核能電廠冷作彎管研究:釐清冷彎後熱處理（PBHT）與銲後熱處理（PWHT）在法規與物理機制上本質差異 (A Study of Cold-Bending Piping in Nuclear Power Plants: Clarifying the Fundamental Differences Between Post-Bend Heat Treatment (PBHT) and Post-Weld Heat Treatment (PWHT) in Regulatory and Physical Mechanisms)

/ Uncategorized / 作者:

一、 摘要 (Summary)

核能電廠之管線系統（Piping System）構成其壓力邊界與能量傳輸之核心，其結構完整性直接攸關核能安全與發電可靠度。在管線製造與施工過程中，「冷作彎管」（Cold Bending）作為一種取代傳統對銲彎頭（Butt-welded Elbows）的工法技術，因其具備減少銲接道數、降低檢測成本及提升施工效率等經濟優勢，而被廣泛應用於核能電廠之輔助系統及部分高能管線中。然而，冷作彎管透過塑性變形改變管材幾何形狀的過程，無可避免地引入了殘餘應力（Residual Stress）、加工硬化（Work Hardening）及幾何真圓度偏差（Ovality），這些因子在長期的運轉環境下，顯著改變了管線的材料抗性與流體動力學特性。

本報告旨在針對核能電廠中冷作彎管進行詳盡的分析研究，特別釐清冷彎後熱處理（PBHT）與銲後熱處理（PWHT）在法規與物理機制上的本質差異。報告範圍涵蓋國際法規標準（ASME BPVC與RCC-M）、材料微觀特性變化、殘餘應力分佈機制及流體加速腐蝕（Flow-Accelerated Corrosion, FAC）之交互作用。報告之核心將聚焦於台灣電力公司（Taipower）所屬之核一廠（Chinshan, BWR）、核二廠（Kuosheng, BWR）及核三廠（Maanshan, PWR）之實際運轉經驗，深入探討其歷史失效案例。

分析顯示，雖然ASME法規允許在特定應變極限值下免除熱處理，但台灣的運轉經驗——特別是核三廠的抽氣蒸汽管線破裂與核二廠噴射泵支架龜裂案例——證實了「符合法規」未必等同於「免疫於老化」。報告最後總結了台電在老化管理計畫（Aging Management Program, AMP）中的演進，並提出了針對冷作彎管之未來檢測與維護建議。

二、 緒論 (Introduction)

在核能電廠錯綜複雜的管線佈局中，流體方向的改變是不可避免的設計需求。工程上主要透過兩種方式實現：一是使用工廠預製的標準彎頭（Elbows），二是利用直管進行彎曲加工（Bends）。儘管兩者功能相似，但其製造履歷、冶金狀態及幾何特性存在本質上的差異。

2.1 冷作彎管與標準彎頭之定義與製程差異

標準彎頭（Elbows） 通常依據ASME B16.9等標準製造，採用熱推（Hot Pushing）或模具成型工法，並經過正規化（Normalizing）或固溶熱處理（Solution Annealing），以消除製程應力並恢復材料韌性 1。其曲率半徑標準化為長半徑（1.5D）或短半徑（1.0D），管壁厚度均勻，流體特性相對可預測。

彎管（Bends） 則多由直管直接加工而成，曲率半徑較大（通常為3D至5D或更大）。冷作彎管（Cold Bending） 特指在金屬再結晶溫度以下（通常為室溫）進行的塑性變形加工 3。此製程利用彎管機對管材施加彎矩，迫使管材沿著模具產生永久變形。

2.2 冷作彎管之工程經濟優勢

冷作彎管在核能電廠建設與維修中具有顯著的經濟誘因：

  1. 減少銲接需求：每一個彎管取代一個標準彎頭，意味著減少了兩道環口銲道（Girth Welds）。這不僅節省了銲接工時與材料，更重要的是消除了兩個潛在的洩漏點及後續在役檢查（In-Service Inspection, ISI）的檢測點 5。
  2. 施工彈性：現場冷彎可根據實際佈管需求調整角度（如非標準的45度或90度），解決現場干涉問題。
  3. 流體阻力優化：大半徑彎管（如5D）理論上比標準彎頭（1.5D）具有更低的流阻係數，有助於降低泵浦揚程需求。

然而，這些優勢伴隨著材料性能的代價。冷作過程是一種劇烈的塑性變形，管材外弧側（Extrados）受拉伸導致壁厚減薄，內弧側（Intrados）受壓縮導致壁厚增厚，且截面不可避免地發生橢圓化（Ovality）變形 6。更關鍵的是，冷作硬化（Strain Hardening）效應顯著提高了材料的降伏強度與硬度，卻犧牲了延展性與韌性，並在管壁內留存了極高的殘餘應力。

三、 法規標準與熱處理機制區辨：PBHT 與 PWHT

核能級管線的設計與製造受到嚴格的法規監管。在探討熱處理規範時，必須嚴格區分冷彎後熱處理（PBHT）與銲後熱處理（PWHT），兩者雖同為熱處理，但其目的與觸發條件完全不同。

3.1 銲後熱處理 (PWHT) 與 冷彎後熱處理 (PBHT) 之比較

比較項目 銲後熱處理 (PWHT) 冷彎後熱處理 (PBHT)
全名 Post-Weld Heat Treatment Post-Bending Heat Treatment
主要目的 1. 消除銲接過程產生的熱應力

 

2. 回火熱影響區 (HAZ) 的硬化組織

 1. 恢復因冷作塑性變形而喪失的延展性與韌性

 

2. 消除冷作硬化 (Work Hardening)
控制參數 (觸發條件) 主要依據 材料厚度 (Thickness) 與 P-No (材料編號)。例如：碳鋼厚度 > 19mm (或 25mm) 通常強制 PWHT。 主要依據 應變量 (Strain %) 與 幾何變形。例如：纖維伸長率 > 5% 時，需評估是否進行 PBHT。
ASME 引用章節 Section III NB-4620 / B31.1 Table 132 Section III NB-4212, NB-4652 / B31.1 Para 129.3

 

3.2 ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) Section III 分析

3.2.1 應變極限值與 PBHT 要求 (Strain Limits)

ASME Section III, Subsection NB-4212 規定，冷作成型（Cold Forming）的關鍵在於控制材料的應變量。

  • 碳鋼 (Ferritic Steels)：若冷彎造成的極限纖維伸長率（Extreme Fiber Elongation）超過 5%，則可能需要進行 PBHT。應變ε的估算公式如下：

ε=100*r/R
其中 r為管子半徑，R為彎曲半徑。

  • 不銹鋼 (Austenitic Stainless Steels)：NB-4652 提供了較寬鬆的豁免條款。通常在應變小於 20% 且滿足特定條件下（如非腐蝕環境），法規允許免除熱處理。然而，這成為了核電廠 IGSCC 頻發的法規漏洞。

3.2.2 尺寸公差：真圓度與減薄

冷彎過程造成的截面變形受 NB-4223.2 規範。法規要求彎曲後的真圓度偏差（Ovality）不得超過 8%，且管壁減薄（Wall Thinning）必須受到控制，確保彎管外弧側的剩餘壁厚仍大於設計壓力所需的最小壁厚。

3.3 法國 RCC-M 規範之比較分析

RCC-M 規範在冷作彎管的管控上，強調「製程驗證」(Production Validation)，傾向透過模擬件 (Mock-up) 驗證製程參數是否損害材料，而非單純依賴應變數值，這與 ASME 的應變極限值判定法有所不同。

四、 材料特性變化與殘餘應力機制 (Material Characteristics and Residual Stresses)

冷作彎管不僅改變了管線幾何，更是一場劇烈的冶金狀態改變過程。

4.1 殘餘應力分佈機制 (Residual Stress Distribution)

冷作過程中，管材截面經歷了不均勻的彈塑性變形。

  • 周向應力（Hoop Stress）：彎管的內弧側受擠壓呈現殘餘壓應力；但中性軸與外弧側則殘留顯著的殘餘張應力（Residual Tensile Stress）。
  • 應力腐蝕的溫床：殘餘張應力是應力腐蝕龜裂（SCC）的三大要素之一。若彎管未經適當的 PBHT 消除應力，其內表面的殘餘張應力將成為 SCC 的驅動力。

4.2 加工硬化與微觀組織改變

  • 硬度異常：台電綜合研究所（TPRI）分析發現，冷彎區域的維氏硬度（Vickers Hardness）可飆升至 HV 240~300。高硬度意味著延展性（Ductility）喪失。
  • 麻田散鐵相變：304/316 不銹鋼在冷作下會誘發麻田散鐵相變（Strain-Induced Martensite），這會降低材料的抗腐蝕能力。

五、 流體動力學影響：流體加速腐蝕 (FAC) 與沖蝕

冷作彎管的幾何特徵直接影響管內流場。不同於標準彎頭（1.5D），冷作彎管（>3D）雖然半徑較大，但其截面橢圓化（Ovality）會破壞邊界層穩定性。此外，彎管常與閥門或三通緊密連接，產生的擾動流（如旋流）進入彎管後被放大，加劇了流體加速腐蝕（FAC）與沖蝕腐蝕（Erosion-Corrosion）的風險。

六、 台灣核能電廠實際運轉失效案例分析 (Case Studies in Taiwan NPPs)

6.1 核一廠 (Chinshan, BWR)：再循環管線 IGSCC

核一廠早期再循環管線採用 304 不銹鋼。由於冷作施工引入的殘餘應力（未做 PBHT）加上材料敏化，導致多處發生 IGSCC。這證實了僅依賴 ASME 對不銹鋼寬鬆的 PBHT 豁免標準（<20% 免熱處理）在 BWR 環境下是不足的。

6.2 核二廠 (Kuosheng, BWR)：噴射泵與飼水系統

  • 噴射泵感測管線龜裂：小口徑不銹鋼管因現場冷彎未進行 PBHT，保留了高硬度與殘餘應力，在流體振動（FIV）下發生腐蝕疲勞與 IGSCC 複合失效。
  • 飼水系統 FAC：冷彎造成的橢圓化區域成為 FAC 減薄的熱點，顯示幾何形狀偏差對流場的影響。

6.3 核三廠 (Maanshan, PWR)：抽氣蒸汽管線破裂

核三廠曾發生抽氣蒸汽管線破裂事件。失效機制為沖蝕-腐蝕。破裂位置位於彎管外弧側。冷作彎管內表面的應力集中與微觀粗糙度，配合濕蒸汽的高速衝擊，導致減薄速率遠超預期。此案例突顯了 PBHT 對於消除表面應力集中的重要性。

七、 老化管理策略 (Aging Management Strategies)

台電發展了結合 UT Grid（網格化超音波測厚）、PEC（脈衝渦電流）以及本土化 ToSPACE 3D 管理系統的綜合策略。特別是 ToSPACE 系統，能整合 3D 模型與檢測數據，精準定位冷作彎管的幾何不連續處，彌補了早期通用軟體（如 CHECWORKS）的不足。

八、 台電綜合研究所 (TPRI) 失效分析洞察

TPRI 的分析指出，失效管件在冷彎區域的硬度異常偏高（HV 240~300），證實其未經適當熱處理。在裂縫尖端檢測到的硫與氯元素，顯示了環境腐蝕介質與冷作殘餘應力的協同效應（SCC）。

九、 結論與建議 (Conclusion and Recommendations)

綜合上述法規、理論與台灣核電廠的實務經驗，本研究得出以下結論與建議：

  1. 區分 PBHT 與 PWHT：工程規範必須明確區分冷彎後熱處理（PBHT）與銲後熱處理（PWHT）。不可混用兩者的豁免標準（例如誤用銲接的厚度標準來豁免彎管的熱處理）。
  2. 收緊 PBHT 標準：ASME 法規中對不銹鋼冷彎應變小於 20% 免熱處理的規定，在核能應用（特別是 BWR 環境）風險過高。
  3. 建議事項：
    • 新設/更換管線：在電廠延役或組件更換時，若必須進行現場冷彎，建議針對 ASME 法規中雖允許但具風險之 20% 應變以下情形（特別是不銹鋼材質），仍一律採退應力處理（Stress Relief / Solution Annealing），不應引用法規之豁免條款。此舉旨在徹底消除冷作引入的殘餘應力與麻田散鐵組織，降低 IGSCC 風險。
    • 檢測基準建立：應建立冷作彎管的「初始壁厚」與「初始橢圓度」基準資料，以提升減薄率計算的準確度。

 

表 1：PBHT 與 PWHT 之關鍵差異對照表

特性項目 冷彎後熱處理 (PBHT) 銲後熱處理 (PWHT)
處理對象 塑性變形區域 (Cold Worked Zone) 銲道及熱影響區 (Weld & HAZ)
主要觸發條件 應變率 (Strain %)、幾何變形量 材料厚度 (Thickness)、P-No 分類
物理目的 消除加工硬化、恢復延展性、消除成型應力 回火麻田散鐵、消除銲接熱應力、降低硬度
ASME 關鍵指標 碳鋼 > 5% 應變 (特定條件)

不銹鋼 > 20% 應變 (一般建議)

 P-No.1 碳鋼 > 19mm (舊規) 或 25mm (新規)
台灣核電廠建議 建議不銹鋼即使 <20% 應變，仍應實施 PBHT 嚴格遵守 ASME Section III 要求

表 2：台灣核能電廠冷作彎管相關失效機制彙整

電廠 (型式) 系統/組件 失效/老化機制 關鍵影響因子 改善對策
核一廠 (BWR) 再循環管線 IGSCC 冷作殘餘應力 (無 PBHT) + 敏化 更換材質(316NG) + IHSI + 嚴格 PBHT
核二廠 (BWR) 噴射泵感測管 IGSCC / 疲勞 現場冷彎硬化 + 流體振動 應力分析優化 + 固定支架改良
核三廠 (PWR) 抽氣蒸汽管線 沖蝕-腐蝕 濕蒸汽 + 彎管外弧湍流 擴大 UT 檢測範圍 + 材質升級

參考文獻

  1. Piping and Pipeline Bends – EPCM Holdings, https://epcmholdings.com/piping-and-pipeline-bends/
  2. What is elbow in a pipe fitting?, https://www.malleableiron-pipefitting.com/industry-knowledge/what-is-elbow-in-a-pipe-fitting.html
  3. How To Bend Pipes For Pipeline? – YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=EFI4zrc_GNo
  4. What is Induction Bending? Hot Bending vs. Cold Bending. – PipeTec, https://pipetec.ae/induction-bending/what-is-induction-bending-hot-bending-vs-cold-bending
  5. Cost Comparison Charts – Tube-Mac Piping Technologies, https://tube-mac.com/resources/cost-comparison-charts/
  6. application of the asme code sec iii pressure requirements on tight radius out-of-round pipe bends – NC State Repository, https://repository.lib.ncsu.edu/server/api/core/bitstreams/0840ddff-4da9-41ae-8387-d539518e646c/content
  7. comparing cold bending and hot bending in pipe bending – lined pipe, clad pipes, induction bends, Pipe Fittings – Piping System Solutions, https://www.ltdpipeline.com/cold-bending-and-hot-bending-pipe/
購物車