2026 ASME新修訂規範：ASME B31.1&B31.3 前後版次細部設計規劃差異化分析研究 (Analysis of Detailed Design Planning Differentials Between the 2026 and Previous Editions of ASME B31.1 and B31.3)

/ Uncategorized / 作者:

一、壓力管線規範的數位化與高保真度分析轉型

在全球工業基礎設施邁向數位化設計與高精度分析的進程中，美國機械工程師學會（ASME）針對壓力管線規範 ASME B31.1（動力管線）與 ASME B31.3（製程管線）進行了關鍵性的改版。這些變更主要集中在 2024 年版次的發佈，並根據規範的強制執行條款，將在 2025 年至 2026 年間全面生效 1。對於細部設計規劃而言，2026 年標誌著從傳統的「經驗法則」設計轉向「高保真度分析」設計的分水嶺 4。

ASME B31 委員會在本次修訂中展現了顯著的趨同與分歧並存。趨同表現在對品質管理系統（Quality Management System, QMS）以及非破壞性檢測（NDE）標準化的高要求；分歧則體現在針對不同失效模式（如高循環疲勞與低溫脆裂）所採取的差異化安全係數與分析斜率 6。這種變動不僅影響材料選用與壁厚計算，更深刻地改變了工程設計責任的界定。設計者（Designer）與負責主管（Responsible Charge）職責的重新定義，標誌著管線工程正進入一個更強調製造商品質保證與設計文件完整性的新時代 6。

隨著 2024 年版次的正式出版與 2026 年強制執行的臨近，工程師必須理解，管線規範並非溯及既往。現有的依據 2020 或 2022 年版次建造的系統除非進行重大修改、維修或搬遷，否則仍視為合規 4。然而，任何在 2026 年後啟動的新分支管線或重大改裝，必須完全符合最新準則，這可能導致在同一工廠內新舊管線採用不同的應力係數與檢測標準 4。

二、應力強化係數（SIF）的科學革命：從附錄D到ASME B31J

在細部設計規劃中，應力強化係數（Stress Intensification Factors, SIFs）與柔性係數（Flexibility Factors, k-factors）的計算是判斷管線結構完整性的核心。2026 年新修訂規範最重大的變化，莫過於強制刪除舊有的「附錄 D」（Mandatory Appendix D），並全面轉向參照 ASME B31J 標準 9。

2.1應力係數計算模式的精確化路徑

過往管線工程師高度依賴簡易的圖表計算 SIFs，這種模式雖然便捷，但在處理大直徑厚度比（D/t）的支管連接或三通接頭（Tees）時，往往會低估應力集中程度 5。ASME B31J 採用更為嚴謹的有限元素分析（FEA）與實證測試數據，為三通、彎頭及支撐結構提供了方向性的應力係數。

下表詳細展示了 2026 年版次實施後，管路組件在應力分析模型中的計算準則差異：

組件類型 舊版規範（Appendix D 邏輯） 2026 新規範（B31J 邏輯） 細部設計規劃影響
標準銲接三通 採用固定的估計值（如 0.75i） 基於幾何幾何參數的精確計算 可能導致計算應力增加約 33% 4
支管連接（Branch） 單一 SIF 應用於所有力矩 區分面內、面外及扭矩係數 提升大管徑比連接處的安全性 7
彎頭（Elbows） 簡易柔性係數 考慮壓力效應的強化柔性係數 改善熱膨脹分析的準確度 5
支撐耳片（Trunnions） 缺乏標準化係數 提供標準的 B31J 參考數據 減少對額外有限元素分析的需求 5

2.2持續負載應力指標（Sustained Stress Index, Ss）的權重調整

在 ASME B31.3-2024 及隨後的 2026 專案執行中，Paragraph 320（持續負載分析）的修訂引入了顯著的應力分析衝擊 9。傳統上，在缺乏數據時，工程師常將持續應力指標設為 0.75i。新規範明確要求，若無具體測試數據，該值必須設為 1.0 或完全參照 B31J 13。

這種 25% 至 33% 的係數上調，意味著在相同的重力與壓力負載下，舊有設計中勉強通過的支管連接點，在 2026 年的審核中可能會顯示為紅色（Fail） 9。細部設計團隊必須在規劃初期優化支撐間距，或採用更高等級的加強型組件，以抵銷分析模型變嚴格帶來的影響。

三、動力管線 ASME B31.1-2024/2026 的品質管理與文件體系

與製程管線側重應力分析不同，動力管線規範在 2026 年的修訂重心在於強化「涵蓋管線系統」（Covered Piping Systems, CPS）的品質控管與可追溯性。這反映了 PHMSA 等監管機構對高能管線（High-Energy Piping）安全運營的高度重視 8。

3.1強制性附錄 Q 與附錄 R 的導入

2026 年起，ASME B31.1 引入了兩個全新的強制性附錄，這對細部設計與專案管理產生了深遠影響 8：

  1. 附錄 Q（Mandatory Appendix Q）：確立了金屬非鍋爐外部管線（Nonboiler External Piping）的品質管理程序要求。設計者必須在設計階段即定義品質稽核路徑，確保所有製程符合 QMS 規範 8。
  2. 附錄 R（Mandatory Appendix R）：規定了管線系統最終報告（Piping System Final Report, PSFR）的組成內容 8。

根據附錄 R，PSFR 必須包含但不限於以下結構化數據：

報告類別 包含項目 目的與可追溯性
設計基準 設計溫度、壓力、壁厚計算、法蘭額定值 確保設計符合原始工況要求 17
應力分析 管線支撐負荷、位移、熱膨脹分析報告 預防長期運行下的蠕變與疲勞失效
材料證書 壓力零件基礎材料、電極、填料、消耗品 確保材料追溯至熔煉爐號 17
施工記錄 銲接程序（WPS）、銲工合格證、PWHT 記錄 確保銲接質量與熱處理合規性
檢測報告 NDE 日誌（RT/UT/MT/PT）、壓力測試報告 驗證系統結構完整性與氣密性 17

3.2設計者（Designer）定義的法律延伸與責任變更

ASME B31.1 在 2024 版本中新增了對「設計者」的明確定義，並修訂了「雇主」（Employer）的責任 8。新規範將設計責任從模糊的機構層次細化到了執行實體。此外，根據附錄 47 的變動，原有的「負責主管」（Responsible Charge）語言被移除，設計者現在必須滿足由製造商定義的品質控制系統下的最低要求 6。這意味著工程公司必須建立符合附錄 Q 要求的內部程序，方能簽發符合 ASME 規範的設計文件 6。

四、疲勞分析斜率與循環壽命評估的技術分歧

針對循環負載引發的疲勞失效，ASME B31.1 與 B31.3 在 2026 年的架構下呈現出截然不同的演進路徑。這種分歧源於電力與製程工業對生命週期預期與操作模式的不同定位。長期以來，ASME B31 系列均採用由 Markl 教授在 1950 年代提出的疲勞曲線，其斜率為 -0.2。然而，最新的研究數據顯示，該斜率在高循環環境下過於樂觀 6。

4.1疲勞斜率的重塑：-0.2 與 -0.333 的對決

根據 2026 年的準則，ASME B31.3 已採取更具進取性的立場，將疲勞斜率調整為 -0.333 6。這一變動的技術影響主要體現在應力範圍縮減因子（f 因子）的計算上：

  • ASME B31.1 (Power)：維持 -0.2 的斜率，以確保電網基礎設施 40 年以上的長期穩定運行，其設計壽命通常設定為保守的 40 年以上 7。
  • ASME B31.3 (Process)：轉向 -0.333 的陡峭斜率，旨在使製程管線的評估更貼近長期服務的現實，其設計壽命通常在 20 至 30 年之間 7。

計算位移應力範圍（Displacement Stress Range, SE）的基礎公式整合了 B31J 的方向性係數，利用以下 LaTeX 表述：

SE = √Sb2+4St2

其中彎曲應力 Sb 定義為：

Sb = √[(ii Mi)2 + (io Mo)2]/Z

在上述公式中，ii 與 io 分別代表由 B31J 確定的面內與面外應力強化係數 7。在細部設計中，對於「嚴重循環條件」（Severe Cyclic Conditions）的判定變得更為精確，這直接關聯到非破壞性檢測的要求，例如要求「零咬邊」的目視檢查標準 9。

五、材料科學與低溫韌性：ASTM A105 的再評估與降級

在 2026 年的細部設計規劃中，碳鋼材料的低溫表現成為了規範修訂的焦點。特別是傳統的「工業主力」材料 ASTM A105 鍛造法蘭，在新規範中面臨更嚴格的限制。歷史上，A105 曾被認為在 -29°C 以上具有足夠韌性。然而，ASME B31.3 在 2024/2026 週期中加入了「註釋 65」（Note 65），警告 A105 的粗糙晶粒結構可能導致低韌性 4。

5.1 A105 降級至「曲線 A」及其設計影響

設計差異化分析顯示，A105 被正式降級至抗脆裂能力最差的「曲線 A」（Curve A）。這意味著即使在常溫下，若管壁厚度較大，也可能被要求進行強制性的衝擊測試。新規範建議設計者考慮在低於 -18°C（0°F）的環境下對 Class 150 和 300 的對銲法蘭提出額外的材料要求 13。

下表展示了常用碳鋼材料在 2026 年版次下的細部設計規劃對比：

材料規格 2026 韌性分級 最小設計金屬溫度 (MDMT) 建議 替代方案與設計建議
ASTM A105 Curve A 警告低於 -29°C 表現 4 建議在寒冷氣候下避免使用 9
ASTM A106 Gr. B Curve B 標準 -29°C 5 適用於大多數常規製程管線
ASTM A333 Gr. 6 已通過衝擊測試 可低至 -45°C 4 低溫流體服務的首選管材
ASTM A350 LF2 已通過衝擊測試 可低至 -46°C 4 替代 A105 的高品質低溫法蘭材料

此外，ASME B31.3 在 2024 版次中也更新了對雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel）等高溫材料的溫度限制。例如，UNS S32750 在 Table A-1 中的適用範圍現在已擴展至 600°C，而在舊版中則受限於 538°C 19。這種變更允許設計者在更高溫的腐蝕性環境中選用更經濟的材料。

六、施工安裝與現場測試的設計優化：Paragraph 345.2.3 的突破

對於細部設計規劃而言，減少現場施工的複雜度與降低二次壓力測試的需求是優化成本的關鍵。2026 年規範在機械接頭的重複使用與預測試組件方面給予了更大的靈活性，這對縮短專案工期至關重要 4。

6.1預測試組件（Subassemblies）的現場組裝與豁免

ASME B31.3 的 Paragraph 345.2.3 進行了關鍵修訂。新規範明確規定，如果管線子組件已經在工廠（Shop）完成了壓力測試，則在現場進行機械式連接（如螺紋、法蘭、管夾）組裝後，不需要再次進行系統整體水壓測試 4。

這一變動的工程意義包括：

  1. 模組化設計路徑：鼓勵工程團隊將管線拆分為可預測的、可在工廠完全封閉測試的模組。
  2. 減少封閉銲縫（Closure Welds）：利用機械接頭作為最後的連接點，可大幅縮短現場試壓（Commissioning）的時程 4。
  3. 服務測試（Service Test）的應用：對於最終連接點，在嚴格的組裝控制下，可以依賴操作壓力下的洩漏測試而非高壓水壓測試 4。

6.2壓力測試期間的塗層與暴露要求

ASME B31.1 在 2024 版本中對 Section 137.2.1 進行了修訂，要求所有接頭在壓力測試期間必須保持「未塗裝」（Uncoated），除非業主另有許可 11。這是一項為了防止油漆或覆層掩蓋微小洩漏點的安全性要求。設計團隊在施工順序規劃中必須將油漆工序排在壓力測試合格之後 8。

七、壁厚計算公式與安全係數的差異化對比

在 2026 年的規範架構下，壁厚計算公式雖維持基本形式，但相關修正係數的定義與數值獲取路徑已發生改變。ASME B31.1 依然維持較高的安全邊際，而 ASME B31.3 則提供更多的優化空間 7。

7.1直管內壓壁厚公式之演進與 W 因子

基本的設計厚度 tm 在動力管線中遵循以下 LaTeX 公式 7：

tm = PD/2(SE+Py) + A

而在製程管線中，公式為：

t = PD/2(SEW+PY)

在 2026 版次中，工程師必須特別注意以下參數的變動：

  • W (Weld Joint Strength Reduction Factor)：新規範強調了在蠕變溫度範圍內使用 W 因子。對於碳鋼，W 通常為 1.0，但對於在高溫下運行的其他材料，必須根據 Table 102.4.7 進行插值計算 20。
  • y (Wall Thickness Coefficient)：對於厚壁管（D/t < 6），y 係數現在根據溫度與材料屬性進行更精確的計算，而非僅僅查表 20。
  • 許用應力 S：ASME B31.3 採用約 3:1 的安全係數，而1 則維持 3.5:1 至 4:1 的保守水平，這導致相同工況下動力管線的壁厚通常較厚 7。

八、流體類別（Fluid Service）的細分與氫能系統的整合

隨著全球能源轉型，2026 年規範修訂對特定流體服務的定義進行了重大更新，特別是針對劇毒流體（Category M）與氫氣（Hydrogen）服務。這直接影響了 NDE 比例與材料選擇的嚴苛程度 5。

8.1劇毒流體（Category M）的分類與 NDE 升級

ASME B31.3 持續完善其流體分類邏輯，重點在於「人員暴露判定」的審查 22。針對 Category M 服務，新規範明確要求：

  • 100% 體積檢測：所有對接銲縫必須進行 100% 射線（RT）或超音波（UT）檢測 7。
  • 支管連接檢測：移除某些情況下支管連接到主管銲縫的強制性 RT 要求，轉而強調更具針對性的檢測方法 13。
  • 敏感洩漏測試：要求進行比水壓測試更靈敏的洩漏檢查，以確保萬無一失 23。

8.2氫氣管線與 ASME B31.12 的銜接

2026 年版次正式將氫氣系統的特殊考量納入動力管線的範疇。ASME B31.1 指引設計者參照 ASME B31.12 的要求進行高壓氫氣管線的材料選用與脆化評估 4。這包括對硬度值的嚴格控制，以防止氫原子在銲縫熱影響區聚集導致裂紋萌生。

下表總結了不同流體服務在 2026 年細部設計中的關鍵特徵：

流體類別 定義概要 NDE 與測試要求 設計關鍵點
Normal Fluid 預設類別，大多數製程流體 5% 隨機射線檢測 (RT) 5 基於 Chapter I-VI 準則
Category D 非燃、無毒、低壓低溫 主要是目視檢查 (VT) 22 水、壓縮空氣等公用系統
Category M 劇毒、極少量洩漏即致命 100% RT/UT，嚴格洩漏測試 7 預防閥桿與接頭洩漏 24
High Pressure 壓力超過法蘭 Class 2500 符合 Chapter IX 規則 25 參照 Section VIII Div 3 13
High Purity 要求極高清潔度的製程 符合 Chapter X 規則 10 半導體、製藥與食品工業

九、設計與分析工具的數位化轉型：軟體合規性

2026 年 ASME 規範的複雜度提升，使得數位化工具在細部設計中不再是輔助，而是核心。設計流程的差異化主要體現在與 ASME B31J 數據庫的深度集成以及對非線性效應的認可 5。

9.1管線應力分析軟體的合規性檢查與模型遷移

主流的管線應力分析軟體在 2026 年前均推出了針對 B31.3-2024 與 B31.1-2024 的更新補丁。設計規劃現在必須包含以下合規性檢查流程：

  • B31J 開關檢查：將舊版模型（基於 Appendix D）直接運行於 2026 準則下時，系統會自動標註出應力超標點。設計者不應通過手動調整 SIFs 來迴避，而應根據 B31J 的精確幾何參數重新建模 5。
  • 三通幾何細節輸入：工程團隊現在必須在軟體中輸入更精確的三通幾何參數（如厚度轉變角度），而非僅僅選擇一個通用的組件名稱，以獲取準確的 SIFs。
  • 單位制一致性：ASME B31.3 在 2024 版次中優先標註國際單位制（SI） 10。細部設計團隊應確保數據交換系統與軟體設置與規範的標註習慣一致，以避免轉換誤差。

9.2非線性與大位移效應的考量

新規範開始逐步引入對大位移、棘輪（Ratcheting）及蠕變損傷的考量，這在 Section VIII Div 2 的計算中已有所體現，並開始影響 B31 實踐 6。設計者被鼓勵在篩選出關鍵管線後，採用更先進的分析方法來驗證結構在極端熱循環下的穩定性。

十、全球監管與 PHMSA 2026 規則的整合

管線安全規範的變動不只限於技術標準，還涉及到國家法律與監管框架。例如，美國管道和危險材料安全管理局（PHMSA）發佈的 2026 年最終規則對管線類別位置更改與 MAOP 重新確認提出了新要求 16。

10.1 PHMSA 與 ASME 規範的引用鏈接

根據 PHMSA 的更新，營運商必須根據 49 CFR 192.712 計算管線的剩餘強度，並遵循 ASME B31.8S 規定的修復時間表 15。對於 2026 年的細部設計規劃，這意味著：

  • MAOP 重新確認：對於新建管線，設計文件必須包含完整的材料測試記錄（TVC 記錄），以滿足未來可能的 MAOP 重新確認需求 16。
  • 環境質量審查 (SEQRA)：在進行管線擴建或改裝設計時，必須考慮到 2026 年生效的環境評估條款 27。
  • Recordkeeping 要求：PHMSA 明確了測試記錄保存的技術修訂，雖然不溯及既往，但對 2026 年後的專案執行提出了更高的文件管理標準 14。

十一、結論與 2026 年專案細部設計的戰略建議

2026 年 ASME B31.1 與 B31.3 的修訂標誌著管線工程進入了高精度與全數位化分析的新紀元。從分析角度看，ASME B31J 的強制執行解決了長期以來組件應力低估的問題；從材料角度看，對 A105 低溫性能的重新定義反映了業界對安全性更深層次的追求。

針對即將到來的規範轉型，細部設計團隊應採取以下行動：

  1. 全面升級 PMS 與規範文件：剔除已過時的 Appendix D 引用，並在 PMS 中針對低溫服務明確將 A105 升級為 A350 LF2 或進行強制性衝擊測試 4。
  2. 落實動力管線品質管理體系：建立標準化的管線系統最終報告（PSFR）模板，確保 CPS 的可追溯性符合附錄 Q 與 R 的要求 17。
  3. 優化應力分析工作流：在專案啟動初期即確定 B31J 參數的獲取路徑，並與業主溝通由於 SIF 上調可能導致的設計變動。
  4. 利用新版測試豁免條款：透過精確的模組化設計，最大化利用 Paragraph 345.2.3 的效益，減少現場水壓測試次數，從而優化成本 4。

隨著 2026 年規範的正式實施，管線細部設計不再僅僅是壁厚計算與佈置繪圖，而是一個集成了材料科學、先進斷裂力學與法規遵從性管理的綜合性工程任務。唯有深入理解規範前後版次的技術差異，工程師才能在確保安全的前提下，實現最優化的工程設計。

參考文獻

  1. Welding Journal – 2024 Issues, https://www.aws.org/magazines-and-media/welding-journal/wj-july-25-feature-05-sperko/
  2. 3 – Process Piping – ASME, https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b313-2018-process-piping
  3. ASME B31.1 Power Piping Code 2024: Design & Standards – Studylib, https://studylib.net/doc/27709358/asme-b31-1-2024year
  4. ASME B31.3 2024 Changes: Key Updates & Summary (2026) – EPCLand, https://epcland.com/asme-b31-3-2024-changes/
  5. ASME B31.3 Guide (2026 Edition): Process Piping Design & SIF Changes – EPCLand, https://epcland.com/asme-b31-3-process-piping-design/
  6. Webinar Recap: 2024–2025 Code Changes | ASME, AWS & More – Think Tank, https://info.thinkcei.com/think-tank/2025-asme-aws-code-webinar
  7. ASME B31.1 vs B31.3: 2026 Engineering Selection Guide – EPCLand, https://epcland.com/asme-b31-1-asme-b31-3-major-differences/
  8. ASME B31.1-2024: Power Piping [New] [Changes] – The ANSI Blog, https://blog.ansi.org/ansi/asme-b31-1-2024-power-piping-changes/
  9. ASME B31.3 2024 Changes: 5 Key Updates Every Piping Engineer Must Know – EPCLand, https://epcland.com/asme-b31-3-2024-changes-guide/
  10. ASME B31.3-2024 | Codes & Standards – Purchase | Product | CSA Group, https://www.csagroup.org/store/product/ASME_B31.3-2024/
  11. 1 – Power Piping – ASME, https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31-1-power-piping
  12. Sustained vs. Occasional vs. Expansion Stresses: Understanding Load Cases in Piping (ASME B31.3) 🌡️ – MALYOMAR Learning & Development, https://learning.malyomar.com/sus-vs-occ-vs-exp-stresses-b31-3-%F0%9F%8C%A1%EF%B8%8F%F0%9F%92%A8/
  13. ASME B31.3 Process Piping: Changes in the 2024 Edition – Becht, https://becht.com/becht-blog/entry/asme-b31-3-process-piping-changes-in-the-2024-edition/
  14. July 2025 Direct Final Rule Filing from PHSMA – RegSafe, LLC, https://www.regsafe.com/post/july-2025-direct-rule-filing-from-phsma
  15. Federal Register/Vol. 90, No. 124/Tuesday, July 1, 2025/Rules and Regulations – GovInfo, https://www.govinfo.gov/content/pkg/FR-2025-07-01/pdf/2025-12089.pdf
  16. Pipeline Safety: Class Location Change Requirements – Federal Register, https://www.federalregister.gov/documents/2026/01/14/2026-00566/pipeline-safety-class-location-change-requirements
  17. 1 2024 Appendix R | PDF | Welding | Construction – Scribd, https://www.scribd.com/document/925093112/b31-1-2024-Appendix-r
  18. Changes to f Factor in the 2022 Edition of ASME B31.3 – Becht, https://becht.com/becht-blog/entry/changes-to-f-factor-in-asme-b31-3-in-the-2022-edition/
  19. ASME B31.3 2022 Vs 2024 Comparison Trimmed | PDF | Welding | Construction – Scribd, https://www.scribd.com/document/889291637/ASME-B31-3-2022-vs-2024-Comparison-Trimmed
  20. ASME B31.1 Power Piping Design Factor – Pipeng Toolbox, http://pipeng.com/index.php/ts/itdmotdiam006j/
  21. Pressure Piping Minimum Wall Equations and Calculator: – Engineers Edge, https://www.engineersedge.com/pressure,045vessel/pressure_piping_minimum_wall_13912.htm
  22. ASME B31.3 Standard in Industrial Piping Systems – Inspenet, https://inspenet.com/en/articulo/asme-b31-3-standard-for-piping-systems/
  23. ASME B31.3 Fluid Service – Little P.Eng. Engineering, https://www.littlepeng.com/single-post/2017/07/10/ASME-B313-Fluid-Service?_amp_
  24. When Should Category M Fluid Service be Selected for ASME B31.3 Piping Systems – Becht, https://becht.com/becht-blog/entry/when-should-category-m-fluid-service-be-selected-for-asme-b31-3-piping-systems/
  25. Learn about Six ASME B31.3 Fluid Service Types, https://hardhatengineer.com/asme-b31-3-fluid-service-types/
  26. ASME B31.3 Fluid Service Categories | PDF | Pipe (Fluid Conveyance) | Welding – Scribd, https://www.scribd.com/document/352656250/Fluid-Service-Categories
  27. STATE OF NEW YORK PUBLIC SERVICE COMMISSION At a session of the Public Service Commission held in the City of Albany on Septemb – Search / Commission Files, https://documents.dps.ny.gov/public/Common/ViewDoc.aspx?DocRefId={E0B67C99-0000-C224-B1B8-D3BC88667DB6}
購物車