ASTM A335 P91 冷彎後退應力熱處理規範及關鍵參數分析研究 (Analysis and Research on Stress Relief Heat Treatment Specification and Key Parameters for ASTM A335 P91 Pipe After Cold Bending)

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1.  摘要

 

ASTM A335 Grade P91 是一種高強度、蠕變強度增強型鐵素體 (Creep Strength Enhanced Ferritic, CSEF) 合金鋼，專為超臨界和高溫高壓發電應用而設計，其最高服務溫度可達 600°C 1。P91 鋼管線的卓越性能，源於其精確控制的化學成分（9% Cr, 1% Mo, 加上 V 和 Nb 微合金化）以及標準的常態化與高溫回火 (N&T) 處理所形成的回火馬氏體微觀結構 1。

然而，P91 對冷加工變形（如冷彎）引入的殘餘應變極為敏感。冷彎會導致顯著的應變硬化，增加位錯密度，並加速高溫服務期間微觀結構的退化，從而顯著降低材料的長期蠕變破裂強度和韌性 5。因此，對 P91 進行冷彎操作後，必須根據變形程度執行後成形熱處理 (Post-Bending Heat Treatment, PBHT)，以恢復材料的冶金完整性並確保長期可靠性。

本報告基於行業標準（如 ASME B31 系列）和電力行業最佳實踐指南（如 EPRI），詳盡分析了 P91 冷彎後的消除應力熱處理 (Stress Relief Heat Treatment, SRHT) 規範。關鍵決策取決於彎曲半徑與管外徑之比 (R/D)：

  • 對於輕度或中度冷彎 (2.5 ≦ R/D < 4.0)，推薦進行 SRHT，關鍵恆溫溫度範圍必須精確控制在 730°C 至 770°C (1350°F 至 1420°F) 7。
  • 對於嚴酷冷彎 (R/D < 2.5)，則強制要求進行完全常態化與回火 (N&T)，以徹底重置微觀結構並恢復蠕變性能 7。

精確控制熱處理溫度、恆溫時間以及加熱/冷卻速率是確保 P91 材料在高溫服務下持久性的核心要素。

 

2. P91 鋼管線的材料特性與微觀結構基礎

 

2.1. P91 化學成分及冶金設計

ASTM A335 P91，亦被稱為 9 Cr 1 Mo 鋼或 UNS K91560，是一種高性能的合金鋼，其設計核心在於利用微合金元素提高蠕變強度 1。其化學成分被嚴格控制，以確保形成穩定的微觀結構：

  • 鉻 (Cr)： 含量介於00% 至 9.50% 1。鉻顯著提高了高溫強度、抗氧化性和抗高溫蒸汽腐蝕能力 2。
  • 鉬 (Mo)： 含量介於85% 至 1.05% 1。鉬是提高蠕變抗性和彈性限度最有效的添加劑 9。
  • 微合金元素 (V, Nb/Cb, N)： 釩 (V: 0.18% – 0.25%) 和鈮 (Nb: 0.06% – 0.10%) 以及氮 (N: 0.030% – 0.070%) 的添加，通過形成高度穩定的碳氮化物 (MX 相，其中 M 為 V 或 Nb，X 為 C 或 N)，極大地增強了蠕變強度 1。這些納米級析出物有效地阻礙了位錯運動，這是 P91 作為 CSEF 鋼的強化基礎。

P91 鋼的機械性能優異，最小抗拉強度為 585 MPa，最小屈服強度為 415 MPa 2。

 

2.2. 原始熱處理規範：常態化與高溫回火

P91鋼管線在出廠前必須經過精確的兩步熱處理，以建立其所需的回火馬氏體微觀結構，這是決定其高蠕變性能的關鍵：

  1. 常態化 (Normalizing)： 將材料加熱至 1040°C 至 1080°C (1900°F 至 1975°F)，保持至少 10 分鐘 2。該步驟旨在將微觀結構完全轉變為奧氏體，並將微合金元素完全溶解在基體中。
  2. 奧氏體轉變控制與冷卻： 隨後必須空冷至 200°C (400°F) 以下 1。這一受控的冷卻過程確保奧氏體完全轉變為未回火馬氏體。如果未能完全冷卻，殘餘奧氏體將會在隨後的熱處理或冷卻中轉變為脆性的「新鮮馬氏體」 12。未回火馬氏體雖然強度高，但非常脆。
  3. 高溫回火 (High-Temperature Tempering)： 最後將材料重新加熱至 730°C 至 800°C (1350°F 至 1470°F)，保持至少 1 小時 2。回火的目的是提高延展性和韌性，並誘導強化相 M23C6 和 MX 析出物的穩定形成。

最終結構是回火馬氏體 2。P91 的蠕變性能與其析出相（MX 和M23C6）的尺寸和分佈密切相關；析出相越細、分佈越均勻，蠕變強度越高 4。

 

3. 冷彎變形對 P91 材質的影響分析

P91 材料雖然被設計為適用於彎曲和成形操作 3，但冷加工對其長期高溫性能的影響必須嚴格評估。

 

3.1. 冷加工引起的微觀結構損傷機制

冷彎操作在管線外側引入拉應變，在內側引入壓應變，導致材料內部形成高密度的位錯和顯著的殘餘應力。

首先，這種應變硬化會降低材料在室溫下的衝擊韌性並增加對裂紋的敏感性 14。其次，殘餘拉伸應力的存在會大幅增加材料在特定環境下發生應力腐蝕開裂 (SCC) 的風險 7。

 

3.2. 冷應變對潛變破裂強度的影響

P91 鋼的蠕變強度高度依賴於其精細且穩定的回火馬氏體亞結構（如位錯網和亞晶界）。研究表明，冷應變（即使是低水平）會對 CSEF 合金的蠕變破裂強度產生不利影響 5。

引入的大量位錯會加速高溫下的微觀結構退化過程。具體而言，冷應變促進了位錯的回覆 (Recovery)，並可能加速了強化析出相的粗化 (Coarsening) 4。這種加速的微觀結構不穩定性會導致蠕變壽命不可逆地縮短 6。因此，如果冷應變程度過高，僅僅依靠消除應力熱處理 (SRHT) 不足以修復位錯結構的本質性破壞，這將導致彎曲件在長期服務中成為潛在的早期蠕變失效點。

 

3.3. 臨界冷應變極限值與工程量化 (R/D 比率)

為量化冷應變的嚴重程度並制定相應的熱處理要求，電力行業採用彎曲半徑與管外徑之比 (R/D) 作為實用工程指標。行業研究表明，P91 的臨界冷應變上限約在 15% 至 20% 之間 5。超過此限制，必須重新進行常態化和回火處理。

EPRI 最佳實踐指南將 R/D = 2.5 作為區分嚴重成形和中度成形的主要邊界，因為 R/D < 2.5 通常對應著 20% 或更高的最大纖維應變，這會對材料的蠕變性能造成深遠損害 7。因此，對於嚴酷冷彎，必須採用 N&T 這一熱力學「重置」過程，以消除位錯損傷並重新建立蠕變強化微觀結構。

 

4. 規範與行業標準對冷彎後熱處理的要求

雖然 ASME 壓力管線規範 B31.3 對鐵素體鋼的冷彎成形後熱處理提供了通用要求 (Clause 332.4.2) 15，但對於 P91 這種對微結構敏感的 CSEF 鋼，行業的最佳實踐和指南（特別是 EPRI）提供了更具體且更嚴格的標準，這些標準是基於材料在電力行業的實際運營經驗和失效分析 7。

4.1. EPRI 最佳實踐指南：R/D 比率的決定性作用

EPRI 最佳實踐指南基於 R/D 比率將冷彎操作分為三個區間，並對應不同的後成形熱處理 (PBHT) 要求 7：

4.1.1. 輕度彎曲 (R/D ≧ 4.0)

當 R/D 大於或等於 4.0 時，彎曲引入的應變被認為在可接受範圍內，且殘餘應力水平對高溫服務的負面影響極小。因此，無需進行後成形熱處理 7。

4.1.2. 中度彎曲 (2.5 ≦ R/D < 4.0)

在此 R/D 範圍內，雖然微觀結構損傷尚未達到必須進行 N&T 的程度，但殘餘應力足以增加應力腐蝕開裂 (SCC) 或疲勞失效的風險。因此，建議對彎曲區域進行局部消除應力回火 (SRHT)。該處理的目標是降低硬度並釋放殘餘應力 7。

4.1.3. 嚴酷彎曲 (R/D < 2.5)

當 R/D 小於 2.5 時，冷應變程度被視為對 P91 的蠕變性能造成不可接受的損害。在這種情況下，強制要求對整個組件進行完全常態化與回火 (N&T) 處理，以完全恢復材料的原始微觀結構和蠕變強度 7。這項要求凸顯了 P91 對嚴重冷應變的高度敏感性。

下表總結了基於 R/D 比率的 P91 冷彎處理決策方針：

Table 1: EPRI 基於 R/D 比率的 P91 冷彎處理決策方針

彎曲程度 (R/D) PBHT 類型 處理區域 關鍵目的 資料來源
R/D ≧ 4.0 無 N/A 可接受的殘餘應力水平 7
2.5 ≦ R/D < 4.0 消除應力回火 (SRHT) 彎曲區域 降低硬度，最小化 SCC/疲勞風險 7
R/D < 2.5 全常態化與回火 (N&T) 整個組件 恢復高溫蠕變強度和微結構 5

 

5. 冷彎後消除應力熱處理 (SRHT/Tempering) 關鍵參數與規範

本節專注於針對中度彎曲 (2.5 ≦ R/D < 4.0) 所需執行的消除應力熱處理 (SRHT) 參數。

 

5.1. 核心參數 一：恆溫溫度 (Holding Temperature)

SRHT 的恆溫溫度必須在一個狹窄的範圍內精確控制。行業標準建議的溫度範圍為 730°C 至 770°C (1350°F 至 1420°F) 7。

冶金學要求： 這個溫度窗口是 P91 材料處理中的一個平衡點。溫度必須足夠高，以激活位錯的回覆和運動，從而釋放殘餘應力並降低硬度。然而，溫度必須嚴格限制在原始回火溫度（730°C – 800°C）的下限和中間區間，特別是不能超過 770°C。這是因為高於 770°C 的局部過熱會加速核心強化析出相（如 MX 和M23C6）的粗化，導致微結構過回火，從而不可逆轉地影響材料的長期蠕變破裂強度 4。

 

5.2. 核心參數 二：恆溫時間 (Holding Time)

對於 2.5 ≦ R/D < 4.0 的冷彎，EPRI 建議的最低恆溫時間為 30 分鐘 7。

然而，對於較厚的壁厚，必須採用更保守的工程規範，以確保熱量充分滲透到壁厚中心，實現全面的應力釋放。參考 P91 後銲熱處理 (PWHT) 規範，恆溫時間通常按厚度計算，例如 5 分鐘/毫米，但總時長應至少為 4 小時 17。在實際操作中，應採用兩者中較高的時長，以確保處理效果。

 

5.3. 核心參數 三：加熱與冷卻速率的嚴格控制

由於 P91 是中合金馬氏體鋼，其硬化能力高且對熱應力敏感，對加熱和冷卻速率的控制至關重要，以避免新的熱應力裂紋產生 17。

  • 加熱與冷卻速率： 在 300°C 到恆溫溫度 (730°C – 770°C) 之間，加熱和冷卻速率必須嚴格限制在 ≦ 150°C°/h (≦ 270°F/h) 17。
  • 冷卻截止溫度： 當溫度降至 300°C (572°F) 以下時，由於材料的塑性和應力敏感性降低，可以允許在不受控的環境中空冷至室溫 17。

 

下表總結了 P91 消除應力回火 (SRHT) 的關鍵參數綜合規範：

Table 2: P91 冷彎後 SRHT 關鍵參數綜合規範

參數 規範值 技術要求與應用
恆溫溫度 (TH) 730°C – 770°C (1350°F – 1420°F) 必須精確控制，避免過回火影響蠕變強度 7
恆溫時間 (tH) ≧ 30 min (EPRI 最小) 或 5 min/mm (厚壁建議) 確保熱量滲透和充分應力釋放 7
加熱速率 (Rheat) ≦ 150°C/h} 適用於 T > 300°C 區間，防止熱應力開裂 17
冷卻速率 (Rcool) ≦ 150°C/h 適用於從 TH 降至 300°C 區間 17
冷卻截止溫度 (Tend) 300C (572°F) 以下可空冷 17

5.4. 全常態化與回火 (N&T) 規範（針對 R/D < 2.5）

對於 R/D < 2.5 的彎頭，SRHT 無法充分修復材料內部結構性損傷。強制性的 N&T 處理程序與 Section 2.2 所述的原始製造規範一致：

  1. 常態化： 加熱至 1040°C 至 1080°C。
  2. 馬氏體轉變冷卻（關鍵）： 必須空冷至 200°C 以下。這是 N&T 成功與否的決定性步驟。若組件在奧氏體化後未冷卻至馬氏體轉變完成，殘餘奧氏體將無法完全轉變，導致最終微觀結構不穩定，在回火或後續服務中形成脆性的「新鮮馬氏體」 5。
  3. 回火： 在 730°C 至 800°C 範圍內進行高溫回火。

 

6. PFHT 微觀結構修復機制與性能驗證

後成形熱處理，無論是 SRHT 還是 N&T，其最終目標都是恢復 P91 鋼的工程性能，特別是高溫蠕變強度和韌性。

 

6.1. SRHT 的微結構回復與應力釋放機制

在中度冷彎（2.5 ≦R/D < 4.0）的情況下，SRHT 的主要修復機制是熱激活的位錯回復 (Recovery)。在 730°C – 770°C 的溫度下，冷加工產生的高密度位錯結構開始移動、重組和湮滅，從而有效地釋放了大部分殘餘應力 16。

SRHT 的直接且可測量的效果是彎曲區域硬度的降低。冷彎區域由於應變硬化而硬度升高，有效的 SRHT 能夠使冷加工區域的硬度下降，趨於與母材的硬度均勻一致 18。例如，研究顯示，最佳 PWHT 參數（如 740°C*2h) 可以達到特定的剪切強度要求 16。

 

6.2. N&T 的微結構重置機制與必要性

對於嚴酷冷彎 (R/D < 2.5)，僅僅依靠位錯回復無法修復嚴重的微觀結構損傷。嚴重的冷應變會破壞回火馬氏體的亞結構，並加速蠕變損傷。在這種情況下，N&T 成為唯一可行的解決方案 7。

常態化將微結構加熱至奧氏體區，徹底消除冷應變帶來的位錯纏結和亞結構破壞，本質上是將材料的冶金狀態「重置」到其原始的未加工狀態。隨後受控的冷卻和回火過程則重新建立精細的回火馬氏體基體和穩定的 MX 析出相，從而徹底恢復 P91 鋼的核心強化機制和蠕變壽命 19。

 

6.3. 性能驗證要求與標準對比

所有經過 PFHT 的 P91 彎曲組件都必須通過嚴格的質量控制 (QC) 驗證。

  1. 硬度測試： 必須在彎曲內、外徑和中性軸線附近的特定位置進行硬度測量（通常是維氏硬度 HV）。驗收標準要求熱處理後的硬度必須符合規範要求，並與母材硬度保持均勻性，以確認應力釋放和微結構回復的有效性 18。
  2. 非破壞性檢測 (NDT)： 所有熱處理後的彎曲區域都必須進行表面非破壞性檢測，如液體滲透檢測 (PT) 或磁粉檢測 (MT)，以確保沒有熱處理或成形操作引起的表面裂紋 5。
  3. 韌性考量： 雖然 P91 主要用於高溫服務，但室溫下的韌性對於維護和操作至關重要 18。合格的熱處理必須確保材料達到規定的韌性標準。例如，某些歐洲標準要求 後銲熱處理後 (PWHT) 的韌性吸收能量至少為 47J 18。

 

7. 結論與建議 (Conclusion and Recommendations)

 

7.1. 關鍵結論

  1. 冷彎的本質風險： ASTM A335 P91 鋼對冷加工變形高度敏感。即使是中度應變，也會引入殘餘應力，增加 SCC 風險；而嚴重的冷應變則會導致微觀結構的結構性損傷，從而顯著加速高溫蠕變破裂的發生。
  2. PBHT 決策的依據： 冷彎後是否需要熱處理以及採用何種熱處理類型，必須根據彎曲的幾何量化指標 R/D 比率進行嚴格判斷。EPRI 最佳實踐指南提供了明確的臨界點：R/D < 2.5 則強制要求 N&T，而5 ≦R/D < 4.0 則建議進行 SRHT。
  3. SRHT 參數的精確性： 消除應力回火的恆溫溫度必須精確控制在 730°C 至 770°C 這一狹窄範圍內。這確保了應力釋放的同時，避免了由於溫度過高導致核心蠕變強化析出相的粗化。
  4. N&T 過程的冷卻關鍵： 對於需要 N&T 的嚴酷彎曲件，常態化後的冷卻步驟至關重要。必須確保組件冷卻至 200°C 以下，以保證奧氏體完全轉變為馬氏體，從而避免在隨後的回火或服務中形成有害的「新鮮馬氏體」 12。

7.2. 作業建議

  1. 優先採用高精度加熱技術： 鑑於 P91 對溫度控制的極高要求，建議所有 PBHT 均採用感應加熱 (Induction Heating) 技術，以確保加熱均勻、溫度控制精準，並嚴格遵循 ≦ 150°C/h 的加熱和冷卻速率要求 14。
  2. 強制執行硬度驗收標準： 將硬度測試作為 PBHT 過程的強制性驗收標準。硬度結果應記錄在案，以證明冷加工區域的應力已有效釋放，並且微結構狀態已恢復到可接受的水平。
  3. 文件記錄與追溯： 對所有 P91 冷彎組件，應詳細記錄 R/D 比率、採用的熱處理程序（SRHT 或 N&T）以及所有關鍵參數（溫度、時間、速率），確保對組件的長期可靠性進行追溯。
  4. 避免局部熱調整： 應嚴格避免對 P91 組件進行局部加熱超過 790°C (1450°F) 的熱調整操作。一旦超過此溫度，則必須對整個組件進行 N&T，否則材料的蠕變性能將受到不可逆的破壞 5。此類操作存在大量服務失效的案例，必須由經批准的程序指導並進行精確的溫度控制 7。

 

參考文獻

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  18. SciELO Brazil – Influence of Post-Weld Heat Treatment on the …, https://www.scielo.br/j/mr/a/pdFCPvYYPLwVy7QgTjQW4jM/
  19. Effect of creep phenomena on room temperature tensile properties of cast & forged P91 steel | Request PDF – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/316686516_Effect_of_creep_phenomena_on_room_temperature_tensile_properties_of_cast_forged_P91_steel
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