A335 P122與Super 304H高溫壓力管件之冷熱彎加工建議及其退應力熱處理研究分析報告 (Research and Analysis Report on Cold and Hot Bending Recommendations and Stress Relieving Heat Treatment for A335 P122 and Super 304H High-Temperature Pressure Piping Components)

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緒論

在現代能源工業中，超超臨界（USC）及極超超臨界（A-USC）火力發電技術的發展，對於鍋爐受熱面材料的熱強度、抗氧化性及蠕變斷裂壽命提出了極高的技術指標。ASTM A335 P122 與 Super 304H（UNS S30432）分別作為高鉻鐵素體/馬氏體合金鋼與高強度奧氏體不銹鋼的典型代表，廣泛應用於超高壓蒸汽輸送管道、過熱器與再熱器系統 1。然而，這些先進材料在電廠建設與維護過程中的管件成型（冷彎與熱彎）以及後續的熱處理工法，直接決定了其最終的服役性能。若工法控制不當，極易引發應力腐蝕開裂（SCC）、脆性相析出或蠕變強度驟減，進而導致非計劃性的停機事故 4。本研究旨在探討這兩類管材在不同加工工法下的顯微組織演變、應力分佈規律，並結合 ASME B31.1 與 B31.3 規範，提出系統性的退應力熱處理（SRHT）與銲後熱處理（PWHT）技術建議。

一、 高溫壓力管材之材料特性與微觀強化機制

1.1 ASTM A335 P122 合金鋼之冶金結構

ASTM A335 Grade P122 是一種專門為高溫高壓環境設計的高鉻合金鋼，其鉻含量介於 10.00% 至 11.50% 之間，並含有 0.25% 至 0.60% 的鉬 7。該鋼種透過添加鎢（W）、釩（V）、鈮（Nb）及氮（N）等元素，實現了優異的沉澱強化效果 7。在標準熱處理狀態（正火與回火）下，P122 的顯微組織呈現典型的回火馬氏體結構，其中馬氏體板條邊界分佈著細小的 M23C6（M 主要為 Fe、Cr、Mn）碳化物，而板條內部則析出了納米級的 MX（V/Nb 碳氮化物）顆粒 9。這些相的穩定性對於維持 600°C 以上的蠕變強度至關重要。鉬與鎢的加入不僅強化了固溶基體，還能促進 Laves 相（Fe2(W, Mo)）的形成，雖然 Laves 相在長期服役後可能粗化，但在初期能有效抑制位錯運動 10。

1.2 Super 304H 奧氏體不銹鋼之微觀機制

Super 304H 則是基於傳統 18-8 系（如 TP304H）進行深度改良的鋼種，其顯著特徵是添加了約 3% 的銅（Cu）及微量的鈮與氮 2。該材料在 600°C 至 700°C 區間的蠕變強度較 TP347H 提升了約 20% 至 30%，主要歸功於服役過程中析出的細小、彌散且與基體保持共格關係的富銅相（Cu-rich phase） 3。富銅相與 Nb(C, N)、鈮鉻氮化物（Z相）及 M23C6 協同作用，共同構成了其卓越的高溫強化體系 11。為了確保這些合金元素在加工前均勻固溶，Super 304H 必須經過 1100°C 以上的高溫固溶處理 3。

以下表格詳細對比了 P122 與 Super 304H 的典型化學成分要求，這對於理解其成型後的熱處理行為至關重要：

化學元素 ASTM A335 P122 (wt%) Super 304H / S30432 (wt%)
碳 (C) 0.07 – 0.14 0.07 – 0.13
錳 (Mn) ≤ 0.70 ≤ 1.00
矽 (Si) ≤ 0.50 ≤ 0.30
鉻 (Cr) 10.00 – 11.50 17.0 – 19.0
鎳 (Ni) ≤ 0.50 7.5 – 10.5
鉬 (Mo) 0.25 – 0.60 –
鎢 (W) 1.50 – 2.50 –
銅 (Cu) 0.30 – 1.70 2.50 – 3.50
鈮 (Nb) 0.04 – 0.10 0.30 – 0.60
釩 (V) 0.15 – 0.30 –
氮 (N) 0.040 – 0.100 0.05 – 0.12
硼 (B) – 0.001 – 0.010

數據來源參考：2

二、 管件彎曲加工之力學分析與建議

2.1 冷彎加工（Cold Bending）的風險與應用

冷彎加工通常在室溫下進行，依賴材料的塑性變形能力 15。對於 Super 304H 而言，其奧氏體結構具備極高的延伸率（≥35%），理論上非常適合冷彎成型 3。然而，冷彎會引發嚴重的加工硬化現象。研究表明，Super 304H 在彎曲過程中的最大塑性變形可達 27%，這會導致位錯密度大幅增加，硬度從退火態的 180 HV 飆升至 300 HV 附近 16。

這種高硬度狀態與殘餘拉應力（主要集中在彎管外弧）相結合，在含氯離子的海岸工業區環境下，會顯著提高應力腐蝕開裂（SCC）的敏感性 5。此外，冷變形後的顯微組織不穩定，會加速服役過程中 σ 相等脆性相的析出。例如，未經後熱處理的 Super 304H 彎管在 650°C 運行僅一年，其 σ 相含量就可能比未變形管件高出數倍 16。因此，對於關鍵壓力管件，若採用冷彎，其彎曲半徑（R）一般建議不小於 3D 至 5D，以減少應變梯度 17。

2.2 熱彎與感應加熱彎管（Hot Induction Bending）

熱彎加工將管材加熱至 Ac3 溫度以上（通常為 950°C 至 1150°C），顯著降低了材料的屈服強度，從而實現大直徑或厚壁管件的成型 15。對於 P122 這類馬氏體鋼，熱彎能避免冷加工產生的微裂紋。然而，熱彎過程中的熱循環等同於一次局部的正火處理，管件冷卻後會形成硬度極高的未回火馬氏體組織，其脆性極大，必須進行後續的回火處理 9。

熱彎過程中應嚴格控制加熱溫度。若溫度過高（>1150°C），會引發奧氏體晶粒粗化，降低韌性；若溫度過低，則無法完全消除加工應力 15。對於 Super 304H，熱彎雖然減少了殘餘應力，但如果加熱時間過長或冷卻速度過慢，可能會導致鈮碳化物的粗化，進而削弱服役初期的強化效果 3。

下表列出了管件彎曲後的主要機械性質變化對比：

加工方式 顯微組織影響 硬度變化 殘餘應力 腐蝕敏感性
冷彎 (Cold) 位錯密度增加、加工硬化 顯著提高 (180 → 300 HV) 高 (拉應力) 增加 (SCC 風險)
熱彎 (Hot) 晶粒重組、相變 (P122) 視冷卻速度而定 低至中 較低

數據來源參考：15

三、 退應力熱處理（SRHT）與銲後熱處理（PWHT）之技術參數

3.1 ASTM A335 P122 (P-No. 15E) 的處理要求

根據 ASME B31.1 與 B31.3 的規定，P122 被劃分為 P-No. 15E 組別 21。這類材料在銲接或熱加工後必須進行 PWHT。關鍵的技術要點在於，在熱處理開始前，必須確保管件冷卻至馬氏體轉變完成溫度（Mf）以下，通常建議冷卻至 190°C (375°F) 以下，以確保獲得完全的馬氏體組織 21。若直接在高溫下進行回火，會殘留不穩定奧氏體，在冷卻後轉變為脆性馬氏體，嚴重影響韌性。

P122 的 PWHT/回火參數如下：

  • 溫度範圍：730°C 至 800°C (1350°F 至 1470°F) 9。
  • 持溫時間：對於壁厚小於等於 50mm 的管件，至少持溫 1 小時/25mm；超過 50mm 則需額外增加持溫時間 24。
  • 冷卻速率：在 650°C 以上應控制在 100°F/hr 以下，以防熱應力誘發開裂 25。

3.2 Super 304H 的熱處理建議

對於奧氏體不銹鋼，ASME B31.1 (P-No. 8) 一般不強制要求 SRHT，除非工法設計有特殊防腐蝕或應力消除需求 25。然而，基於前述彎管引發的 σ 相加速析出與 SCC 風險，專業建議在彎管加工後進行固溶退火（Solution Annealing）。

Super 304H 固溶處理參數：

  • 溫度：≥ 1100°C 3。
  • 冷卻方式：必須採取快速淬冷（水冷或強制風冷），以穿過 425°C – 815°C 的敏化溫度區間 3。
  • 目的：重新溶解在加工過程中析出的不穩定碳化物與 σ 相，消除加工硬化，並恢復材料的抗腐蝕能力 16。

3.3 熱處理過程中的升降溫控制與監控

熱處理必須使用多點熱電偶精確監測管件的壁厚溫差。升溫速率通常限制在 55°C/hr 以內，以減少熱梯度導致的變形 27。在浸泡階段（Soaking phase），應確保整個彎管區域溫度均勻，避免發生局部過熱或欠熱現象 27。

四、 敏化與應力腐蝕開裂（SCC）之機理研究

4.1 敏化作用與晶間腐蝕

Super 304H 作為含碳量較高的鋼種，在銲接熱影響區（HAZ）或錯誤的熱處理過程中，鉻碳化物（Cr23C6）會在晶界析出，導致周圍區域鉻含量下降，形成敏化區 28。在沿海高鹽霧環境中，氯離子會優先攻擊這些貧鉻區，引發晶間腐蝕開裂（IGSCC） 4。

實驗證明，經過 675°C 敏化處理的 Super 304H 樣本，其 DOS（敏化度）可達 10.8%，在 ASTM A262 腐蝕測試中會被判為不合格 31。而經過 1100°C 固溶處理後，DOS 值可降至 0.01% 以下，顯示其抗腐蝕性能得到了完全修復 31。

4.2 殘餘應力的耦合效應

失效分析顯示，發電廠過熱器管件的破裂往往發生在應力最高的彎管頂部或銲縫根部 4。殘餘拉應力的存在降低了氯離子引發開裂的閾值應力。在濕熱環境下，若管件內部沉積了含有鈉鹽或氯鹽的積垢，SCC 的風險會進一步放大 5。因此，在成型後進行徹底的 SRHT，消除殘餘應力，是預防早期失效的關鍵 18。

五、 長期服役下的顯微組織演變與劣化

5.1 σ 相的析出與脆化

σ 相（Sigma phase）是在 600°C 至 900°C 長期受熱後形成的硬脆 Fe-Cr 金屬間化合物 2。在 Super 304H 中，σ 相傾向於在晶界或 δ 肥粒鐵殘餘處形核。雖然 σ 相在服役溫度下對蠕變強度影響較小，但它會導致室溫衝擊韌性劇降 35。

當 σ 相含量達到一定比例時，管件的衝擊功（CVN）會低於 20J 的安全底線，這意味著電廠在冬季停機後的重新啟動過程中，管件極易發生脆性斷裂 36。彎管加工產生的塑性變形提供了大量的形核位置，會將 σ 相的析出時間提前數千小時 16。

5.2 P122 的 IV 型裂紋（Type IV Cracking）風險

P122 類鋼種在長期高溫服役中面臨的最嚴峻挑戰是 IV 型裂紋，這通常發生在銲接接頭的細晶粒熱影響區（FGHAZ） 10。該區域的峰值溫度略高於 Ac3，導致原始組織部分溶解，隨後的冷卻過程未能重建穩定的亞微觀結構。在長期的蠕變過程中，應力集中會導致該區域優先發生空洞形核與裂紋擴展 38。

為了減緩 IV 型裂紋的產生，P122 彎管的 PWHT 必須確保碳化物的穩定化與位錯亞結構的適度釋放。如果 PWHT 溫度過低，應力消除不完全；若溫度過高，則會導致強度不足。

六、 管件壁厚設計與公差控制

在彎管加工中，管壁厚度會遵循體積守恆原則重新分佈：彎管外弧（Extrados）受拉變薄，內弧（Intrados）受壓變厚 40。

6.1 最小壁厚計算

根據 ASME B31.3 第 304.2 節，完成後的彎管最小壁厚 tm 需滿足以下要求：

tm = t + c

其中 t 為考慮內壓所需的厚度，c 為腐蝕與機械公差之和。對於外弧區域，需引入係數 IExt：

IExt = [4(R/D)+1] / [4(R/D)+2]

顯然，彎曲半徑 R 越小，IExt 越大，所需的初始管壁厚度就越高 40。

下表展示了不同彎曲半徑下所需的厚度增加比例建議（僅供參考）：

彎曲半徑 (R/D) 外弧減薄預估 (%) 建議初始厚度餘量 (%)
3D 12 – 15 20
5D 8 – 10 12.5
10D 3 – 5 5

數據來源參考：23

6.2 幾何公差與波浪度

彎管不得出現明顯的褶皺、裂紋或機械損傷。ASME B31.3 規定，對於承受高壓的管件，波浪高度不應超過名義管徑的 3% 43。此外，為了保證蒸汽流動的平穩，橢圓度控制在 8% 以內是基本的技術標準 43。

七、 沿海地區發電廠之特殊維護建議

在沿海鹽霧區域，具有高濕、高鹽分與化學排放物多的特徵。這對於 P122 與 Super 304H 管件的穩定運行構成了外部威脅。

7.1 外部腐蝕與積垢控制

鹽霧中的氯離子會滲透保溫層，引發保溫層下腐蝕（CUI）。對於不銹鋼管件，這會演變為外部應力腐蝕開裂 5。建議在管件外部塗覆高品質的有機矽耐高溫防腐塗層，並定期檢查保溫層的密封性 44。

7.2 水質與內垢管理

鍋爐給水的除氧與 pH 值控制（通常建議 9.3 – 9.8）對於防止內部點蝕至關重要 46。應定期進行化學清洗，移除管內沉積的鐵氧化物與垢類，避免局部過熱與氫攻擊（Hydrogen Attack） 33。

八、 結論與工法彙總

8.1 綜合技術建議總結

本研究針對 A335 P122 與 Super 304H 的冷熱彎及熱處理工法提出以下核心結論：

  1. 材料適用性：P122 與 Super 304H 均具備良好的成型性，但其微觀強化機制對熱循環極為敏感。成型後的組織狀態直接決定了其數十萬小時的服役可靠性 11。
  2. 彎管工法選擇：
    • P122：建議優先採用感應熱彎，並緊接進行整體的正火與回火處理，以獲得最穩定的回火馬氏體組織，最大程度推遲 IV 型裂紋的出現 7。
    • Super 304H：冷彎或熱彎均可，但成型後必須進行固溶退火（≥1100°C 快速冷卻），以消除加工硬化、殘餘應力並解決敏化問題。
  1. 熱處理之嚴謹性：
    • P122 的 PWHT 溫度應精確控制在 730°C – 770°C。應嚴格遵守冷卻至 Mf 點以下再加熱的程序，防止殘留奧氏體引發組織脆化。
    • Super 304H 絕對嚴禁在 425°C – 815°C 區間進行長時間的低溫退應力熱處理，這會導致致命的敏化現象 28。
  2. 幾何與品質控制：彎管設計應基於 ASME B31.3 考慮減薄補償。加工後應進行 100% 滲透探傷（PT）或磁粉探傷（MT）以排除表面裂紋，並監測硬度梯度 43。
  3. 運維防護：在沿海鹽霧區域，應強化對應力腐蝕開裂的監控。對於已服役多年的管件，應定期利用金相複膜技術檢查 σ 相與 Z 相的析出程度，作為評估剩餘壽命與更換計劃的依據 12。

透過對工法細節與熱處理規範的嚴格執行，工程技術人員可以確保 A335 P122 與 Super 304H 這類先進材料在極端工況下發揮其應有的設計性能，保障超超臨界機組的長週期安全運行。

管材型號 成型建議 SRHT/PWHT 關鍵參數 主要監控指標
A335 P122 優先熱彎 (Induction) 730-770°C, 先冷卻至 <190°C 回火馬氏體組織、硬度 (≤250 HBW)
Super 304H 冷彎/熱彎皆可 ≥1100°C 固溶 + 快速淬冷 敏化度 (DOS)、σ 相含量、硬度 (180 HV)

數據來源參考：9

 

參考文獻

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