A335 P91管材點銲後研磨與管支撐銲接處未施行退應力程序之分析研究 (Analytical Study on the Omission of Post-Weld Heat Treatment (PWHT) in Tack Welds and Pipe Support Welds of ASTM A335 P91 Steel)

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一、序言：高溫高壓電力系統中 P91 鋼材的戰略價值與冶金挑戰

隨著超超臨界（USC）火力發電技術的普及，電力系統對管材在高溫高壓環境下的蠕變強度與熱疲勞抗力提出了近乎苛刻的要求。ASTM A335 P91 鋼材，作為一種改良型 9Cr-1Mo 馬氏體耐熱鋼，憑藉其卓越的力學性能、高熱導率及低熱膨脹率，成為了現代電廠主蒸汽管路與集箱的首選材料 1。這種材料的成功應用，使得設計者能夠在不犧牲安全性的前提下大幅減薄管壁厚度（與傳統 P22 鋼相比可減薄約 60% 至 65%），從而降低組件重量，改善熱循環效率 3。

然而，P91 鋼材的優異性能高度依賴於其精確的微觀組織結構，即受控回火後的馬氏體基體與均勻分佈的 M23C6 碳化物及 MX（M 為釩或鈮，X 為碳或氮）型碳氮化物 5。這種微觀平衡極其脆弱，任何非預期的熱輸入循環——如點銲（Tack Welding）或管支撐附件（Pipe Supports）的銲接——若未嚴格執行銲後熱處理（PWHT），都將導致材料內部的組織發生不可逆的退化 4。

在施工現場，點銲往往被視為暫時性的定位手段，而管支撐銲接則常被誤認為是「非承壓」或「次要」程序，因而存在省略退應力程序的技術隱患 10。本研究旨在探討這類「次要」熱加工過程對 P91 管材微觀結構、殘餘應力場及長期服役壽命的深層影響。

二、P91 鋼材的化學設計與相變特性

P91 鋼材的化學成分經過嚴格優化，以確保在高溫下維持穩定的強度與抗氧化性能。其主要合金元素包括 9% 的鉻（Cr）與 1% 的鉬（Mo），並引入了微量的釩（V）、鈮（Nb）與氮（N） 2。這些元素的精確配比決定了材料的臨界轉變溫度，進而影響銲接與熱處理的工法視窗 4。

2.1 關鍵轉變溫度與 Ni+Mn 含量的敏感性分析

P91 鋼材的冶金行為受到 Ac1（加熱時奧氏體開始形成溫度）與 Ac3（奧氏體化完成溫度）的嚴格限制 4。研究指出，銲材與母材中的鎳（Ni）與錳（Mn）含量會顯著降低  Ac1溫度 13。如果 PWHT 的溫度超過了實際的Ac1，組織將發生局部重奧氏體化，並在隨後的冷卻中形成未回火的「新鮮馬氏體」，這會嚴重削弱材料的韌性與潛變破斷強度 9。

合金元素含量 推薦最高 PWHT 溫度
Ni + Mn < 1.0% 1470°F (799°C) 4
1.0% ≦Ni + Mn < 1.5% 1450°F (788°C) 4
Ni + Mn ≧1.5% (不建議) 1425 °F (774°C) 13

2.2 碳當量與硬化傾向

P91 的碳當量（Ceq）遠高於普通碳鋼，這使其具有極強的空氣淬硬性。其計算公式為：

Ceq = C +(Mn/6) + (Cr+V+Mo/5) + (Cu+Ni/15)

根據此特性，銲接區域在冷卻後會立即轉變為硬度高達 400HV 以上的新鮮馬氏體 1。若無預熱（200-250°C）或及時的 PWHT，這種極高硬度的組織極易在殘餘張應力的作用下發生氫致延遲裂縫（HIC） 1。

三、點銲工法與研磨處理的冶金影響分析

點銲在 P91 管材預製中不可或缺，但其對母材的熱損害往往被忽視。點銲產生的點狀熱影響區（HAZ）具有極高的加熱與冷卻速率，這在局部區域形成了複雜的應力梯度 8。

3.1 點銲熱影響區的微觀結構梯度

在點銲位置，母材會經歷以下區域的轉變：

  1. 粗晶區 (CGHAZ)：靠近熔合線，溫度超過 Ac3 許多，晶粒嚴重粗化，冷卻後形成脆性極大的粗大馬氏體 18。
  2. 細晶區 (FGHAZ)：溫度僅略超過Ac3，晶粒被細化，但此區域往往是潛變破壞（Type IV）的發源地 12。
  3. 臨界區 (ICHAZ)：溫度介於 Ac1 與 Ac3 之間，組織發生部分奧氏體化，導致原有的碳化物發生過度回火與粗化 12。

如果不執行退應力程序，點銲位置的硬度與韌性將與母材形成劇烈反差，成為疲勞裂縫的起點 10。

3.2 研磨熱與「研磨燒傷」的風險

點銲後通常需將銲瘤研磨平整。研磨不僅是機械加工，其摩擦產生的熱能若未及時散發，會使表面局部溫度突破Ac1  25。

  • 物理效應：過度研磨導致的局部高溫會引發再奧氏體化。當磨頭離開後，管材母材的「熱抽吸」作用會使該區域極速冷卻，形成一層極薄且脆的新鮮馬氏體層 25。
  • 應力狀態：正常的冷研磨會引入表層壓應力，有助於提高疲勞壽命 25；然而，產生燒傷的熱研磨則會轉化為表層張應力，增加應力腐蝕裂縫（SCC）的敏感性 26。

四、管支撐附件銲接點的應力場與組織退化

管支撐件（如吊耳、墊板）與 P91 管材的銲接通常涉及異質接頭（如 P91 與碳鋼或低合金鋼） 13。這些位置的應力狀況比對接銲縫更為複雜。

4.1 幾何突變與三軸應力集中

支撐件銲接處存在顯著的幾何斷面突變，這在結構受力時會產生極高的應力集中因子 28。在未施行退應力程序的情況下，銲接殘餘應力、熱膨脹應力及結構載荷應力在此處疊加。由於 P91 的 HAZ 韌性極低，這種複合應力極易在運行過程中誘發橫向裂縫 19。

4.2 異質銲接中的碳遷移與軟化帶

當 P91（高鉻）與碳鋼或低合金鋼（低鉻）銲接時，鉻元素的活性梯度會驅動碳原子向高鉻側遷移 6。

  • 機制：在高溫運行環境下，低鉻側會出現一個明顯的脫碳軟化帶，而高鉻側熔合線附近則會出現碳化物過度堆積的硬化帶 6。
  • 後果：未施行 PWHT 的接頭本身已存在高硬度基體，碳遷移進一步加劇了界面脆性，使其在應力作用下發生剝離式破壞 6。
材料組合 銲材選擇 推薦 PWHT 溫度
P91 to P91 E9015-B9 (9Cr-1Mo-V) 1 750 – 770°C 1
P91 to P22 (2.25Cr-1Mo) E9018-B3 (2.25Cr-1Mo) 13 730 ± 10°C 17
P91 to Carbon Steel Ni-based Alloy (避免碳遷移) 18 視壓力件側要求決定 31

五、未施行退應力程序的物理化學後果：失效模式深度剖析

在 P91 管材上遺漏退應力程序（PWHT）絕非僅是程序性缺失，而是對結構完整性的直接威脅。其導致的失效模式具有典型的延遲性與災難性特徵。

5.1 氫致延遲裂縫 (HIC) 與冷裂縫

P91 鋼對氫高度敏感 7。銲接過程中產生的極硬馬氏體組織（硬度往往高於 450HV）是氫原子的理想「陷阱」 7。

  • 誘發因素：即使是點銲產生的微小熱影響區，若未及時進行後熱（Post-heating）或退應力處理，大氣中的水分或銲條中的氫會在殘餘張應力最高的區域聚集 9。
  • 表現：裂縫可能在銲接完成後的數小時至數天內發生，通常位於熔合線附近的 CGHAZ，路徑多為晶間斷裂 10。

5.2 第 IV 型潛變裂縫 (Type IV Cracking)

這是 P91 鋼材在長期高溫運行中最致命的失效形式，主要發生在細晶區（FGHAZ）或臨界區（ICHAZ） 12。

  • 物理機制：在這些區域，碳化物（主要是 M23C6）在銲接熱循環中發生粗化，且部分溶解，導致該處的析出強化效果顯著下降 6。
  • 退應力程序的關鍵性：PWHT 雖然不能完全消除 FGHAZ 的結構弱點，但它能通過應力鬆弛顯著降低該區域承受的三軸張應力 20。若未施行 PWHT，高水平的銲接殘餘應力會加速空位（Voids）的成核與聚集，使潛變斷裂時間縮短至設計壽命的 10% 以下 11。案例顯示，某些未經正確熱處理的組件在運行不到 1500 小時便發生了貫穿性裂縫 11。

5.3 應力腐蝕裂縫 (SCC)

在水壓試驗或早期運行階段，未退應力的 P91 銲縫區域因其高硬度特徵，極易在含硫、含氯或潮濕環境下發生應力腐蝕 13。這在電廠建設期的室外存放管線中尤為常見。

六、ASME 規範對 P91 退應力程序之強制性要求與解釋

對於 P91（P-No. 15E）材料，國際主流法規如 ASME B31.1、B31.3 及 ASME Section I 均設定了極其嚴格的熱處理門檻 34。

6.1 點銲工法的法規地位與技術判定

ASME 規範明確規定，點銲是壓力邊界製造的組成部分 10。

  1. 程序認證：點銲所使用的 WPS 必須經過認證，且若該點銲將留在原位，其熱處理程序必須與正式銲縫一致 10。
  2. 清理與研磨：規範要求對點銲的起點與終點進行「羽化」研磨，以確保與後續銲道的融合；若點銲出現裂縫，則必須完全磨除並進行無損檢測（NDE）確認 10。
  3. 無豁免條款：對於 P-No. 15E 材料，規範幾乎沒有給予基於「厚度」的 PWHT 豁免。即使是薄壁管或附件銲接，原則上均需進行熱處理以降低 HAZ 硬度 9。

6.2 附件銲接的 PWHT 規則 (PW-39 與 Table 132.1)

當非壓力件附件（如管支撐墊板）銲接到壓力管件（P91）上時，應遵循以下邏輯：

  • 溫度控制：必須以 P91 側的要求為準。即使支撐件是碳鋼，PWHT 溫度也必須達到 704°C 以上，以確保 P91 的 HAZ 得到足夠的回火 31。
  • 冷卻速率：必須嚴格控制，以防止在附件接頭處因熱應力產生二次裂縫 1。
規範標準 最低 PWHT 溫度 持有時間 (厚度 ≤2″)
ASME B31.1 1300°F (704°C) 34 1 hr/inch, 15 min minimum 34
ASME B31.3 1300°F (704°C) 38 1 hr/inch, 1 hour minimum 38
業界最佳實踐 750-760°C 1 至少 2-4 小時 (確保碳化物穩定) 1

七、結論與技術建議

A335 P91 管材在點銲後研磨以及管支撐附件銲接處未施行退應力程序的行為，構成了電力工程中重大的安全隱患。本研究分析顯示，這些看似次要的熱加工過程，實際上在材料內部引發了劇烈的組織變異與高水平的殘餘張應力。

7.1 研究結論總結

  1. 組織硬化與脆化：未施行的 PWHT 使得銲接熱影響區維持在硬度大於400HV的新鮮馬氏體狀態，這種組織幾乎沒有塑性變形能力，極易發生氫致裂縫或應力腐蝕裂縫 11。
  2. 殘餘應力加速失效：銲接殘餘應力在高溫運行下會與結構載荷疊加，特別是在管支撐點的幾何不連續處，這種應力集中會顯著加速第 IV 型潛變裂縫的萌生與擴張 20。
  3. 研磨熱不可忽視：不當的研磨程序會產生局部表面燒傷，形成微觀上的二次淬火層，這層新鮮馬氏體是未來疲勞裂縫的誘發源 25。
  4. 法規強制性：ASME 等代碼對 P91 管材熱處理要求的強制性且幾乎無豁免，任何點銲或附件銲接皆需視同正式銲道進行受控的退應力程序 10。

7.2 針對施工與管理的技術建議

  • 嚴格執行點銲程序管理：應將點銲視為正式銲接工法的一部分。施工現場必須配備預熱設施，且點銲後必須進行覆蓋保溫，直到最終 PWHT 完成 1。
  • 優化研磨工法規範：研磨 P91 管材時應使用低發熱磨具，並嚴禁持續高壓磨削。對於關鍵承壓部位，研磨後應進行 100% 滲透檢測（PT）或磁粉檢測（MT）以確認無表面熱裂紋 1。
  • 強化管支撐銲接的監控：附件銲接應在主管線 PWHT 之前完成，以便同步進行熱處理。若必須在 PWHT 後增加附件，則必須重新進行局部熱處理，並嚴格依照 LMP 參數控制溫升與降溫速率 21。
  • 建立現場硬度與金相數據檔案：對於所有涉及熱輸入的區域，應建立詳細的硬度測試與金相檢查紀錄。一旦發現硬度異常（如超過 300HB），應立即進行風險評估，必要時採取切除或正火回火修復程序 4。

P91 鋼材的長效安全性建立在對冶金細節的極致尊重之上。在超超臨界機組的生命週期管理中，消除點銲與附件銲接處的「退應力盲區」，是防止早期爆管與結構失效的關鍵舉措。(備註:估算公式：對於大多數鋼材，HB ≒ 0.95 * HV)

(照片分享: CCPP A335P91_xxs  small bore pipe system  R=5DN)

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