石化廠高溫強酸強鹼系統：2026 ASME B31.3 (2025 Edition) 趨勢與 No Pocket 實務落實研究報告 (High-Temperature and Strong Acid/Alkali Systems in Petrochemical Plants: 2026 ASME B31.3 (2025 Edition) Trends and “No Pocket” Implementation Research Report)

一、緒論:高溫強酸強鹼系統的工業環境與管線完整性挑戰

在現代石化工業的製程中，處理強酸與強鹼流體的管線系統被視為核心資產完整性管理（Asset Integrity Management, AIM）中最具挑戰性的環節。這些系統通常在極端溫度下運行，流體包括高濃度的硫酸、鹽酸、硝酸以及氫氧化鈉或氫氧化鉀等強鹼溶液。管線設計的微小瑕疵，如非預期的積液區（Pocket），在高溫環境下會轉化為災難性的腐蝕源。根據產業實務觀測，管線材料規格的選擇必須基於設計壓力、設計溫度以及流體性質的綜合評估 ¹。當材料規格發生偏離時，必須確保替代方案優於或等於原有的等級要求 ¹。

在高溫酸鹼環境中，材料的退化機制不再僅限於通用的均勻腐蝕，而是轉向更為複雜的應力腐蝕龜裂（Stress Corrosion Cracking, SCC）與局部腐蝕。特別是在強鹼系統中，當溫度超過特定極限值（例如 65°C）時，不銹鋼如 S30400 與 S31600 會展現出顯著的跨晶粒應力腐蝕龜裂傾向 ²。這種環境敏感的斷裂過程會隨著溫度的升高而加劇，導致材料延展性急劇下降並產生大量的次生裂紋 ²。在強酸氣田環境中，氯離子的存在更會加速金屬溶解，且其腐蝕行為對溫度變化極度敏感 ²。

二、No Pocket 設計要求的理論起源與機制分析

「No Pocket」設計要求的核心在於消除管線系統中任何可能導致流體停滯、積聚或氣封的幾何特徵。在 P&ID（製程與儀表圖）中，這通常被標註為「Free Draining」（自由排放）或明確的「No Pocket」指示 ⁴。這種設計理念的物理意義在於確保流體在重力作用下能完全排淨，且在清洗或吹掃過程中不留殘餘。

2.1 濃度電池腐蝕與停滯流體力學

當強酸或強鹼管線中存在低窪處（Pocket）時，流體會在系統停工、低流量運轉或熱備用期間發生停滯。在這種靜止狀態下，由於溶劑蒸發或局部熱梯度的影響，化學成分會發生局部濃縮。濃度依賴性的擴散係數在高溫腐蝕過程中扮演關鍵角色 ²。例如，在 950°C 至 1100°C 的高溫環境中，陶瓷材料如 SiC 的鹼腐蝕速率可比空氣中的氧化速率快 10⁴ 到 10⁵ 倍 ²。這種腐蝕受溫度控制，其活化能通常與二氧化矽在矽酸鈉液體中的溶解度相關 ²。

在金屬系統中，Pocket 區域內的濃度差異會形成「濃度電池」（Concentration Cell）。陽極反應集中在濃度較高或氧濃度較低的區域，引發劇烈的點蝕或縫隙腐蝕 。這種現象在強鹼系統中尤為危險，因為鹼液濃縮會直接破壞不銹鋼表面的鈍化膜。此外，Pocket 內滯留的空氣或氣體會形成「氣袋」（Air Pocket），這不僅會干擾流體測量，還可能在表面覆層下方引發氧化或電解腐蝕 。

2.2 應力腐蝕龜裂（SCC）的局部環境觸發

高溫高壓水環境中的 SCC 取決於三個要素：易感材料、相對高的應力和侵蝕性環境 。Pocket 區域通常是熱位移受阻或流動誘發振動最嚴重的地帶，這提供了必要的機械應力。同時，流體停滯導致的化學品濃縮提供了侵蝕性環境。在膜破裂/滑移氧化模型（Film Rupture/Slip Oxidation Model）中，裂紋尖端的動態應變會破壞鈍化膜，使新鮮金屬暴露於侵蝕性流體中 。在 Pocket 內，由於溫度的局部化與化學濃度的升高，這種機制被大幅強化。

三、2026 ASME B31.3 (2025 Edition) 的趨勢與演進

ASME B31.3《製程管線規範》的最新演進趨勢，反映了工業界對於數位化製造、精準施工以及全生命週期完整性管理的重視。2025 年版（將影響 2026 年的施工實務）更加強調了管線預製品質與幾何控制對預防疲勞與腐蝕的貢獻。

3.1 強化預製公差與施工完整性

ASME B31.3 定義管線預製為將組件切割、螺紋加工、開槽、成形、彎曲及加入子組件的過程 ⁸。新版本的趨勢轉向更嚴格的組對公差，以消除微小的幾何突變。對於 NPS 24 及更小尺寸的管對管或管對配件銲接，最大內部對齊偏離量限制在 1.6 mm 。這種精準度要求在強酸強鹼系統中極其重要，因為銲接處的任何台階（Step）都可能形成微型的 Pocket，誘發沖蝕腐蝕或縫隙腐蝕。

3.2 數位化製造與 CNC 彎管技術的規範整合

2025 Edition 趨勢顯示對自動化製造工具的依賴度增加。CNC 彎管機透過電腦控制伺服馬達和多軸定位，能實現手動方法無法達到的重複性和精度 ¹¹。CNC 控制的機器能精確管理線材位置、加熱持續時間和施力大小，這對於維持管線斜率以實現 No Pocket 要求至關重要 ¹²。規範強調，彎管的扁平度（Flattening）在內壓作用下不得超過標稱直徑的 8%，而在外壓作用下的銲接端部則不得超過 3% 。

3.3 設計壽命與疲勞考量

石化製程設備通常要求至少 30 年的設計壽命 。這要求設計者必須確保加熱元件與管線系統受到的機械應力與疲勞達到最小化 。ASME B31.3 的趨勢更關注於循環負荷下的性能。管線在高溫操作與開停工循環中會經歷蠕變（Creep）與疲勞的交互作用，導致損傷積累速度遠快於單一機制 。

四、實務落實：將 No Pocket 要求轉化為物理幾何

在石化廠的設計流程中，將 P&ID 上的「No Pocket」符號轉化為施工現場的實體管線，需要跨專業的深度協作。

4.1 管架（Pipe Rack）與佈局設計

管線支架系統必須設計成滿足 P&ID 要求的自由排水與無積液狀態 。在實務中，這通常要求管線在水平段維持至少 1:100 或 1:200 的斜率 。為了方便支撐並減少結構振動的影響，管線通常運行在距離地面 500mm 以上的高度 。

對於強酸強鹼管線，佈局時必須優先考慮銲接接頭的可檢測性。銲縫應儘量位於上方象限（Upper Quadrant），以避免底部積液區長時間與銲縫熱影響區接觸 。此外，對於大型管線（大於 24 吋），設計必須考慮徑向熱膨脹的影響 。

4.2 儀器與排放口的精密配置

P&ID 對於排放口（Vent）與排淨口（Drain）的配置有明確要求 。在高溫酸鹼系統中，每一對法蘭或儀器連接點都可能成為潛在的 Pocket。例如，熱電偶套管（Thermowell）或手動採樣點的安裝必須確保不會在管線主幹道上產生停滯區域 。流量儀表的安裝位置應滿足直管段要求，同時避免在管架上形成 U 型下降段（Trap） 。

五、位移對 No Pocket 完整性的動力學影響

一個在冷態（安裝狀態）下符合 No Pocket 要求的管線，在進入高溫操作狀態後，其幾何形狀會發生顯著改變。這種動態位移是實務中最容易被忽視的 Pocket 來源。

5.1 熱膨脹計算與斜率補償

管線系統會因為環境溫度、安裝溫度與操作溫度的差異而產生熱脹冷縮 。熱膨脹量可以用公式計算：

ΔL=L·α·ΔT

其中 ΔL 為長度變化， L為原始長度， α為材料的熱膨脹係數（碳鋼約為21.1*10^-6  mm/m°C，不銹鋼約為  17.3*10^-6mm/m°C）， ΔT為溫度差 。

例如，一段 100 呎長的 CPVC 管線在 50°F 的溫升下會膨脹接近 2 吋 ¹⁵。在長距離水平管線中，這種膨脹如果被固定支點約束，會導致管線發生挫屈（Buckling）或向上拱起（Bowing）。如果向上拱起，則原有的下坡斜率會被抵消，甚至形成反向坡度（Reverse Slope），從而在熱態下產生一個臨時的積液區。

5.2 膨脹環與補償器的權衡

為了吸收位移，設計者通常使用膨脹環（Expansion Loop）或方向偏移（Directional Offsets） 。膨脹環的幾何尺寸（如 U 型環的寬度 W 與高度 H）需根據公式計算： L_loop√Δ·D，其中 Δ 為熱膨脹量，D 為管外徑 。

在強酸強鹼系統中，膨脹環的設計必須極其謹慎。垂直佈置的 U 型環雖然節省空間，但如果沒有在高點設排放、低點設排淨，它本身就是一個巨大的 Pocket。最佳實踐是在水平面上設置膨脹環，並確保支撐點（Guide）允許管線在水平面內滑動，同時維持重力斜率。

六、核心挑戰：彎管技術與材料完整性的衝突

彎管是減少銲縫數量、優化流體路徑的有效手段，但在強酸強鹼系統中，彎管過程會引入多種物理缺陷。

6.1 壁厚減薄與橢圓度控制

在冷彎過程中，管線的外弧側（Extrados）會變薄，內弧側（Intrados）會增厚。根據實務經驗，3D 彎管的壁厚減薄率通常預估為 15% 。

計算公式如下：

t_{post-bend =} t_initial·(1-%Thinning)

為了確保彎後壁厚仍大於 ASME B31.3 規定的最小要求 t_min，必須選用更厚壁的「母管」（Mother Pipe） 。例如，如果要求彎後壁厚為 0.375 吋，則考慮 15% 減薄後，起始壁厚至少需為 0.441 吋 。

此外，彎管會導致截面發生橢圓化（Ovalization）。ASME B31.3 規定內壓下的扁平度不得超過 8% 。橢圓度會改變流體的流動剖面，在低流速下，橢圓截面的底部邊緣可能形成微小的停滯區，累積強酸或強鹼殘渣。

6.2 殘餘應力與應變誘發腐蝕

冷彎會產生顯著的殘餘應力。ASME B31.3 第 332.4.2 節規定，當纖維伸長率超過特定限制（如特定材料最小延伸率的 50%）時，必須進行後熱處理 。對於奧氏體不銹鋼，如果冷彎變形過大而不進行固溶退火，材料內部的加工硬化會誘發馬氏體轉變，極大地提高 SCC 敏感性 。

彎管特性	對系統的影響	對 No Pocket 的關聯性
長半徑 (1.5D)	緊湊空間佈局，壓力降大 17	易與結構干涉，導致坡度妥協
3D / 5D 彎管	流動平順，沖蝕風險低	較長的圓弧段有利於維持精確斜率
壁厚減薄 (Thinning)	局部應力升高，腐蝕裕度降低	結構弱點易在積液區發生擊穿
扁平度 (Ovality)	改變流體剪切力分佈	底部幾何改變可能阻礙完全排淨

七、循環應力、軟化與大變形下的損傷機制

在石化廠開停工頻繁的背景下，強酸強鹼管線不僅承受化學侵蝕，還承受循環載荷。

7.1 循環軟化與大變形累積

在高溫下，某些管線材料（如低合金鋼或冷加工不銹鋼）會表現出循環軟化（Cyclic Softening）或飽和階段 。當管線受到外部循環載荷（如熱循環引起的位移或振動）時，塑性應變會逐漸累積，這種現象稱為「棘輪效應」（Ratcheting） 。棘輪損傷可能導致管線截面發生進行性的橢圓化或塑性屈曲，最終破壞 No Pocket 設計的幾何精準度 。

研究表明，管線彎頭（Elbow）是棘輪效應最敏感的部位 ²。由於開合循環（Opening-Closing Cycles）與內部壓力的共同作用，最大棘輪應變通常出現在彎頭側邊（Flanks）的周向 ²。這會導致彎頭幾何形狀隨時間改變，形成非預期的低窪點。

7.2 水錘與瞬態衝擊的幾何效應

強酸強鹼系統在泵切換或閥門啟閉時容易產生水錘現象。水錘誘發的應力波會在管線彎頭處產生巨大的瞬時力 。如果支撐系統剛性不足，管線位置可能發生永久性偏移。這種位移雖然微小，但足以破壞高精密要求的 No Pocket 斜率，特別是在長距離跨距中。

八、解決方案：從工程模擬到精密施工的整合路徑

針對強酸強鹼系統的 No Pocket 要求，必須採用全方位的技術整合方案。

8.1 應力與熱態幾何模擬

使用 CAESAR II 或同等軟體進行應力分析時，必須考慮所有可能的工況（啟動、停機、再生、異常操作） 。工程師應特別關注「熱態下管線垂直位移」對斜率的影響。

分析檢查清單應包括：

• 是否正確考慮了管材、管徑、壁厚、溫度（操作/設計/異常）、壓力及腐蝕裕度 。
• 儀器、閥門執行器及特殊配件的真實重量 。
• 摩擦力對滑動支撐載荷的影響，以及是否使用了低摩擦墊片 。
• 是否進行了熱態持久檢查（Hot Sustained Check） 。

8.2 CNC 冷彎與雷射導引安裝

為了落實極其嚴格的 No Pocket 要求，應優先採用 CNC 冷彎管段 ¹¹。CNC 機器能自動補償彈回（Springback）角度，確保彎管角度誤差在  度以內 ¹⁹。 在安裝現場，應利用三維雷射掃描校核管段的實際位置 。如果現場調整（Field Fit-up）是必要的，建議保留一段長度約 100-150 mm 的直管段進行現場修剪與斜口加工，以避免為了對齊而強行拉伸管線引入額外應力 ⁸。

8.3 支撐系統的智慧化

支撐系統不僅要承重，還要確保斜率穩定。在受熱位移劇烈的區域，應選用彈簧支架（Spring Hangers）來補償垂直位移，防止管線在操作時因為支點抬升而形成 Pocket 。在管架（Rack）設計上，應考慮將強酸強鹼管線佈置在特定層位，並配合獨立的坡度墊塊 。

支撐功能	高溫酸鹼系統中的考量	對 No Pocket 的作用
固定點 (Anchor)	必須能承受巨大的熱推力與壓力推力	精確定義斜率的起點，防止位移失控
導向器 (Guide)	避免管線側向蛇行	維持管線始終沿設計斜率方向移動
止動器 (Limit Stop)	限制特定方向的熱膨脹位移	防止長距離位移累積導致的幾何畸變

九、檢測與完整性管理的最佳實踐

施工完成後的驗證與運轉期間的監測，是 No Pocket 設計成功的最終保證。

9.1 非破壞性檢測 (NDT) 與硬度測試

冷彎後的管段必須進行 100% 的目視檢查，確保無裂紋、凹槽或機械損傷 。硬度測試是驗證冷彎加工硬化程度的關鍵指標，通常應控制在 240 HV10 以下（適用於碳鋼與多數低合金鋼） 。此外，壁厚減薄量應在關鍵點（如彎曲中心點、切點前後 150 mm 處）進行超音波測量，確保剩餘壁厚符合規範要求 。

9.2 動態監測技術

對於極端高溫強酸鹼系統，傳統的定期測厚可能不足以捕捉快速的局部腐蝕。現代石化廠開始引入電化學阻抗（Electrochemical Impedance）或電化學噪聲監測技術 ²。這些傳感器能實時反饋管線內流體停滯區域（如有發生）的腐蝕電位變化。

此外，光纖光柵（FBG）傳感器可安裝在彎頭外弧處。這些傳感器對局部應變極其敏感，能監測管線在操作過程中是否因為熱位移、振動或棘輪效應而發生了位置偏離，從而預警 Pocket 的形成 。

十、結論

石化廠高溫強酸強鹼系統的管線設計，正處於從「經驗法則」向「數位化精準工程」轉型的轉捩點。2026 ASME B31.3 (2025 Edition) 的趨勢明確指向了更高標準的製造精度與對疲勞/應力腐蝕機制的深度理解。

落實 No Pocket 要求不再僅僅是 P&ID 上的標註，而是涉及以下關鍵維度的系統工程：

1. 力學維度：必須透過精確的應力分析，預測管線在熱態下的變形，並在設計斜率中預留足夠的「熱位移補償」。
2. 製造維度：利用 CNC 冷彎技術減少銲縫數量，並嚴格控制壁厚減薄與扁平度，以消除微觀流動停滯點。
3. 材料維度：理解 SCC 在積液區的誘發機制，透過後熱處理消除殘餘應力，確保鈍化層的長期穩定。
4. 監測維度：結合電化學與應變感測技術，將管線完整性管理從被動檢修轉為主動預防。

面對日益嚴苛的環保與安全法規，石化廠必須在實務中貫徹這些精細化的設計與施工要求。唯有如此，才能在高溫強酸強鹼的惡劣環境下，確保管線系統的長週期安全運行，從物理源頭消除因積液與腐蝕導致的災難性風險。

參考文獻

1. LPG Terminal Construction Specs | PDF | Welding – Scribd, https://www.scribd.com/document/438034714/tender8650-1
2. high temperature corrosion: Topics by Science.gov, https://www.science.gov/topicpages/h/high+temperature+corrosion
3. Plant Component Assessment For Creep – Fatigue Damage … – Scribd, https://www.scribd.com/document/742577682/1017608-Plant-Component-Assessment-for-Creep-Fatigue-Damage-Component-Assessment-Methodologies
4. DETAILED FEASIBILITY REPORT FOR ADDITIONAL COGENERATION UNIT GT-IV AT URAN PLANT – environmental clearance, https://environmentclearance.nic.in/writereaddata/Online/TOR/18_Nov_2016_161507537VP8MBLE1pfr.pdf
5. Spec TP-02 | PDF | Equipment | Mechanical Engineering – Scribd, https://www.scribd.com/document/933161458/Spec-TP-02
6. Spec – 2024-02 – A00 Piping – Engineering and Layout Requirements – Scribd, https://www.scribd.com/document/842306498/31380124-spec-2024-02-a00-Piping-Engineering-and-Layout-Requirements
7. Technical Letter Report on Literature Review and Assessment of Potential Seismic Effects on Ongoing Material Degradation. – Nuclear Regulatory Commission, https://www.nrc.gov/docs/ML1626/ML16263A171.pdf
8. Pipe Fabrication Tolerances: ASME B31.3 Standards & Guidelines …, https://www.piping-world.com/pipe-fabrication-tolerances
9. Tolerances for Pipe Fabrication – Wermac.org, https://www.wermac.org/documents/tol_pipefabrication.html
10. Effect of local wall thinning on the collapse behavior of pipe elbows subjected to a combined internal pressure and in-plane bending load | Request PDF – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/239370396_Effect_of_local_wall_thinning_on_the_collapse_behavior_of_pipe_elbows_subjected_to_a_combined_internal_pressure_and_in-plane_bending_load
11. Custom Pipe Bending Applications Across Key Industries – CRD MFG, Inc., https://www.crdmfg.com/industries-that-rely-on-custom-pipe-bending-applications-across-sectors/
12. What is the Process of Pipe Bending? | Nova Fabrication, https://www.novafabrication.com/blog/pipe-bending/
13. Low-Cycle Fatigue and Ratcheting Responses of Elbow Piping …, https://www.researchgate.net/publication/277568821_Low-Cycle_Fatigue_and_Ratcheting_Responses_of_Elbow_Piping_Components
14. Designing Systems to Compensate for Thermal Expansion and Contraction – Rocky Mountain ASHRAE, http://www.rockymtnashrae.com/downloads/2012_Tech_Conference/thermal_expansion.pdf
15. How to Deal with Thermal Pipe Expansion and Contraction – Buckaroos, https://buckaroos.com/blog/pipe-expansion
16. A short review of ratcheting effect in pressurized piping | Request PDF – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/372011307_A_short_review_of_ratcheting_effect_in_pressurized_piping
17. Bend SIF Scratchpad – CAESAR II – Help – Hexagon Documentation, https://docs.hexagonppm.com/r/en-US/CAESAR-II-Users-Guide/Version-13/336050
18. Pipe Bend in Jabalpur – Durable Elbows and High-Quality Bends – Justdial Verified, https://www.justdial.com/jdmart/Jabalpur/Pipe-Bend/jdm-1082198-ent-2-17691153
19. P&ID Preparation Procedure | PDF | Steam | Pump – Scribd, https://www.scribd.com/document/513574898/P-ID-Preparation-Procedure
20. Best ASME B16.9 A234 WPB Carbon Steel Pipe Elbow Manufacturers and Exporters, https://www.womicsteel.com/asme-b16-9-a234-wpb-carbon-steel-pipe-elbow-product/
21. PIPE BENDING METHODS, TOLERANCES, PROCESS AND MATERIAL REQUIREMENTS, https://asbending.com/wp-content/uploads/2023/09/PFI-ES-24-Pipe-Bending-Methods-Tolerances-etc.pdf