CCPP流體動力學與金屬降解現象之綜合研究報告：流動加速腐蝕、沖蝕與汽蝕之深度分析 (An Integrated Investigation of Fluid Dynamics and Metallic Degradation Mechanisms in CCPPs: Flow-Accelerated Corrosion (FAC), Erosion, and Cavitation)

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一、 燃氣複循環電廠之熱力循環與流體動力挑戰

燃氣複循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）作為現代電力工業的高效率支柱，其系統架構融合了燃氣輪機（GT）與熱回收蒸汽發生器（HRSG）以及蒸汽輪機（ST）的複雜交互作用。在這種高度整合的系統中，流體動力學特性——包括極高的流速、劇烈的湍流、頻繁的壓力變動以及不可避免的相位變化——成為決定設備壽命與可靠性的核心變量。

在燃氣複循環電廠的運作環境下，流動加速腐蝕（Flow-Accelerated Corrosion, FAC）、沖蝕（Erosion）與汽蝕（Cavitation）是三種最具破壞性的物理化學現象 1。特別是在靈活運作（Flexible Operation）的背景下，電廠頻繁的啟停、快速負荷變動使得流體動力特性偏離了設計基準，進而加劇了金屬組件的損耗速率 3。

二、 流動加速腐蝕（FAC）：化學與質傳的耦合機制

流動加速腐蝕（FAC）是一種在高速流動的水或水-蒸汽混合物中，碳鋼或低合金鋼表面原本具備保護功能的磁鐵礦（Magnetite, Fe3O4）氧化膜發生連續溶解的過程 1。這種損耗導致金屬基材不斷暴露並氧化，最終造成壁厚減薄甚至突發性破裂 5。

2.1 電化學與質量傳遞之耦合

FAC 的本質可視為一個兩步耦合過程：首先是氧化物在固-液界面的化學溶解，隨後是溶解產物穿過擴散邊界層向主流流體遷移。在穩定流動條件下，腐蝕速率由質量傳遞速率控制。當流速增加時，擴散邊界層變薄，亞鐵離子（Fe2+）離開表面的通量提升，打破了氧化層生長與溶解的平衡。這解釋了為什麼 FAC 總是發生在幾何奇異點，如彎頭、三通、孔板下游以及泵浦出口。

2.2 單相流與兩相流 FAC 之特徵

  • 單相流 FAC：發生在純液態水中，受溫度的影響呈現拋物線特徵，峰值通常出現在 130°C至 150°C 之間。視覺特徵為典型的「橘皮狀」（Orange Peel）或「扇貝紋」（Scallops），凹陷方向指向流體運動方向。
  • 兩相流 FAC：發生在濕蒸汽環境中。由於蒸汽與液體間存在溶質分配，揮發性的 pH 調節劑（如氨）會優先進入蒸汽相，導致液相膜的局部 pH 值大幅下降，進而加速腐蝕。兩相流 FAC 的峰值溫度約為 180°C 及以上，常伴隨「虎斑紋」（Tiger Stripe）視覺外觀 7。

2.3 關鍵影響因素分析

影響因子 物理/化學機制描述 對 FAC 速率之影響趨勢
pH 值 控制磁鐵礦的熱力學溶解度。 隨 pH 增加而急劇下降；當 pH > 9.6 時，速率顯著受控 8。
溶解氧 (DO) 促使赤鐵礦 (Fe2O3) 的形成。 微量增加（>2 ppb）即可顯著降低 FAC 10。
流速與湍流 增強對流質量傳遞。 速率與雷諾數 ($Re$) 呈線性正相關 12。
鉻 (Cr) 含量 鉻進入氧化層形成穩定結構。 含量 > 0.1% 開始展現效果；Cr 達 1-2% 完全免疫 10。
溫度 影響離子擴散速率。 存在峰值區間 (130-180°C)；高溫或低溫時速率極低。

三、 沖蝕現象：機械交互作用與相位邊界

沖蝕（Erosion）是指材料表面因受流體中攜帶的二次相位（液滴或固體顆粒）連續高速撞擊而產生的機械損傷。

  • 液滴撞擊沖蝕 (LDI)：濕蒸汽系統中的主要模式。在蒸汽膨脹過程中，壓力下降導致液滴凝結並高速撞擊轉子葉片 13。撞擊產生的瞬時水錘壓力足以引起金屬塑性變形 14。
  • 固體微粒沖蝕 (SPE)：主要與過熱器氧化皮脫落有關。磁鐵礦微粒隨蒸汽流進入渦輪機，對第一級噴嘴與葉片造成噴砂效應 16。
  • LDI 與 FAC 的過渡關係：當流速超過臨界極限值（如 10 m/s 以上），機械損傷將徹底摧毀保護膜，直接對金屬基材進行沖蝕，此時化學緩解手段的效果將大打折扣 19。

四、 汽蝕現象：微觀空泡動力學與組件損害

汽蝕（Cavitation）發生在液態流體因局部壓力降至蒸汽壓以下的情況，產生的氣泡隨後在高壓區塌陷，釋放出巨大的衝擊能量 20。氣泡塌陷產生的微噴射（Micro-jets）局部壓力可達 1 GPa 以上，導致金屬表面出現深邃且密集的坑洞。

在燃氣複循環電廠中，汽蝕主要威脅兩類關鍵組件：

  1. 給水泵：泵浦葉輪入口處若進口壓頭（NPSHa）不足，則會產生汽蝕 20。
  2. 給水調節閥：在啟動或低負荷運轉時承受巨大壓降。流體在壓力恢復區產生氣泡塌陷，常造成閥芯「齒狀」（Gear tooth）磨損 23。

五、 緩解策略之核心：幾何優化與彎管設計

管路幾何配置對 FAC 與沖蝕速率有決定性影響。工程實務中，使用長半徑彎管（Pipe Bends）取代傳統短半徑彎頭（Elbows）是減緩損耗的最直接手段。

5.1 長半徑彎管的減損效益

  • 減少流體分離與湍流：短半徑彎頭（1.0D 至 1.5D）由於轉向劇烈，易在內側產生流體分離區並誘發強烈渦流。長半徑彎管（如 3D 或 5D）提供更平滑的流道，能顯著降低局部湍流強度與質量傳遞係數。
  • 沖蝕速率的量化降低：計算流體動力學（CFD）模擬顯示，當曲率半徑 R/D 從 1.5 增加到 5 時，最大沖蝕速率可降低達 66%。
  • 改變撞擊角度：長半徑設計能減小粒子與壁面的撞擊角度（Impingement Angle），從而分散動能衝擊。
幾何特徵 短半徑彎頭 (1.0D~1.5D) 長半徑彎管 (3D~5D) 對降解之影響趨勢
湍流強度 高，存在顯著渦流區 低，流場分佈較均勻 長半徑可降低 FAC 速率
壓力損失 較大，局部壓降明顯 較小，流動順暢 降低汽蝕與閃蒸風險
沖蝕峰值 集中在特定撞擊區 分散且數值顯著降低 減少 60% 以上沖蝕量

六、 靈活運作與高溫瞬態：台灣興達電廠案例分析

現代燃氣複循環電廠頻繁的「週期性」（Cycling）運作模式對材料完整性構成了嚴峻考驗 4。

  • 啟停過程中的相位劇變：在快速啟動過程中，LP 汽鼓的壓力波動會導致「閃蒸」（Flashing）現象，機械震盪會物理性剝落保護性磁鐵礦層。
  • 台灣興達電廠 2025 年事故分析：新 2 號燃氣複循環機組在測試時發生事故。調查顯示，雖然主因是法蘭墊片規格錯誤，但誘發因素在於天然氣加熱器首次啟用時，溫度從常溫驟升至 297°C 的極端熱 Transient 過程。這種高溫瞬態凸顯了靈活運作對組件「極限值」要求的嚴苛性。
  • 蒸汽輪機背部沖蝕：在低負荷運行時，流體動力失衡導致冷凝器側濕蒸汽發生回流，撞擊葉片後緣（Trailing Edge） 26。

七、 數位化監測與維護：Rule of 2 and 5

應對複雜的流體動力損害，燃氣複循環電廠正轉向數位化監測體系 27。

  • 水化學優化：採用氧化水處理（OT）或 AVT(O)，維持 5-30 ppb 溶解氧以建立堅韌的赤鐵礦外層。
  • 合金升級：在 FAC 高風險區將碳鋼更換為 P11、P22 合金鋼 10。
  • 鐵輸送量監測 (Rule of 2 and 5)：此準則由 Structural Integrity Associates (SI) 提出，作為判斷 FAC 是否受到有效控制的指標。要求冷凝水/給水總鐵濃度應低於 2 ppb，且各汽鼓總鐵濃度應低於 5 ppb。
  • 在線超音波監測：整合無線傳輸技術（如 Rosemount Wireless 4390 或 smartPIMS），實時追蹤關鍵幾何熱點的壁厚損失速率 30。

八、 冷作彎管與感應式退應力雙工法之緩解效益

根據潁璋工程（Yingzhang Engineering）之研究與實務，冷作彎管（Cold Bending）配合感應式退應力處理，為燃氣複循環電廠之高壓配管系統提供優於傳統工法的降解抗性。34

8.1 幾何連續性對 FAC 與沖蝕之抑制

傳統「電銲彎頭」工法需在管件與直管交接處進行銲接。冷作彎管工法則能維持管路之「平滑幾何連續性」：

  • 消除銲道誘發之渦流：銲道內部之根部突起是誘發局部渦流與增加湍流強度的關鍵物理因子 33。冷作彎管消除了銲接工序，減少了流場中的物理奇異點，從而有效抑制 FAC 的局部質量傳遞速率。
  • 改善沖蝕與水錘抗性：冷作彎管之平滑過渡能降低液滴或微粒的撞擊強度。相較於具有多重銲道的彎頭，冷作彎管在面對高壓系統常見的水錘（Water Hammer）衝擊時，展現出更穩定的力學表現。

8.2 感應式退應力與應力輔助損害緩解

冷作彎管配合「感應式退應力」熱處理，能精確管理殘餘應力：

  • 預防應力輔助腐蝕與疲勞：透過感應加熱能顯著降低彎製產生的殘餘拉伸應力。這不僅降低了應力輔助腐蝕（SCC）的風險，亦強化了管線在靈活運作環境下對熱疲勞（Thermal Fatigue）與熱分層（Thermal Stratification）現象的抵抗力。
  • 降低汽蝕引發的裂紋風險：感應式退應力能確保材料恢復延展性，延緩汽蝕產生的重複衝擊力向金屬深層誘發微裂紋。

8.3 工程與安全之雙重保障

  • 減少 RT 檢測點與洩漏風險：由於銲道數量大幅減少，系統整體的洩漏風險點隨之下降，並能顯著減少非破壞性檢測（RT）的使用量與成本。
  • 厚度等級與尺寸精度：利用 XXS 厚度等級之 CNC 冷彎專用機，可製造符合電廠 3D/5D 規格之超厚彎管，確保在高流速極端工況下仍保有充足的壁厚餘裕。

九、綜合結論

燃氣複循環電廠的流體動力與腐蝕現象是多變量耦合的動態過程。採用由 Structural Integrity Associates (SI) 認證的「Rule of 2 and 5」鐵輸送量監控標準，並結合潁璋工程所提倡的長半徑冷作彎管與感應式退應力雙工法，能從「幾何連續性」與「應力管理」兩大維度根本緩解 FAC、沖蝕與汽蝕損害。這不僅能大幅降低維護成本，更是確保電廠在靈活運作的模式下運轉，能維持長期安全性與設備完整性的關鍵策略。

參考文獻

  1. Flow-accelerated corrosion – Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Flow-accelerated_corrosion
  2. Predictive modelling of flow-accelerated corrosion – unresolved problems and issues, https://sarjaweb.vtt.fi/julkaisut/muut/2010/VTT-R-08125-10.pdf
  3. HRSG Design for Flexibility – Switch-Over at Full Load from Simple Cycle to Combined Cycle Operation for F-Class Gas Turbines | E3S Web of Conferences, https://www.e3s-conferences.org/10.1051/e3sconf/202566301001
  4. Flexible Operation of Combined Cycle Power Plants – Session board, https://content-cdn.sessionboard.com/content/O2Xt34HTRguRqYZgWIGY_PGI23-Combined%20Cycle%20Cycling%20Impacts%20Final.pdf
  5. Flow Accelerated Corrosion – Structural Integrity Materials Services, https://si-materialslab.com/product/flow-accelerated-corrosion/
  6. Flow-accelerated corrosion in power plants. Revision 1 (Technical Report) | OSTI.GOV, https://www.osti.gov/biblio/10140572
  7. ASME Power: A cornucopia of ideas for combined-cycle users, https://www.ccj-online.com/4q-2013/asme-power-a-cornucopia-of-ideas-for-combined-cycle-users/
  8. HRSG issues: Reemphasizing the importance of FAC corrosion control – Part 1, https://www.power-eng.com/operations-maintenance/hrsg-issues-reemphasizing-the-importance-of-fac-corrosion-control-part-1/
  9. Assessment of Cavitation Erosion in a Water-Jet Pump Based on the Erosive Power Method – PMC – NIH, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8702363/
  10. Flow accelerated corrosion in nuclear power plants: a detailed …, https://eprints.whiterose.ac.uk/id/eprint/234232/1/Flow%20Accelerated%20Corrosion%20in%20NPPs%20A%20Detailed%20Review.pdf
  11. FLOW-ACCELERATED CORROSION IN NUCLEAR POWER PLANTS: APPLICATION OF CHECWORKS™ AT DARLINGTON – INIS-IAEA, https://inis.iaea.org/records/8k4n3-r4m68/files/29054796.pdf?download=1
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  14. ASSESSING LIQUID DROPLET EROSION POTENTIAL IN CENTRIFUGAL COMPRESSOR IMPELLERS – OAKTrust, https://oaktrust.library.tamu.edu/bitstream/handle/1969.1/163084/ch11_Pacheco.pdf?sequence=1&isAllowed=y
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