A335 P91 冷作彎管與退應力熱處理程序：整合式與異地式作業工法差異化分析報告 (Analysis Report on the Differences Between Integrated and Separate Fabrication Methods for Cold Bending and Post-Bend Stress Relief Heat Treatment Procedures for A335 P91 Pipes)

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摘要

 

本報告旨在為電力及高溫高壓工業的資深工程管理層提供一份針對 ASTM A335 Grade P91 合金鋼管冷作彎管後消除退應力熱處理（SRHT）的全面、專業分析。P91（9Cr-1Mo-V-Nb）作為蠕變強度增強型鐵素體（CSEF）鋼 1，其優異的高溫性能完全依賴於精確的回火馬氏體微觀結構 3。冷作彎曲引入的塑性應變和殘餘應力必須通過嚴格控制的熱處理程序來消除。

本分析的核心比較了整合式作業工法（Full Furnace Heat Treatment/ Shop Local Heat Treatment  FHT/ LHT(S)）與異地式作業工法（Field Local Heat Treatment,LHT(F)）在微觀結構完整性、溫度均勻性、ASME 規範符合性以及生命週期風險方面的差異。P91 的高強度和對熱處理的極度敏感性，使得其製造與傳統低合金鋼（如 P22）存在根本差異 2。分析認為：雖然異地式作業在初期具有靈活性，但整合式作業由於其卓越的質量控制和溫度均勻性，是確保 P91 高溫資產長期可靠性、最小化服役失效和返工成本的唯一推薦方法。

一、P91 材料科學基礎與冷作彎曲的冶金衝擊

1.1. P91 合金的特性與蠕變增強機制

P91 是一種高鉻（9% Cr）、高鉬（1% Mo）合金鋼，同時添加了釩（V）和鈮（Nb）等微合金元素 4。該材料因其卓越的抗蠕變性、高溫強度和抗氧化性，被廣泛應用於超臨界和超超臨界發電廠的主蒸汽和再熱蒸汽管線 3。P91 能夠在恆定應力下抵抗高溫緩慢變形，可承受連續高溫高達 600˚C 到 650˚C 4。使用 P91 材料可以在設計上顯著減小組件壁厚（相比 P22 可減少近三分之二），從而減輕組件重量並顯著改善熱應力，提高組件的熱疲勞壽命 3。

P91 性能的本質在於其精確的回火馬氏體微觀結構 2。這種結構是在初始製造過程中的正火和回火（N&T）處理後形成的，並通過細小的釩和鈮碳氮化物沉澱物（MX 和 M23C6）穩定化 8。這些沉澱物提供了析出硬化效應，對於維持 P91 的高溫蠕變斷裂強度至關重要。因此，P91 的性能是「微觀結構支配」的 2。製造商、構造商和運營商若對 P91 的處理缺乏足夠的理解，任何破壞這種精確結構的行為包括熱彎、銲接或不當的熱處理都會嚴重損害其高溫性能，並導致巨大的返工成本和過早失效 3。

1.2. 冷作彎曲對微觀結構及機械性能的影響

P91 合金具有較高的硬度和硬化傾向 9，這使其在冷成形操作中表現得不夠「寬容」 9。冷彎過程在管壁中引入了塑性應變和高殘餘拉伸/壓縮應力，導致晶格畸變和應變硬化。

對蠕變強度增強型鐵素體合金的研究明確指出，冷應變對蠕變斷裂強度存在不利影響 3。即使是低程度的冷應變，也會導致 P91 的蠕變壽命出現可察覺的下降 3。為了控制這一風險，ASME Task Group 正在考慮設定冷應變的上限。目前的數據表明，Grade 91 的冷應變極限可能定在 15% 到 20% 左右，一旦超過此上限，則必須對整個受應變的組件進行全面的正火回火（N&T）處理，而非僅進行應力消除熱處理（SRHT） 3。

ASME 規範對鐵素體合金鋼管的冷成形設有強制熱處理要求。根據 CFR 46 § 56.80-15 和 ASME B31.1 的要求，所有鐵素體合金鋼管在加熱成型或對於公稱尺寸 4 英寸或更大、或壁厚 1/2 英寸或更厚的冷彎管，都必須接受應力消除處理 11。這些後處理旨在恢復材料的韌性，並消除冷作引入的高殘餘應力。

二、應力消除熱處理 (SRHT) 的規範與冶金邊界

SRHT（通常等同於銲後熱處理 PWHT）是確保 P91 彎管件或銲件恢復設計性能、降低硬度並預防服役失效的強制性步驟 9。

2.1. P91 消除應力熱處理 (SRHT) 的規範溫度與時間要求

P91 應力消除熱處理必須在規範規定的狹窄溫度範圍內執行，旨在回火馬氏體結構，使其達到所需的強度與韌性平衡 12。

ASME B31.1 和 Section I 通常規定的 PWHT 溫度範圍在 704˚C 到 760˚C 之間 (約 1300˚F – 1400˚ F) 13。也有研究和指南建議更優化的參數，例如 760±20˚C 的溫度和 4 小時的保溫時間，以確保衝擊韌性的改善 15。

保溫時間的長短與壁厚成正比，目的是確保熱量完全滲透組件的整個厚度，使得應力得到充分釋放，並且碳氮化物沉澱物能夠穩定且均勻地分佈。例如，有研究建議 780˚C 下保溫 1.2 到 2 小時，或 760˚C 下保溫 3 到 4 小時，可以達到最佳的機械性能 17。

2.2. 熱處理的臨界冶金邊界 (Ac1)

熱處理操作的成敗取決於對 P91 下臨界溫度 (Ac1) 的嚴格控制。P91 的 Ac1 溫度通常介於 788˚C 到 815˚C 之間 18。

臨界風險分析： 熱處理溫度絕對不可超過 Ac1 14。一旦超過 Ac1，材料的原始回火馬氏體結構將開始發生再奧氏體化（Re-austenitization）。隨後的冷卻過程將導致形成高硬度、極脆的未回火馬氏體 14。這種微觀結構會嚴重影響材料的蠕變性能、韌性和長期可靠性。規範限制了最高 PWHT 溫度，通常要求低於Ac1 至少 10˚C 到 20˚C 3。

由於規範上限 760˚C 與 Ac1 之間僅有約 30˚C 的微小安全間隙，這要求在整個熱處理循環中必須實現極高的溫度控制精度。任何超過 22˚C (40˚F) 的溫度不均勻性都可能使組件的局部區域進入危險的再奧氏體化範圍 3。

Table 1:  P91 彎曲後消除應力熱處理 (SRHT) 關鍵規範參數 (Critical Parameters for P91 SRHT Post-Bending)

熱處理參數 目標 (冶金目的) ASME B31.1 規範範圍 (典型) 偏差風險 (Deviation Risk) 微觀結構後果
SRHT 溫度 應力消除並穩定碳化物 704˚C – 760˚C (1300˚F – 1400˚F) 13 1. 過高 (>Ac1); 2. 過低 (<Min) 1. 形成脆性未回火馬氏體 20；2. 應力殘留/硬度超標 (>300 HV) 23
臨界溫度限制 避免再奧氏體化 (Re-austenitization) 嚴格低於 Ac1 (約 788˚C – 815˚ C) 18 超出 Ac1 導致部件強度不可逆轉的退化和脆化 14
最小保溫時間 確保全壁厚應力完全釋放 依壁厚而定，通常 2 小時或更長 17 保溫時間不足 應力未完全釋放，殘餘應力高，蠕變壽命潛在損失 24
溫度均勻性 (FHT) 保證組件各部分均勻回火 FHT: ± 11˚C (20˚F) to ±22˚C (40˚F) 22 熱梯度過大 局部軟區 (Type IV 敏感) 或硬區 (脆性) 3

第三章：整合式作業工法：工廠製造的質量優勢

整合式作業工法（Factory Fabrication Cold Bending) + (FHT/ LHT(S)）是 P91 彎管製造的理想選擇，其優勢主要體現在環境控制、設備專業性和溫度均勻性。

3.1. 彎管過程的精確控制

專業製造工廠使用專門設計的設備，例如先進的感應彎管機，這些機器專門用於處理 P91 等高強度材料 6。P91 管材的壁厚較厚，例如 26 英寸直徑的主蒸汽管線壁厚可達 2.25 英寸 6。在成形過程中，設備必須確保嚴格的形狀公差。

專業設備具有先進的溫度監測功能，使用多個高溫計讀取彎曲過程中的管壁內部溫度，確保在關鍵的「浸透期」(soak through period) 內溫度均勻 6。此外，現代感應彎管機利用 3 軸控制系統來精確控制感應線圈的移動，這有助於最小化壁厚變薄並維持管線的橢圓度在行業標準內 6。工廠操作流程標準化，且所有彎曲過程的參數和溫度記錄都可完整地歸檔，為客戶提供完整的品質文件 6。

3.2. 全爐式熱處理 (FHT) 的溫度均勻性優勢

全爐式熱處理 (FHT) 是確保 P91 SRHT 達到最高溫度均勻性的黃金標準 22。在受控的爐環境中，加熱源環繞整個組件，能夠嚴格控制加熱和冷卻速率。

對於 P91 而言，溫度均勻性是防止微觀結構退化的關鍵。EPRI 指南要求 FHT 應將爐內任意兩點的溫差控制在 22˚C (40˚F) 之內 22。這種嚴格的均勻性對於將整個組件的回火溫度保持在規範的狹窄窗口內（704˚C – 760˚C），同時避免觸及 Ac1 臨界溫度，至關重要。只有均勻的回火才能確保應力釋放完全，並使最終的硬度測試結果在整個組件上保持一致（硬度在 190–250 HB 範圍內），從而最大化蠕變強度 23。

3.3. 現場滯留風險的規避

整合式作業由於其效率高且環境受控，可以顯著降低 P91 組件的製造風險。工廠環境清潔乾燥，彎管或銲件在成形後通常會立即安排 FHT/ LHT(S) 26。

通過在受控環境中快速進行 FHT/ LHT(S)，整合式作業徹底避免了 P91 在高應力、未回火的脆性狀態下長期暴露於現場環境的風險 3。P91 在未回火狀態下對應力腐蝕開裂 (SCC) 具有敏感性，即使是現場潮濕大氣中的冷凝物也可能濃縮污染物，在存在高殘餘應力時引發 SCC 3。整合式工法通過立即處理，從根本上消除了這一嚴重的短期和長期風險。

第四章：異地式作業工法：現場局部加熱的挑戰與風險

異地式作業工法，尤其是在現場進行局部應力消除熱處理LHT(F)，在處理 P91 這類對熱循環和溫度梯度極度敏感的材料時，面臨著重大的冶金和質量控制挑戰。

4.1. 局部加熱技術的內在局限

現場 SRHT 通常採用局部電阻加熱或局部感應加熱 1。感應加熱因其更高的效率和穩定性而受到青睞 1。然而，LHT 的主要限制在於其難以在厚壁組件上確保壁厚方向的溫度均勻性 6。

對於厚壁 P91 管件，感應加熱主要依賴熱傳導在壁厚方向上進行熱量傳播，這需要精確計算熱傳導率並控制足夠的「浸透期」(soak time) 6。現場 LHT(F) 必須在圓周、軸向和壁厚方向上同時維持溫度均勻性，這在現場複雜的環境下，比在工廠裡進行 FHT/ LHT(S) 困難得多 29。

4.2. 溫度均勻性控制的難點與故障模式

現場 LHT(F) 由於熱源集中、絕緣不完善以及現場環境的影響，極易產生難以控制的熱梯度 3。這導致了 P91 最嚴重的故障模式：「熱點災難」。

由於加熱或控制失誤，局部區域可能瞬間或短暫地超過 Ac1 溫度（約 788˚C），導致再奧氏體化。這會導致形成脆性的未回火馬氏體，產生硬度極高的局部熱點，嚴重降低韌性 14。如果 P91 組件被局部加熱到 799˚C (1470˚F) 以上，規範可能要求對整個組件進行重新正火回火（N&T） 3。這種巨大的返工成本和時間延誤是異地式 LHT(F) 最大的經濟風險之一 3。

此外，嚴格的規範要求 LHT 服務供應商必須證明其設備和程序能夠在熱處理區域的所有點維持溫度均勻性 22。這要求必須在組件上直接連接熱電偶（TC），通常通過機械鉚接或電火花連接，而不是僅僅測量加熱設備的溫度 22。對於每個處理區域，必須佈置至少兩個 TC 彼此相隔 180˚，以進行控制和監測 14。現場操作員對這些要求的遵守程度直接決定了熱處理的質量。

第五章：兩大工法之冶金風險與品質差異比較

5.1. 硬度分佈與微觀結構異質性

熱處理後的硬度測試是驗證 P91 SRHT 成功的首要標準 3。成功回火後的 P91 硬度應相對較低且均勻，通常在洛氏 C 硬度低 20 範圍或維氏硬度 190 到250 之間 20。

異地式 LHT 的風險分佈： 現場 LHT(F) 固有的溫度不均勻性導致微觀結構異質性，進而產生不均勻的硬度分佈 3。

  1. 硬點（欠回火）： 由於局部溫度不足或保溫時間不足，應力未完全釋放，硬度過高，增加了脆性破壞的風險 20。
  2. 軟點（過回火）： 局部區域因過熱或保溫時間過長，導致關鍵的碳化物沉澱物過度粗化，硬度過低，形成蠕變 Type IV 裂紋的薄弱環節 8。

P91 蠕變性能的劣化並不總是能通過標準的非破壞性檢測（NDT）測試發現 3，這使得現場LHT(F) 造成的微觀結構缺陷成為定時炸彈。

5.2. Type IV 蠕變裂紋與應力腐蝕開裂 (SCC) 敏感性

Grade 91 屬於蠕變強度增強型鐵素體鋼，對 Type IV 蠕變裂紋敏感，該裂紋發生在細晶粒熱影響區（FGHAZ） 3。現場 LHT(F) 帶來的非均勻加熱和冷卻，容易造成局部區域形成過軟的微觀結構，進一步加劇了 Type IV 裂紋的敏感性 3。

此外，應力腐蝕開裂（SCC）是異地式作業的嚴重短期風險。現場操作中，P91 組件常在未回火的高應力狀態下，長期暴露於潮濕或受污染的環境中，從而面臨 SCC 風險 3。ASME Task Group 對此表示擔憂，因為現場實踐未能充分防範這種風險 3。整合式作業透過立即進行工廠式FHT/ LHT(S)，徹底避免了長期環境暴露和 SCC 威脅。

5.3. NDT 檢測可靠性挑戰

P91 銲件或彎管件的完整性檢測是確保安全運行的關鍵。在現場 LHT(F) 中，由於組件內部殘餘應力分佈的複雜性和非均勻性，對後續的非破壞性檢測（NDT），特別是超聲波檢測的結果判讀造成挑戰 32。例如，應力釋放不足或不均勻，可能影響 NDE 的可靠性 32。只有在工廠裡 FHT/ LHT(S) 這種受控環境下，才能確保最穩定的材料狀態，從而提高 NDT 檢測的可靠性。

第六章：經濟性、進度與綜合風險評估

6.1. 總體成本與生命週期風險比較

在選擇 P91 彎管工法時，雖然異地式 LHT(F) 的初始動員成本可能看似較低，但必須考慮其高風險帶來的隱性成本。現場作業效率較低，且易受天氣延誤影響 26。更為關鍵的是，P91 熱處理的嚴格要求使得 LHT(F) 的失敗率較高，單次故障或返工（例如需要對整個組件進行 N&T）造成的成本和時間延誤是巨大的 3。P91 組件一旦在服役中因微觀結構退化而失效，將導致長時間的強制停機和昂貴的更換費用。

相比之下，整合式作業工法在專業工廠中提供更好的資源、更高的質量一致性，以及自動化和連續的 QC 記錄 26。彙整多次運輸的費用統合，和極低的返工率和長期的資產可靠性互相可靠加成。因此，從生命週期總體成本和風險管理的角度來看，整合式 FHT/ LHT(S)是更具經濟可行性的選擇。

Table 2:  P91 彎管與 SRHT 整合式 vs. 異地式作業工法比較 (Comparison of Integrated vs. Off-site Methods)

比較維度 整合式作業工法 (工廠/工廠) 異地式作業工法 (現場/工地) P91 項目影響與風險等級
熱處理方法 全爐式熱處理 (FHT)，或精確感應加熱機(LHT(S)) 6 局部電阻或感應加熱 (LHT(F)) 1 LHT 難以處理大範圍冷彎應變，質量控制難度極高
溫度均勻性 極優 (FHT ≦ ±22˚C); 可細微溫控 22 較差 (易產生圓周/壁厚熱梯度) 3 高溫梯度導致微觀結構異質性（硬/軟區），核心失效風險3
微觀結構完整性 完全恢復，硬度分佈均勻 23 容易造成過回火/ Type IV 敏感區 3 蠕變壽命潛在降級，不易通過標準 QA 檢測發現3
短期風險 (滯留) 低 (通常立即處理) 高 (未回火狀態暴露於潮濕環境引發 SCC) 3 現場需要額外措施 (乾燥/加熱) 來避免 SCC
整體成本/工期 製造效率高，總體成本低，工期可預測 26 現場動員成本高，效率低，高返工率造成工期延誤 3 現場操作不當造成的故障/返工帶來巨大經濟損失3
QC/記錄 完整、連續、自動化記錄 6 依賴現場操作員，記錄不連續，TC 佈置要求嚴格 30 現場 QC 難以達到工廠 FHT 的可靠性水平

6.2. 結論與建議

基於 P91 材料的冶金敏感性以及對精確回火微觀結構的決定性依賴，分析得出以下結論和建議：

 

  1. 優先採用整合式作業工法： 對於主蒸汽、再熱管線等關鍵高溫高壓應用中壁厚較大、應力集中的 P91 彎管，應優先採用整合式作業工法FHT/ LHT(S)。只有在工廠可控的環境裡，熱處理才能提供足夠的溫度均勻性（爐控制溫差通常控制在 22˚C 以內/感應式加熱機可細微溫控），確保熱處理溫度不會局部超過 Ac1，從而避免形成脆性的未回火馬氏體，並最大限度地降低 Type IV 裂紋的敏感性。
  2. LHT 的嚴格限制： 異地式局部熱處理LHT(F)僅應在組件無法運輸或現場維修的極少數情況下考慮。如果採用 LHT(S)，必須使用高精度感應加熱設備，結合嚴格的 TC 佈置要求（至少兩點 180˚）和現場服務供應商對溫度均勻性的證明 22。LHT(F/S) 執行後，必須對組件進行詳盡的硬度測試和金相檢查（如表面複製），以驗證微觀結構未因熱梯度而退化 25。
  3. 預防應力腐蝕開裂 (SCC)： 對於所有在現場進行冷彎或銲接的 P91 組件，必須在 SRHT 執行前採取積極的保護措施。這包括保持組件處於充分乾燥的環境中，或持續保持組件溫度以防止冷凝，從而消除在未回火的高應力狀態下發生 SCC 的風險 3。
  4. 強化的 QA 實踐： P91 的性能劣化不易通過標準 NDT 發現，因此所有採購方和運營商必須大幅升級質量保證實踐，要求製造商提供完整的熱處理曲線、溫度均勻性證明和最終的硬度驗證，以確保材料的長期可靠性符合設計壽命要求。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

參考文獻

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