新建或升級改造 CCPP 機組採用冷作彎管工法於低壓濕蒸氣、冷再熱及疏水系統之深度分析報告 (In-depth Analysis Report on the Application of Cold Bending Processes in Low-Pressure Wet Steam, Cold Reheat, and Drainage Systems for New and Retrofitted CCPP Units)

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一、   緒論

隨著全球能源結構的轉型，燃氣蒸汽聯合循環發電廠（Combined Cycle Power Plants, CCPP）的角色已從單純的基載電力供應，轉變為需頻繁配合再生能源波動進行快速升降載與啟停的靈活調節電源。這種劇烈的操作模式轉變，使得電廠管線系統——特別是熱回收鍋爐（HRSG）與汽機島（Power Island）之間的連接管線——面臨前所未有的熱應力循環與化學環境挑戰。其中，流動加速腐蝕（Flow-Accelerated Corrosion, FAC）已成為導致碳鋼管線壁厚減薄、洩漏甚至災難性破裂的主要失效機制。針對新建或升級改造的 CCPP 機組，如何透過先進的管線製造工法來從根本上抑制 FAC，已成為工程設計與資產管理的核心議題。本研究報告旨在詳盡分析在「低壓（LP）濕蒸氣系統」、「冷再熱（CRH）系統」及相關「疏水（Drain）系統」中，優先採用「冷作彎管（Cold Bending）」工法替代傳統銲接彎頭（Welded Elbows）或熱感應彎管（Hot Induction Bends）的技術可行性、流體動力學優勢、法規合規性及長期經濟效益。

研究表明，FAC 的發生速率受流體動力學（流速、湍流強度）、水化學（pH、溶氧量）及材料特性（鉻含量、微觀結構）的三重交互作用控制 1。在傳統設計中，管線轉向多採用標準對接銲彎頭（R=1.5D），其幾何不連續性及銲道背環（Backing Rings）所引發的局部湍流，是導致下游邊界層分離與傳質係數（Mass Transfer Coefficient）劇增的主因，進而造成嚴重的局部減薄 3。相比之下，冷作彎管工法利用室溫下的機械塑性變形，能夠製造出曲率半徑更大（R≧3D）、內表面更為光潔（低 Ra 值）且無銲縫干擾的連續管段。

本報告的深入分析揭示了冷作彎管在抑制 FAC 方面的多重機制：首先，連續的幾何形狀消除了銲縫處的渦流脫落（Vortex Shedding），維持了穩定的邊界層；其次，冷加工過程對內表面的「熨平」效應顯著降低了表面粗糙度，進而降低了摩擦速度與傳質速率 5；第三，適度的冷加工硬化（Strain Hardening）提升了材料表面的硬度，增強了對濕蒸氣中液滴衝擊（Liquid Droplet Impingement, LDI）的抵抗能力，這在兩相流環境中尤為關鍵 7。

特別針對 8 英吋（NPS 8）以下 的管線，本報告新增了專項分析。此尺寸範圍涵蓋了絕大多數的疏水、排氣及低壓連通管路。研究建議在此範圍內採用 工廠預製（Shop Fabrication） 的冷作彎管策略。這不僅能規避承插銲（Socket Weld）帶來的固有縫隙腐蝕風險，更能透過工廠內的精密管控與清潔度管理，確保管線在安裝前即達到最佳的抗 FAC 狀態。同時，利用 ASME B31.1 對於小管徑碳鋼免除 彎後熱處理（PBHT） 的規定，可大幅降低施工成本與週期。

基於全生命週期成本（LCC）與風險管理視角，本報告建議：在新建或改造 CCPP 項目中，對於管徑是 NPS 8 以下的低壓濕蒸氣與疏水管路，應強制優先採用 工廠預製 的冷作彎管工法，並配合嚴格的幾何與硬度控制；對於大管徑冷再熱管線，則建議其相關的旁路與疏水管採用冷彎。針對 P91 等高合金材料，則建議採取 增大彎曲半徑（R 值） 的策略以降低應變，從而規避昂貴的 N+T 熱處理。此策略將顯著減少現場銲口數量，降低檢測成本，並從設計源頭最大限度地消除 FAC 隱患。

二、 緒論：CCPP 管線系統面臨的現代挑戰與 FAC 威脅

2.1 全球能源轉型下的 CCPP 運行模式變遷

現代電力市場中，再生能源（風能、太陽能）滲透率的提高迫使燃氣蒸汽聯合循環機組（CCPP）改變其運行策略。傳統的「基載（Base-load）」模式已被「循環運行（Cycling Operation）」所取代。機組必須能夠快速啟動、頻繁停機，並在低負載（Low Load）下長時間運行。這種操作模式對管線系統產生了深遠影響：

  • 熱循環衝擊： 頻繁的溫度變化導致管線膨脹與收縮，增加了銲縫與支吊架的機械應力。
  • 化學環境波動： 啟停機過程中的水質控制難度增加，特別是溶氧量與 pH 值的波動，可能破壞管線內壁的保護性氧化膜 2。
  • 濕蒸氣區域擴大： 在低負載或啟機階段，原本設計為過熱蒸汽的管段（如冷再熱管線）可能出現濕度，使其短暫進入兩相流 FAC 的高風險區 9。

2.2 流動加速腐蝕（FAC）：隱形的管線殺手

流動加速腐蝕（FAC）是指碳鋼或低合金鋼表面的保護性氧化層（通常為磁鐵礦Fe3O4）在流動流體的化學溶解與機械剪切雙重作用下，發生快速減薄的現象。與一般的銹蝕不同，FAC 會導致管壁在大面積區域內均勻或局部快速變薄，往往在毫無預警的情況下發生破裂 1。

歷史上，FAC 曾導致多起嚴重事故，最著名的是 1986 年美國 Surry 核電廠的冷凝水管線破裂事故（造成 4 人死亡）2，以及 2004 年日本美濱（Mihama）核電廠的管線破裂事故（造成 5 人死亡）11。這些事故的共同點在於，失效點多位於彎頭、孔板下游或其他幾何形狀劇烈變化的區域，且流體處於高湍流狀態。這些慘痛教訓促使 EPRI 等機構開發了 CHECWORKS 等預測軟體，並強調了「幾何形狀管理」在 FAC 防治中的關鍵地位 12。

2.3 研究目標與範圍界定

本報告聚焦於 CCPP 中三個 FAC 風險最高的子系統，分析冷作彎管工法的適用性：

  1. 低壓濕蒸氣系統（LP Wet Steam）： 位於 HRSG 低壓蒸發器出口至低壓汽包，以及低壓過熱器入口。此處溫度通常在 150°C 左右，恰好處於磁鐵礦溶解速率的峰值區間，且流體為氣液兩相流，FAC 敏感度極高 1。
  2. 冷再熱系統（Cold Reheat, CRH）： 連接汽機高壓缸（HP）排氣至 HRSG 再熱器。雖然主要輸送過熱蒸汽，但在啟動、低負載及噴水減溫操作下，管內可能出現液滴，且其龐大的管徑與複雜的佈置使得應力集中問題突出 9。
  3. 疏水系統（Drain Systems）： 作為連接各級蒸汽管線至冷凝器或疏水箱的通道，疏水管承受著極端的壓力降與流速。閃蒸（Flashing）現象導致流體體積急劇膨脹，流速往往達到亞音速甚至音速，是電廠中洩漏頻率最高的部件 15。

本研究將通過對比分析「冷作彎管（Cold Bending）」與傳統「對接銲彎頭（Butt-welded Elbows）」及「熱感應彎管（Hot Induction Bends）」在流體力學性能、材料微觀結構演變、製造工法限制及法規合規性等方面的差異，論證為何在上述系統中應優先採用冷作彎管。

三、 流動加速腐蝕（FAC）的物理化學機制與幾何效應深度解析

要理解為何冷作彎管能抑制 FAC，必須先深入剖析 FAC 的微觀機制，特別是流體動力學與表面狀態如何影響腐蝕速率。

3.1 磁鐵礦層的溶解動力學

在無氧或低氧的高溫水中，碳鋼表面會生成一層雙層結構的氧化膜：內層為緻密的尖晶石結構磁鐵礦（Magnetite, Fe3O4），外層為較疏鬆的磁鐵礦晶體。FAC 的本質是這層保護膜的生成速率小於其在流體中的溶解速率 1。

FAC 的質量損失速率（m•FAC）可用以下簡化模型描述：

m•FAC = k•Ceq – Cbulk

其中：

  • Ceq：磁鐵礦在金屬-氧化物介面的飽和溶解度。這主要取決於溫度（150°C 時最高）和 pH 值（pH 越低溶解度越高）1。
  • Cbulk：流體主體中的鐵離子濃度。
  • k：傳質係數（Mass Transfer Coefficient）。這是本報告關注的核心，因為它直接受管線幾何形狀與流體狀態控制。

3.2 傳質係數 (k) 與湍流強度的關聯

傳質係數 k 描述了溶解的鐵離子穿過邊界層（Boundary Layer）進入流體主體的能力。根據 Colburn 類比，傳質係數與流體的雷諾數（Re）和施密特數（Sc）相關：

Sh = k•Dh/Diff= a • Reb • Scc • Kc

其中 Kc為幾何形狀因子。

  • 湍流效應： 在高雷諾數流動中，湍流強度的增加會破壞層流底層（Viscous Sublayer），使邊界層變薄，從而大幅提高 k值。
  • 幾何突變： 彎頭、銲縫、背環等幾何不連續處，會引發流體分離（Flow Separation）與再附著（Reattachment）。在再附著點，湍流動能達到峰值，傳質係數可比直管段高出數倍甚至一個數量級 7。

3.3 表面粗糙度（Surface Roughness）的微觀影響

表面粗糙度（通常以 Ra值表示）在 FAC 機制中扮演著常被忽視但極為關鍵的角色。

  1. 物理擾動： 粗糙表面的微觀凸起（Asperities）會伸入流體的層流底層，產生微觀渦流，增加局部摩擦速度（Friction Velocity, u*）。研究顯示，表面粗糙度從 6 微米增加到 60 Grit 等級，可顯著改變流體在介面處的潤濕時間與傳質效率 20。
  2. 氧化膜穩定性： 粗糙表面不利於形成連續、緻密的氧化膜。微觀的凹坑容易成為點蝕（Pitting）的起始點，並在剪切力作用下擴展 6。
  3. CHECWORKS 模型： 在 EPRI 的 CHECWORKS 軟體及其他預測模型（如 Kastner 模型）中，管線粗糙度是計算幾何增強因子的重要輸入參數。光滑的表面能顯著降低預測的磨損速率 21。

3.4 幾何形狀因子（Geometry Factor）的量化差異

EPRI CHECWORKS 數據庫與實驗室數據明確區分了不同幾何形狀的 FAC 風險等級。

  • 標準彎頭（R=1.5D）： 由於曲率半徑小，流體通過時產生強烈的離心力，導致外拱側（Extrados）出現強烈的二次流（Dean Vortices），將低濃度的流體不斷輸送至管壁，維持高濃度梯度。
  • 大半徑彎管（R≧3D）： 隨著曲率半徑增大，流動更加平緩，流體分離現象減少。數據顯示，5D 彎管的幾何因子顯著低於標準彎頭，這意味著在相同工況下，其 FAC 壽命更長 11。
  • 背環（Backing Rings）： 這是最惡劣的幾何形式。背環突出於管內壁，形成類似孔板的效應，在銲縫下游產生劇烈的湍流尾跡（Turbulent Wake），是眾多 FAC 失效的罪魁禍首 3。

四、 管線製造工法的比較分析：為何選擇冷作彎管？

針對 CCPP 管線的轉向需求，工程界主要有三種解決方案：對接銲彎頭、熱感應彎管與冷作彎管。本節將從 FAC 防治角度對其進行深入對比。

4.1 對接銲彎頭（Butt-Welded Elbows）

這是最傳統的工法，即將工廠預製的標準彎頭（通常為90˚ 或45˚）銲接在直管段上。

  • 幾何缺陷： 每個彎頭需要兩道環向銲縫。無論銲接工法如何精良，銲縫處的內表面餘高（Reinforcement）和可能的錯邊（Misalignment）都會造成幾何不連續。
  • 背環問題： 為了便於現場組對，小管徑管線常使用背環。如前所述，背環是 FAC 的強烈誘發源 23。
  • 表面狀態： 彎頭通常為熱成型或鑄造，表面粗糙度較高，且銲縫熱影響區（HAZ）的微觀結構與母材不同，易發生電化學腐蝕。

4.2 熱感應彎管（Hot Induction Bending）

利用中頻感應加熱圈將管材局部加熱至奧氏體化溫度（850°C-950°C），並由機械臂推動進行彎曲 24。

  • 氧化皮（Oxide Scale）： 高溫加熱必然導致管內壁生成氧化皮。如果這層氧化皮在投運前未被徹底清除（通常需要酸洗或噴砂），它將形成極其粗糙的表面，不僅增加阻力，脫落的氧化皮碎片還可能成為下游設備的固體顆粒侵蝕源（Solid Particle Erosion）26。
  • 微觀結構風險： 雖然熱彎可通過後續熱處理（如正火+回火）恢復性能，但若控制不當，可能在加熱區邊緣形成軟化區或 Type IV 裂紋敏感區 27。
  • 優勢： 適用於極大管徑（可達 NPS 60 以上）和厚壁管，是主蒸汽與熱再熱管線的首選 28。

4.3 冷作彎管（Cold Bending）

在室溫下利用旋轉拉彎（Rotary Draw Bending）或頂彎（Ram Bending）設備，通過模具對管材施加力矩使其塑性變形。

  • 連續性與光滑度： 冷彎是將直管直接加工成彎管，完全消除了轉向處的銲縫。芯棒（Mandrel）與防皺模（Wiper Die）的使用，實際上對管內壁起到了一種「擠壓拋光」的作用，通常能獲得極佳的表面光潔度（Ra 值更低）5。
  • 加工硬化（Work Hardening）的雙刃劍效應：
    • 正面效應： 冷加工增加了位錯密度，提高了材料的表面硬度。在濕蒸氣（兩相流）環境中，這能有效抵抗液滴衝擊（LDI）造成的機械磨損 8。
    • 負面風險： 過度的冷加工可能增加應力腐蝕開裂（SCC）的敏感性，或因晶格畸變增加化學活性。然而，在 FAC 主導的環境中，只要應變控制在一定範圍內（如 ASME 規範），硬化帶來的抗沖蝕效益通常大於其負面影響 32。
  • 幾何精度： 現代數控冷彎機可精確控制回彈（Spring-back），將橢圓度控制在 3-5% 以內，確保流道截面的均勻性 24。

表 4.1：三種彎管工法的技術特徵對比

特徵項目 銲接彎頭 (Welded Elbows) 熱感應彎管 (Hot Induction) 冷作彎管 (Cold Bending)
加工溫度 常溫（銲接局部高溫） > 850°C 常溫（室溫）
幾何連續性 差（銲縫、背環干擾） 優（連續） 極優（連續且光滑）
內表面粗糙度 高（銲縫餘高、錯邊） 中/高（氧化皮，需清理） 低（模具拋光效應）
FAC 幾何因子 高（湍流源） 低 極低（流線型）
應變硬化 無（HAZ 軟化） 無（熱處理消除） 有（提升抗沖蝕性）
銲口數量 多（每處 2 道） 少 無（一體成型）
適用管徑 所有尺寸 中大管徑 (> NPS 10) 優勢 小管徑 (< NPS 8) 優勢
成本 (LCC) 高（檢測、維護費） 中 低（壽命長、維護少）

五、 冷作彎管在 FAC 抑制中的核心優勢論證

基於上述分析，冷作彎管在抑制 FAC 方面展現出獨特的技術優勢，這些優勢在低壓濕蒸氣與疏水系統中尤為關鍵。

5.1 針對 8″ (NPS 8) 以下管線的專項優勢分析

在 CCPP 的低壓與疏水系統中，絕大多數管線的尺寸都在 8 英吋（NPS 8，約 200mm）以下。此尺寸範圍是冷作彎管工法的「黃金應用區」。為了確保最佳的品質與 FAC 防治效果，本報告強烈建議採取 「工廠預製後運輸（Shop Fabrication & Transport）」 的策略，而非現場冷彎：

  1. 徹底消除「承插銲（Socket Weld）」隱患：
    • 問題： 對於 NPS 2 以下的小管徑（疏水管、儀表管），傳統設計常採用承插銲彎頭。承插銲先天存在約1.6mm 的膨脹間隙（Gap），這個死角是腐蝕性液體積聚與縫隙腐蝕（Crevice Corrosion）的溫床，且銲縫根部極易產生應力集中。
    • 冷彎解法： 工廠內的高精度 CNC 冷彎設備可直接將 NPS 0.5 – 2 的管線連續彎曲為立體管軸（Spool），完全不需使用承插配件。這不僅消除了縫隙，還避免了小管徑銲接時常見的銲瘤（Icicles）堵塞流道風險。
  2. 法規上的彎後熱處理（PBHT）豁免優勢：
    • 法規依據： 根據 ASME B31.1 第3.3 節及 46 CFR §56.80-15，對於 P-No. 1（碳鋼）材料，若管徑小於 NPS 4 或壁厚較薄（小於 19mm），且冷彎應變在一定範圍內，通常不需要進行彎後熱處理（Post-Bend Heat Treatment, PBHT）。
    • 經濟效益： 熱感應彎管因加熱至奧氏體化溫度，通常強制要求後續的正常化與回火（N&T）以恢復性能。而 NPS 8 以下的碳鋼冷彎管，因可豁免 PBHT，大幅減少了製造時間、能源成本。
  3. 工廠預製（Shop Fabrication）取代現場冷彎的關鍵理由：
    • 品質控制與環境穩定： 工廠預製能提供穩定的受控環境，杜絕工地風沙、濕氣對管內清潔度的影響。這對 FAC 敏感管線至關重要，因為任何微小的異物或鏽蝕都可能成為湍流的起始點。
    • 高精度與 3D 檢測： 現代化工廠配備有大型 CNC 彎管機與雷射坐標測量儀（CMM）。所有預製管軸在出廠前均可進行精確的 3D 尺寸校核，確保橢圓度（Ovality）與減薄率（Thinning）嚴格符合規範。這是現場移動式彎管設備難以達到的精度。
    • 清潔與封裝： 預製完成的管軸可以在工廠內直接進行酸洗、鈍化及管口封蓋（Capping）。運輸至現場後只需進行少量的對接銲，極大降低了現場異物入侵的風險。

5.2 優化的流體動力學場

FAC 的發生位置具有高度的局部性，通常集中在流體擾動下游的 1-3 倍管徑處。冷作彎管通過提供連續的曲率變化（通常R=3D 或 5D），避免了流體在轉彎處發生劇烈的邊界層分離。

  • 消除死水區與渦流： 平滑的過渡減少了死水區（Dead Zones）的形成，這些區域往往是局部化學環境惡化（如 pH 值降低）的溫床。
  • 降低壁面剪切應力梯度： 相比於急彎，大半徑冷彎使離心力引起的二次流沿更長的距離分佈，降低了局部的最大剪切應力值，從而減緩了氧化膜的機械剝離 34。

5.3 內表面光潔度 (Ra) 的決定性作用

如前所述，表面粗糙度是影響傳質係數 K的重要參數。

  • 量化標準： 建議在 CCPP 的 FAC 敏感管路中，內表面粗糙度Ra 應控制在6.3μm (250 micro-inch) 以下，甚至更優至3.2μm。冷作彎管工法天然容易達到此標準，而無需額外的研磨或噴砂工序 20。
  • 抑制初始點蝕： 光滑表面減少了流體微團的滯留，使得腐蝕產物更易被均勻帶走，而非在局部沈積形成垢下腐蝕或因湍流形成點蝕坑 6。

5.4 應變硬化對抗兩相流沖蝕

在濕蒸氣和疏水管路中，流體往往夾帶高速運動的液滴。這些液滴在彎管外側壁面的撞擊會造成純機械性的材料流失（LDI）。冷作彎管過程中產生的加工硬化層，能顯著提高材料的表面硬度（Vickers Hardness），從而增強對這種機械衝擊的抵抗力。雖然過高的硬度可能引起法規關注，但在控制範圍內的硬化（如硬度增加 20-30%）對延長兩相流管路的壽命是有益的 8。

六、 系統級應用分析：從理論到實踐

本節針對用戶特別關注的三個系統，具體分析冷作彎管的應用策略。

6.1 低壓濕蒸氣系統（LP Wet Steam & Evaporator）

  • 工況特點： 該系統連接 HRSG 的低壓汽包、蒸發器與除氧器，工作溫度常在 130°C-160°C 之間。這是磁鐵礦溶解度最高的溫度區間。此外，由於多為汽液混合物，流型複雜（彈狀流、環狀流）。
  • 傳統痛點： 許多早期電廠在此系統大量使用承插銲（Socket Weld）或帶背環的對接銲彎頭，導致嚴重的「虎斑狀（Tiger Striping）」腐蝕與頻繁洩漏 1。
  • 冷彎應用策略：
    • 全面替代： 該系統管徑通常在 NPS 4 至 NPS 8 之間，完全處於冷彎設備的最佳經濟加工範圍。應強制要求採用3D 或5D 冷彎管替代所有彎頭。
    • 材料升級： 配合冷彎工法，管材應選用含鉻量 ≧0.12%的碳鋼（如 ASTM A106 Gr. B with restricted chemistry），利用鉻在氧化膜中的富集作用進一步穩定磁鐵礦層 37。

6.2 疏水系統（Drain Systems） – NPS 8 以下的關鍵戰場

  • 工況特點： 疏水管將高壓系統的冷凝水排放至低壓側。當高溫凝結水通過控制閥或孔板後，壓力驟降導致部分液體瞬間汽化（Flashing），體積膨脹數百倍，流速急劇增加，形成高速湍流的兩相流 15。疏水管路多為 NPS 2 到 NPS 6 的小管徑。
  • 冷彎應用策略：
    • 消除銲瘤風險： 對於 NPS 4 以下的小管，對接銲極易在管內形成銲瘤（Excess Penetration），這在高速閃蒸流下會成為極其危險的湍流激發點，甚至像子彈一樣切削下游管壁。冷彎徹底消除了這一隱患。
    • 空間立體彎（Spools）： 疏水管路走向通常複雜狹窄。利用 CNC 冷彎機製作一體化的立體彎管（Spool），可以減少 70% 以上的銲口，極大降低了洩漏點。
    • 抗氣蝕（Cavitation）能力： 冷作硬化帶來的表面硬度提升，對於經常發生氣蝕與閃蒸的疏水調節閥下游管線，提供了額外的物理保護。

6.3 冷再熱系統（Cold Reheat, CRH）及其附屬小管

  • 工況特點： 連接汽機高壓缸排氣口與 HRSG 再熱器入口。主管線管徑巨大（通常 NPS 24-42），但其附屬的暖管（Warm-up Lines）、排放管（Vents）及低點疏水管通常在 NPS 8 以下。
  • 冷彎的應用分界：
    • 主管線（> NPS 24）： 由於管徑過大，冷彎設備極其稀缺且回彈難以控制，且管壁較厚，冷彎所需的力矩極大。因此，主管線通常仍採用熱感應彎管。但規範應嚴格要求熱彎後的內表面噴砂除鱗（Descaling），並控制橢圓度 26。
    • 附屬小管（< NPS 8）： 這些支管在機組冷態啟動時，負責排放冷凝水與暖機。此時管內流動的是低溫濕蒸氣，FAC 風險極高。針對這些 NPS 8 以下的 CRH 附屬管路，應強制採用冷作彎管。 這不僅解決了複雜佈管的銲接難題，更防止了因支管腐蝕導致主蒸汽系統被迫停機的風險 39。
    • P91 材料的成本與技術優化策略：
      若 CRH 高溫段採用 P91（9Cr-1Mo-V）材料，根據 ASME B31.1 Table 129.3.1-1 規範，若冷彎應變（Strain）超過 20%，則強制要求進行極為昂貴的**全管正火加回火（Normalize & Temper, N+T）**處理。N+T 不僅能耗巨大，且對於已成型的管軸（Spool）極易造成尺寸變形。

      • 建議修正方案： 基於成本與製程效益考量，強烈建議在設計階段增加彎曲半徑（R 值）。
      • 具體作法： 採用R≧3D（應變約7%）或R≧5D （應變約 10%）的冷彎設計。
      • 效益： 透過增大 R 值將應變控制在 20% 以下，即可符合 ASME 規範豁免 N+T 的條件，僅需進行較為簡單且成本較低的彎後熱處理（PBHT, 主要是 Tempering/Stress Relief）。這使得 P91 小管冷彎成為比熱彎（通常需 N+T）或多道銲接（需 NDE 與 PWHT）更具經濟效益的選擇。

七、 法規合規性：ASME B31.1 與熱處理要求

在工程實施中，必須確保冷作彎管符合 ASME B31.1 Power Piping 的規定，特別是關於應變極限與 彎後熱處理（Post-Bend Heat Treatment, PBHT） 的要求。

7.1 應變計算與限制

ASME B31.1 第 129.3.1 節定義了冷彎應變（Strain）的計算公式：

ε (%) = 100r/R

其中 r為管子名義半徑， R為彎曲中心半徑。

  • 對於1.5D彎管，應變約為 33%。
  • 對於3D 彎管，應變約為16.7%。
  • 對於5D 彎管，應變約為 10%。 顯然，採用大半徑冷彎顯著降低了材料應變，使其更容易滿足免除 PBHT 或 N+T 的條件 41。

7.2 彎後熱處理（PBHT）決策矩陣 – NPS 8 以下的優勢

根據 ASME B31.1 第 129.3 節及相關 CFR 規定，冷作彎管後的熱處理要求（PBHT）與銲後熱處理（PWHT）不同。其主要目的是消除冷作硬化以恢復延展性，而非消除銲接殘餘應力。具體規定如下：

表 7.1：ASME B31.1 冷彎彎後熱處理 (PBHT) 要求概覽

材料類別 管徑與壁厚條件 應變範圍 PBHT 要求 備註
P-No. 1 (碳鋼) < NPS 4 (或壁厚 < 19mm) 任意 (通常) 可豁免 (Exempt) 這是小管徑冷彎的最大優勢
P-No. 1 (碳鋼)  NPS 4 或壁厚 > 19mm > 50% 延伸率 強制要求 需消除應力退火
P-No. 15E (P91) 任意 > 20% 強制 N+T (Normalize & Temper) 成本極高，應避免 (改用大 R 值)
P-No. 15E (P91) 任意  20% 強制 PBHT (Stress Relief) 僅需回火，成本較低，技術可行性高

關鍵工程建議：

針對 NPS 8 以下 的碳鋼管路（常見於 LP 和疏水系統），法規給予了較大的 PBHT 豁免 空間。這意味著：

  1. 成本降低： 省去了昂貴且耗時的爐內熱處理或局部感應熱處理費用。
  2. 工期縮短： 冷彎後即可直接進行安裝或噴砂塗裝。
  3. 性能保留： 保留了冷加工帶來的表面硬化效果，這對抵抗疏水管路的 LDI 沖蝕是有利的。

八、 質量控制與經濟效益分析

8.1 質量控制（QC）關鍵指標

為確保冷作彎管的性能，必須建立嚴格的 QC 體系：

  1. 外觀與尺寸檢查： 重點檢查起弧點與終弧點的波浪度（Wrinkles），橢圓度應控制在 3-5% 以內。
  2. 壁厚驗收： 由於冷彎會導致外拱側壁厚減薄，採購管材時應預留壁厚餘量（通常增加 10-15% 或提升一個 Schedule 等級）。完工後需進行超音波測厚（UT），確保最薄處大於設計最小壁厚 (tmin) 43。
  3. 內表面光潔度： 對於 FAC 敏感管路，應使用內窺鏡或表面粗糙度儀進行抽檢，確保Ra < 6.3μm。
  4. 硬度測試： 在彎管外拱、中性面與內拱側進行硬度測試，確保硬度值未超過 NACE 或 ASME 規定的上限（通常 HV < 250 for Carbon Steel），以降低 SCC 風險 44。

8.2 全生命週期經濟效益（LCC Analysis）

雖然冷作彎管的初期管材採購成本（需加厚）和彎管加工費可能高於標準彎頭，但從全生命週期來看，其經濟效益顯著：

  • 建設期節省： 減少 50%-70% 的現場環向銲縫，大幅降低了昂貴的射線檢測（RT）與超音波檢測（UT）費用，並縮短了施工工期 25。
  • 運維期節省： FAC 壽命的延長意味著更少的停機檢測（ISI）需求和更換頻率。考慮到 CCPP 非計畫停機帶來的巨大發電損失，冷彎工法的投資回報率（ROI）極高。

九、 結論

綜合流體動力學分析、材料科學證據及工程實踐經驗，本研究得出以下結論：

  1. 工廠預製冷作彎管是 NPS 8 以下管線的最佳方案： 特別是在低壓濕蒸氣與疏水系統中，利用工廠預製的冷彎管軸（Spool）取代現場銲接或現場彎管，可確保最佳的幾何精度與內部清潔度，並徹底消除承插銲縫隙。
  2. 應用優先級明確： 在 LP 濕蒸氣系統 與 疏水系統（管徑特別是 < NPS 8）中，應強制優先採用冷作彎管。這不僅技術可行（設備成熟、免 PBHT），且經濟效益最大。
  3. 大管徑與高合金鋼的限制與優化： 對於 CRH 主管線，建議採用高品質熱感應彎管。對於 CRH 附屬小管及 P91 材質，則應採取**增大彎曲半徑（R≧3D）**的策略，將冷彎應變控制在 20% 以下。此舉可規避極高成本的全管正火加回火（N+T）要求，僅需進行常規的彎後回火（PBHT），從而實現成本與性能的最佳平衡。
  4. 系統性的實施策略： 採用冷作彎管並非單一的採購行為，而需配合設計端的壁厚補償、材料端的鉻含量控制（ ≧0.12% Cr）及製造端的熱處理與硬度管控，方能構成完整的 FAC 防禦體系。

建議新建與改造的 CCPP 業主與設計單位，將「工廠預製冷作彎管」及「P91 應變控制策略」寫入管線技術規範（Technical Specification），作為 FAC 敏感管路的首選工法標準。

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