複循環電廠蒸汽系統之 No Pocket 設計實務、合金鋼冶金特性與 2026 ASME 規範趨勢深度研究報告 (In-depth Study on No-Pocket Design Practices, Metallurgical Characteristics of Alloy Steels, and 2026 ASME Code Trends in CCPP Steam Systems)

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一、緒論：複循環電廠熱力循環效能與高能管線完整性之關聯

複循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）作為現代能源結構中兼具高效率與低碳排放的關鍵技術，其熱力循環的成功運作高度依賴於蒸汽系統的精密設計與維護。在 CCPP 的架構中，燃氣渦輪機排放的高溫廢氣透過熱回收蒸汽產生器（Heat Recovery Steam Generator, HRSG）轉化為高壓、高溫蒸汽，進而驅動蒸汽渦輪機發電。為了追求更高的熱效率，現代 CCPP 的蒸汽參數不斷推向超臨界甚至更極端的條件，這使得主蒸汽（Main Steam）與再熱蒸汽（Reheat Steam）管線必須採用具備優異高溫強度的蠕變強度強化鐵素體鋼（Creep Strength Enhanced Ferritic, CSEF），如 ASTM A335 Grade P91 與 P22 1。

在這些高能量管線（High Energy Piping, HEP）系統中，「無積水袋」（No Pocket）設計已不再僅是傳統的工程實務，而是確保系統長周期可靠性的核心技術要求。Pocket 的存在會導致冷凝水積聚，進而在啟動或運轉期間誘發水錘（Water Hammer）、熱彎曲（Thermal Bowing）以及嚴重的流體加速腐蝕（Flow-Accelerated Corrosion, FAC） 3。針對 P91 與 P22 這類對熱機械疲勞高度敏感的材料，任何因 Pocket 引起的熱衝擊或動態載荷都可能導致微觀組織的急劇劣化，縮短組件壽命 5。

隨著 ASME B31.1 2024 年版的發布以及邁向 2025 Edition 與 2026 規範趨勢的演進，業界對於「覆蓋管線系統」（Covered Piping Systems, CPS）的監管強度已顯著提升。新引入的強制性附錄 Q（Mandatory Appendix Q）與附錄 R（Mandatory Appendix R）針對品質管理程序與文件記錄提出了嚴格要求，明確界定了設計者（Designer）在確保管線坡度與排水完整性方面的法律與技術責任 4。

二、A335 P91 與 P22 合金鋼對 No Pocket 要求之高度敏感性分析

2.1 P91/P22 的冶金背景與性能優勢

ASTM A335 P91 是一種含有 9% 鉻、1% 鉬以及釩、鈮微合金化元素的馬氏體鋼，其設計初衷是為了提供比傳統 P22（2.25Cr-1Mo）鋼更高的高溫蠕變斷裂強度 1。P91 的優勢在於其容許應力顯著高於 P22，這允許管線設計者採用更薄的壁厚（通常可減少 2 比 1 的重量比），從而減輕吊架負荷並縮短銲接時間 1。

特性參數 ASTM A335 P22 ASTM A335 P91
主要成分 2.25% Cr, 1% Mo 9% Cr, 1% Mo, V, Nb
最小抗拉強度 (MPa) 415 585
最小屈服強度 (MPa) 205 415
最高使用溫度 (°C) 約 600 600 – 650
硬度限制 (HB) 無特定限制 ≦ 250
微觀組織 回火鐵素體+珠光體/貝氏體 析出強化回火馬氏體

然而，P91 的高性能依賴於其極其精確的熱處理狀態，即回火馬氏體組織中必須分佈著細小的  M23C6碳化物與  MX型碳氮化物（V/Nb 基），這些析出相能有效釘紮位錯運動與晶界遷移 5。

2.2 為什麼 P91 對 Pocket 引起的瞬態極度敏感？

當蒸汽管線中存在 Pocket 時，系統在冷態或熱態待機期間會積聚大量冷凝水。在啟動過程中，高溫蒸汽流經這些積水點時會發生劇烈的熱量交換與相變，導致以下幾種對 P91/P22 致命的損傷機制：

2.2.1 循環軟化（Cyclic Softening）與低週疲勞

P91 鋼在高溫循環載荷下表現出顯著的「循環軟化」特性。這意味著在恆定的應變幅度下，隨著應變循環次數的增加，材料的峰值應力會持續下降 10。Pocket 引起的熱衝擊（如局部驟冷或驟熱）會產生極高的次級應力（Secondary Stress），這些應力雖然具有自限性，但在循環作用下會導致回火馬氏體組織崩潰。

研究顯示，受損的 P91 組件中，馬氏體板條組織會退化為塊狀鐵素體（Blocky Ferrite），位錯密度急劇降低，且原本起強化作用的  M23C6碳化物會發生粗化，甚至生成有害的 Laves 相（Fe-Mo 基金屬間化合物）5。一旦組織軟化，其蠕變斷裂壽命可能從設計的 100,000 小時大幅降至 20,000 小時以下 5。

2.2.2 IV 型開裂（Type IV Cracking）與銲接敏感性

P91 管線的故障絕大多數發生在銲接接頭的細晶熱影響區（Fine-Grained Heat-Affected Zone, FGHAZ），這種現象被稱為 IV 型開裂 7。Pocket 引起的水錘或熱彎曲會對銲接接頭施加額外的彎曲力矩。由於 FGHAZ 區域的蠕變強度認可低於母材與銲縫金屬，這些額外的應力會在此處集中，誘發早期蠕變空洞的形成與合併 7。

2.2.3 熱彎曲（Thermal Bowing）與支撐系統失效

在水平管段中，如果底部積聚了冷凝水，管子上下壁之間會形成巨大的溫差（ΔT）。根據熱彈性理論，這種溫差會導致管線發生縱向彎曲 3。

其彎曲半徑  R可由下式估算：

R=D/Αk(Ttop-Tbottom)

其中：

  • D為管外徑。
  • α為材料熱膨脹係數。
  • K為考慮溫度分佈的修正因子 3。

對於 P91 這種膨脹係數相對較低（約 11.0μm/m·°C）但彈性模數較大的材料，熱彎曲會產生巨大的反應力，導致彈簧吊架（Spring Hangers）失衡或「打底」（Bottomed Out）12。一旦支撐失效，管線坡度會進一步惡化，形成更多的 Pocket，陷入惡性循環。

三、冷作彎管（Cold Bending）在落實 No Pocket 設計上的實務優勢

在傳統的 CCPP 管線預製中，轉向處通常使用標準的銲接彎頭（Welded Elbows）。然而，為了嚴格落實 No Pocket 要求，採用 CNC 冷作彎管技術展現出顯著的工程與冶金優勢。

3.1 減少銲接接頭與 HAZ 脆弱點

P91 管線最脆弱的部分就是銲接接頭 7。傳統 90 度彎頭需要兩個環向對接銲口。採用冷作彎管可以直接在一根長管上加工出多個彎曲角度，從而消除了大量的銲接需求。

  • 優點 1： 減少了 IV 型開裂的潛在位點。
  • 優點 2： 降低了銲後熱處理（Post Weld Heat Treatment, PWHT）的複雜度。P91 的 PWHT 必須嚴格控制在 760°C±10°C，且時間至少 2 小時 7。在工地現場進行如此精確的熱處理極具挑戰，而工廠預製的冷作彎管則能更好地保證熱處理品質 8。

3.2 精確的坡度補償與幾何自由度

為了實現 No Pocket，蒸汽管線通常需要維持 1:100（下坡流向）或 1:40（逆流排水）的坡度 15。

  1. 非標準角度加工： CNC 彎管機可以加工出如91.2 度或 88.5 度等精確的非標準角度。這使得直管段在安裝後能自動獲得設計坡度，而不需要透過強行對接（Forced Alignment）或使用帶坡度的銲接接頭 14。
  2. 減少「微觀積水袋」： 銲接接頭處的根部銲道凸起或錯邊（Misalignment）常成為微觀的 Pocket 誘因。冷作彎管保持了內壁的連續性，極大地改善了流場特性 14。

3.3 流場優化與腐蝕抑制

研究表明，彎頭半徑（R/D）對內部流速與沖蝕率有直接影響 16。冷作彎管通常採用長半徑設計（ R≧2.5D或更大）。

彎頭半徑 (R) 最大流速 (Vmax​) 紊流與沖蝕風險評估
1.0 D (標準短半徑) 31.9 m/s 極高；極易誘發兩相流沖蝕開裂
1.5 D (標準長半徑) 27.6 m/s 高；兩相流交界處易發生局部壁厚減薄
2.5 D (冷作彎管常見) 24.1 m/s 中等；流速分佈趨於穩定
5.0 D (大半徑冷彎) 22.3 m/s 低；對冷凝水膜的干擾最小

透過降低  Vmax，冷作彎管能有效減緩兩相流狀態下的沖蝕腐蝕（Erosion-Corrosion），這對預防 Pocket 排水過程中的管壁損傷至關重要 16。

四、2026 ASME B31.1 (2025 Edition) 規範趨勢與管理層面的挑戰

隨著技術更新與事故案例的累積，ASME B31.1 在 2024 年版進行了重大修正，這些修正將在 2025 年正式生效並引領 2026 年的工程實務。對於 CCPP 的管理者與設計者而言，核心轉變在於從「經驗導向」轉向「數據支撐的品質管理」。

4.1 強制性附錄 Q 與 R：數位化與可追溯性

新版規範引入了針對「覆蓋管線系統」（CPS）的專門附錄：

  • 強制性附錄 Q (Mandatory Appendix Q)： 要求建立針對 CPS（如主蒸汽、再熱蒸汽管線）的品質管理程序（QMP）。這意味著從設計審查、材料進場到施工過程中的坡度驗證，都必須有標準化的作業流程 4。
  • 強制性附錄 R (Mandatory Appendix R)： 強化了文件記錄要求。對於 No Pocket 的落實，管理層現在必須提供「竣工坡度報告」與「熱態位移紀錄」，以證明設計意圖在實際運作中得以維持 4。

4.2 應力分析要求的深化

ASME B31.1-2024 對於應力分析提出了更具體的指導，直接影響到 No Pocket 的落實：

  1. 縱向壓力應力 (Slp) 的重新定義： 在 Section 104.8 中，新增了 Slp的定義，並要求在分析管線組件時，必須考慮管線在正常營運與預期瞬態下的反應力 4。這意味著分析人員必須模擬水錘發生時的瞬態衝擊力 17。
  2. 環境溫度對位移分析的影響： 規範明確要求考慮環境溫度變化對熱位移分析的影響 4。在 CCPP 中，這對於確保管線在冬季停機再啟動時不會因溫差產生預期外的 Pocket 至關重要 11。
  3. B31J 的全面導入： 刪除了原有的附錄 D，強制使用 B31J 進行應力強化因子（SIF）計算 6。這對於 P91 這種對應力集中高度敏感的材料來說，能提供更真實的疲勞壽命預估。

4.3 管理者面臨的核心挑戰

  • 全生命週期成本 (LCC) 的重新權衡： 傳統上，工廠傾向於選擇 CAPEX（資本支出）較低的銲接方案。然而，根據相關案例的數據，採用 CNC 預製與模組化施工雖然初始成本較高，但能顯著縮短工期，並降低全生命週期成本 19。管理者必須意識到，一次因 Pocket 引起的水錘事故，其維修成本與停機損失遠超預製管線的溢價。
  • 監測技術的導入： 為了合規，管理者需要導入如 3D 雷射掃描技術。透過在高溫運行（Hot Position）與冷態（Cold Position）下進行掃描對比，可以精確識別出受壓後形成的隱性 Pocket 11。
  • 支撐系統的維護： 吊架與支撐的維護常被忽視，因為它們通常具有極高的安全係數（可達 5 倍）13。但對於 P91 系統，支撐的微小偏移就可能導致坡度失效，管理者必須將支撐巡檢納入 Appendix Q 的 QMP 範圍內。

五、蒸汽系統 No Pocket 設計與實務落實之深度指南

基於冶金特性與最新規範，落實 No Pocket 要求必須涵蓋從設計佈置到日常運行的全過程。

5.1 設計階段的幾何配置

  1. 坡度優先權： 主蒸汽與再熱蒸汽水平管線應優先確保坡度。對於下坡流向，建議至少 1:100 15。
  2. 偏心異徑管（Eccentric Reducers）： 必須始終使用偏心異徑管且「底平」（Flat on the Bottom），嚴禁使用同心異徑管（Concentric Reducers），後者是形成 Pocket 的主要元兇 15。
  3. 分支出口位置： 蒸汽分支應從蒸汽主管的「頂部」引出，以確保進入分支的蒸汽最為乾燥 20。

5.2 排水設施的科學佈置（Drip Legs）

排水點（Drip Legs）的設置不能僅靠經驗，必須依據流體性質與管線走向：

  • 間距要求： 在長距離直管段中，每隔 150-300 英尺應設置一個排水點 15。如果管線具有正坡度（逆流），則間距應縮短至 50 英尺以內 20。
  • 關鍵位置： 在所有控制閥、減壓閥之前，以及管線走向改變（如上抬處）、管線末端、任何可能關閉的閥門上游，都必須設置 Drip Legs 15。
  • 過濾器安裝： Y 型過濾器（Y-Strainer）在蒸汽管線中應橫向安裝（Basket on the side），以防止過濾器本體成為冷凝水積聚的 Pocket 15。

5.3 施工與預製的技術融合

採用 CNC 冷作彎管預製模式下，應落實以下技術細節：

  1. 3D 模型驅動預製： 利用 CAD 模型直接生成 CNC 指令，確保彎管角度精確考慮了現場的結構高度差與所需的排水坡度 14。
  2. 數位化跟蹤： 利用 RFID 或 QR Code 對每段管線進行數位化標註，記錄其設計坡度、材質成分（P91/P22 混料防錯）以及熱處理參數 14。
  3. 無損檢測（NDE）的層次化： 對於 P91 高壓管線，應實施 100% 體積檢查（RT 或 UT） 21。冷作彎管雖然減少了銲縫，但應對彎曲後的受張力側（Extrados）進行磁粉探傷（MT）或滲透檢測（PT），以確保無成形裂紋 22。

六、結論：邁向 2026 的 CCPP 高能管線設計新標準

複循環電廠的蒸汽系統正處於一個轉型期，傳統的「安裝後即忘記」模式已無法滿足 P91 等高階合金鋼的運行需求。No Pocket 設計不再是美學或次要的工程考量，它是預防循環軟化、IV 型開裂與毀滅性水錘的第一道防線。

本研究顯示，A335 P91 對微觀組織損傷的極高敏感性，要求工程界必須從根本上改變對管線坡度的處理方式。CNC 冷作彎管技術不僅提供了更高的幾何精度與坡度補償能力，更透過減少熱影響區（HAZ）數量，直接提升了系統的本質安全性。

面對 2026 年的 ASME B31.1 規範環境，管理者的角色將從單純的建設監督轉變為「生命週期紀錄的保管者」。透過導入附錄 Q 與 R 所要求的數位化品質管理體系，並輔以 3D 掃描等現代化檢測手段，方能確保 No Pocket 要求在 CCPP 的全生命週期中得到真正的貫徹，進而保障電力設施的安全與經濟運行。

技術數據總結表：No Pocket 落實關鍵參數

設計項目 規範建議/技術要求 關鍵 metallurgical 影響
水平管坡度 順流 1:100 ; 逆流 1:40 防止冷凝水誘導的熱彎曲 (Tdiff)
異徑管類型 必須為偏心異徑管 (Bottom Flat) 消除異徑連接處的微觀積水袋
彎頭半徑 (R) 建議 ≧2.5D (採用冷作彎管) 降低 Vmax，減緩兩相流沖蝕
排水點 (Drip Leg) 間距 150 – 300 ft 防止水 slug 形成，減輕水錘對 P91 組織的衝擊
分支方向 從主管頂部引出 確保蒸汽乾燥度，減少下游組件 FAC 損務
PWHT 溫度 760°C±10°C 恢復馬氏體組織，預防 IV 型開裂

在未來的工程實務中，持續強化對這些技術細節的關注，並結合最新的規範趨勢進行滾動式優化，將是 CCPP 工程師與管理者的首要任務。

參考文獻

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  21. ASME B31.1 vs B31.3: 2026 Engineering Selection Guide – EPCLand, https://epcland.com/asme-b31-1-asme-b31-3-major-differences/
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