ASTM A335 P91 現場退應力熱處理工法之降雨水淬失效機制與工程評估研究報告 (Research Report on Failure Mechanisms and Engineering Assessment of ASTM A335 P91 Under Rainfall-Induced Water Quenching During Field Stress Relief Heat Treatment )

一、緒論: ASTM A335 P91 鋼材之冶金重要性

在現代超臨界（USC）及極超臨界（A-USC）火力發電廠、高階石油化學精煉設施以及核能發電系統中，ASTM A335 P91（9Cr-1Mo-V-Nb）鐵素體合金鋼已成為承載高溫高壓蒸汽之核心管材 ¹。P91 鋼屬於蠕變強度增強型鐵素體鋼（CSEF），其卓越的機械性能源於精密調控的顯微組織：藉由正火與回火程序形成的板條馬氏體基體，以及分佈於晶界與位錯上的 M₂₃C₆ 型碳化物與奈米級 MX 型碳氮化釩、鈮 ⁴。

然而，P91 鋼的高效性能亦使其對熱處理過程表現出極高的敏感性。在現場安裝階段，無論是銲接後的退應力熱處理（PWHT）或是管線彎管後的熱處理（PBHT），均統稱為退應力熱處理 Stress Relief Heat Treatment （SRHT） ⁴。其核心目的在於消除加工殘餘應力、降低硬化區硬度並賦予組織足夠的韌性與蠕變抗力 ⁹。

現場作業環境往往比工廠內部更為嚴苛且不可控。其中，突發性的強降雨是熱處理過程中威脅性最高的環境風險 ⁴。當管件處於 760°C 左右的高溫持溫階段時，雨水的意外入侵不僅會破壞精密的控溫曲線，更會引發顯微組織的「意外水淬」（Accidental Quenching），導致組織劣化、微裂紋萌生乃至結構性失效 ¹⁴。本報告將針對感應式加熱（IH）與電阻式加熱（RH）兩種主流現場工法，深入探討其在降雨環境下的物理反應、冶金失效機制及災後評估策略。

二、 P91 鋼材之化學成分與熱處理物理機制

理解降雨損壞之前，必須先界定 P91 鋼材的標稱成分及其相變特性。P91 鋼的化學設計旨在透過合金元素的協同效應，抑制鐵素體生長並強化馬氏體穩定性 ²。

2.1 化学成分及其冶金意義

P91 鋼包含約 9% 的鉻（Cr）以提供抗氧化與抗腐蝕能力，1% 的鉬（Mo）以增強高溫蠕變抗力，並透過微量的釩（V）與鈮（Nb）形成細小穩定的析出相 ⁴。

合金元素	含量範圍 (wt.%)	主要作用機制
碳 (C)	0.08 – 0.12	形成碳化物，控制馬氏體硬度 ³
鉻 (Cr)	8.00 – 9.50	抗氧化性、形成 M₂₃C₆ ³
鉬 (Mo)	0.85 – 1.05	固溶強化、提高蠕變強度 ¹
釩 (V)	0.18 – 0.25	形成細小 MX 析出相，強化位錯釘紮 ⁴
鈮 (Nb)	0.06 – 0.10	晶粒細化、形成穩定碳氮化物 ⁶
氮 (N)	0.03 – 0.07	與 V、Nb 配合形成奈米級析出物 ⁴
鎳 (Ni) + 錳 (Mn)	≦1.0 (合計)	降低 A_c1溫度，增加淬透性 ⁴

2.2 相變溫度與臨界熱處理參數

P91 鋼的熱處理窗口極為狹窄，這主要受限於其臨界相變溫度。其下臨界溫度 A_c1 通常在 800°C 至 830°C 之間，而上臨界溫度 A_c3 則約為 900°C 至 940°C ¹²。退應力熱處理（SRHT）必須在A_c1以下進行，典型的持溫範圍為 750°C 至 770°C ¹⁷。

若現場熱處理過程中因控溫失效使局部溫度超過A_c1，組織將開始向奧氏體（Austenite）轉變。此時若遭遇降雨導致的快速冷卻，這些奧氏體將轉變為「新生馬氏體」（Fresh Martensite），其硬度極高且韌性極差，是導致管線脆斷的主要原因 ¹²。

三、現場退應力熱處理工法：感應式加熱 (IH) 與電阻式加熱 (RH)

在現場施工中，選擇合適的加熱方式對於確保熱處理質量至關重要。IH 與 RH 兩種工法在能量傳遞效率、控溫響應速度及環境適應性上存在本質差異。

3.1 感應式加熱 (IH) 之物理原理與優勢

感應式加熱利用電磁感應定律。高頻或中頻交流電通過感應線圈（通常為水冷銅管）時，會產生交變磁場 ⁹。當導磁性良好的 P91 管件置於此磁場中，管壁內部會感應出渦電流（Eddy Current），並產生焦耳熱 ⁹。

IH 工法的核心特點在於其「內部生熱」的機制。熱量直接在管件材料中產生，而非從外部傳導，這使得 IH 在厚壁管處理中具有極佳的透熱均勻性 ⁴。此外，IH 系統具有極高的能源利用率（約 85-90%）與極快的升溫響應速度 ²³。

3.2 電阻式加熱 (RH) 之物理原理與局限

電阻式加熱則是傳統的熱處理方式，通常使用陶瓷加熱墊（Ceramic Heater Pads）包裹於銲道周邊 ²³。電流流過加熱墊內部的鎳鉻合金絲產生熱量，再藉由熱傳導與熱輻射將能量傳遞至管件表面 ²³。

RH 系統的初設成本較低，對於複雜幾何形狀的適應性較強 ²³。然而，其加熱效率較低（約 75%），且存在明顯的熱惰性，導致在面臨突發性熱流失（如雨淋）時，系統的功率補償響應較慢 ²³。

3.3 IH 與 RH 工法之技術參數對比

下表總結了兩類工法在 P91 現場作業中的表現：

評估維度	感應式加熱 (IH)	電阻式加熱 (RH)
加熱機制	電磁感應、體積生熱	熱傳導、輻射、表面生熱 ²³
熱效率	85% – 90%	45%-75% ²³
加熱速度	極快 (可達 200°C/hr 以上)	較慢 (受限於傳導效率) ³⁰
溫度控制	精確、分區補償快	存在滯後效應 ¹⁰
對雨水敏感度	需防水絕緣防短路	保溫材吸水後散熱劇烈 ³⁴
設備成本	較高	較低 ³⁰

四、突發性強降雨引發之「水淬效應」物理建模與分析

現場熱處理過程中，保溫系統通常由數層陶瓷纖維毯（Ceramic Fiber Blanket）組成，旨在建立穩定的絕熱邊界條件 ³⁷。當強降雨發生時，雨水與高溫系統的相互作用可分為保溫層失效與管件熱震兩個階段。

4.1 保溫材料之吸濕與導熱率突變

陶瓷纖維毯主要依靠孔隙中的靜止空氣進行隔熱，空氣在室溫下的導熱係數僅約 0.025 W/(m·K) ³⁹。強降雨發生後，雨水因毛細管作用滲透進纖維孔隙，將空氣置換為水 ³⁵。

由於水的導熱係數遠高於空氣，且在高溫下液態水迅速氣化產生的蒸氣對流會急劇加速熱損失，保溫材料的導熱率會發生數量級的跳升 ³⁵。根據實驗模擬，潮濕的陶瓷纖維在 760°C 環境下的有效導熱率可增加 10 倍以上，這會導致加熱區域邊緣出現巨大的熱匯（Heat Sink）效應 ³⁵。

4.2 高溫管件之「意外水淬」物理機制

當雨水直接穿透受損的保護層接觸到處於 760°C 的 P91 管壁時，表面會發生劇烈的膜沸騰（Film Boiling）與核沸騰（Nucleate Boiling）。此過程產生的對流換熱係數 h 可從空氣自然對流的 5-10 W/(m²·K) 瞬間提升至沸騰換熱的 10,000 W/(m²·K) 以上。

這種極端冷卻會在管件徑向產生巨大的溫差ΔT。考慮到 P91 鋼的熱擴散率，表層組織的冷卻速率可能超過 100°C/sec，遠高於規範要求的控制降溫速率（通常為 150°C/hr 以下） ¹⁷。

4.3 熱震應力之數學估算

突發性冷卻引發的瞬時熱應力 σ_thermal 可由下式近似表達：

σ_thermal = E αΔT / 1-ν

其中：

E 為 P91 在 760°C 下的彈性模量（約 130-150 GPa） ⁴³。
α為線膨脹係數。
ΔT為表面與心部的瞬時溫差。
ν為泊松比（約3）。

當 σ_thermal超過材料在該溫度下的屈服強度（Yield Strength）時，會發生塑性變形，並在隨後的冷卻過程中殘留巨大的拉應力，甚至直接引發熱震裂紋 ¹⁴。

五、 P91 鋼材水淬損壞之冶金劣化路徑

強降雨對 P91 的損壞不僅是應力層面的，更多是微觀組織結構的破壞。

5.1 「新生馬氏體」與組織脆化

如果水淬發生時，管件局部溫度因操作不當或測溫誤差已超過 A_c1 溫度，則該區域已部分轉變為奧氏體 ¹²。雨淋水淬會強制奧氏體轉變為新生馬氏體。

新生馬氏體缺乏回火過程，晶格畸變嚴重，硬度通常超過 400 HV ¹²。這種不均勻的高硬度組織與周邊的回火馬氏體基體形成強烈的機械失配，在服役過程中的應力集中極易誘發脆性斷裂。

5.2 析出相的異常粗化與蠕變強度損失

即使水淬溫度低於A_c1，極端的熱循環波動也會影響 M₂₃C₆ 與 MX 析出相的穩定性 ⁵。反覆的高溫蒸氣噴發與冷卻循環會加速溶質原子的擴散，導致強化相粗化。

特別是在熱影響區（HAZ）中原本就存在的細晶熱影響區（FGHAZ），水淬導致的應力重新分佈會加速 Type IV 裂紋的早期萌生 ¹²。Type IV 裂紋是 P91 焊接接頭最致命的失效模式，通常發生在 FGHAZ 軟化區 ⁴⁶。

5.3 氫致裂紋 (HIC) 與應力腐蝕裂紋 (SCC) 風險

降雨環境提供了豐富的氫來源。高溫管件表面的水分子分解可能產生原子氫 ⁴。對於 P91 這種高硬化性材料，如果 SRHT 過程被雨水中斷且冷卻至室溫而未及時進行回火，組織中的殘餘應力配合入侵的氫原子，極易在 48 小時內產生延遲裂紋 ⁴。

六、 IH 與 RH 加熱系統在降雨環境下的故障特徵

兩種工法在面對降雨時表現出截然不同的「失效模式」。

6.1 IH 系統的故障模式分析

線圈電氣擊穿： IH 線圈通常帶有高交變電壓。降雨導致的水分入侵會降低隔熱材與線圈間的絕緣性能，引發線圈與管件間的電弧放電或短路 ³⁴。
線圈冷卻失衡： 大多數 IH 線圈是水冷的。外部雨淋會影響線圈表面的散熱平衡，導致感應電源系統因保護性過載或水流量報警而跳脫 ³⁴。
磁場耦合變動： 當保溫層吸水後，其介電常數變化可能影響感應磁場的分佈，導致局部熱點（Hot Spot）或冷點出現，進一步惡化溫度不均勻性 ²⁵。

6.2 RH 系統的故障模式分析

加熱墊燒燬： 陶瓷加熱墊內部的電阻絲在高溫下遇水，會發生劇烈的熱衝擊與化學腐蝕，導致合金絲斷裂或短路 ²³。
熱失控補償失效： 由於電阻加熱的熱響應極慢，當雨淋導致溫度骤降時，RH 系統往往無法在短時間內提供足夠的熱補償，導致管件長時間處於受熱不均狀態，進而產生嚴重的熱扭曲（Warping） ³⁰。
接地保護跳脫： 現場 RH 設備通常具備高靈敏度的漏電保護。大雨導致加熱墊接頭處受潮，會引發大規模的接地跳脫，使整個熱處理過程被迫中斷 ³⁶。

七、災後評估程序與工程診斷技術

當 SRHT 過程受降雨干擾後，必須啟動系統化的適應性評估（Fitness-for-Service）。

7.1 溫度紀錄分析

首先必須調閱數位控溫系統的曲線紀錄。

降溫速率評估： 檢核降雨瞬間的冷卻斜率。若斜率超過規範上限，則判定為水淬。
低溫停留時間： 評估管件在高溫區停留的時間是否足以完成基本的應力消除任務 ⁷。

7.2 現地硬度檢測 (Portable Hardness Testing)

硬度是 P91 顯微組織狀態的「晴雨表」。

標準要求： 回火後的 P91 硬度應落在 196 HV 至 265 HV 之間 ²。
異常硬度解讀：
- 硬度 > 300 HV：顯示產生了新生馬氏體或回火嚴重不足，必須重新熱處理 ¹²。
- 硬度 < 180 HV：顯示發生了過回火或組織過早劣化，蠕變強度可能已喪失 ¹²。
硬度分佈圖： 應在受雨淋的頂部、側面及底部各進行至少 5 點測試，以識別「冷區」邊界 ¹²。

7.3 現地顯微組織金相覆膜 (Replica Metallography)

對於關鍵電力組件，硬度測試不足以定性組織品質，需進行現地金相覆膜 ⁵⁶。

評估要點： 觀察馬氏體板條邊界是否模糊、碳化物是否發生團聚、是否存在熱震誘發的晶間裂紋 ¹⁹。
蠕變空位檢測： 雖然 SRHT 是初期階段，但若水淬應力巨大，可在 FGHAZ 區域觀察到早期的顯微空位萌生 ¹⁹。

7.4 表面與體積探傷

磁粉檢測 (MT) / 滲透檢測 (PT)： 必須對受災區域進行 100% 表面檢測，重點搜查橫向熱震裂紋 ²。
超音波檢測 (UT) / 相控陣 (PAUT)： 用於確認管件內部是否存在因水淬拉應力引發的內壁開裂或層間缺陷 ²。

八、損壞修復與恢復性熱處理策略

根據評估結果，可採取不同的補救措施。

8.1 局部重回火 (Re-tempering)

若組織未發生 A_c1以上的轉變，僅因冷卻過快導致殘餘應力較大或硬度略高，可在環境乾燥後，嚴格按照 760°C 的標準程序重新進行一次完整的 SRHT 循環 ⁴。

8.2 全面再熱處理 (Re-normalization & Tempering)

若顯微組織已發生不可逆轉的嚴重損壞（如大面積新生馬氏體），則必須考慮進行全面再熱處理。這要求將管件加熱至 1050°C 進行奧氏體化，隨後受控冷卻至 200°C 以下完成馬氏體轉變，再進行 760°C 的回火 ⁴。

注意： 現場進行全面正火極具風險，因為高溫控制困難且管件在高溫下強度極低，極易發生支架變形。

8.3 組件切除與更換

若熱震裂紋深度超過管壁厚度的 10% 或出現大面積硬度異常，最保守且安全的策略是切除受災管段，重新銲接並在嚴格的防水防護下進行 SRHT ¹⁸。

九、降雨環境下的現場 SRHT 預防與保護措施

預防損壞的成本遠低於災後修復。

9.1 加強型防水遮蔽系統

結構化防水棚： 現場不應僅依賴簡單的遮雨布。應搭建具備框架的臨時防水房，並確保地面排水通暢，防止積水噴濺。
防水保溫層封裝： 在陶瓷纖維毯外部包覆防水鋁箔紙或不鏽鋼薄皮，接縫處應使用耐高溫密封膠處理 ²⁹。
線圈防水塗層： 對於 IH 系統，線圈應包覆耐高溫矽膠套管，確保其在潮濕環境下的絕緣性能 ³⁴。

9.2 數位化與自動化控溫系統之應用

多點備份監控： 在銲道周邊對稱配置 4-8 組熱電偶。一旦某一組數據異常跌落，系統應能識別降雨干擾並自動加大該區段的加熱功率進行動態補償 ⁷。
IoT 遠端報警： 系統應具備與氣象監測聯動的功能，並將實時數據傳輸至雲端。當環境濕度或雨量感測器觸發警報時，現場管理人員可及時做出決策 ²⁵。

9.3 作業管理規範

氣象窗口選擇： 對於 P91 等關鍵管線，應避免在梅雨季節或強對流天氣期間進行 SRHT 程序。
應急演練： 現場操作團隊應具備「降雨應急預案」，明確發生雨淋時的功率調整、隔離防護與停機檢查流程 ¹⁰。

十、結論與行業建議

ASTM A335 P91 鋼材的退應力熱處理（SRHT）是賦予高溫管件長期蠕變壽命的決定性環節。現場環境中的突發性強降雨是引發 P91 水淬損壞的主因，其失效邏輯遵循「物理降溫－熱應力集中－微觀組織突變－力學性能劣化」的演化路徑。

感應式加熱（IH）工法憑藉其內部體積生熱與極速功率響應，在對抗降雨導致的冷熱波動方面具有顯著優勢，但其電氣系統需具備極高的防水可靠性。電阻式加熱（RH）雖穩定，但在極端雨淋環境下存在熱補償能力不足的結構性缺陷。

工程實踐中，應堅持「預防為主、科學評估」的原則。一旦發生水淬事件，必須透過硬度 mapping 與現地金相覆膜確認組織完整性。嚴禁在未經科學評估的情況下直接將受水淬影響的 P91 組件投入服役。未來，現場熱處理技術應朝向全密閉防水一體化設備、奈米水性隔熱材料以及基於數位孿生的實時熱場補償系統發展，以全面提升 P91 鋼材在野外惡劣環境下的製造韌性與服役安全。

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Meet the Demanding Requirements of Welding P91 Pipe With Advanced Wire Processes, https://www.millerwelds.com/resources/article-library/meet-the-requirements-of-welding-p91-pipe-with-wire-processes

一、 緒論: ASTM A335 P91 鋼材之冶金重要性