摘要
本報告旨在針對發電廠、石化與能源領域中，先進高應變合金鋼管（特別是 ASTM A335 Grade P91）的冷作彎管技術進行深入研究與評估。傳統的管件組裝工藝依賴大量銲接，而 P91 鋼管因其特殊的微觀結構，銲接處存在顯著的冶金風險，例如第四型（Type IV）裂紋，這對組件的長期蠕變強度構成威脅。冷作彎管技術透過減少甚至消除彎頭與直管之間的圓周銲縫，從根本上解決了這一核心問題。本報告將比較冷、熱彎管工藝的優劣，詳細剖析 P91 鋼的冶金特性及其在製造過程中的敏感性，並以潁璋工程興業有限公司所開發專用的冷作彎管技術為案例，評估其在工程應用中的核心價值。研究顯示，冷作彎管在成本、時間與效率上具備顯著優勢，但其成功應用取決於對材料冶金特性的深刻理解和嚴格的品質控制。對於高要求的工業應用，僅符合行業規範的最低要求是不夠的；廠商必須具備超越標準的專業知識與技術能力，以確保彎製後的材料性能與其設計預期完全一致，從而將冷作彎管技術的潛在價值最大化。
1. 前言：先進管路製造的新里程碑
在現代化工業，特別是發電、石化與油氣領域中，流體與氣體的輸送系統必須在極端的高溫與高壓環境下運作。這對管路材料提出了嚴苛的挑戰，促使工程界不斷尋求具備更高熱強度與蠕變（Creep）性能的材料。在此背景下，ASTM A335 Grade P91 合金鋼管應運而生，並迅速成為高能管道和鍋爐元件的首選材料 1。
P91 鋼管屬於蠕變強度增強型鐵素體（Creep-Strength Enhanced Ferritic, CSEF）合金鋼，其關鍵成分為鉻（Cr）與鉬（Mo） 4。相較於傳統的 P22 等級，P91 在 950°F 至 1100°F（約 510°C 至 595°C）的高溫範圍內，容許應力可提高達 150% 6。這種優異的性能使其在高溫環境下能維持結構完整性，並顯著延長元件的使用壽命 1。
P91 鋼的卓越特性帶來了顯著的工程效益。由於其更高的熱強度和蠕變電阻，工程師可設計壁厚顯著減少的管路，甚至可比 P22 鋼管薄上三分之二 1。這不僅大幅降低了材料成本與元件重量，減輕了吊架負載，同時也減少了穿越管壁的熱應力，將熱疲勞壽命提高了 10 至 12 倍 1。
然而，P91 鋼管的優勢也帶來了新的製造挑戰。由於其壁厚變薄，在彎曲過程中對變形更為敏感，這要求彎管工藝具備極高的精確控制能力。同時，P91 的卓越性能完全依賴於其精準的微觀結構 6，任何不當的熱或機械處理都可能破壞其冶金狀態，導致其性能急劇下降。這使得傳統依賴銲接與熱處理的管路組裝方式面臨前所未有的風險。因此，一種既能滿足精確彎曲要求，又能最大限度保護材料原始性能的先進工藝，成為行業的迫切需求。
2. 管路彎曲技術之比較分析
管路彎曲是管路系統預製與組裝中的核心環節。兩種主要工藝——冷作彎管與熱作彎管（通常指感應彎管）——各有其獨特的原理、優勢與局限性。深入理解這兩種工藝的差異，是評估其在 P91 鋼管應用中適用性的前提。
2.1 冷作彎管：原理、工藝與材料性能
冷作彎管是指在金屬再結晶溫度以下（通常是室溫）對管材進行塑性變形，使其達到所需的彎曲半徑與角度 8。此工藝完全依賴機械力，過程中不施加任何額外熱能 8。
主要工藝方法包括：
- 旋轉拉伸彎曲（Rotary Draw Bending）：將管材夾緊於彎曲模具上，透過夾模的旋轉將管材拉伸並彎曲成型 13。此方法常應用於需要緊密彎曲半徑的專案 11。
- 滾彎（Roll Bending）：將管材置於多個滾輪之間，透過調整滾輪的高度與距離，使管材逐步產生彎曲 11。此方法適合需要大曲率半徑或多重彎曲弧度的長型管材 11。
- 沖壓彎曲（Press Bending）：利用沖壓機將管材放置於帶有曲度的上下模具中進行沖壓，使其彎曲成型 11。
冷作彎管的優勢：
- 成本與效率：該工藝無需額外的加熱與冷卻時間，流程快速高效，使用的機器設備也相對簡單且成本較低 8。
- 材料完整性：由於不涉及高溫加熱，冷作彎管能夠在很大程度上保留材料原始的物理和機械性能，表面處理也更為平滑 8。有研究指出，在室溫下對鋼材進行加工，可以透過壓縮和扭曲其晶體結構，在分子層面提高鋼材的強度 8。
冷作彎管的局限性：
- 彎曲極限：對於需要極緊彎曲半徑的管材，冷作彎管可能導致管壁起皺、折疊甚至斷裂 8。
- 回彈效應：金屬材料在彎曲成型後會產生回彈（Springback），使得最終的彎曲角度與預期存在偏差，影響尺寸精度 9。
- 脆性增加：儘管冷作可以增強材料強度，但這種晶體結構的改變也可能同時導致材料變脆，這對於承受高應力的管路至關重要 8。
2.2 熱作（感應）彎管：熱輔助工藝
熱作彎管，尤其是感應彎管，是另一種高效的彎管技術。此工藝透過在管材周圍放置感應線圈，對局部區域進行高頻感應加熱，使其在 850°C 至 1100°C 的高溫下變軟，然後再進行彎曲 14。
熱作彎管的優勢：
- 成形能力：由於材料在高溫下更具延展性，感應彎管所需的物理力道更小 8，可輕鬆實現複雜的形狀和緊密的彎曲半徑，且無需在管內使用填料或心軸 8。
- 減少銲縫：感應彎管能夠一次性彎製大角度與大半徑彎頭，從而顯著減少管路排佈中的圓周銲縫數量，有研究顯示可減少多達 75% 的銲縫 14。
熱作彎管的局限性：
- 成本與時間：感應彎管機器的設備更為複雜且昂貴。整體工藝流程較慢，因為加熱與後續的冷卻過程非常耗時 8。
- 材料性能改變：高溫加熱會導致材料微觀結構發生改變，可能影響其機械性能 14，因此彎曲後必須進行嚴格的熱處理，以恢復材料至其設計狀態。
2.3 兩種彎曲技術的戰略權衡
冷作與熱作彎管的選擇並非簡單的成本或品質考量，對於 P91 這種高性能材料而言，這是一個關乎冶金完整性與長期可靠性的戰略決策。熱作彎管雖然在成形上更具彈性，但其固有的高溫加熱風險可能破壞 P91 鋼精密的微觀結構，導致過度回火或在熱影響區（HAZ）產生應力。而冷作彎管從根本上規避了高溫帶來的冶金風險，這使其成為一個極具吸引力的選擇。
然而，冷作彎管並非毫無風險。儘管沒有外部熱源，但強大的機械力本身也會在材料內部引入應力與變形，這可能對 P91 鋼的微觀結構造成影響。這就提出了一個核心問題：冷作彎管工藝所產生的機械應力是否足以要求進行後續的熱處理（例如回火），以確保材料的長期蠕變性能不被破壞？這將是本報告的核心討論點。
下表總結了冷作與熱作（感應）彎管技術的關鍵比較指標：
表1：冷作彎管與熱作彎管比較矩陣
| 特性 | 冷作彎管 | 熱作（感應）彎管 |
| 工藝溫度 | 室溫 | 850°C-1100°C 8 |
| 設備成本 | 較低 8 | 較高 8 |
| 加工速度 | 快速 8 | 較慢 (因加熱/冷卻) 8 |
| 所需物理力道 | 較大 8 | 較小 8 |
| 材料完整性 | 保持原始特性，表面光滑 8 | 可能改變微觀結構 14 |
| 彎曲半徑能力 | 有限制，不適合極緊彎曲 9 | 可實現緊密或複雜彎曲 8 |
| 銲縫減少 | 顯著減少（取決於設計） 14 | 顯著減少 14 |
| 起皺機率 | 較高 8 | 通常無起皺 8 |
3. P91 合金鋼的冶金特性與製造風險
P91 合金鋼之所以卓越，其關鍵在於一種名為「回火馬氏體」的精準微觀結構 1。要達到這種理想狀態，必須經過嚴格的兩步式熱處理：正火（Normalizing）和回火（Tempering）。
3.1 化學成分與功能特性
P91 鋼的性能來源於其精確控制的化學成分。其主要合金元素及其作用包括 1：
- 鉻（Cr）：00% 至 9.50%，主要用於提升高溫下的抗氧化性和強度。
- 鉬（Mo）：85% 至 1.05%，是最有效增強高溫蠕變強度的單一添加物，同時提升了材料的硬化性與耐磨性。
- 釩（V）與鈮（Nb）：微量元素，對於細化晶粒結構和穩定材料微觀結構至關重要，從而大幅增強了蠕變強度。
- 氮（N）：嚴格控制其含量，以進一步提升蠕變電阻。
3.2 關鍵微觀結構：回火馬氏體
P91 鋼的卓越性能並非由其化學成分本身決定，而是完全依賴於其最終的回火馬氏體微觀結構。此結構是透過以下精準的熱處理過程實現的 1：
- 正火：將材料加熱至其上臨界轉變溫度（AC3）以上約 100°F（約 55°C），直到其完全奧氏體化，然後在空氣中冷卻至 400°F（約 205°C）以下，此過程產生了極強但易脆的「未回火馬氏體」結構。
- 回火：將材料重新加熱至精準的溫度範圍內（通常為 1350°F 至 1470°F，約 730°C 至 800°C），並保持一段時間。此過程旨在穩定材料結構，並賦予其必要的韌性與延展性。
3.3 不當加工帶來的冶金風險
P91 的優異性能是一把雙面刃，其精準的微觀結構極易受到不當熱或機械處理的破壞。僅僅簡單地進行冷作彎曲，並不能保證材料的性能不受影響。雖然冷作工藝避免了高溫加熱，但強大的機械變形本身會在材料內部引入應力，這可能導致其微觀結構發生變化。熱作彎管後，通常需要進行重新正火與回火，以恢復材料性能 6。這就產生一個關鍵的議題：冷作彎管所引入的應力，是否也需要後續熱處理來完全釋放與恢復？
不當的熱處理或加工會導致以下失效模式：
- 過度回火（Over-tempering）：若材料在回火後冷卻過慢，關鍵析出物會變粗，導致蠕變斷裂強度喪失 6。
- 回火不足（Under-tempering）：導致所需的析出物未能完全形成，結構不穩，易導致脆性斷裂與應力腐蝕裂紋 6。
- 第四型（Type IV）失效：這是 P91 鋼最常見的失效模式之一，表現為銲縫熱影響區（HAZ）的細晶粒區域產生裂紋 6。由於 P91 對於熱處理與應力高度敏感，任何焊接過程都可能在 HAZ 產生不穩定的微觀結構，最終導致在服務壽命中過早失效。這是工程師極力避免銲縫的主要原因。
4. 冷作彎管的品質控制與規範
對於 P91 鋼管的冷作彎曲，嚴格的品質控制與超越行業最低規範的標準至關重要。僅僅符合常規要求並不能保證元件的長期可靠性。
4.1 行業標準與規範框架
冷作彎管的程序需遵守一系列國際工業標準，例如 ASME B31.1（動力管線）、ASME B31.3（製程管線）和 PFI ES-24（管線彎曲方法、公差、工藝和材料要求）20。這些規範為尺寸與機械性能提供了基準，確保產品符合基本的安全要求。
然而，這些規範並非萬能。有研究指出，ASME 規範的歷史目的在於防止災難性失效，而非作為 P91 等先進材料的設計與建造綜合手冊 6。對於 P91 鋼，其優越性能完全依賴於微觀結構的維護，而這在傳統鋼材中並不存在 6。因此，僅僅符合 ASME 規範並不能完全防止長期、過早的蠕變失效。一個全面的品質保證計畫必須超越最低要求，以應對材料獨特的冶金弱點。
4.2 檢測程序與驗收標準
為了確保冷作彎管的品質，需在彎曲前後進行嚴格檢測。典型的檢測項目與驗收標準包括 14：
- 目視檢查：在彎曲完成後，操作員需對彎曲部分進行目視檢查，確認有無肉眼可見的缺陷 20。
- 壁厚檢測：若客戶有要求，需在彎曲前後使用超音波壁厚儀測量外弧（Extrados）的壁厚。驗收標準通常為彎曲前實際壁厚的 20% 或更少 20。
- 橢圓度（Ovality）：使用卡尺或 C 型規測量彎曲段中點的橢圓度，計算公式為 ×100。驗收標準為公稱外徑的 8% 或更少 20。
- 硬度測試：在必要時，使用攜帶型硬度計進行表面硬度測試 20。
- 彎曲測試：ASTM 規範要求，P91 鋼管應在室溫下進行 180° 彎曲測試，彎曲外側不應出現裂紋 21。此測試證實了材料在冷作彎曲下的可行性，但並未評估其長期蠕變特性。
下表總結了 P91 冷作彎管的關鍵驗收標準與公差：
表2：P91 冷作彎管驗收標準與公差
| 檢測項目 | 驗收標準/公差 | 備註 |
| 壁厚 | 彎曲後不小於彎曲前實際壁厚的 80% 20 | 建議測量外弧中點，使用超音波測厚儀 20 |
| 橢圓度 | 小於公稱外徑的 8% 20 | 在彎曲段中點測量 20 |
| 彎曲半徑 | 彎曲半徑的 +/- 3% (對於 3D 以內)；+/- 5% (對於 3D 以上) 20 | |
| 彎曲角度（DOB） | +/- 1° 20 | |
| 彎曲平面（POB） | +/- 1° 20 | |
| 硬度 | 不超過 250 HB / 265 HV 21 | 若有要求，使用攜帶型硬度計 20 |
| 180° 彎曲測試 | 彎曲外側無裂紋 21 | 適用於尺寸大於 NPS25 或 D/t≥7.0 的管線 21 |
5. 案例分析：潁璋工程之冷作彎管技術評估
在本節中，將綜合上述分析，對潁璋工程興業有限公司（以下簡稱「潁璋工程」）所提供的冷作彎管技術進行技術性評估。
5.1 技術概覽與核心價值主張
潁璋工程開發設計了專用於發電廠 3D 與 5D 彎徑冷作彎管技術的 CNC 冷彎專用機 15，這項技術專門針對高應變合金鋼管的冷作彎曲。該公司的核心價值主張與 P91 鋼管的製造挑戰高度契合：
- 減少焊接：透過使用單一冷彎管段取代傳統的肘管與直管組合，該技術能「降低銲接施工工序」15。此舉從根本上避免了 P91 鋼管中最常見的第四型（Type IV）失效風險 6，這是一個極具說服力的價值主張。
- 降低檢測：銲縫的減少直接導致非破壞性射線檢測（RT）的用量「減少」15。對於動輒需要 100% RT 檢測的高壓管線，這將帶來巨大的時間與成本節省。
- 全面成本效益：綜合上述優勢，冷作彎管技術可「極度壓縮時間成本」，並實現「總體專案成本（cost down）」的降低 15。
這種價值主張超越了單純的工藝成本節省，而是將技術優勢轉化為對專案風險的有效管理。對於 P91 鋼管這類對工藝流程與環境高度敏感的材料，將關鍵的彎曲與預製工序轉移到受控的工廠環境中進行，可有效規避現場施工（如濕度、環境溫度）對材料可能造成的應力腐蝕裂紋（SCC）等風險 7。
5.2 應用與性能分析
潁璋工程的技術已在多個關鍵應用中得到驗證，包括燃氣複循環電廠、石化廠、離岸風力發電與鋼鐵廠等 15。這些案例證明了其工藝在處理 LNG 液化天然氣、氫氣壓縮機配管等高壓重型管線方面的能力。
值得注意的是，該公司的技術涵蓋了從小口徑到大口徑，以及 XXS 等級的超厚壁管材 15。這表明其設備與工藝已克服了冷作彎管在處理大型或厚壁管材時所需巨大物理力道的挑戰。
將其預製工法與傳統現場電銲作業進行對比，本質上是將高風險、高複雜度的作業從不可控的現場，轉移到擁有嚴格品管與專業設備的工廠環境。這種工藝上的轉變，不僅提高了產品品質與可靠性，更為客戶提供了全面的風險緩解方案。
6. 總結與核心建議
6.1 結論：理論與實踐的融合
本報告的研究顯示，冷作彎管技術在處理 P91 等級的高應變合金鋼管方面，是一種可行且具備戰略價值的替代方案。其核心優勢在於能夠大幅減少銲縫數量，從而有效降低 P91 鋼管最常見的失效模式——第四型（Type IV）裂紋的風險 6。
然而，冷作彎管的成功應用並非毫無前提。儘管工藝本身不涉及外部加熱，但其所產生的機械應力是否會影響 P91 的回火馬氏體微觀結構，仍是需要深入探討的議題。因此，一個頂尖的冷作彎管供應商，其價值不僅在於能提供合格的尺寸與幾何形狀，更在於能透過嚴格的冶金分析，確保最終產品的微觀結構與其設計性能完全一致。這需要廠商具備超出行業最低規範的專業能力與品質承諾。
6.2 專業建議與行動方案
針對需要採用 P91 鋼管冷作彎管技術的專案經理與工程專業人員，本報告提出以下核心建議：
- 超越最低規範：在選擇供應商時，不應僅以是否符合 ASME 或 PFI 等規範作為唯一標準。由於 P91 的特殊性，應要求供應商提供其針對 P91 鋼管的專屬品質保證計畫。
- 要求冶金驗證：建議要求供應商提供詳細的後彎曲熱處理（Post-Bending Heat Treatment）流程，並透過金相檢測、硬度測試或甚至蠕變測試，來證明冷作彎曲過程並未破壞材料的微觀結構與長期強度。
- 透明化與合作：與供應商建立緊密的合作夥伴關係，共同制定超出常規要求的品質控制方案。應要求供應商在產品交付前，能對其所採取的工藝流程與檢測結果進行透明化說明。
總而言之，冷作彎管技術代表著管線預製領域的一次重要演進。其在 P91 這類先進材料上的應用，不僅能帶來可觀的成本與時間效益，更能透過減少銲縫來從根本上提升系統的可靠性與長期性能。然而，這項技術的潛力唯有在對其冶金影響有著透徹理解，並實施最高標準的品質控制時，才能真正被釋放。
附錄
附錄A：技術名詞解釋
- 回火馬氏體（Tempered Martensite）：一種在鋼材熱處理後獲得的微觀結構，是 P91 鋼具備高強度和蠕變電阻的關鍵。
- 蠕變強度（Creep Strength）：材料在恆定應力下，於高溫環境中隨時間推移發生塑性變形的能力。
- 第四型（Type IV）失效：一種在銲縫熱影響區（HAZ）細晶粒區域發生的裂紋，為 P91 鋼最常見的失效模式之一。
- 外弧（Extrados）/ 內弧（Intrados）：彎曲管件的外側半徑和內側半徑。
- 橢圓度（Ovality）：彎曲後管道橫截面由圓形變為橢圓形的程度。
- NDT/RT：非破壞性檢測（Non-Destructive Testing），其中 RT 指射線檢測（Radiographic Testing）。
附錄B：P91、P22 與 P11 鋼材性能比較
| 特性 | P91 | P22 | P11 |
| 化學成分（Cr-Mo） | 9%Cr-1%Mo 4 | 2.25%Cr-1%Mo 1 | 1.25%Cr-0.5%Mo |
| 最小抗拉強度 | 585 MPa (85 ksi) 21 | 415 MPa (60 ksi) 5 | – |
| 最小屈服強度 | 415 MPa (60 ksi) 21 | 205 MPa (30 ksi) 5 | – |
| 壁厚減少潛力 | 達 2/3 1 | 基準 | – |
| 蠕變電阻 | 優異 2 | 良好 | – |
| 氧化極限 | 高 (高於 P22 達 100°F) 6 | – | – |
| 熱疲勞壽命 | 高 (高於 P22 10-12 倍) 6 | 基準 | – |
參考文獻
- ASTM A335 Grade P91 Alloy Steel Seamless Pipe | U.S. Metals, https://www.usmetals.com/alloy-pipe-seamless-p91.html
- P91 Steel: Properties and Key Applications in Industry – Metal Zenith, https://metalzenith.com/blogs/steel-properties/p91-steel-properties-and-key-applications-in-industry
- Weld repair of Grade 91 piping and components in … – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/281170067_Weld_repair_of_Grade_91_piping_and_components_in_power_generation_applications_creep_performance_of_repair_welds
- ASTM A335 P91 Specification, https://www.botopsteelpipes.com/wp-content/uploads/ASTM-A335-P91-Specification.pdf
- ASTM A335 P91 Pipe, ASME SA335 Gr P91 Seamless Pipe, P91 Alloy Steel Pipes, ASTM A335 Grade P91 Alloy Steel Seamless Pipe, P91 Material Supplier, – Prosaic Steel and Alloys, https://www.prosaicsteel.com/a335_p91_alloy_steel_seamless_pipes.html
- Growing experience with P91/T91 forcing essential code changes …, https://www.ccj-online.com/growing-experience-with-p91-t91-forcing-essential-code-changes/
- 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
- What is the difference between cold bending vs hot bending? – Plate …, https://www.plateroller.com/plate-roller-operation-manual/what-is-the-difference-between-cold-bending-vs-hot-bending.html
- Top 5 Differences between Hot and Cold Bending – 2023 – Plate Rolling Machine, https://www.plateroller.com/plate-roller-operation-manual/top-5-differences-between-hot-and-cold-bending.html
- Pipe Bending Basics: Cold Bending And Hot Bending, https://www.angleroller.com/blog/cold-bending-and-hot-bending-in-pipe-bending.html
- Most Effective Cold Bending Processes for Stainless Steel Pipes – New Mexico Metals LLC, https://newmexico-metals.com/what-are-the-most-effective-cold-bending-processes-for-stainless-steel-pipes/
- What is the difference between hot and cold bending service? – Blog, https://www.sheetmaxsheetmetal.com/blog/what-is-the-difference-between-hot-and-cold-bending-service-557648.html
- 彎管是什麼? | 彎管、沖床、鋁管及其他金屬製品加工| 峰億五金有限公司| 台南市, https://www.fengyi-tw.com/pipebendingknowledge
- (PDF) Applicability of the induction bending process to the P91 pipe …, https://www.researchgate.net/publication/346709992_Applicability_of_the_induction_bending_process_to_the_P91_pipe_of_the_PGSFR
- 潁璋工程興業有限公司– 冷作彎管, https://yz-pipe-bending.com.tw/
- P91 – Best Practices | PDF | Steel | Construction – Scribd, https://www.scribd.com/document/818702437/P91-Best-Practices
- ASTM A335 P91无缝焊接钢管-Emilymetal.com – 钢管，管件, https://cn.emilymetal.com/astm-a335-p91-seamless-welded-steel-pipe.html
- Enhancing Heat Treatment Conditions of Joints in Grade P91 Steel: Looking for More Sustainable Solutions – MDPI, https://www.mdpi.com/2075-4701/11/3/495
- A335 P91 welding problems – Hebei Haihao Group, https://www.haihaopiping.com/a335-p91-welding-problems.html
- BENDING PROCEDURE 3 – Engineering Services LP, https://engineeringserviceslp.com/wp-content/uploads/2021/01/PROCEDURE-03.pdf
- ASTMA335 P91 Specification – Botop Steel Pipe, https://www.botopsteelpipe.com/uploads/ASTM-A335-P91-Specification.pdf
- ASTM A335 P91 パイプ – 知識 – 造船スチールプレート, https://ja.marinesteels.com/info/astm-a335-p91-pipe-88802163.html