ASME B31.1 與 ASME B31.3 在冷作彎管要求上差異分析研究 (A Comparative Analysis of Cold Bending Requirements in ASME B31.1 and ASME B31.3)

前言

 

本報告由專業管線設計與製造規範專家團隊提供，旨在對ASME B31.1（動力管線規範）和ASME B31.3（製程管線規範）中關於冷作彎管（Cold Bending）的技術要求、工程哲學與實務差異進行詳盡的比較與分析。冷作彎管是管線製造中常見的工法，但其在管線壁厚、橢圓度、材料延展性和殘餘應力方面的影響，需要嚴格遵守不同規範的規定。B31.1 與 B31.3 之間在冷彎要求上的顯著差異，直接反映了各自對高風險、高能量系統與腐蝕性化學過程的不同風險管理策略。

 

1. 基礎設計哲學與規範應用

 

兩套ASME B31系列規範的設計與應用領域的根本差異，決定了其在冷作彎管技術要求上的分歧點。

 

1.1. 適用範圍與運行環境

ASME B31.1 涵蓋了主要與發電廠、工業機構設施、地熱系統以及中央供熱/冷卻系統相關的管線系統 ¹。該規範的範圍特別包括高溫、高壓的鍋爐外部管線，例如蒸汽壓力超過 15 psig、水壓力超過 160 psig 或溫度超過 250°F 的情況 ²。這類管線專注於在高能量、高壓循環負荷下的機械完整性 ³。

相比之下，ASME B31.3 針對的是製程管線，主要應用於石油精煉廠、化學、製藥、紡織、紙漿、半導體和低溫工廠等相關的加工設施與終端 ¹。B31.3 規範涉及的流體服務範圍更廣，包含許多腐蝕性、易燃或劇毒介質（例如，某些規格甚至需要排除 Category M 流體服務的應用）⁵。

 

1.2. 故障後果的風險與規範保守性

ASME B31.1 在設計上普遍比 B31.3 更為保守 ⁶。這種更高的保守性源於動力管線系統在極端條件下（如高壓蒸汽）一旦發生故障，可能導致更嚴重、更具災難性的後果 ⁶。

在一次應力設計標準中，ASME B31.3 採用相對較低的設計安全係數約為 3 ³。由於 B31.1 故障的後果通常更為嚴重，其設計基準對應的安全係數在歷史上或某些條件下暗示會更高（接近 4） ⁶。

這種安全係數的差異，導致兩規範在管理冷作彎管的固有風險時採取了不同的策略。B31.1 依賴更高的安全係數和更明確的尺寸限制來確保機械強度。然而，B31.3 儘管在一次應力設計上放寬了安全裕度，但它透過更技術性、更具體的冷作管理工法來平衡風險。例如，B31.3 對於製造引起的材料降級（如殘餘應力和延展性損失）採用了基於應變的彎後熱處理（PBHT）標準 ⁷。由於程序管線經常處理腐蝕性介質，控制冷作引入的殘餘應力對於防止應力腐蝕開裂（SCC）至關重要 ⁵。因此，B31.3 接受了較低的一次應力設計裕度，但要求在冷作製造過程中對材料完整性進行更精確的控制。

 

1.3. 規範哲學：規定性與性能導向

ASME B31.1 的規範語言傾向於「規定性」（Prescriptive）規則，這與其設計要「與 ASME BPVC 保持一致」的哲學相吻合 ⁶。例如，對於 PBHT，B31.1 採用基於厚度和尺寸的簡單觸發條件 ⁸。

ASME B31.3 則傾向於「性能導向」（Performance-Based）或「條件導向」（Condition-Based）的規則 ⁵。這使得 B31.3 能夠為多樣化的程序環境提供必要的靈活性，例如允許製造商計算彎管應變以證明 PBHT 可豁免 ⁷。這種差異導致 B31.1 的品質保證（QA/QC）檢查通常更簡單（測量厚度或尺寸），而 B31.3 的 QA/QC 則要求更高的工程分析，特別是在冷彎程序資格記錄（PQR）方面。

 

2. 最小壁厚計算與減薄容許量

 

冷作彎管過程中，管材在外弧處（Extrados）會發生變薄，這是影響管線壓力包容完整性的關鍵因素。兩規範在管理和驗證這種減薄方面存在根本差異。

 

2.1. 最小設計壁厚 (t_m) 的基礎

兩規範均要求彎管後的最終實際壁厚 t_actual 必須大於或等於根據設計公式計算出的最小壁厚 (t_m)，該 t_m 已經包含了腐蝕、侵蝕和製造公差的減除 ⁹。

 

2.2. ASME B31.1 方法：設計公式與 NDE 驗證

ASME B31.1 要求彎管必須滿足規範第 102.4.5 條和 104.2.1 條的設計要求 ¹⁰。具體來說，彎管後在外弧處的壁厚必須仍然滿足直管內部壓力設計公式（例如第 104.1.2 條中的公式 (7) 或 (8)）的要求 ⁹。

B31.1 並不提供一個統一的、基於百分比的減薄容許量作為製造標準；相反，它要求製造商確保彎管後的壁厚足以承受設計壓力。這種對設計公式的嚴格依賴，要求設計師在選擇原始管材時，必須預留足夠的壁厚裕度來彌補預期的變薄 ⁹。由於動力管線服務的壓力/溫度等級通常較高，所需的 t_m 較大，這使得設計師在選擇管材時，為變薄預留的公差相對更小，可能需要選用更重的公稱壁厚等級。

此外，B31.1 對於厚度確認的檢查要求也更為嚴格：如果壁厚 adequacy 存在疑慮，或對於 Class I 管線直徑超過 NPS 4，或設計溫度超過 750°F 的管線，規範要求進行超聲波（UT）或其他可接受的無損檢測（NDE）來驗證實際壁厚 ¹⁰。

 

2.3. ASME B31.3 方法：基於百分比的公差限制

ASME B31.3 則提供了明確的、基於 R/D（彎曲半徑與管線直徑比）的百分比容許減薄限制，這為製造商提供了一個清晰的工廠驗收標準 ⁵。

對於管線（Pipe），壁厚減薄的限制如下：

• 彎曲半徑 R≧5D：減薄不應超過 10% ⁵。
• 彎曲半徑 R≦3D：減薄可能增加至 21% ⁵。

對於管材（Tube），限制則略有不同，例如 R≧5D 容許 12% 減薄，而 R≦3D 容許 22% 減薄 ⁵。

B31.3 的百分比限制簡化了製造監控和接受/拒絕的流程 ¹²。製造商可以根據公稱尺寸和允許的百分比快速檢查彎管是否合規，而無需每次都參考複雜的 t_m 計算。然而，規範仍然建議製造商根據彎曲後壁厚與計算t_m之間差異的程度，檢查 10% 至 100% 的彎管厚度 ⁷。

 

3. 冷作彎管幾何容許標準

 

冷作彎管會導致管線橫截面變形（橢圓度）和內弧處褶皺（Wrinkling）。兩規範在這些缺陷的容許標準上存在定量差異。

 

3.1. 橢圓度（Flattening）限制

橢圓度（或稱扁平度）是通過測量任何橫截面處最大與最小外徑的差異，並表示為公稱外徑的百分比來確定的。

ASME B31.3 針對不同壓力條件設定了明確的界限：

• 內壓服務： 最大橢圓度不應超過公稱外徑的 8% ⁵。
• 外壓服務： 最大橢圓度限制嚴格收緊至公稱外徑的 3% ⁵。這是因為扁平化會顯著降低管線抵抗外部壓力下的屈曲載荷的能力，因此要求更嚴格的幾何控制。

ASME B31.1 雖然在行業實務中可能也經常採用 8% 的標準 ¹²，但其規範要求彎管滿足設計要求（102.4.5），而不是提供一個通用、固定的百分比限制 ¹⁰。這意味著 B31.1 的橢圓度容許值取決於具體的應力分析結果，使得 B31.3 在製造驗收方面提供了一個更明確、不容協商的幾何邊界。

 

3.2. 褶皺和屈曲控制

褶皺通常發生在彎管的內弧處（壓縮側），可能作為應力集中器並影響流動。

ASME B31.3 對褶皺深度提供了明確的定量公差：褶皺的深度（從波峰到波谷測量）不應超過公稱管線直徑（NPS）的 1.5% ⁵。

這種明確的限制對於製程管線至關重要。由於 B31.3 服務涉及腐蝕性或侵蝕性介質 ³，褶皺處的應力集中與流體化學作用結合，會加劇局部腐蝕疲勞或應力腐蝕開裂的風險 ⁵。因此，B31.3 必須嚴格控制此類幾何缺陷。

ASME B31.1 則要求彎曲後的表面「目視檢查應無裂紋，且實質上無屈曲」⁵。與 B31.3 不同，B31.1 缺乏一個普遍的、具體的褶皺深度百分比限制，通常依賴於檢查員的判斷或業主規格的補充定義。

 

3.3. 頸縮（Necking Down）限制

B31.3 還對由於彎曲導致的外圓周減少（頸縮）施加了限制，規定頸縮不得超過 4% ⁵。這項要求是為了確保彎管末端在尺寸上仍然能夠與法蘭或銲接配件正確匹配。

Table 2: 冷作彎管幾何公差比較

幾何參數	ASME B31.1 (動力管線)	ASME B31.3 (製程管線)
最小壁厚	彎管外弧處必須滿足計算出的 tm（設計公式 104.1.2）9。	百分比限制：R≧5D 容許 10% 減薄；R≦3D 容許 21% 減薄 5。
橢圓度（內壓）	必須滿足設計要求（通常實務上限為≦8%）10。	≦8% 公稱外徑 5。
橢圓度（外壓）	必須滿足設計要求。	≦3% 公稱外徑 5。
褶皺	表面實質上無屈曲（視覺檢查）。	褶皺深度≦1.5% 公稱管線直徑 5。

 

4. 彎後熱處理（PBHT）— 重大技術差異

 

冷作彎管會引起材料塑性變形和應變硬化，降低延展性並產生殘餘應力。PBHT 的要求是兩規範在技術實施層面最主要的區別點，直接影響製造成本和最終產品的可靠性。

 

4.1. PBHT 的目的與哲學分歧

PBHT 旨在通過應力消除來減少殘餘應力、恢復材料延展性，並防止特定材料在服務條件下發生敏化或應力腐蝕開裂（SCC）⁵。兩規範在決定何時需要 PBHT 上表現出截然不同的方法論：B31.1 採用基於尺寸的簡單規定，而 B31.3 採用基於應變的詳細性能標準。

 

4.2. ASME B31.1 PBHT 標準：規定性與尺寸基準

B31.1 的核心原則是：對較厚或較大尺寸的組件進行冷加工，必然會產生動力服務中不可接受的殘餘應力，因此強制要求熱處理，不論實際應變計算結果如何。

• 碳鋼 (P-No. 1)： 冷作彎管如果壁厚為 3/4 英寸（約 19 毫米）或更厚，則必須接受應力消除熱處理 ⁸。壁厚小於此值的碳鋼管線可以不經後熱處理使用 ⁸。
• 鐵素體合金鋼： 對於公稱管線直徑 (NPS) 4 英寸及以上，或壁厚為 1/2 英寸（約7 毫米）或更厚的鐵素體合金管線，必須進行應力消除處理 ⁸。
• 特殊材料： 對於蠕變強度增強鐵素體鋼、奧氏體材料和鎳合金，1 在其表 129.3.3.1-1 和表 129.3.4.1-1 中規定了特定的冷作後應變限制和熱處理要求 ¹³。這表明 B31.1 在處理高溫或特殊材料時，也採用了應變基準，但對於常見的 P-No. 1 材料，仍保留尺寸基準的規定。

 

4.3. ASME B31.3 PBHT 標準：性能導向與應變基準

B31.3 採用更具靈活性和技術性的應變基準工法，將 PBHT 的需求與材料實際經歷的冷作程度直接掛鉤 ⁷。

• 應變極限值： 對於 P-Nos. 1 到 6 的材料，如果計算出的最大纖維伸長率超過該材料、等級和厚度規定的最小基礎伸長率的 50%，則需要進行 PBHT ⁷。
• 豁免條件： 如果製造商能夠證明，通過其選擇的管線和彎曲工法，即使未進行 PBHT，最嚴重應變的材料仍保留至少 10% 的伸長率，則可以豁免此要求 ⁷。

這種基於應變的規範要求，雖然為製造商提供了避免 PBHT 的機會，但同時要求在彎曲程序資格記錄（PQR）開發階段，必須投入更高的工程分析和測試成本，以精確計算和驗證最大纖維伸長率 ⁷。

 

4.4. PBHT 成本和工程難度的權衡

B31.1 對於 3/4 英寸及以上厚度碳鋼的強制性 PBHT 要求 ⁸，使得動力管線的製造環節成本更高，耗時更長，因為必須使用專門的爐具進行熱處理和相關的處理程序 ⁸。

B31.3 的策略則不同，它允許製造商通過優化彎曲工法，例如使用通蕊軸（mandrel），將應變控制在 50% 的極限值以下。如果能成功證明低應變，則可以避免昂貴且耗時的熱處理 ⁷。因此，B31.3 雖然在單個彎管的 QC 檢查上更靈活，但在程序資格的工程分析方面，其難度和投入要求顯著高於 B31.1。

Table 3: 彎後熱處理 (PBHT) 觸發條件比較

材料組別	ASME B31.1 (PBHT 觸發條件)	ASME B31.3 (PBHT 觸發條件)
碳鋼 (P-No. 1)	規定性：壁厚≧3/4 英寸時強制要求 8。	性能導向：計算纖維伸長率超過最小基礎伸長率的 50% 時強制要求 7。
鐵素體合金鋼	規定性：NPS ≧4 英寸或壁厚≧1/2 英寸時強制要求 8。	性能導向：計算纖維伸長率超過最小基礎伸長率的 50% 時強制要求 7。
奧氏體/鎳合金	須根據特定應變限制（表 129.3.4.1-1）進行處理 13。	除非服務條件（如 SCC 風險）要求，否則通常可在「如彎曲狀態」下使用 15。

 

5. 製作程序與品質控制 (QC)

 

冷作彎管的品質保證流程受到兩規範的設計哲學的影響，導致對程序資格和無損檢測（NDE）的優先級不同。

 

5.1. 彎曲程序資格 (PQR)

兩規範都要求彎曲程序必須經過驗證，以確保最終產品滿足設計和幾何要求。

ASME B31.3 明確要求冷彎設備應通過測試進行資格認證，以驗證管線的最小壁厚和橢圓度是否滿足要求 ⁵。此外，如果製造商計劃豁免 PBHT，B31.3 的 PQR 必須包含精確的應變計算和延展性測試，以證明即使在冷作後，材料的伸長率仍能保持在至少 10% 的水平 ⁷。

ASME B31.1 的程序資格則主要集中在證明彎管後的組件能夠滿足最小設計壁厚 (t_m) 和所需機械性能。對於需要 PBHT 的組件，PQR 必須證明熱處理程序能夠成功消除殘餘應力並維持材料規格。

 

5.2. 檢驗和檢查要求

兩規範均要求在彎曲後，對成品表面進行目視檢查，確保其無裂紋且實質上無屈曲 ⁵。

在壁厚測量方面，B31.3 提供了詳細的採樣頻率建議：如果預計彎曲後的壁厚在計算 t_m 的 5% 範圍內，建議檢查 100% 的彎管；如果超出此範圍，製造商應在驗證前 10 個彎管後，檢查剩餘彎管的 10% ⁷。這是一種基於風險和批次一致性的靈活 QC 工法。

ASME B31.1 對於高風險服務的厚度驗證則採取強制性 NDE 策略：對於直徑超過 NPS 4 的 Class I 管線，或設計溫度超過 750°F 的管線，如果對壁厚足夠性存疑，必須進行無損檢測（如超聲波）¹⁰。這種強制性 NDE 的規定，突顯了 B31.1 在應對高溫、高壓服務時，對結構完整性的最高級別保證。相較之下，B31.3 更依賴於詳細的尺寸檢查和視覺確認，使得 B31.1 彎管的製造，特別是針對嚴苛服務的彎管，其 QC 成本通常更高。

 

6. 商業與專案管理考量

 

ASME B31.1 與 B31.3 在冷作彎管上的技術差異，對專案的成本、排程和風險管理產生實質影響。

 

6.1. 材料規格與採購影響

由於 B31.1 在厚度≧3/4 英寸時強制要求 PBHT ⁸，設計人員在動力管線專案中可能傾向於指定壁厚更厚的管材，以確保即使在彎曲變薄後，最終壁厚仍能滿足 t_m，或透過保持厚度略低於 3/4英寸來規避強制熱處理，從而影響材料採購決策 ⁹。

B31.3 由於具有明確的百分比減薄限制（10% 至 21%）⁵，設計師可以更精確地優化管線壁厚， potentially 使用比 B31.1 專案更經濟的公稱厚度等級，前提是製造商能控制彎曲應變。

 

6.2. 成本與排程影響

B31.1 的強制 PBHT 和對高風險組件的強制 NDE 規定 ⁸，直接提高了厚壁動力管線的製造成本和所需工期。熱處理過程本身既昂貴又增加了關鍵路徑上的時間。

相比之下，B31.3 雖然在工廠製造階段可能避免了熱處理的成本，但這種節省是以更高的前期工程投入為代價。製造商必須投資於詳細的程序資格記錄（PQR），包括精確的應變計算和延展性測試，以證明 PBHT 的豁免是合理的 ⁷。

B31.3 允許製造商通過採用先進的彎曲技術，如使用通蕊軸（mandrel），將應變控制在 50% 的極限值以下。這是其降低專案成本的關鍵策略 ¹²。B31.3 鼓勵通過技術創新來規避二次加工。然而，B31.1 則規定了必須進行熱處理，這使得技術選擇的靈活性降低，成本相對固定。

 

6.3. 跨規範專案的建議

對於同時包含動力管線和製程管線系統的綜合設施（例如，煉油廠內的公用設施管線），專案管理必須仔細界定規範的適用範圍。當兩規範的要求發生衝突時，通常建議在特定參數上採用更保守的標準以確保統一的品質。例如，在彎管幾何公差上，可以採用 B31.3 提供的明確百分比限制（如橢圓度 ≦ 8% 和褶皺 ≦1.5%）以簡化 QC ⁵；而在 PBHT 上，如果採用厚壁碳鋼，則應遵循 B31.1 的規定性要求，因為其故障後果通常更為嚴重 ⁶。

 

結論與建議

 

ASME B31.1 和 ASME B31.3 在冷作彎管要求上的差異，是兩種風險管理哲學的直接體現。

B31.1（動力管線）面對的是高壓、高溫環境下故障的嚴重後果，因此其要求是規定性、厚度/尺寸導向的。它依賴於嚴格的設計公式（確保 t_m）和尺寸極限值（強制 PBHT），並在懷疑壁厚時強制進行 NDE ⁸。這種方法提供了更高的保守性，但犧牲了製造靈活性和成本效益。

B31.3（製程管線）面對的是廣泛的工法條件和腐蝕風險，其要求是性能導向、應變基準的。它通過清晰的百分比公差（橢圓度 8%、褶皺 1.5%、減薄 10%~21%）來指導製造 ⁵。其在 PBHT 上的應變極限值（50% 最小伸長率）要求製造商具備高度的工程分析能力，以控制冷作的材料影響，從而有效管理潛在的 SCC 風險 ⁷。

對於管線工程師和製造商而言，理解這些差異的實際意義至關重要：

1. 製造靈活性與成本控制： B31.3 專案可以通過優化彎曲工法來避免 PBHT，從而節省大量成本，但這要求製造商必須能夠通過高階分析和測試來驗證彎曲程序的資格。
2. 設計準確性：B31.1 設計必須更嚴格地預估冷彎減薄，以確保最終壁厚滿足設計公式要求 ⁹，這可能導致需要採購更厚的管材。
3. 品質保證：B31.3 的 QC 檢查相對簡單且定量（基於百分比），適用於批量生產。B31.1 的 QC 則需要結合設計計算和潛在的強制性 NDE，要求更高的文檔可追溯性 ¹⁰。

總之，在涉及冷作彎管的專案中，應明確界定適用的規範，並根據規範的固有哲學，配置相應的工程分析、製造技術和品質檢驗資源。動力管線需要保守的機械裕度，而程序管線則需要精確的材料狀態控制。

 

參考文獻

1. ASME B31.1 & ASME B31.3: Major Differences – EPCLand, https://epcland.com/asme-b31-1-asme-b31-3-major-differences/
2. What is Difference between ASME B31.3 and ASME B31.1? – YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=04k6QjplkfA
3. ASME B31.1 vs. ASME B31.3: Know the Piping Design Codes – Future Energy Steel, https://energy-steel.com/asme-b31-1-vs-asme-b31-3-know-the-piping-design-codes/
4. ASME B31.3 vs. ASME B31.1: What’s the Difference? – ALEKVS Machinery, https://www.alekvs.com/asme-b31-3-vs-asme-b31-1-whats-the-difference/
5. ASME B31.3 Process Piping Guide – LANL Engineering Standards, https://engstandards.lanl.gov/esm/pressure_safety/Section%20REF-3-R0.pdf
6. ASME B31.1 vs B31.3 for a Low Capacity Steam System : r/engineering – Reddit, https://www.reddit.com/r/engineering/comments/49pw9j/asme_b311_vs_b313_for_a_low_capacity_steam_system/
7. The Key to Successful Bending Practices – Engineering Services LP, https://engineeringserviceslp.com/wp-content/uploads/2020/11/PAPER-BENDING.pdf
8. 46 CFR § 56.80-15 – Heat treatment of bends and formed components., https://www.law.cornell.edu/cfr/text/46/56.80-15
9. ASME B31.1-2016 – Standards Michigan, https://standardsmichigan.com/wp-content/uploads/2018/01/Proposed-Revision-of-B31.X-Power-Piping-Public-Review-Draft-2346.pdf
10. 46 CFR Part 56 Subpart 56.80 — Bending and Forming – eCFR, https://www.ecfr.gov/current/title-46/chapter-I/subchapter-F/part-56/subpart-56.80
11. ANSI/ASME B31.1, “Power Piping” American National Standard Institute, Table A-4 Through Table 1., https://www.nrc.gov/docs/ML0314/ML031470601.pdf
12. Pipe and Round Tube Bending – Bend It Inc, https://benditinc.com/pipe-and-round-tube-bending/
13. ASME B31.1 Power Piping 2018 Changes – Bradley Sawler, https://www.bradleysawler.com/engineering/asme-b31-1-power-piping-2018-changes/
14. ASME B31.1 – Future Energy Steel, https://energy-steel.com/wp-content/uploads/2025/03/ASME-B31.1.pdf
15. Piping Code Comparison EN 13480 – ASME B31.3, https://www.energy.gov/sites/default/files/2024-08/Report%20-%20EN%2013480%2C%20ASME%20B31%20Comparison%20-%2021%20A.pdf