複循環電廠管線製造缺陷與熱疲勞龜裂分析報告 (Thermal Fatigue Cracking Analysis Report and Manufacturing Defects in CCPP Piping)

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本報告旨在深入分析複循環電廠 (Combined Cycle Power Plant, CCPP) 高溫管線在運行期間，由電銲施工和冷彎作業等製造過程引入的固有缺陷和殘餘應力，如何與高頻率的熱疲勞載荷相互作用，最終導致結構完整性失效。

 

一、 製造缺陷對熱疲勞損傷的影響概論

 

熱疲勞（Thermal Fatigue, TF）是 CCPP 高溫管線，特別是熱回收蒸汽發生器 (HRSG) 系統面臨的主要老化機制 1。這類損傷通常源於啟動/停機或負載追蹤期間，冷熱流體混合（如熱分層、熱剝離）產生的高頻局部溫度波動 1。

然而，熱疲勞裂紋的萌生與擴展速度，會被製造過程中產生的兩種主要缺陷顯著加速：

  1. 銲接殘餘應力 (Welding Residual Stress, WRS)： 特別是拉伸殘餘應力，會疊加到循環工作應力上，有效提高應力比 (Stress Ratio)，從而大幅縮短疲勞壽命 3。
  2. 冷作硬化 (Cold Work)： 冷彎過程在管線彎頭區域引起的塑性變形，改變了材料微觀結構，影響了其在高溫下的蠕變與疲勞性能 5。

成功的資產壽命評估和緩解策略，必須採用流體-結構-製造缺陷整合分析方法 7。

 

二、 電銲施工對管線熱疲勞的影響

 

電銲是連接 CCPP 管線的關鍵工法，但在接頭處引入的殘餘應力和微觀結構變化，使其成為熱疲勞龜裂的高風險區域。

 

2.1 銲接殘餘應力的生成與影響

銲接是典型的熱-機械過程，由於局部快速加熱和冷卻，導致銲件內部產生拉伸和壓縮殘餘應力 4。

  • 應力分佈特性： 在大多數情況下，拉伸殘餘應力通常集中在銲道及其相鄰的熱影響區 (Heat-Affected Zone, HAZ)，且應力值可達材料的屈服強度 8。
  • 加速疲勞損傷： 拉伸殘餘應力會與運行的循環應力（熱疲勞載荷）疊加。研究顯示，這種疊加效應會加速裂紋擴展，並使疲勞壽命降低 20% 至 40% 3。更重要的是，殘餘拉伸應力可能會導致整體應力循環進入純拉伸區域，這對裂紋萌生和擴展極為不利 4。

 

2.2 熱影響區 (HAZ) 的微觀結構降解

對於 CCPP 常用的高溫鉻鉬鋼，如 P91 和 P22 級材料 10，銲接熱循環會對 HAZ 造成複雜的微觀結構變化。

  • Type IV 龜裂風險： P91 鋼等蠕變強度增強型鐵素體鋼，特別容易在 HAZ 的細晶粒區域發生 Type IV 龜裂 12。這種 Type IV 龜裂主要是一種蠕變-疲勞失效模式，銲接過程降低了 HAZ 區域的蠕變強度，使其在 CCPP 的高溫（約 500°C 以上 14）和循環載荷下，成為最脆弱的環節 15。
  • 銲道缺陷： 銲接引入的初始缺陷（如夾渣、氣孔、未熔合等）可能成為熱疲勞裂紋的萌生源頭，加速裂紋在循環載荷下的擴展 17。

 

2.3 緩解技術：銲後熱處理 (PWHT)

為緩解銲接帶來的負面影響，銲後熱處理（Post-Weld Heat Treatment, PWHT）是必要的控制措施 18。

  • 目的： PWHT 的主要功能是通過均勻加熱和冷卻，降低殘餘應力、控制硬度並增強材料韌性 18。
  • 執行規範與挑戰： PWHT 必須嚴格遵循 ASME B31.3 或1 等規範 21。特別是對於 P91 鋼等材料，必須精確控制溫度均勻性，以避免產生新的有害溫度梯度。執行局部 PWHT 時，必須嚴格界定加熱帶 (Heated Band) 和梯度控制帶 (Gradient Control Band, GCB) 的範圍，因為不當的局部熱處理曾被證實是造成數年後組件失效的原因 22。

 

三、 冷彎作業對管線熱疲勞的影響

 

在 CCPP 管線系統中，彎頭常通過冷彎工法製造，以減少銲縫並保持流體流動均勻 7。然而，冷彎會在管壁內部產生永久的塑性變形和殘餘應力。

 

3.1 殘餘應力與冷作硬化分佈

冷彎作業在管線彎頭處導致不均勻的應力分佈 9：

  • 內側 (Intrados)： 承受壓縮應力，並產生拉伸殘餘應力 9。
  • 外側 (Extrados)： 承受拉伸應力，並產生壓縮殘餘應力 9。
  • 材料性能變化： 這種塑性變形導致材料發生冷作硬化 (Strain Hardening)，通常會使材料的屈服強度增加，但延展性下降 6。在某些情況下，冷作硬化區域的蠕變強度可能有所改善，但其對後續的蠕變-疲勞性能影響複雜，需要考慮其對循環軟化/硬化行為的改變 24。

 

3.2 幾何變化與規範限制

冷彎作業引起的幾何變化（如管壁減薄和橢圓度）直接影響管線的承壓能力和應力集中，這在 ASME B31.3 等規範中有嚴格限制 5。

  • 管壁減薄： 彎管的外側由於拉伸作用，管壁會變薄 27。管線製造商必須在彎曲後進行嚴格的壁厚測量。對於核電級管線（如 ASME Section III 規範），冷作彎管的製造和檢測必須遵循 NB/NC/ND-4200 等成形要求，以確保結構完整性 5。
  • 應力集中： 彎頭本身就是應力集中區域，再加上製造引入的殘餘應力，使其更容易在熱疲勞循環載荷下產生裂紋 30。有研究指出，在冷彎彎管處發生的熱疲勞失效案例中，缺陷可能位於外側或內側的應力集中區域 7。

 

四、 綜合分析與定量評估方法論

 

要準確預測製造缺陷對 CCPP 管線熱疲勞壽命的影響，必須採用高階的耦合數值模擬。

 

4.1 整合有限元素分析 (FEA)

傳統的熱疲勞分析多關注於運行載荷 32。然而，考慮製造缺陷，必須採用多步驟的 FEA 整合方法：

  1. 殘餘應力模擬： 首先使用熱-結構耦合模擬計算電銲或冷彎工法引入的初始殘餘應力場 7。
  2. 熱疲勞循環分析： 將步驟 1 得到的殘餘應力場作為初始條件，結合 CFD 模擬得到的瞬態熱邊界條件，執行循環載荷分析 35。
  3. 直接循環分析： 對於涉及大量循環次數的高週熱疲勞問題，可採用如 ABAQUS 的直接循環分析 (Direct Cyclic Analysis)，以高效地獲得結構在穩定循環響應下的應力-應變結果，避免昂貴的瞬態分析 36。

 

4.2 斷裂力學與壽命預測

在確定了初始殘餘應力場和循環應變範圍後，可應用斷裂力學 (Fracture Mechanics) 方法來預測缺陷的擴展：

  • Paris Law 積分： 結合材料的裂紋擴展速率曲線（如 Paris Law）和應力強度因子 (Stress Intensity Factor, K)，積分計算已知或假定缺陷（如銲縫缺陷或冷作缺陷）的熱疲勞龜裂擴展壽命 37。拉伸殘餘應力的存在，會提高 K 值並加速裂紋擴展 3。
  • 安全評估： 裂紋擴展分析可用於評估洩漏前破裂 (Leak-Before-Break, LBB) 的行為，並設定可接受的缺陷尺寸，這是核電和高壓蒸汽管線完整性評估的關鍵步驟 38。

 

五、 檢查、監測與緩解策略

 

5.1 先進無損檢測 (NDT) 技術

為了在早期檢測出製造缺陷和潛在的熱疲勞損傷，必須採用高精度的 NDT 技術。

  • 殘餘應力測量： 電磁聲波換能器 (EMAT) 是一種無需耦合劑的超聲波檢測技術，特別適用於測量管線中的殘餘應力和檢測次表面缺陷，其高溫版本甚至可在 650°C 下使用 40。
  • 熱疲勞龜裂檢測：
    • 相控陣超聲波檢測 (PAUT)： 作為一種體積式 NDT 方法，PAUT 是目前用於檢測銲縫區域熱疲勞裂紋的首選技術，尤其擅長偵測起源於內表面的缺陷 42。
    • 聲發射 (Acoustic Emission, AE) 測試： 是一種結構健康監測技術，能夠實時監聽微米級裂紋擴展發出的彈性波，可作為早期預警系統部署在銲縫或冷彎等高風險區域 44。

 

5.2 製造與運行緩解建議

  1. 嚴格執行 PWHT： 對於 P91/P22 等高溫蠕變強度鋼材的銲接，必須嚴格執行全面或局部 PWHT，並確保溫度梯度控制帶 (GCB) 符合規範要求 20。
  2. 優化冷彎工法： 嚴格控制彎曲半徑和管壁減薄程度，確保符合 ASME B31.3 或 Section III 的成形要求，並在彎曲後進行 NDT 檢查，特別是針對可能發生塑性應變和減薄的區域 5。
  3. 運行壽命管理： 結合製造缺陷評估結果，制定基於熱疲勞壽命消耗會計的運行策略，控制快速啟動/停機時的負載梯度和流體溫差 (ΔT) 47。

 

參考文獻

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