為現代發電體系中的核心組成部分。為了追求更高的熱效率與降低碳排放，蒸汽參數不斷向超臨界與超超臨界方向推進，這對主蒸汽與再熱蒸汽配管系統的材料性能提出了極其嚴苛的要求。

ASTM A335 Grade P91（9Cr-1Mo-V）蠕變強度增強型鐵素體鋼（CSEF）自1980年代引入工業界以來，憑藉其卓越的高溫蠕變斷裂強度、優異的熱疲勞抗力以及較低的熱膨脹係數，已成為高溫配管的首選材料 1。然而，P91材料對熱加工循環的高度敏感性，使其在設計、製造與現場安裝過程中面臨巨大的挑戰。

2026年版ASME B31.1《動力配管》（Power Piping）規範的修訂，針對以P91為代表的高能量配管系統（HEP）引入了更為嚴密的品質管理與技術規範，特別是在強制性附錄Q與R的加入，以及對B31J應力增強係數的強制引用，深刻改變了工程設計與施工管理的底層邏輯。

二、2026年ASME B31.1規範修訂之宏觀背景與結構性轉變

2026年實施的ASME B31.1新修訂版反映了動力配管行業從傳統的「基於規則的設計」向「全生命週期管理」的重大轉向。這一轉變的核心在於對覆蓋配管系統（CPS）的長期完整性管理。對於CCPP中的P91蒸汽管線而言，這不僅僅是滿足初期的壓力設計，更在於如何通過規範化的製造與施工記錄，確保管線在預期的10萬小時甚至更長的設計壽命內不發生災難性的失效 3。

2.1 強制性附錄Q與R的體系化管理要求

新版規範最重要的變動之一是引入了強制性附錄Q（Mandatory Appendix Q）與附錄R（Mandatory Appendix R）。附錄Q針對金屬非鍋爐外部配管（NBEP）中的覆蓋配管系統建立了品質管理程序要求，而附錄R則詳盡規定了相關的文件、記錄與報告要求 8。對於P91管線工程，這意味著從原材料採購、彎管預製、現場電銲到熱處理的每一個溫度點，都必須具備可追溯的數位化記錄。

這種管理要求的提升源於近年來多起P91管線提前失效的案例。研究顯示，許多失效並非源於設計應力不足，而是由於施工過程中熱處理曲線偏離、銲材化學成分不匹配或冷彎變形過大後未進行適當的組織恢復 3。附錄R的實施將迫使工程承包商建立精細的數據管理系統，將銲接程序規格書（WPS）、銲工資格紀錄（WPQ）以及銲後熱處理（PWHT）的自動溫度記錄曲線整合至最終的竣工資料中 8。

2.2 B31J標準的強制應用與應力分析變革

另一個關鍵修訂是刪除了原有的強制性附錄D，轉而全面引用ASME B31J作為應力增強係數（SIF）與柔性係數的唯一計算依據 8。在P91管線的細部設計規劃中，這意味著工程師必須重新評估所有分支連接、彎管及三通處的局部應力。由於P91允許較薄的壁厚，其徑厚比通常較大，這使得其對幾何突變引起的局部應力極為敏感。

規範章節 修訂內容摘要 對P91蒸汽管線之設計影響
Mandatory Appendix Q 新增：品質管理程序要求 強化施工過程監控，需建立專門的CSEF材料作業程序 8
Mandatory Appendix R 新增：文件紀錄與報告要求 必須提供包含熱處理曲線與無損檢測（NDT）原始數據的完整檔案 8
Mandatory Appendix D 刪除：由B31J標準取代 應力分析需採用更精確的係數，可能導致部分支撐位置需重新佈置 8
Para. 137.2.1 壓力試驗時接頭暴露要求 除非業主同意，否則壓力試驗前焊縫不得塗漆，便於觀察微小滲漏 8
Para. 101.5 動態效應：風與地震分析修訂 禁止在風與地震負荷中應用傳統的允許應力設計係數，強化結構安全性 8

三、ASTM A335 P91材料之演進：Type 1與Type 2的細部差異

在2026年規範的應用背景下，設計者必須明確區分P91的兩個類別。ASME在SA-335標準中正式區分了Type 1與Type 2，這主要是為了解決早期P91在長期高溫服役中蠕變強度波動的問題。

3.1 Type 2材料的化學成分與組織穩定性

P91 Type 2相較於Type 1，對微量強化元素如鈮（Nb）、釩（V）及氮（N）的控制更為嚴格，同時嚴格限制了有害雜質如錫、銻、砷及過量的鋁。這些微量元素的精確配比決定了材料在正規化與回火後的顯微組織——即穩定的回火馬氏體組織中分布著細小、瀰散的MX（Nb/V碳氮化物）與M23C6碳化物 1。

對於CCPP主蒸汽管線而言，Type 2材料提供了更高的可靠性。當管線在 540 °C 至 600 °C 的區間運行時，Type 2中的強化相能更有效地釘紮位錯與晶界，延緩蠕變空洞的萌生 7。

元素 P91 Type 1 規範要求 (%) P91 Type 2 規範要求 (%) 冶金功能說明
鉻 (Cr) 8.00 – 9.50 8.00 – 9.50 基礎抗氧化能力與高溫強度 11
鉬 (Mo) 0.85 – 1.05 0.85 – 1.05 固溶強化，提升抗蠕變性能 1
釩 (V) 0.18 – 0.25 0.18 – 0.25 形成細小VC氮化物，二次硬化關鍵 1
鈮 (Nb) 0.06 – 0.10 0.06 – 0.10 穩定碳化物，強化晶界 1
氮 (N) 0.030 – 0.070 0.035 – 0.070 與Nb/V結合形成強化相 1
鋁 (Al) ≦ 0.02 ≦ 0.02 脫氧劑，含量過高會顯著降低蠕變壽命 1
鎳+錳 (Ni+Mn) 未特定總和要求 ≦ 1.0 (建議值) 防止下臨界溫度 Ac1 下降過多 9

四、電銲作業之細部設計規劃與工法管制

在P91蒸汽管線的施工規劃中，電銲作業被認為是風險最高、技術密度最大的環節。由於P91屬於強硬化鋼種，銲接過程中的任何熱循環偏差都可能導致銲縫區域組織弱化或產生裂紋。

4.1 銲接填充金屬與下臨界溫度 Ac1 的風險管理

銲縫金屬的化學成分，特別是鎳（Ni）與錳（Mn）的含量，對銲後熱處理（PWHT）的成敗起著決定性作用。Ni與Mn會顯著降低材料的 Ac1 溫度（即材料開始轉變為奧氏體的溫度）。如果在進行PWHT時，加熱溫度超過了實際的 Ac1，銲縫區域會發生部分奧氏體化，在隨後的冷卻中形成脆性的未回火馬氏體，這不僅會導致硬度飆升，更會嚴重損害高溫蠕變性能 9。

2026規範強調，銲材供應商必須提供精確的組成數據。根據研究，若Ni+Mn含量達到1.5%，其 Ac1 可能降至 760 °C 左右，而標準的PWHT溫度通常在 730 °C 至 785 °C 之間。這意味著如果設計者不掌握銲材的具體成分，很容易在不知情的情況下進行了「跨臨界加熱」，從而導致日後頻發的Type IV裂紋 29。

4.2 預熱、層間溫度與銲後氫排（Bake-out）之精確程序

針對P91的厚壁蒸汽管線，細部規劃必須包含嚴格的熱循環控制。銲接前的預熱溫度需保持在 200 °C 至 300 °C 15。在整個銲接過程中，層間溫度必須維持在預熱溫度以上且不得超過 350 °C，以防止晶粒過度粗化或出現不當的顯微組織。

特別值得注意的是，2026規範下更推薦實施「銲後氫排」（Postweld Hydrogen Bake-out）。銲接完成後，將溫度提升至 300 °C 並保持2至4小時，這能顯著促進氫原子從銲金中擴散逸出，極大降低氫致延遲開裂的風險 16。

4.3 銲後熱處理（PWHT）的冶金邏輯

P91銲縫在完成氫排後，必須先冷卻至馬氏體轉變終止溫度（Mf）以下，通常為 90 °C 至 100 °C，確保組織完全轉變為馬氏體後，方可升溫進行PWHT 4。

PWHT 階段 參數指標要求 技術目的與 2026 規範考量
升溫速率 ≦ 55 °C/hr (當壁厚大於一定值) 防止厚壁管內外溫差產生過大熱應力 17
均熱溫度 730 °C – 785 °C (視銲材成分調整) 降低硬度，恢復韌性，穩定強化相 18
持溫時間 1 hr / inch (最小 2 小時) 確保組織回火反應充分進行 17
冷卻速率 ≦ 55 °C/hr (降溫至 300 °C 以下) 避免冷卻收縮過快引發殘留應力集中 20

五、彎管加工：冷作彎管與熱作感應彎管之對比分析

在CCPP工程中，減少銲縫數量是提升管線整體完整性的關鍵。通過彎管（Bending）取代銲接彎頭（Elbows）已成為趨勢。然而，P91材料的形變強化與後續的組織恢復是設計中的重難點。

5.1 冷作彎管（Cold Bending）的力學效應與規範約束

冷作彎管主要依靠物理力在環境溫度下使金屬產生塑性變形。對於P91而言，冷彎會引入大量的位錯密度，導致材料硬度升高而延性下降。

  1. 壁厚減薄補償：根據ASME B31.1 Para 102.4.5，彎管的外側（Extrados）會因拉伸而減薄，內側（Intrados）則因壓縮而增厚。設計者必須根據彎曲半徑 R 計算所需的起始壁厚。例如，對於 R = 3D 的短半徑彎管，起始壁厚需比計算出的最小壁厚 tm 增加約 25% 30。
  2. 彎後熱處理（PBHT）的要求：2026修訂版強化了對冷彎後熱處理的判斷標準。對於鐵素體合金鋼，若標稱直徑等於或大於 NPS 4，或壁厚大於 13mm，冷彎後必須進行應力消除熱處理。更重要的是，如果形變量（Strain）超過 5%，材料的蠕變性能會顯著下降，此時僅進行應力消除是不夠的，往往需要進行全組件的「正規化與回火」（N+T）處理以重新定義組織。

5.2 感應加熱彎管（Induction Bending）的工法優勢

感應彎管利用高頻感應圈在管材局部區域產生瞬間高溫，配合三軸推進系統完成彎製。這是目前P91厚壁管線的首選工法。

  • 三軸控制與壁厚管理：現代感應彎管機具備先進的推進與側壓控制，能有效抑制外側減薄並將橢圓度控制在 1% 以內 22。
  • 熱區窄度與過渡帶管理：感應加熱的區域極窄，這意味著加熱區與冷區之間存在劇烈的溫度梯度。對於P91，如果局部加熱超過了 Ac1 但未達到完全奧氏體化的溫度，該區域會形成嚴重的軟化帶，即預示著未來的 Type IV 失效。因此，2026規範下，感應彎管後的「全爐熱處理」被視為保障質量的「金科玉律」。

5.3 彎管與電銲的經濟考量與技術權衡

評估維度 電銲彎頭 (Welded Elbows) 預製彎管 (Bends)
現場工作量 高，需多次對接銲與PWHT 低，減少 50% 以上現場銲縫 21
流體阻力 較大，內徑變化可能不連續 平滑過渡，流體動力學性能優越 22
應力分布 銲縫熱影響區是薄弱點，應力集中 23 幾何連續，但需注意壁厚不均引起的偏心應力 24
失效風險 Type IV 裂紋高發區 23 若 PBHT 不當，易產生異常鐵素體劣化 3
長週期成本 維修頻率較高，檢測成本增加 初期投資高，但運維成本與風險較低 21

六、Type IV 裂紋：P91 管線設計中無法迴避的挑戰

Type IV 裂紋是 P91 等 CSEF 材料的「阿基里斯之踵」。這種裂紋發生在銲接熱影響區（HAZ）中受熱溫度處於 Ac1 與 Ac3 之間的細晶區（FGHAZ）或過渡區 31。

6.1 形成機制與 2026 規範的預防對策

銲接熱循環會使局部區域的碳化物發生部分溶解與聚集，原有的馬氏體板條組織消失，轉變為蠕變抗力極低的細晶鐵素體組織。在長期運行的高溫與系統負荷共同作用下，該區域會產生微細的空洞，隨後連成裂紋 23。

  1. 設計端優化：2026規範下的細部規劃應儘量減少管系應力，特別是軸向應力，因為 Type IV 裂紋通常垂直於主應力方向。
  2. 採用 Type 2 材料：利用 Type 2 中更穩定的微量元素組合來延緩細晶區的組織演化 7。
  3. 先進熱處理技術：研究顯示，整體正規化與回火（N+T）能完全消除銲接熱影響區，使整段管線組織趨於一致，這是預防 Type IV 裂紋最徹底但成本最高的方法 23。

七、無損檢測（NDT）與硬度監測的現代化要求

2026年ASME B31.1對於檢驗技術的要求更加強調「缺陷評估」與「組織表徵」的結合。

7.1 線性相控陣超音波測試（PAUT）的應用

傳統的射線檢測（RT）在檢測 P91 的面狀缺陷與微小空洞方面存在侷限。PAUT 具備多角度掃描與數位成像能力，能更精確地識別銲縫根部的未熔合以及熱影響區的早期微裂紋 26。附錄R要求 PAUT 的掃描數據必須完整保留，以便在未來的定期檢修中進行對比分析，追蹤缺陷的演化趨勢 8。

7.2 硬度測試作為施工質量的篩選指標

硬度測試是判斷 P91 是否發生了「過度回火」或「未充分回火」的最快捷手段。

  • 過高硬度 (≧ 265 HV)：通常意味著 PWHT 不充分，材料韌性極低，易發生應力腐蝕開裂 18。
  • 過低硬度 (≦ 180 HV)：通常意味著 PWHT 溫度過高（超過 Ac1）或材料發生了嚴重的組織劣化，蠕變強度已大打折扣 3。

在細部設計規範中，應明確規定硬度測試的點位布置，特別是在銲縫中心、融合線、熱影響區以及彎管的變形最大點 14。

八、CCPP P91 蒸汽管線細部設計規劃的策略建議

綜合 2026 ASME 規範修訂與材料科學的最新研究，針對 CCPP A335 P91 蒸汽管線的設計規劃提出以下核心戰略：

8.1 強化前端供應鏈的材料篩選

設計文件應優先指定採購 SA-335 P91 Type 2 材料，並對銲材提出明確的 Ni+Mn 限制條件（建議 ≦ 1.0%）。這種做法能從源頭上增加施工程序的安全邊際，降低對現場精密操作的依賴度 7。

8.2 推行預製化生產與減少現場銲縫

鑑於現場 PWHT 環境的不可控性，應極大化預製彎管的使用。通過感應彎管配合全爐熱處理，能將絕大部分高難度的組織控制工作留在工廠內完成，這符合 2026 規範對 CPS 系統長期可靠性的訴求。

8.3 建立數位化「材料完整性履歷」

響應附錄 Q 與 R 的要求，利用物聯網技術對現場熱處理進行實時監控與雲端存檔。每一道銲縫、每一個彎管都應具備包含化學成分、熱處理曲線、硬度值與 PAUT 圖譜的電子檔案，這將是電廠未來三十年安全運行的重要資產 32。

8.4 動態應力分析與管撐系統優化

利用 B31J 提供的精確係數，對主蒸汽管線進行非線性位移分析。考慮到 CCPP 頻繁起停的運行特性，應特別關注交變熱應力對 P91 厚壁組件的疲勞損害，並在關鍵位置布置蠕變監測標點。

九、結論

2026年ASME B31.1規範的實施，對於CCPP領域的P91蒸汽管線設計與規劃是一次里程碑式的革新。新規範不僅提升了技術門檻，更通過體系化的管理要求，糾正了過去幾十年間動力配管行業在應用CSEF材料時的一些隨意性。電銲作業與彎管加工不再僅僅是力學上的形狀改變，更是冶金學上的顯微組織工程。通過深入理解材料在高溫、應力與熱循環作用下的交互行為，並結合現代檢測技術與數據管理手段，工程界能夠在追求極致效率的同時，確保發電設施的安全與穩定運行。P91管線的設計規劃已不再是單純的製圖，而是一場跨學科的材料完整性保衛戰。選擇正確的加工工法，如冷作彎管，來保護材料微觀結構至關重要。

參考文獻

  1. ASTM A335 Grade P91 Alloy Steel Seamless Pipe – U.S. Metals, https://www.usmetals.com/alloy-pipe-seamless-p91.html
  2. Comparing materials for high-temperature steam piping, https://www.thefabricator.com/tubepipejournal/article/tubepipefabrication/comparing-materials-for-high-temperature-steam-piping
  3. (PDF) Significant reduction in creep life of P91 steam pipe elbow caused by an aberrant microstructure after short-term service – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/378693815_Significant_reduction_in_creep_life_of_P91_steam_pipe_elbow_caused_by_an_aberrant_microstructure_after_short-term_service
  4. Fabrication, Construction, and Operation Problems for Grade 91 Fossil Power Components, https://www.researchgate.net/publication/239402195_Fabrication_Construction_and_Operation_Problems_for_Grade_91_Fossil_Power_Components
  5. ASME B31.1-2024: Power Piping [New] [Changes] – The ANSI Blog, https://blog.ansi.org/ansi/asme-b31-1-2024-power-piping-changes/
  6. Assessment of Metallurgy & Welding Procedures of P91 Heavy Wall Piping, https://www.odonnellconsulting.com/projects/welding-procedures-p91-pipe/
  7. Grade 91 Low Alloy Steel Concerns for Older CCGTs | Tetra …, https://www.tetra-eng.com/news/grade-91-low-alloy-steel-concerns-for-older-ccgts
  8. 1 – Power Piping – ASME, https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31-1-power-piping
  9. Welding and PWHT of P91 Steels, https://cdn.ymaws.com/www.vma.org/resource/resmgr/2013_technical_seminar/d_1035am_bill_newell_revised.pdf
  10. ASME B31.3 2024 Changes: Key Updates & Summary (2026) – EPCLand, https://epcland.com/asme-b31-3-2024-changes/
  11. ASTM A335 P91 Pipe Specification (Chrome Moly Pipe) – Octal Steel, https://www.octalsteel.com/resources/astm-a335-p91-pipe/
  12. P91 Material | PDF | Steel | Welding – Scribd, https://www.scribd.com/document/179003160/P91-Material-docx
  13. ASTM A335 P91 Alloy Steel Seamless Pipe | SA 335 P91 material supplier India, https://www.n-pipe.com/alloy-steel-a335-p91-pipe.html
  14. LOCAL POST WELD – Heat Treatment – NDT Corner, https://ndtcorner.com/uploads/techniques/255367_1741436744.pdf
  15. Welding process of ASTM A335 P91 Pipe-Boiler Tubes,Heat-Exchanger Tubes,Superheater Tubes,Supplier,Beite, https://www.btboilertube.com/News/Steel_News/Welding_process_of_ASTM_A335_P91_Pipes.html
  16. P91 Welding Heating Curve Guide | PDF | Science & Mathematics | Computers – Scribd, https://www.scribd.com/document/322564972/P91-Heating-Curve
  17. PWHT Requirements & Processes: Getting it Right is Mission-Critical, https://www.littlepeng.com/single-post/pwht-requirements-processes-getting-it-right-is-mission-critical
  18. ASTM A335 P91 Type1 and Type2 Alloy Steel Pipe Specification, https://www.botopsteelpipes.com/astm-a335-p91/
  19. P91 welding, https://www.steamforum.com/steamforum_tree.asp?master=6203
  20. Welding of P91 Piping, https://www.steamforum.com/steamforum_tree.asp?master=3412
  21. FLUX CORED ARC WELDING: THE HIGH PRODUCTIVITY WELDING PROCESS FOR P91 STEELS, https://netlite.com.my/wp-content/uploads/2021/10/Supercore-F91-EPRI-2001.pdf
  22. Bend P91 Pipe with Bending Machines – Inductaflex, https://www.inductaflex.com/induction-pipe-bending-machine-aluminium-bending-machine-news/bend-p91-pipe-with-bending-machines/
  23. Grade 91 Steel – How Did We Get Here? Part 2 – Becht, https://becht.com/becht-blog/entry/grade-91-steel-how-did-we-get-here-part-2/
  24. ASME B31.1 Power Piping Bend – Pipeng Toolbox, http://pipeng.com/index.php/ts/itdmotdiam006l/
  25. Review of Type IV Cracking in Piping Welds – EPRI, https://restservice.epri.com/publicdownload/TR-108971/0/Product
  26. ASME B31.1 Testing – Applied Technical Services, https://atslab.com/standard/american-society-of-mechanical-engineers/asme-b31-1-testing/
  27. ASME B31 Piping Material Standards | PDF | Steel | Alloy – Scribd, https://www.scribd.com/document/703938957/PWHT-Requiment
  28. (PDF) TIG Welding: P22 and P91 Steels Behavior Analysis and Sustainable PWHT, https://www.researchgate.net/publication/389218965_TIG_Welding_P22_and_P91_Steels_Behavior_Analysis_and_Sustainable_PWHT
  29. Growing experience with P91/T91 forcing essential code changes, https://www.ccj-online.com/growing-experience-with-p91-t91-forcing-essential-code-changes/
  30. Pipe Bending and Thickness Guide | PDF | Heat Treating – Scribd, https://www.scribd.com/document/437833276/235909056-Bends-Requirement-as-Ibr-Asme
  31. Transition from Type IV to Type I Cracking in Heat-Treated Grade 91 Steel Weldments | Request PDF – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/322039639_Transition_from_Type_IV_to_Type_I_Cracking_in_Heat-Treated_Grade_91_Steel_Weldments
  32. ANSI/ASME B31.1, “Power Piping” American National Standard Institute, Contents Through Table A-3., https://www.nrc.gov/docs/ML0314/ML031470592.pdf
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