CCPP高壓配管工法之深度研究：冷作彎管與電銲彎頭在水錘衝擊下的力學表現、殘餘應力演化與微觀組織穩定性分析 (A Comparative Study of Cold Bending and Welded Elbows in CCPP High-Pressure Piping: Analysis of Water Hammer Response, Residual Stress, and Microstructure)

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一、前言

在現代複循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）的設計與運維中，高壓配管系統的可靠性直接關係到整座電廠的能源轉換效率與操作安全。隨著燃氣輪機技術的進步，蒸汽參數不斷向超臨界甚至超超臨界方向發展，這對配管系統在極端工況下的適應能力提出了嚴苛要求 1。

二、水錘現象的物理機制與配管幾何特性之關聯

水錘或稱流體瞬變現象（Fluid Transients），是指流體在管線中運動時，由於閥門突然關閉、水泵啟動或停止、以及蒸汽凝結等原因，導致流速發生劇烈改變，進而激發壓力脈衝的現象 3。在 CCPP 的給水系統或蒸汽管路中，這種壓力波以音速傳播，其能量密度極高，往往能在極短時間內產生超過設計工作壓力數倍甚至十倍以上的瞬時載荷 6。

根據 Joukowsky 方程，壓力激增量 ΔP 與流體密度 ρ、壓力波速 a 以及流速變化量 ΔV 成正比：

ΔP = ρa ΔV

其中，壓力波速 a 是決定水錘強度的關鍵變量，它不僅取決於流體的體積彈性模數，還深受管材楊氏模數 E、管徑 D 與管壁厚度 e 的影響 8。研究表明，管材的剛度越高，壓力波速越快，導致的峰值壓力也越高 9。在此背景下，冷作彎管與電銲彎頭的幾何差異成為決定壓力波傳播行為的首要因素。

2.1 幾何連續性對流場與壓力波反射的影響

冷作彎管通常具有較大的彎曲半徑（通常為 3D、5D 甚至更大，D 為管徑），這賦予了流體更為平緩的轉向空間 1。相較之下，標準電銲彎頭多為短半徑（1.0D）或長半徑（1.5D），其幾何形狀在流向改變處較為陡峭 1。當水錘壓力波遭遇幾何不連續點時，會發生反射與透射。大半徑彎管由於其優異的「幾何連續性」，能有效分散入射波的動量，降低波前與管壁直接碰撞產生的法向力 7。

電銲彎頭在水錘事件中往往成為能量集中點。當高速流體突然受阻，壓力波在彎頭內部的外弧面（Extrados）會產生強烈的反射與渦流衝擊 13。這種不平滑的幾何過渡不僅增加了流動阻力（阻力係數 K 值較高），更會導致局部壓力梯度劇增，增加支撐結構脫落或管件破裂的風險 7。

下表呈現了不同彎曲半徑對流體阻力係數及水錘衝擊性能的影響對比：

配管組件類型 彎曲半徑 (R/D) 阻力係數 (K) 幾何連續性評價 水錘衝擊耐受度預測
斜接彎頭 (Mitered) N/A 0.80 – 1.20 極差 (多重斷點) 低 (易發生應力集中)
短半徑電銲彎頭 1.0 0.35 – 0.50 一般 (轉向劇烈) 中低 (波反射強)
標準長半徑彎頭 1.5 0.25 – 0.35 良好 (工業標配) 中 (受銲縫影響)
冷作彎管 (3D) 3.0 0.18 – 0.22 優異 (平滑轉彎) 高 (流道連續)
冷作彎管 (5D+) 5.0+ < 0.15 極佳 (流線型) 最高 (動能損失極小)

資料彙整自: 1

三、殘餘應力的生成機制與時效演化

殘餘應力是指在不施加任何外部負載的情況下，物體內部存在的自我平衡應力。在 CCPP 高壓配管中，冷作彎管與電銲彎頭的殘餘應力特徵截然不同，這決定了它們在承受週期性水錘衝擊時的疲勞壽命與失效模式 16。

3.1 電銲彎頭的熱力學殘餘應力

電銲彎頭的應力主要來源於熱循環。銲接過程中，局部金屬經歷熔化與隨後的快速冷卻凝固 17。銲縫區及其相鄰的熱影響區（HAZ）由於冷卻時受到周邊冷金屬的約束，無法自由收縮，從而產生極大的拉伸殘餘應力，其數值往往接近甚至超過材料的屈服強度 16。

在水錘事件中，這些高額的拉伸殘餘應力會與瞬時操作壓力產生的應力進行線性疊加。根據失效分析，這種「預加載」效應會顯著降低材料的裂紋萌生門檻，特別是在銲縫根部或不平整的銲趾處，極易誘發疲勞破壞或應力腐蝕龜裂（SCC） 16。

3.2 冷作彎管的機械塑性殘餘應力

冷作彎管的應力源於機械位移引發的塑性變形。在彎管機施力的過程中，管壁的外弧面（Extrados）產生拉伸塑性應變，而內弧面（Intrados）則產生壓縮塑性應變 17。當彎曲力撤除後，由於彈性回復（Springback）效應，管材內部會重新分配應力以達到平衡。典型情況下，冷作彎管的外表面會殘留縱向拉伸應力，而內表面則呈現壓縮狀態 21。

與銲接應力相比，冷作彎管的應力分布相對寬廣且梯次平緩，不存在銲縫那樣的局部尖峰。然而，冷作彎管在「切點（Tangency Point）」即直管段進入彎曲段的起始位置，會出現極高的拉伸殘餘應力，這是因為該處存在最大的塑性應變梯度 17。

下表對比了兩類工法的殘餘應力特徵及其對水錘衝擊的潛在影響：

特徵參數 電銲彎頭 (環向銲縫) 冷作彎管 (本體彎曲)
生成機制 局部熱脹冷縮 (物理相變) 機械塑性變形 (位錯堆疊)
應力峰值位置 銲縫區與 HAZ 中心 彎曲段切點及外弧面
應力性質 高強度拉伸 (多維) 拉伸 (外弧) 與壓縮 (內弧)
水錘交互作用 易誘發銲縫根部疲勞裂紋 應力梯度平緩，緩解衝擊
熱處理需求 必須進行 PWHT 以消除應力 視變形量決定是否需要退火

資料參考: 16

四、材料微觀組織的穩定性：以 P91 鋼為核心的分析

在 CCPP 的過熱蒸汽系統中，P91 鋼（9Cr-1Mo-V-Nb）因其優異的高溫蠕變強度而得到廣泛應用 23。然而，P91 是一種對微觀組織極其敏感的材料，其強化機制高度依賴於回火馬氏體基體、細小的 MX 型析出物（如 VN、NbC）以及 M23C6碳化物的合理分布 23。

4.1 冷作變形引發的組織劣化

冷作彎管過程中引入的高密度位錯，雖在短期內提高了材料強度，但在 CCPP 的高溫運行環境（500°C – 600°C）下，會成為微觀組織不穩定的誘因 26。

  1. 再結晶風險：劇烈的冷作變形（變形量超過 10-15%）會提供再結晶所需的內能驅動力。在高溫服役期間，原本強化的馬氏體板條可能發生回復與再結晶，轉變為軟質的等軸鐵素體晶粒，導致局部硬度劇降，失去高溫蠕變抗力 27。
  2. 析出物粗化：冷作應變能加速M23C6及 Laves 相（Fe2Mo）在原奧氏體晶界上的聚集與粗化。這種現象會弱化晶界的釘紮效應，導致「晶界滑移」，縮短材料的蠕變壽命 23。

實務案例顯示，某些冷作加工不良的 P91 彎管在服役僅 20,000 小時後便出現明顯的組織劣化，預期壽命從 100,000 小時縮減至原有的五分之一 27。

4.2 銲接過程中的區域性弱化（Type IV 裂紋）

電銲彎頭的主要挑戰在於熱影響區（HAZ）的微觀不均勻性。銲接熱循環會將 HAZ 分為多個亞區，其中「臨界區（Intercritical HAZ, ICHAZ）」是最薄弱的環節 29。

在 ICHAZ 中，峰值溫度僅略高於 Ac1 點，導致材料發生不完全的奧氏體轉變。冷卻後產生的微觀組織既不具備原母材的完整回火馬氏體特徵，也缺乏有效的析出物強化。當水錘產生的週期性衝擊力作用於該區域時，細小的蠕變孔洞會優先在此處萌生並連結，最終形成所謂的「Type IV 裂紋」，這是導致電銲管件提前失效的元兇 23。

五、工程法規要求與設計指引

針對 CCPP 配管系統，ASME B31.1（動力配管標準）提供了具體的設計基準 2。在處理水錘這類偶發性載荷（Occasional Loads）時，規範要求計算總合縱向應力，並確保其不超過許用應力的特定倍數 32。

5.1 應力強化因子（SIF）的應用

應力強化因子（Stress Intensification Factor, SIF）是用於衡量管件幾何不連續性對疲勞壽命影響的乘數。在 ASME B31.1 中，SIF 的定義是以標準直管銲縫（SIF=1.0）為基準進行對比 34。

  • 電銲彎頭：由於幾何較陡峭且存在環向銲縫，其 SIF 通常較高，這意味著在相同的彎矩作用下，彎頭處產生的有效應力會顯著大於直管段 35。
  • 冷作彎管：由於具有較大的彎曲半徑（如 5D），其 SIF 通常低於短半徑彎頭。大半徑減少了截面扁平化（Ovalization）的傾向，從而提高了結構的柔性與抗疲勞能力 35。

5.2 動態載荷因子（DLF）與水錘模擬

在進行水錘分析時，僅考量靜態等效壓力是不夠的。動態載荷因子（Dynamic Load Factor, DLF）表達了動態載荷相對於靜態載荷的放大倍率 38。對於突發的水錘脈衝，彎頭處的彎曲應力 DLF 可能接近 2.0，而環向應力（Hoop Stress）的 DLF 甚至可能高達 4.0 38。

為了減緩水錘衝擊，CCPP 工程設計通常採取以下策略：

  1. 優化配管布置：儘量增加彎曲半徑，改用冷作彎管以減少波反射 7。
  2. 設置緩衝裝置：如氣室（Air Chambers）或水錘消除器 3。
  3. 精確支撐設計：設置合理的管架與限位器，防止管線在衝擊下發生劇烈位移 7。

六、綜合結論與實務建議

綜合殘餘應力、幾何連續性與材料組織穩定性的多維度分析，冷作彎管與電銲彎頭在 CCPP 系統中各具優劣。

6.1 核心差異總結

冷作彎管憑藉其卓越的幾何連續性，在水錘衝擊防禦方面展現出先天優勢。平滑的大半徑流道不僅降低了流動阻力與流體誘發振動（FIV），更有效分散了壓力波能量。在殘餘應力方面，冷作彎管避開了高風險的銲接熱循環，減少了局部微觀缺陷。然而，其最大的挑戰在於變形量控制與高溫下的微觀組織漂移 1。

電銲彎頭則以標準化與安裝靈活性取勝。在空間受限的 CCPP 模組化單元中，它是不可或缺的選擇。但電銲彎頭必須面對銲縫殘餘應力與 Type IV 裂紋的威脅，其對水錘衝擊的耐受力高度依賴於銲接質量的嚴格管控及熱處理工序的徹底執行 16。

6.2 運作與設計建議

  1. 高動態風險區域優先採用冷作彎管：在極易發生水錘的管段，建議優先採用 5D 以上的冷作彎管 7。
  2. 強化 P91 彎管的硬度監測：對於冷作彎管，應定期進行現場硬度測試，以預防組織軟化 27。
  3. 銲縫區的無損檢測（NDT）制度：針對電銲彎頭，應定期關注環向銲縫的熱影響區，及早發現疲勞微裂紋 42。
  4. 採用數位孿生與瞬態建模：利用數位工具精確預測各彎折點的動態負載，並據此決定是否必須將電銲彎頭更換為幾何穩定性更佳的冷作彎管 5。

參考文獻

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