電銲與冷作彎管工法下氫氣管線完整性分析 (Integrity Analysis of Hydrogen Pipelines Under Welding and Cold Bending Fabrication Methods)

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1.  摘要

 

本報告針對氫氣輸送管線在製造過程中採用的電銲（Welding）與冷作彎管（Cold Bending）兩種主要工法，深入分析其所引入的結構性缺陷與微觀冶金變異，如何導致氫致劣化（Hydrogen Degradation）風險，以及相應的工程緩解對策。

電銲工法的風險特徵是集中且明確：其主要高風險點位於熱影響區（HAZ），因快速冷卻形成高硬度的脆性微結構，配合銲接殘餘應力與可擴散氫，極易導致氫致冷裂（Hydrogen Assisted Cracking, HAC） 1。然而，針對此類風險，工程界已發展出高度成熟的緩解措施，如銲前預熱、銲後除氫烘烤（Post Bake, HRHT）和銲後熱處理（PWHT），旨在控制微結構與加速氫擴散 3。

相較之下，冷作彎管工法的風險特徵是分散且隱蔽：它在整個彎曲段引入了廣泛分佈的塑性應變和殘餘應力場 5。這種分散型的缺陷主要表現為高密度的位錯陷阱，促進氫原子在局部區域的長期累積，導致延遲性氫脆（Delayed Hydrogen Embrittlement, DHE）和氫致疲勞裂紋擴展（HA-FCG） 7。雖然冷彎減少了銲接點數量，降低了潛在洩漏路徑，但其殘餘應力場難以通過常規非破壞性檢測（NDT）有效量化，對資產完整性管理（AIM）構成更長期的挑戰。

策略性考量點在於：對於高強度鋼材（如 X80），電銲配合徹底的 PWHT 可能提供更可控且具韌性的結果。對於對冷作敏感的合金（如奧氏體不鏽鋼），冷彎誘發的微結構轉變（如馬氏體）可能導致其對氫的本質抵抗力被徹底破壞 9。因此，風險選擇應依賴於對材料、服務條件和緩解工法效果的量化評估，而非簡單地追求最少的銲縫。

 

2. 氫氣與管線材料的相互作用基礎

 

2.1 氫脆 (HE) 的微觀機制分類與動力學

氫脆（Hydrogen Embrittlement, HE），亦稱氫輔助開裂（Hydrogen-Assisted Cracking, HAC）或氫致開裂（Hydrogen-Induced Cracking, HIC），是一種由於吸收原子氫（Diffusible Hydrogen）導致金屬延展性顯著降低的現象 10。氫原子由於體積小，可以滲透並溶解於固態金屬晶格中，一旦吸收，便會降低裂紋萌生和擴展所需的應力，甚至在遠低於材料屈服強度的應力下引發災難性脆性斷裂 10。

HE 的發生必須同時滿足兩個關鍵條件：一是必須存在可擴散氫，通常來源於製造過程（如銲接時的水分）或服務環境（如電化學腐蝕、酸性環境或高壓氫氣） 10；二是必須存在機械應力場，這可以是外部施加的載荷，也可以是製造過程遺留的殘餘應力 10。研究顯示，對於鋼材而言，HE 的敏感性在室溫附近達到最大，而在高於 150 °C 時多數金屬的敏感性會顯著降低 10。此外，強度等級越高的鋼材（例如屈服強度超過960 MPa 的高強度結構鋼），其延展性和變形能力越差，對 HE 的敏感性也隨之增強 10。

主要的 HE 失效理論包括：

  1. 氫致增強去黏結 (HEDE – Hydrogen Enhanced Decohesion): 該機制認為間隙氫原子聚集在晶界、相界面或應力集中區域，降低了金屬原子間的內聚力，從而使斷裂在較低應力下發生 10。此機制主要適用於氫濃度高且易於擴散的區域 15。
  2. 氫致增強局部塑性 (HELP – Hydrogen Enhanced Localized Plasticity): 此機制認為氫原子促進了裂紋尖端位錯的成核和運動，導致裂紋尖端發生高度局部的塑性變形，並加速了裂紋的傳播 10。

 

2.2 氫陷阱理論與殘餘應力對氫擴散動力學的影響

材料中存在的微結構特徵會捕獲氫原子，這些位置統稱為氫陷阱（Hydrogen Traps）。氫陷阱根據其與氫原子的結合能高低，可分為兩類：

  • 可逆陷阱（Reversible Traps）： 結合能較低，氫原子可以通過適度的熱能（如低溫烘烤）驅動擴散出去。位錯、晶界以及彈性應力場通常屬於此類陷阱 7。
  • 不可逆陷阱（Irreversible Traps）： 結合能高，氫原子難以在低溫下移除，例如大空隙或某些非金屬夾雜物。

殘餘應力在氫服務管線完整性中扮演了雙重角色：它既是啟動 HE 的必要應力因子，同時也是影響氫擴散和分佈的關鍵驅動因素。微結構特徵若處於拉伸彈性應力場中，則會作為有效的氫陷阱，促進氫原子聚集 16。更重要的是，殘餘應力梯度會導致氫原子從低應力區向高應力區擴散，即所謂的氫自聚集效應（Hydrogen Self-Gathering Effect） 17。這種效應使得局部高應力區域（例如銲接熱影響區或冷彎曲的拉伸側）的氫濃度在長期服役中可能遠超平均水平，極大地提高了 HE 敏感性 13。因此，工程設計必須考慮到應力場對氫動力學的動態影響。

 

3. 電銲工法：集中型風險與HAZ的冶金缺陷

 

電銲工藝在管線連接上提供高強度和密封性，但其固有的熱循環特性在高強度鋼（如 X70, X80）中產生了獨特且集中的劣化風險區域：熱影響區（HAZ）。

 

3.1 熱影響區的微結構變異與硬度控制

銲接過程中，HAZ 經歷快速加熱和冷卻，若冷卻速率過快，會導致形成高硬度、低延展性的脆性微結構，例如淬火馬氏體（Martensite）或特定的貝氏體結構 1。這些脆性相在鋼材中創造了高敏感區域，極易在氫氣和殘餘應力作用下發生 HAC 1。

對高強度管線鋼（HSLA）的研究顯示，微結構形態對氫脆敏感性具有決定性的影響。例如，在 X80 管線鋼中，若熱處理導致形成拉長狀貝氏體（Lath Bainite, LB），其氫脆敏感性（HE Index）顯著高於粒狀貝氏體（Granular Bainite, GB）或鐵素體/珠光體（Ferrite/Pearlite, F/P）結構 19。拉長狀貝氏體結構中的馬氏體/奧氏體（M/A）成分提供了大量的氫陷阱位點，且HIC裂紋傾向於沿 M/A 成分界面擴展 20。

這種微結構敏感性的差異突顯了優化銲接工藝的重要性。由於銲後熱處理（PWHT）成本高昂且在現場實施困難，工程師必須在**銲接程序規格（WPS）**中，通過精確控制熱輸入和冷卻速率，作為防止 HAC 的第一道防線。目標是避免形成 LB 或過量的馬氏體，轉而生成對氫脆抵抗力較強的針狀鐵素體（Acicular Ferrite）或粒狀貝氏體，即使在無 PWHT 的情況下，也能確保 HAZ 具有足夠的韌性 18。

 

3.2 銲接殘餘應力與氫致冷裂 (HAC) 機制

銲接是典型的非均勻加熱和冷卻過程，導致熱脹冷縮受周圍冷金屬限制，並伴隨固態相變引起的體積變化，最終在銲縫區及其相鄰 HAZ 形成高強度的拉伸殘餘應力 17。這些應力峰值（尤其是內表面的軸向和環向拉伸應力）是 HAC 啟動的關鍵驅動因素。

HAC 是一種延遲性失效模式，通常在銲接完成後數小時至數天內發生，這是因為原子氫需要時間擴散到高應力集中區域 10。對於高強度管線（如 X-70 和 X-80），已有多起案例顯示 HAC 導致的銲縫洩漏和裂紋，有些甚至在最終的水壓測試階段才被發現 22。這些失效主要發生在已修復的銲縫、或使用纖維素焊條的手工銲縫，均與氫輔助開裂有關 22。

在厚壁管或重型板材的多道銲接中，銲接殘餘應力不僅是靜態的風險因子，它還積極地影響氫的再分佈動力學 23。數值模擬顯示，固態相變（SSPT）會顯著改變應力場，通常會降低焊縫金屬（WM）的殘餘應力，但同時增加 HAZ 的應力水平 17。在應力梯度的作用下，氫原子被驅動聚集在特定深度（如 20–30 mm），長時間保持高濃度，極大地加劇了該區域的冷裂敏感性 17。因此，殘餘應力的影響對於預測裂紋的萌生和疲勞壽命至關重要 8。

 

4. 銲接氫風險的工程緩解對策

 

為了有效控制電銲工藝帶來的集中型風險，工程界依賴一套標準化的熱處理流程，這些流程旨在控制微結構的生成和移除可擴散氫。

 

4.1 預熱與除氫烘烤 (Preheat and Post Bake / HRHT)

預熱 (Preheating) 是銲接前和銲道間對母材施加熱量的過程 24。其主要目的有三：一是驅散基材上的水分，減少氫的引入源頭 24；二是降低銲接區域的冷卻速率，從而減少熱應力的產生，並抑制高硬度脆性相的形成；三是增加原子氫在金屬中的擴散係數，幫助氫在銲後擴散出去 24。

除氫烘烤 (Post Bake)，亦稱作烘烤除氣（Degassing）或氫移除熱處理（HRHT），是一種在預熱完成、銲接結束後，立即進行的低溫熱處理，通常在正式的 PWHT 之前實施 3。烘烤的機制是通過熱膨脹，在分子層面上加速可擴散氫原子從 HAZ 擴散出材料 3。典型的烘烤溫度範圍較為溫和，如180∘C 至 300∘C，保溫時間則取決於材料厚度和接頭幾何形狀 12。數值模擬和實驗結果證實，HRHT 對於快速顯著減少高強度結構鋼銲接接頭中的氫濃度是十分有效的，尤其是在具有複雜幾何形狀的搭接接頭（Lap Joints）中 14。

 

4.2 銲後熱處理 (PWHT) 的多重效益與策略意義

銲後熱處理（PWHT）是一種更全面、更高溫的熱處理循環，旨在恢復材料特性並消除潛在的風險源 25。

PWHT 的核心目標包括：

  1. 應力釋放： 將組件加熱到奧氏體相變點以下的高溫，通過蠕變（Creep）機制，將銲接引入的宏觀拉伸殘餘應力降低至可接受的水平，從而降低脆性破壞和應力腐蝕開裂（SCC）的風險 21。
  2. 微結構優化： 對 HAZ 的脆性微結構進行回火（Tempering），顯著降低硬度，改善韌性，提高延展性 4。
  3. 長期氫移除： 雖然 PWHT 溫度高於 Post Bake，其長程保溫有助於進一步促進殘餘氫的擴散和移除 27。

在氫服務環境中，PWHT 的戰略意義極為重大。雖然 ASME B31.12 等規範對 PWHT 規定了基於材料和厚度的豁免條件 28，但對於要求長期可靠性的氫服務管線而言，PWHT 不僅是遵循規範，更是一種微結構恢復和固有抗 HE 能力強化的措施。例如，傳統天然氣管線通常不進行 PWHT，如果將這些管線轉換為高壓氫氣服務，其銲縫高應力區域發生氫致開裂的風險將急劇增加 31。因此，即使滿足豁免條件，對於高強度或高疲勞載荷的關鍵管線，執行 PWHT 仍是確保長期資產完整性的必要投資。

下表總結了不同熱處理措施的主要目標和作用機制：

Table 4-1: 氫移除與應力釋放熱處理參數與目標比較

熱處理類型 工藝目標 典型溫度範圍 氫去除機制 微結構效益
預熱 (Preheat) 減緩冷卻速率、防止冷裂 100∘C – 250∘C 提高氫擴散率、驅散銲前濕氣 抑制高硬度馬氏體形成
除氫烘烤 (Post Bake / HRHT) 銲後立即移除可擴散氫 180∘C – 300∘C 加速原子氫擴散出金屬 輕微應力釋放、防止延遲開裂
銲後熱處理 (PWHT) 釋放殘餘應力、回火微結構 595∘C – 760∘C 長程氫擴散、降低氫溶解度 顯著降低硬度、提高韌性、延展性

 

5. 冷作彎管：分散型風險與塑性變形區的挑戰

 

冷作彎管雖然能減少銲接接頭數量，但它在管線中引入了一個更廣泛、更難以量化和控制的劣化區域，其風險因子主要源於塑性應變和殘餘應力。

 

5.1 冷加工誘發的殘餘應力場與應變硬化

冷作彎曲過程迫使金屬發生非均勻塑性變形。在彎管的外側（Extrados），材料經歷拉伸應變和壁厚減薄；在內側（Intrados），材料經歷壓縮應變 5。這種不均勻的變形不可避免地在管壁內形成了複雜分佈的固有殘餘應力場 5。

殘餘拉伸應力是誘發 HE 的關鍵驅動力 13。在冷彎件中，這些殘餘應力會與管線運行中的服務應力（如內部壓力、流體動力或外部土壤載荷）疊加 5。這種疊加效應可能導致局部淨應力在特定高風險點（如外側）遠超材料的設計限值，從而加速延遲性氫脆的發生。

由於冷彎殘餘應力場的分佈梯度和複雜性，傳統的應力計算方法難以準確評估其量值。因此，工程實務必須依賴非線性有限元素分析（FEA）來準確預測殘餘應力和塑性應變分佈 6。這些數值模型是評估管件長期完整性和進行裂紋穩定性分析的基礎 34。

 

5.2 塑性應變與氫擴散動力學：位錯陷阱效應

冷加工導致金屬內部發生應變硬化，主要體現在晶格內引入了高密度的位錯（Dislocations）7。這些位錯本身作為主要的可逆氫陷阱，能夠捕獲氫原子 35。

位錯和塑性應變對氫脆的影響具有複雜的動力學特徵：

  1. 局部氫累積： 位錯密度增加會阻礙氫原子的宏觀擴散，但同時也為氫原子提供大量的低能位點進行聚集 35。研究顯示，在殘餘塑性應變輔助下，儘管短期內氫擴散可能減慢，但若長期暴露於氫服務環境，局部累積的氫濃度最終會顯著高於僅有應力作用的區域 7。
  2. 氫輔助運動： 在機械應力作用下，位錯可以隨氫原子一起運動（HELP 機制），這使得冷彎區域的氫脆行為不僅受靜態平衡下的氫濃度控制，還受到應變速率和位錯運動動力學的影響 35。這種依賴動力學的複雜行為，使得冷彎件的延遲性氫脆（DHE）和氫致疲勞裂紋擴展（HA-FCG）的長期壽命預測變得極為困難和不確定。

 

5.3 材料特異性：奧氏體與雙相不鏽鋼的冷作風險

對於某些高合金材料，冷加工不僅引入應力，更會不可逆地改變材料對氫的本質抵抗力。

  1. 奧氏體不鏽鋼（ASS）： 傳統上，奧氏體不鏽鋼（如 304L, 316L）因其面心立方（FCC）晶體結構，具有較低的氫擴散係數和相對較好的 HE 抵抗力 36。然而，冷作引起的塑性應變會誘發奧氏體相轉變為對 HE 高度敏感的馬氏體（α′-martensite），這種體心立方（BCC）結構不僅本身更脆，而且允許氫原子更快速地擴散 9。因此，冷彎製程直接破壞了奧氏體鋼在氫服務中的固有優勢，使冷彎區域成為極高風險點 9。
  2. 雙相不鏽鋼（DSS）： 雙相不鏽鋼（如 2205）的 HE 抵抗力介於敏感的鐵素體鋼和較抵抗的奧氏體鋼之間 36。冷作或不當的熱處理可能導致 DSS 兩相平衡失調，使其對氫致應力開裂（HISC）或腐蝕疲勞變得敏感 38。

因此，對於這些高合金材料，若必須採用冷彎工藝，則應視為引入了冶金缺陷，必須考慮後續的高溫退火或應力消除熱處理，以消除誘發的馬氏體，恢復其原始的抗 HE 性能 9。

 

6. 冷作彎管風險的緩解、檢測與工程決策

 

6.1 應力釋放熱處理 (SRT) 對冷彎件的應用

為了緩解冷作彎管引入的殘餘應力和位錯陷阱，應力釋放熱處理（Stress Relief Heat Treatment, SRT）是關鍵對策。SRT 的作用原理是將組件加熱到足以激活蠕變（Creep）機制的溫度，但遠低於 PWHT 的溫度，從而有效降低冷加工引入的宏觀殘餘拉伸應力 39。

定量研究顯示，高溫 SRT 可以有效地將初始殘餘應力值降低 50% 或更多 40。即使是較低溫的處理，例如在175∘C 下保溫 1 小時，也被證實能有效最小化某些合金的殘餘應力 41。然而，工程師在選擇 SRT 參數時，必須仔細權衡，因為高溫長時間的處理可能會導致材料強度略微降低，例如屈服強度和抗拉強度可能減少9.5% 到 19% 之間 41。因此，SRT 必須是定制化的熱機（Thermo-mechanical）過程，以在最大限度降低應力的同時，維持必要的機械性能。

 

6.2 NDT 與完整性管理 (AIM) 的挑戰

在氫服務管線的完整性管理中，電銲與冷彎管件的檢測難度存在根本性差異：

  1. 電銲區： 銲接缺陷（如 HAC 裂紋）是局部的，可利用成熟的 NDT 技術（如超聲波、射線檢測）進行定位和評估 22。同時，硬度測量（依據
    22 HRC 的標準）可以作為 HAZ 微結構是否需要進一步熱處理的快速篩選指標 42。
  2. 冷彎區： 冷彎風險在於廣泛分佈且梯度複雜的殘餘應力場 6。傳統 NDT 無法直接測量應力，而用於殘餘應力量化的非破壞或半破壞性方法（如X射線衍射）難以大規模應用於現場管線 6。

因此，對於冷彎件，資產完整性管理必須從被動的缺陷檢測轉變為主動的應力場評估。這要求在設計和製造驗證階段，強制使用 FEA 數值模擬來預測和確認殘餘應力的分佈和消除效果 34。

此外，氫氣環境中對管線鋼的最大威脅之一是氫致疲勞裂紋擴展（HA-FCG） 8。在循環載荷環境下，冷彎引入的殘餘拉伸應力會提高局部應力強度因子範圍 (ΔK)，導致裂紋擴展速率在氫氣中顯著加快 8。這使得冷彎管件在疲勞敏感的氫服務中，即使應力絕對值不高，其長期服役壽命也可能受到嚴重挑戰。

 

6.3 策略性權衡與工程決策思維

電銲與冷作彎管的選擇，實質上是「局部可控高風險」與「廣泛難測低風險」之間的策略選擇。

Table 6-1: 電銲與冷作彎管在氫服務環境下的危害因子與對策比較

 

特性 電銲 (Welding) – 集中風險 冷作彎管 (Cold Bending) – 分散風險 風險管理重點
風險區域 HAZ：體積小、缺陷集中 彎曲段：廣泛分佈、應力場複雜 可預測性高 vs. 廣泛性
主要危害因子 脆性微結構 (LB/M-A)，高拉伸殘餘應力峰值 塑性應變硬化、高密度位錯/氫陷阱、誘發相變 冶金缺陷 vs. 機械損傷/動力學
典型失效模式 氫致冷裂 (HAC) 或銲後延遲開裂 延遲性氫脆 (DHE) 、氫致疲勞裂紋擴展 (HA-FCG) 急性/局部失效 vs. 慢性/廣泛劣化
標準對策 PWHT（硬度與應力控制）、Post Bake（H 移除） 嚴格的彎曲參數控制、SRT（應力釋放） 標準化/流程化 vs. 定制化/建模化
檢測難度 局部缺陷 NDT 成熟；硬度易測量 殘餘應力場難以非破壞性量化 必須依賴數值模擬驗證 6

 

7. 結論與最終建議

 

本分析的核心結論是，無論採用電銲或冷作彎管，氫服務管線的完整性管理都必須超越傳統的設計和檢測範疇，全面納入氫動力學、微結構敏感性和殘餘應力場的綜合評估。

 

7.1 工程決策的最終權衡與準則

  1. 針對高強度鋼材 (HSLA)： 由於 HSLA 鋼材（如 X80）對微結構硬度和脆性相的 HE 敏感性極高 20，電銲工藝引入的風險必須通過強制 PWHT 來徹底緩解，確保微結構回火和殘餘應力清除 27。如果選擇冷彎，必須對材料進行詳細的應變敏感性分析，並嚴格執行 SRT。
  2. 針對疲勞與循環載荷環境： 在存在顯著壓力循環或熱循環的服務環境中，冷彎引入的殘餘拉伸應力對 HA-FCG 的促進作用是極高風險因素 8。在此類應用中，電銲配合 PWHT 是消除應力、確保長期疲勞完整性的首選策略，即使這意味著更多的銲縫。
  3. 針對特殊合金： 若使用奧氏體不鏽鋼或雙相不鏽鋼，冷彎製程應被視為高度破壞性的工藝，因為它可能誘發對 HE 高度敏感的馬氏體相變 9。對於這類材料，應優先考慮熱彎或感應彎曲，或在冷彎後執行高溫退火處理，以恢復材料的固有抗 HE 能力。

 

7.2 對資產完整性管理 (AIM) 總結的建議

  1. 差異化熱處理的嚴格執行： 建立分級熱處理策略。對於所有銲接接頭，必須區分並實施 HRHT（針對氫移除）和 PWHT（針對應力釋放和微結構回火）的必要性，並根據 ASME B31.12 等標準，對高厚度和高強度材料採取最嚴格的熱處理流程 29。
  2. 強制冷彎應力場建模： 對所有冷作彎管，要求供應商提供經過驗證的非線性有限元素分析（FEA）模型，以量化殘餘應力和塑性應變分佈 34。這些模型必須作為管線驗收和長期完整性評估的基礎數據。
  3. 應力釋放處理的標準化： 將冷彎後的應力釋放熱處理（SRT）視為關鍵工藝步驟。SRT 參數必須基於 FEA 預測，旨在將殘餘拉伸應力降低到無助於 HA-FCG 的閾值以下 40。
  4. 整合氫動力學與檢測： 由於冷彎殘餘應力的難以檢測性，完整性方案應側重於通過 FEA 預測最高應力/應變區域，並在這些區域進行延遲檢測或定點取樣，以驗證是否發生了顯著的氫累積和微觀結構劣化。最終，管線設計的選擇應基於風險控制與可測性之間的平衡，確保所有潛在的氫致劣化風險均處於可控和可驗證的範圍內。

 

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