複循環電廠管線熱疲勞分析與效能管理報告 (Thermal Fatigue Analysis and Performance Management Report for CCPP Piping)

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摘要

本報告旨在針對複循環電廠 (Combined Cycle Power Plant, CCPP) 運行中高溫管線的熱疲勞（Thermal Fatigue）問題，提供一個從失效機制、定量分析方法到緩解策略的詳盡技術評估。

 

一、 CCPP 運行環境與熱疲勞概論

 

1.1 CCPP 暫態運行特性與熱負載

複循環電廠在現代電網中擔負著高度靈活的調度任務，包括快速啟動、停機以及頻繁的負載追蹤。雖然這種運行靈活性創造了巨大的商業價值，但它也是加速熱回收蒸汽發生器 (HRSG) 及其高溫管線疲勞壽命消耗的主要驅動因素 1。

傳統的管線設計主要關注低週疲勞 (Low Cycle Fatigue, LCF)，這類疲勞通常是由系統級的整體熱膨脹和收縮等巨觀暫態事件所引起，涉及較大的應變範圍和較低的循環次數。然而，CCPP 的靈活運行還會產生另一種更具破壞性的模式：高週疲勞 (High Cycle Fatigue, HCF)。HCF 主要由局部流體現象，例如湍流混合、熱分層或高頻率的溫度波動所驅動，涉及低應變幅度但極高的循環次數。現有的 ASME B31.3 或 B31.1 等規範主要提供了對 LCF 應力範圍 SE 的評估方法，並據此計算允許的循環次數 2，但對於由高頻紊流引起的 HCF 現象，傳統規範往往難以精確量化和評估。

成功的資產完整性管理必須能夠同時處理這兩種截然不同的疲勞模式。CCPP 的快速啟動和變負載操作，不僅帶來了整體溫度的變化（LCF），更重要的是，它增加了旁通、預熱和疏水管線的間歇性流動和閥門洩漏風險。特別是隔離閥或控制閥的微小洩漏，往往是導致熱分層和局部 HCF 的直接且隱蔽的驅動因素 4。因此，在評估熱機械疲勞 (TMF) 時，工程師必須採用多模式方法，同時解決主蒸汽管線因啟停造成的大尺度 LCF 應變，以及分支管線因局部流體紊亂造成的 HCF 表面裂紋問題。

 

1.2 關鍵 CCPP 位置和操作情境的識別

熱疲勞損傷的發生並非均勻分佈，而是集中在特定的幾何位置和操作情境下。

1.2.1 混合三通與分支連接點

混合三通（Mixing Tees）和分支管線連接點是 HCF 損傷的頭號熱點。當兩股具有顯著溫差的流體（例如溫差達 80°C 甚至 160°C）在此處快速混合時，會發生劇烈的湍流熱混合，即熱剝離 (Thermal Stripping) 5。這種現象導致內壁金屬溫度高頻率波動，迅速累積 HCF 損傷。

1.2.2 HRSG 蒸汽和疏水系統（暫態操作）

涉及間歇性流動和冷凝水/蒸汽混合的系統具有極高風險。例如，在高壓/冷再熱 (CRH) 和熱再熱 (HRH) 預熱管線中 7，在蒸汽輪機啟動或預熱階段，少量減壓的高壓蒸汽會被引入 HRH 系統進行加速預熱。這種冷熱流體的混合是產生熱分層和熱衝擊的完美條件。

此外，冷凝水疏水系統（Water Steam Cycle, WSC）也是高風險區域 7。在機組啟動或停機期間，蒸汽在管線中凝結產生冷凝水，這些冷凝水和蒸汽通過 WSC 排水管排出。冷水與熱蒸汽的交替流動或混合，會產生劇烈的局部熱梯度和分層條件 7。因此，資產完整性工程師在分析風險時，必須將注意力放在所有非穩態（啟動、停機、熱態備用）下的精確操作順序。任何疏水閥門或預熱控制閥的非預期洩漏或故障，都可能瞬時將局部熱疲勞風險提升到極端水準，導致快速失效。

1.2.3 管壁厚度與幾何效應

組件的幾何形狀和尺寸對熱疲勞損傷的嚴重程度有決定性影響。通常，對於壁厚在 1/2” 到 2” 之間的組件，穿壁熱應力會變得非常顯著 8。厚壁組件會導致內表面溫度變化快於外表面，產生較大的熱梯度。此外，如果使用不銹鋼襯裡 (Stainless Steel Cladding) 保護內表面，由於其與基材鐵素體鋼之間熱性能（如熱膨脹係數）的差異，將會加劇穿壁熱梯度並使熱疲勞問題更加嚴重 8。

 

二、 熱疲勞失效的核心機制

 

熱疲勞在 CCPP 管線中主要通過兩種機制發生：熱分層導致的低頻軸向應力循環，以及紊流混合導致的高頻熱剝離。

 

2.1 熱分層現象與軸向熱循環

熱分層（Thermal Stratification）發生在管線中流體處於低速流動或近乎靜止的狀態時，如果管線上下存在溫差，由於流體密度的差異，熱流體會停留在上方，冷流體則沉在下方，形成一個清晰的熱界面。這種現象在水平管線或分支管線中尤為常見，並且通常與隔離閥門的微小洩漏高度相關 4。

2.1.1 應力狀態分析

熱分層在管壁上產生非均勻的圓周溫度分佈，導致兩種關鍵的應力狀態 9：

  1. 局部穿壁軸向應力： 當流體界面（混合層）位於管截面的上部或下部，且混合層極薄時，局部熱應力達到最大。這類應力是對管壁內表面造成 HCF 裂紋萌生的主要驅動力。
  2. 整體熱彎曲應力： 當流體界面位於管截面的中部，且混合層較薄時，管線的整體熱彎曲應力達到最大。這類應力影響的是管線的全局支撐和 LCF 完整性。

2.1.2 熱循環與損傷機制

疲勞損傷累積的關鍵在於分層界面的軸向循環運動，而非靜態分層。當主管線的紊流間歇性地滲透到連接的分支管線中，或由於負載變化導致流動條件波動時，分層界面會產生軸向的來回移動。這種現象被稱為熱循環（Thermal Cycling），它反覆改變局部管壁的溫度邊界條件，產生循環載荷，加速疲勞損傷 4。

鑑於熱分層導致的應力是流體界面高度的函數 9，且局部應力和全局應力的最大值出現在不同的界面位置，工程師在進行有限元素分析 (FEA) 評估時，不能僅假設單一的穩態分層條件。必須使用計算流體力學 (CFD) 模型來模擬流體界面的瞬態位置變化和波動頻率，以捕捉最壞情況下的瞬態流體分佈對局部（HCF）和全局（LCF）應力元件的綜合影響。

 

2.2 紊流熱混合與熱剝離

熱剝離（Thermal Stripping）特指在混合點或 T 型接頭等區域，熱流與冷流以高速率和高紊流強度進行劇烈混合的現象。流體內部的紊流溫度波動通過對流將熱量傳遞到管壁，導致內壁表面產生高頻、高梯度的局部應力變化，這是導致 HCF 裂紋的直接原因 5。

2.2.1 定量模擬要求

要準確捕捉熱剝離現象，必須使用高度解析的非穩態共軛傳熱 (Unsteady Conjugate Heat Transfer, UCHT) 模擬來評估管壁的瞬態熱通量 5。這類模擬的複雜性要求採用更先進的紊流模型，如大渦模擬 (Large Eddy Simulation, LES)、尺度自適應模擬 (Scale-Adaptive Simulation, SAS) 或延遲分離渦模擬 (Delayed Detached Eddy Simulation, DDES) 等，以確保能精確捕捉到高頻率、小尺度的紊流脈動 6。

2.2.2 失效風險與速度

針對高溫差混合點的研究顯示，熱剝離是一種快速的失效模式。在主支管線之間存在 160°C 溫差的極端條件下，一個全熔透對接銲縫可能在短短 1,462 至 19,119 小時內失效 5。這表明一旦熱剝離發生在未經保護的高溫差環境中，HCF 損傷累積速度極快，是一個難以預測的災難性失效模式。此外，研究還指出，失效點可能位於 T 型接頭上游的應力集中區域，而非僅限於銲接點本身 5。鑒於 CCPP 蒸汽系統的高溫差環境，設計必須採取零容忍的策略來防止熱剝離。

 

三、 定量工程評估方法論

 

為了在設計和延壽評估中準確預測熱疲勞風險，必須整合多領域的工程分析工具。

 

3.1 計算流體力學 (CFD) 與有限元素分析 (FEA) 的整合

熱疲勞定量分析需要嚴格的數據傳遞流程。首先，UCHT/CFD 模擬的輸出，即管壁的瞬態溫度分佈和熱通量，必須作為熱負載的輸入，傳遞給結構 FEA 模型 5。結構 FEA 隨後計算由這些高頻熱負載引起的局部熱應力和應變。FEA 在此過程中還可以識別管線支撐件、銲縫等幾何不連續處的關鍵應力集中區域 8。

此外，如果管線同時受到高頻熱循環和機械振動載荷（例如，來自泵或汽輪機的振動），則需要進行複雜的熱機械疲勞 (TMF) 分析。FEA 可用於獲得管路在隨機振動條件下的結構動態應力功率譜響應 (Power Spectral Density, PSD)，然後結合損傷模型和材料的 S-N 曲線，計算結構的疲勞壽命 10。

 

3.2 疲勞壽命評估與規範限制

雖然 ASME B31.3 附錄 W 等規範提供了基於管線整體熱膨脹應力範圍的允許循環次數估算方法 2，這些方法主要適用於 LCF 評估。對於 HCF 損傷，傳統規範缺乏精確量化高頻率、局部性紊流熱混合應力的機制。

對於高溫 (>500°C) 且具有 HCF 風險的應用，壽命評估應考慮使用專業的疲勞判據。例如，應力基礎的 Dang Van 判據是一種廣泛用於評估疲勞裂紋萌生風險的準則，已應用於高溫下的高週疲勞分析，尤其適用於評估應力集中的邊緣和表面區域的 HCF 損傷 11。這種專門的判據能夠更好地反映高溫高頻載荷下材料的實際響應。

 

3.3 專用表格：熱疲勞定量分析方法流程

本表總結了進行高置信度熱疲勞分析所需的跨領域工程步驟和數據依賴性。

熱疲勞定量分析方法流程

步驟 目的 所需輸入/模型 主要輸出 參考文獻 ID
1. 暫態定義 界定運行循環和邊界條件。 操作歷史、流體溫差 (ΔT)。 循環次數 (N)、負載變化率。 1
2. 流體動力學 (CFD) 精確模擬局部溫度波動（熱剝離/分層）。 高解析度非穩態 CHT 模擬 (LES/SAS/DDES)。 局部熱通量、圓周與穿壁溫度分佈。 5
3. 結構分析 (FEA) 將熱負載轉化為機械應力/應變。 FEA 模型（包含銲縫、襯裡）、材料屬性（T 依賴）。 局部熱應力、應力集中因子 (SCFs)。 5
4. 壽命預測 評估累積疲勞損傷和預計剩餘壽命。 材料 S-N 曲線、蠕變-疲勞模型 (SRP/LDR)、斷裂力學。 預測失效循環次數、剩餘使用壽命 (RUL)。 5

 

四、 材料降解與蠕變-疲勞相互作用

 

4.1 高溫管線材料的行為與選用

CCPP HRSG 高溫段的管線材料，例如 P91 和 P22 鋼，通常選擇鐵素體-馬氏體鋼。選擇這些合金的主要原因之一是它們具有較低的熱膨脹係數和較好的導熱性，使其更能承受啟動和停機等熱暫態過程中所產生的熱應力 14。

然而，在高溫和循環載荷下，材料的性能會發生顯著變化。例如，Grade 91 (P91) 鋼在循環載荷作用下會發生循環軟化 (Cyclic Softening)，這會改變其在高溫下的應力-應變行為和疲勞極限 13。準確的壽命評估必須考慮這種材料退化現象，因為它直接影響了實際的應變範圍和應力鬆弛行為。此外，高溫環境下的疲勞損傷累積，即使是高頻率的熱循環，也不能被視為純粹的時間無關疲勞。在溫度高於 500°C 的主蒸汽管線中，蠕變和冶金效應會與 HCF 損傷累積耦合 11，這要求評估必須採用時效修正或 TMF 判據。

 

4.2 蠕變-疲勞相互作用的評估模型

CCPP 的運行通常涉及高溫和長期的保載時間（用於基載或熱態備用），這使得蠕變損傷和疲勞損傷的相互作用成為核心問題。

4.2.1 應變範圍劃分法 (Strain Range Partitioning, SRP)

雖然線性累積損傷法則 (LDR) 在設計中被廣泛使用，但它假設蠕變損傷和疲勞損傷是簡單相加的，無法準確描述在高溫環境中兩者複雜的相互作用 15。因此，更精確的方法是應變範圍劃分法 (SRP)，該方法由 Manson 開發，將複雜的遲滯迴圈中的非彈性應變範圍劃分為四種基本類型：塑性-塑性 (PP)、蠕變-蠕變 (CC)、塑性-蠕變 (PC) 和蠕變-塑性 (CP) 13。

SRP 已成功應用於 P91 鋼 (在 500°C 到 600°C 範圍) 的壽命預測。為了準確實現對 P91 鋼的壽命預測，分析中必須使用經疲勞修正的應力破裂數據，以準確反映循環軟化對蠕變壽命的影響 13。

4.2.2 實驗數據的瓶頸

儘管 SRP 具有理論上的優勢，但在實務應用中存在困難，因為缺乏足夠的實驗數據來建立四種基本應變範圍的壽命關係 16。特別是針對 CCPP 長期運行中涉及的低應變範圍和長保載時間，這是當前蠕變-疲勞數據庫中最缺乏實驗驗證的區域 17。這限制了 SRP 在 CCPP 延壽評估中進行長期外推時的穩健性。針對關鍵高溫組件的延壽評估，必須在分析中明確指出數據缺乏帶來的額外不確定性，並建議投入資源進行定製化的、針對低應變範圍的 P91 實驗測試。

 

4.2.3 銲縫完整性

材料的降解問題在銲縫區域更為複雜。P91 和 P22 鋼的銲縫具有與母材不同的微觀結構和性能，其蠕變裂紋擴展性能需要進行專門的蠕變-疲勞分析 14。

 

五、 緩解策略：設計與運行控制

 

有效的熱疲勞管理必須在設計、運行和維護層面實施多重緩解策略。

 

5.1 局部應力的設計解決方案

5.1.1 熱套筒的應用

熱套筒 (Thermal Sleeves) 是防止混合三通處發生熱剝離損傷的主要設計手段 18。熱套筒作為保護屏障，能夠隔離壓力邊界管壁，使其免受高頻率、高溫差的流體波動影響 6。

熱套筒的設計必須經過嚴格的驗證。其長度至關重要，必須通過 UCHT/CFD 模擬來精確確定，確保在所有預期的流動條件和溫差下，劇烈的流體混合區都能發生在套筒內部或下游的安全區域，而不是直接在壓力管壁上 6。值得注意的是，一旦熱套筒失效（例如，因腐蝕或機械應力而鬆動或開裂），壓力邊界將完全暴露於高頻熱波動中，導致快速 HCF 失效。因此，檢查計劃必須包含對熱套筒本身的完整性監測。

5.1.2 幾何與材料優化

設計應盡量減少穿壁熱梯度。對於高應力區域，必須仔細選擇材料，並優化組件厚度 8。由於不銹鋼襯裡與鐵素體鋼的熱性能不匹配會加劇熱疲勞問題，在熱應力高發區應避免使用不銹鋼襯裡 8。

5.1.3 全局管線柔性管理

為了控制 LCF 應力，管線佈置應採用側向撓曲膨脹迴路 (Lateral Deflection Expansion Loops)，例如沿著管線設置的「S 形彎曲」 19。這種設計利用管線本身的撓性來吸收熱膨脹/收縮帶來的位移，從而有效限制對錨固結構的熱推力負載 19。

 

5.2 運行最佳實踐與控制

運行策略對於管理熱疲勞至關重要。

5.2.1 負載梯度與壽命消耗會計

 

控制燃氣輪機 (GT) 的負載梯度，是限制 HRSG 及其管線承受熱應力的直接手段 1。運行策略的制定必須基於疲勞壽命計算進行優化，以在快速啟動（商業利益）與疲勞壽命消耗之間進行權衡 1。

5.2.2 溫度波動最小化

在部分負載運行期間，可以通過調整 GT 的進口導葉 (Inlet Guide Vane, IGV) 角度來提高排氣溫度，從而減小 HRSG 產生蒸汽的溫度波動範圍，減少對管線的熱衝擊 12。此外，運行人員必須確保流體溫度差異（特別是混合流體之間的 ΔT）在可接受的範圍內。

5.2.3 閥門完整性管理

由於洩漏的隔離閥會導致靜止管線中的分層界面產生軸向循環運動 4，這是 HCF 的主要誘因。因此，必須將關鍵隔離閥和控制閥的洩漏檢查與維護作為 HCF 緩解策略中的最高優先事項，以消除熱分層的潛在來源。

 

六、 檢查、監測與延壽協議

 

對於高風險管線，應當從間歇性檢查轉向連續性監測，以確保結構的長期完整性。

 

6.1 無損檢測 (NDT) 協議的制定

週期性 NDT 檢查必須將混合三通、銲縫、彎管內側等預計應力集中區域作為重點檢測目標 5。對於表面裂紋，建議在懷疑熱疲勞的區域採用液體滲透測試 (Liquid Penetrant, LP) 或磁粉測試 (Magnetic Particle Testing, MP) 等表面方法進行定期檢查 8。

 

6.2 先進 NDT 技術：相控陣超聲波檢測 (PAUT)

相控陣超聲波檢測 (PAUT) 是目前用於檢測銲縫處熱疲勞裂紋的首選體積式 NDT 方法 20。由於熱疲勞裂紋多起源於管線內表面，PAUT 能夠有效地檢測亞表面及表面缺陷，尤其是在銲縫的幾何不連續處 20。

PAUT 數據的應用必須進行嚴格的定量可靠性分析。檢測性能（偵測概率, Probability of Detection, POD）和尺寸測量誤差（Root-Mean-Square Error, RMSE）必須根據美國機械工程師協會 (ASME) 等規範的可接受標準進行評估 20。準確測量裂紋的深度和長度對後續的斷裂力學和剩餘壽命評估至關重要 8。

 

6.3 實時監測：聲發射 (Acoustic Emission, AE) 測試

由於 HCF 裂紋可以在短時間內迅速擴展 5，週期性的 NDT 檢查存在錯過快速失效的風險。因此，應在高風險區域部署實時監測系統。聲發射 (AE) 測試是一種極為有效的早期疲勞裂紋檢測方法 21。

AE 傳感器能夠監測由微米級裂紋擴展和傳播所發出的高頻彈性波 22。專門設計的高溫 AE 傳感器（例如 D9215 型）適用於高溫環境和輻射環境，使其能夠在 CCPP 蒸汽管線中實現連續的結構健康監測 23。AE 監測提供了一種區別於間歇性 PAUT 檢查的持續損傷評估能力。

 

6.4 斷裂力學與剩餘壽命評估

在 NDT 檢測到缺陷並精確量化其尺寸後，必須進行斷裂力學分析。這一分析結合了量化的運行循環次數、載荷數據和材料 S-N 曲線，預測已知缺陷在剩餘預計壽命內的擴展速度 8。斷裂力學評估是決定維修、更換或繼續運行的策略的關鍵決策支持工具 8。

 

6.5 專用表格：熱疲勞裂紋 NDT 技術比較

本表總結了幾種關鍵 NDT 技術在熱疲勞裂紋檢測中的應用和限制。

熱疲勞裂紋 NDT 技術比較

NDT 技術 主要偵測機制 目標缺陷類型 定量可靠性指標 高溫適用性 (監測) 參考文獻 ID
相控陣 UT (PAUT) 聲波體積反射 亞表面和表面裂紋（尤其在銲縫） 偵測概率 (POD)，尺寸誤差 (RMSE)。 低/中（需表面冷卻或導波）。 20
聲發射 (AE) 測試 微裂紋擴展產生的彈性波 早期微裂紋（結構健康監測） 事件計數、信號幅度。 高（有專用高溫傳感器）。 21
渦流測試 (ET) 導電材料磁場變化 表面和近表面裂紋 信號幅度/相位變化（深度估算）。 低/中（需要清潔表面）。 21

 

七、 總結與戰略建議

 

對複循環電廠管線的熱疲勞分析，必須從傳統的設計標準（專注於 LCF）擴展到包含針對局部高頻率 HCF 損傷的綜合評估。

 

7.1 關鍵結論

  1. 複雜的應力模式： CCPP 的靈活運行要求工程分析必須同時處理整體 LCF 應力（熱膨脹）和由局部流體現象（熱分層、熱剝離）驅動的 HCF 應力。
  2. 定量分析的必要性： 必須整合高解析度的計算流體力學 (UCHT/CFD) 與結構有限元素分析 (FEA) 的結果，以準確模擬和量化局部應變範圍，這是傳統規範方法無法達到的。
  3. 材料與蠕變： 高溫材料如 P91 鋼的蠕變-疲勞壽命評估，高度依賴於準確的應變範圍劃分模型，並且在 CCPP 運行相關的低應變/長保載時間區域，數據的穩健性存在挑戰。
  4. 設計緩解的關鍵： 熱套筒是緩解熱剝離損傷的唯一有效設計屏障，其設計和完整性監測至關重要。洩漏的閥門是熱分層和 HCF 的直接誘因，應作為運行維護的最高優先級。

 

7.2 策略建議

基於上述分析，建議發電工程經理和資產完整性研發專家採取以下戰略行動：

  1. 實施強制性三級完整性評估： 對所有涉及流體混合、旁通操作或間歇性流動的高壓/高溫管線（特別是 HRH/CRH 預熱和疏水連接點），必須強制要求使用經過驗證的 CHT/FEA/TMF 方法進行詳細的熱疲勞分析。
  2. 優化運行策略： 建立基於熱疲勞壽命消耗會計的運行決策支持系統，用於設定優化的 GT 負載升降速率和 IGV 控制，以平衡商業效益與資產壽命。
  3. 加強閥門完整性管理： 建立嚴格的閥門洩漏檢測和修復程序，特別是針對高壓隔離閥和控制閥，以消除熱分層和軸向熱循環的潛在誘因。
  4. 採用混合 NDT 監測系統： 對銲縫區域實施經過定量可靠性驗證的 PAUT 週期性檢查，作為深度體積檢查工具；同時，在最高風險的管線區段部署高溫聲發射 (AE) 系統，實現實時早期損傷預警，以防範 HCF 導致的快速災難性失效。

參考文獻

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