CCPP高應變A335P91蒸氣管線應變位移現象：管線完成SRHT其支撐設計點位對比冷作彎管與電銲彎頭之差異化深度分析研究 (In-Depth Comparative Analysis of Strain-Displacement Phenomena in CCPP A335 P91 Steam Pipelines: Cold-Bent Pipes vs. Welded Elbows at Post-SRHT Support Design Points)

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一、緒論：CCPP環境下P91管線的設計挑戰與應變重要性

在現代聯合循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）的高溫高壓蒸汽系統中，ASTM A335 P91（9Cr-1Mo-V）合金鋼因其卓越的高溫蠕變強度、良好的導熱性能及較低的熱膨脹率，已成為主蒸汽（Main Steam）與再熱蒸汽（Hot Reheat）管線的核心材料 1。P91 鋼屬於蠕變強度增強型鐵素體鋼（Creep Strength Enhanced Ferritic, CSEF），其微觀組織的穩定性決定了電廠運行的安全與壽命 1。然而，隨著電廠運行溫度的提升（通常達到 565°C 至 600°C）以及壓力增加，管線系統在熱收縮與熱擴張過程中承受著巨大的應變與位移壓力 4。

管線系統中的轉向配件，如彎管（Bends）與彎頭（Elbows），是應力集中與位移現象最為顯著的區域 5。在製造與安裝過程中，冷作彎管（Cold Bending）與電銲彎頭（Welded Elbows）兩者在幾何形狀、殘餘應力狀態及微觀組織特徵上展現出顯著的差異化行為 8。更為關鍵的是，這些組件在經歷現場應力消除熱處理（Stress Relief Heat Treatment, SRHT 或稱 Post-Weld Heat Treatment, PWHT）後，其內部的殘餘應力會轉化為永久性的幾何應變，進而導致支撐設計點位（Support Design Points）出現實際位移與理論設計值之間的偏差 10。

這種偏差如果未能精確評估，可能導致吊架（Hangers）與支撐（Supports）的載荷重新分佈，引發管線在冷態與熱態下的支撐失效，甚至導致管件早期的蠕變疲勞損壞 7。因此，深入探討 SRHT 完成後，冷作彎管與電銲彎頭在支撐設計點位上的位移差異，對於 CCPP 系統的長期可靠性評估具有高度的工程實踐價值。

二、A335 P91 材料科學基礎：微觀組織與熱機械性質

2.1 P91 合金成分與強化機制

ASTM A335 P91 的化學成分設計旨在實現極高的高溫穩定性。其 9% 的鉻（Cr）含量提供了優異的抗氧化與耐腐蝕能力，而 1% 的鉬（Mo）則顯著提升了蠕變抗力 1。此外，通過微量添加釩（V）與鈮（Nb），P91 在回火後能析出細小的 MX 型碳氮化合物，這些析出相能有效錨定位錯，並穩定馬氏體板條界（Martensitic Lath Boundaries） 1。

表1：ASTM A335 P91 合金鋼之標準化學成分規範

元素成分 規範百分比 (wt%) 核心功能說明
碳 (Carbon) 0.08 – 0.12 形成回火馬氏體基體與碳化物 1
鉻 (Chromium) 8.00 – 9.50 提升高溫抗氧化性與耐蝕性 1
鉬 (Molybdenum) 0.85 – 1.05 增強固溶強化效果與蠕變強度 4
釩 (Vanadium) 0.18 – 0.25 形成細小 V(C,N) 析出相，穩定組織 1
鈮 (Niobium) 0.06 – 0.10 控制晶粒尺寸，強化邊界 6
氮 (Nitrogen) 0.030 – 0.070 提供間隙強化與析出相來源 1
矽 (Silicon) 0.20 – 0.50 脫氧並提高抗高溫氧化性 1
錳 (Manganese) 0.30 – 0.60 增加淬硬性並結合硫元素 1

P91 鋼的機械性能優異，其最小抗拉強度為 585 MPa，屈服強度為 415 MPa 3。這使得管線設計可以實現薄壁化，進而減輕支撐系統的負擔。然而，這種高強度特性也使得材料在加工過程中容易累積大量的加工硬化應變或銲接熱應力 8。

2.2 P91 的熱處理基準與組織穩定性

P91 鋼的最終性能高度依賴於其熱處理循環。標準程序包括在 1040°C 至 1080°C 下進行正火處理，確保奧氏體化充分，隨後空冷形成馬氏體 1。隨後的回火處理（通常在 730°C 至 780°C 之間）至關重要，它能將脆性的淬火馬氏體轉變為穩定的回火馬氏體，並促進 M23C6 碳化物的析出 6。

如果在製造過程中（如現場銲接或冷作彎管）未能在後續的 SRHT 中完全恢復正確的微觀組織，則會出現異常組織（Aberrant Microstructure），如 Laves 相的過度生長或馬氏體板條的消失，這會直接導致蠕變壽命從設計的 100,000 小時銳減至 20,000 小時以下 13。

三、轉向配件製造工法之差異化深度分析

3.1 冷作彎管（Cold Bending）：塑性變形與幾何畸變機制

冷作彎管是利用機械力在環境溫度下強制管件發生變位。此過程中，管件的外徑側（Extrados）受到強烈的拉伸應力，導致管壁減薄；而內徑側（Intrados）則受到壓縮應力，導致管壁增厚 8。這種不均勻的變形引發了嚴重的加工硬化現象，使得彎管區域的硬度與屈服強度異常升高 8。

冷作彎管最顯著的副作用是幾何形狀的偏移，主要表現為橫截面的橢圓化（Ovality）。橢圓化的存在會降低管件的極限載荷承受能力，並在運行中引發非線性的力學響應 20。當橢圓化率超過 5% 時，管件在受到內壓與熱變形作用時會產生顯著的「圓化」傾向（Re-rounding Effect），這會導致支撐設計點位產生額外的水平或垂直位移向量 21。

表2：冷作彎管幾何偏差對力學性能之影響分析

 

幾何特徵 物理機制 對支撐設計之影響
外徑側減薄 (Extrados Thinning) 軸向拉伸變形 8 局部剛度降低，增加熱位移敏感度 23
內徑側增厚 (Intrados Thickening) 軸向壓縮變形 8 應力分佈不對稱，產生偏心力矩 5
橫截面橢圓化 (Ovality) 徑向坍塌應力 22 降低彈性模量，增加靈活性因子 (Flexibility Factor) 20
加工硬化 (Work Hardening) 位錯密度增加 8 SRHT 期間釋放應變大，導致冷態位置漂移 11

 

3.2 電銲彎頭（Welded Elbows）：銲接熱循環與組織梯度

與冷作彎管相比，電銲彎頭通常採用工廠預製的標準配件（如 ASME B16.9 短半徑或長半徑彎頭），然後通過對接銲（Butt Welding）連接至直管段 14。銲接過程在 P91 材料中引入了極其複雜的熱影響區（Heat Affected Zone, HAZ） 10。

銲接產生的殘餘應力通常在銲縫中心線處達到峰值，且往往接近材料的屈服極限 10。由於銲接冷卻過程中的熱收縮不均勻，電銲彎頭在安裝完成後便帶有微小的角度偏差。此外，HAZ 中的細晶區（Fine-Grained HAZ, FGHAZ）是 P91 管線系統最脆弱的環節，容易在此處發生 Type IV 蠕變開裂 10。電銲彎頭對支撐點位的影響主要體現在銲縫區域的局部位移，而非像冷作彎管那樣分佈在整個彎曲弧長上。

四、應力消除熱處理（SRHT）對應變位移的驅動作用

4.1 殘餘應力向永久變形的轉化機制

SRHT 的核心目的在於通過熱激發使原子重新排列，從而消除加工或銲接過程中累積的彈性殘餘應力 10。在 760°C 的保溫過程中，P91 鋼的屈服強度會顯著下降，此時原本儲存在晶格中的彈性能量會通過微觀蠕變的形式釋放 10。

對於冷作彎管而言，SRHT 期間的應力鬆弛會導致其在宏觀上試圖恢復原始形狀（即橢圓度部分恢復、彎曲半徑微調），這被稱為「鬆弛誘導變形」（Relaxation-Induced Deformation） 31。這種變形在熱處理冷卻後成為永久性的幾何偏移。如果管線在熱處理時處於固定狀態，則這些變形會轉化為對支撐系統的初始推力。

表3：SRHT 前後 P91 管線應力與位移狀態對比

參數指標 安裝完成後 (As-Installed) SRHT 完成後 (Post-SRHT)
殘餘應力水平 500 – 600 MPa 10 100 – 120 MPa 10
幾何形狀 帶有加工硬化與彈性應變 8 永久應變已發生，幾何趨於穩定 11
支撐點載荷 設計載荷 (不含殘餘應力釋放) 實際載荷 (包含應力消除位移) 12
微觀組織 變形馬氏體 / 未回火組織 15 回火馬氏體 / 穩定析出相 15

數據顯示，SRHT 通常能減少 70% 至 83% 的殘餘應力 10。然而，對於長跨度且含有多個彎管的 CCPP 主蒸汽系統，這種應力釋放引發的累積位移可能達到 10mm 至 30mm，直接挑戰了支撐吊架的冷態設定極限 12。

五、支撐設計點位：冷態與熱態偏移的差異化研究

5.1 支撐系統的設計邏輯與載荷平衡

在 CCPP 管線設計中，支撐點位的設定必須考慮系統在冷態（安裝溫度，通常約 21°C）與熱態（運行溫度，最高約 600°C）之間的動態切換 35。

線性膨脹位移的基礎計算公式為：

ΔL = L ·α·ΔT

其中，α 為 P91 的熱膨脹係數， ΔT為溫度差 37。

然而，標準計算往往假設管件為理想的剛性幾何體，忽略了 SRHT 完成後的永久變形。這導致了「實際冷態位置」與「設計冷態位置」的不一致 12。

5.2 冷作彎管 vs. 電銲彎頭：支撐點位位移行為對比

冷作彎管由於其較大的彎曲半徑（通常為 3D, 5D 甚至更大），其柔性較高，但也意味著其受 SRHT 影響的管段長度更長 8。相比之下，電銲彎頭（1.5D）更為剛硬，其 SRHT 引起的位移更具局部性 25。

表4：轉向配件類型對支撐點位設計之影響矩陣

評價維度 冷作彎管 (Cold Bending) 電銲彎頭 (Welded Elbow)
靈活性因子 (k) 較高，受橢圓化增強 20 較低，幾何形狀較標準 39
應力增強因子 (i) 受壁厚減薄與橢圓度顯著影響 22 受銲縫餘高與熱影響區影響 40
SRHT 位移規模 較大且呈現分佈式位移 11 較小且集中於銲縫對接點 10
支撐載荷重新分佈 易導致長跨度管線重心偏移 17 易導致局部銲縫承受超額應力 10
安裝調整複雜度 高，需在 SRHT 後二次校準 12 中，主要關注銲縫角度補償 28

分析表明，冷作彎管在 SRHT 完成後的位移偏差通常比電銲彎頭高出約 15% 至 25%。這是因為冷作過程中累積的內能不僅存在於銲縫處，而是均勻或非均勻地分佈在整個彎曲弧段上。當這些內能在 760°C 下釋放時，彎管的曲率半徑會發生極微小的改變，但在長達數米的力臂放大作用下，終端的支撐點位偏移量便會變得極其顯著 10。

六、高應變現象下的蠕變疲勞與微觀退化分析

6.1 內弧側（Intrados）的高應變集中現象

研究顯示，無論是冷作還是銲接，彎管的內弧側始終是應力與應變最集中的區域 5。在穩定運行階段，最大蠕變應變（Creep Strain）通常發生在彎管的內弧側表面 5。如果 SRHT 過程中的位移未能被支撐系統有效吸收，則會產生顯著的二次應力，加速該區域的蠕變損傷。

在一小時的穩態運行分析中，P91 管線內弧側的蠕變應力可達 222.1 MPa，且隨壁厚方向遞減 5。這種高應變狀態在電廠的啟動與停機循環中會進一步演變為蠕變-疲勞交互作用（Creep-Fatigue Interaction），最終在內表面引發微裂紋並向外擴展 7。

6.2 異常組織對位移偏差的加劇作用

在一些 CCPP 案例中，發現管線支撐點位在 SRHT 後出現了超過 50mm 的異常位移。經冶金調查，原因在於製造過程中的大應變與錯誤的 SRHT 溫度控制共同導致了再結晶現象 13。

異常組織的特徵包括：

  1. 馬氏體板條分解：失去了位錯強化效果 13。
  2. M23C6 粗化：碳化物尺寸增加至4μm，失去晶界釘紮作用 13。
  3. Laves 相析出：消耗了基體中的固溶鉬元素，降低了固溶強化能力 13。

這些微觀上的退化使得管材在 SRHT 的高溫下幾乎失去了抗蠕變能力，導致管線在自身重力作用下產生了不可逆的下垂（Sagging）。這在支撐點位上表現為顯著的垂直向下偏差，且在冷卻後無法恢復。

七、工程實踐中的檢測與優化策略

7.1 支撐點位的二次校準程序

鑑於 P91 材料在 SRHT 後的顯著位移特徵，傳統的一步到位安裝法（Single-pass installation）已不再適用。

標準化的工程流程應修訂如下：

  • 階段一：初步安裝。管線就位，支撐吊架鎖定在設計冷態位置（Cold Setting） 12。
  • 階段二：執行 SRHT。按 ASME 標準進行受控加熱與冷卻 10。
  • 階段三：位移量測與重置。解鎖支撐吊架，記錄管線因應力釋放產生的實際偏移。
  • 階段四：支撐微調。根據實際位置重新調整彈簧設定壓力或結構拉桿長度，確保熱態運行時載荷能達到理論平衡 12。

7.2 先進建模與數字孿生技術的應用

使用如 CAESAR II 等管線應力分析軟體時，應針對冷作彎管引入非圓截面模型，並考慮橢圓化對靈活性因子（Flexibility Factor）與應力強化因子（SIF）的修正 40。

對於電銲彎頭，則應建立詳細的銲縫熱影響區屬性，將 FGHAZ 的較低強度特性納入系統的柔性分析中，以更精確地預測 SRHT 後的應力分佈 10。

 

7.3 現場監督與質量保證

針對 P91 管線系統，必須進行百分之百的硬度測試，確保回火後的硬度在 190 至 250 HB 之間 6。對於冷作彎管，應特別關注彎曲點切處的硬度梯度。任何低於 170 HB 的區域都應視為「軟點」，這是不當熱處理或過度應變釋放的訊號，必須進行進一步的微觀結構評估 45。

八、結論：實現高應變 P91 管線系統的長期完整性

A335 P91 管線系統在 CCPP 中承受著極端的高溫高壓循環，其位移現象的複雜性主要源於製造工法的多樣性與熱處理過程中的非線性應變釋放。通過對比冷作彎管與電銲彎頭的研究發現，冷作彎管由於其大範圍的塑性變形與橫截面橢圓化，在 SRHT 之後表現出更為顯著且難以預測的幾何偏移。這種偏移直接影響了支撐設計點位的準確性，若忽視此現象，將導致管線在熱態運行中出現非預期的載荷集中與支撐過載。

電銲彎頭雖然在整體幾何上更為穩定，但其銲縫處的微觀組織梯度為系統引入了長期的 Type IV 開裂風險。因此，在支撐設計中，必須對這兩類配件採取差異化的安全係數與位移補償策略。

未來的 CCPP 工程實踐應強調「熱處理後位移再校準」的重要性，並結合先進的非破壞性檢測技術，如高溫應變計監測與金相覆膜分析，實時追蹤管線在運行週期內的變形演化 7。只有通過精確的冶金控制與細緻的機械支撐優化，才能確保 P91 這一高性能材料在能源轉型的高靈活性運行環境下，依然能夠發揮其卓越的技術價值並保障電廠的長治久安 1。

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