ASTM A335 P91 Type 2 電阻式退應力RH-(PWHT/PBHT)之熱傳導遞延與 Ac1 臨界點風險深度分析報告 (In-depth Analysis Report on Heat Transfer Delay and Ac1 Critical Point Risks during Resistance Stress Relieving (PWHT/PBHT) of ASTM A335 P91 Type 2 Steel)

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一、緒論

隨著全球能源需求與製程效率的不斷提升，超臨界與超超臨界發電廠以及先進石化設施對材料的耐高溫與耐壓性能提出了極其嚴苛的要求。ASTM A335 P91（9Cr-1Mo-V）鐵素體合金鋼因其優異的高溫蠕變強度、良好的抗氧化性及較低的熱膨脹係數，已成為高溫蒸汽管線與壓力容器的核心材料 1。然而，P91 鋼屬於蠕變強度強化型鐵素體鋼（CSEF），其卓越的機械性能高度依賴於精確的熱處理工法所形成的回火馬氏體微觀組織 3。在專案現場施工中，採用電阻加熱墊進行的局部銲後熱處理（PWHT）或彎後熱處理（PBHT）後是一項高度敏感的工序。由於管線在大管徑與厚壁化趨勢下的熱物理特性，加熱過程中產生的熱傳導遞延與徑向溫度梯度，往往導致管壁外側為了補償內壁溫度而面臨局部超溫，進而觸發 Ac1 臨界點的逆變態反應。本報告將深入探討這一物理冶金現象的內在機制，並提出基於規範與實踐的應對策略。

二、 ASTM A335 P91 Type 2 的材料科學基礎與冶金特性

ASTM A335 P91 Type 2 是在傳統 P91（Type 1）基礎上，通過更嚴格的化學成分控制而演進出的高性能版本。Type 2 主要針對影響蠕變性能與韌性的微量元素進行了極限壓縮，以確保在長期高溫服役下的組織穩定性 2。其強化的核心在於回火馬氏體基體中彌散分佈的 M23C6（M 主要為 Cr, Fe, Mo）碳化物以及細小的 MX（M 為 V, Nb；X 為 C, N）碳氮化物 1。

2.1 P91 Type 1 與 Type 2 的成分差異及熱處理意義

P91 Type 2 的化學成分規範對錳、鎳、矽以及有害元素如錫、銻、砷、磷等設定了更低的上限，這不僅是為了提升材料的純淨度，更是為了縮小銲接與熱處理過程中的相變不確定性 2。特別是鎳與錳含量的嚴格限制，直接關係到材料的臨界轉化溫度。

元素 P91 Type 1 規範要求 (%) P91 Type 2 規範要求 (%) 對熱處理與性能的影響機制
碳 (C) 0.08 – 0.12 0.08 – 0.12 影響硬度與碳化物形成量 9
錳 (Mn) 0.30 – 0.60 0.30 – 0.50 降低 Ac1 溫度，增加組織偏析風險 6
鎳 (Ni) 0.40 max 0.20 max 強烈降低Ac1；Type 2 限制 Ni 旨在穩定高溫蠕變強度 2
矽 (Si) 0.20 – 0.50 0.20 – 0.40 影響氧化皮穩定性與 M23C6 的析出動力學 2
錫 (Sn) 未特別註明 0.010 max 減少晶界偏析與回火脆化風險 6
銻 (Sb) 未特別註明 0.003 max 減少晶界偏析與回火脆化風險 6

2.2 Ac1 臨界溫度的敏感性分析

Ac1 溫度是指在加熱過程中，鐵素體組織開始向奧氏體轉變的下臨界點。對於 P91 鋼而言，PWHT(PBHT) 的主要目的是在 Ac1 以下進行高溫回火，以消除殘餘應力並使馬氏體軟化以獲得韌性 1。然而，實際生產中，銲縫金屬（Weld Metal）的 Ac1 往往低於母材（Base Metal）。這是因為為了保證銲接過程的填充性與接頭衝擊韌性，銲材中常添加較高比例的鎳與錳，這兩種元素皆為強烈的奧氏體穩定化元素，會顯著拉低 Ac1 點 10。

研究指出，當 Ni+Mn 的總含量增加時，Ac1 溫度呈線性下降。對於某些 Ni+Mn 含量接近 1.5% 的銲材， Ac1可能低至 760°C 以下 12。這意味著如果 PWHT 的設定溫度接近規範上限（如 780°C 或更高），銲縫區域極易進入二相區（Intercritical Region），發生部分奧氏體化 10。

三、 現場電阻式 PWHT 中的熱傳導遞延與溫度落差

在專案現場，由於環境受限，通常無法將整個組件放入加熱爐內，因此必須採用柔性陶瓷加熱墊（FCP）進行局部電阻加熱。這種加熱模式在本質上是管外壁驅動的非穩態熱傳導過程，熱量必須透過管壁厚度由外向內擴散 13。

3.1熱傳導遞延（Thermal Lag）的物理機制

熱傳導遞延是指內壁溫度在時間與數值上滯後於外壁溫度的現象。根據傅立葉導熱定律（Fourier’s Law），熱流量 q 與溫度梯度成正比。對於厚壁管而言，管材自身的熱阻（Thermal Resistance）會阻礙熱量的徑向傳遞。

q = -k* (∂ T/ ∂ r)

在大管徑（如 20 吋以上）且厚壁（如 50 mm 以上）的 P91 管線中，這種遞延效應最為顯著。為了使管內壁達到規範要求的最低保溫溫度（通常為 730°C），外壁控溫熱電偶的設定值必須補償徑向的溫差 13。如果升溫速率過快，內外壁溫差會迅速擴大，形成明顯的溫度落差。

3.2影響溫差落差的關鍵因素

  1. 管壁厚度與直徑比：隨着壁厚增加，熱量從外向內滲透的距離增長，熱阻隨之增加，導致顯著的徑向梯度 13。
  2. 加熱帶寬度（Heated Band, HB）：若加熱帶寬度不足，熱量會大量向兩側管身軸向散失，使得中心受熱區的徑向穿透力下降 5。
  3. 對流與輻射損耗：外壁與加熱墊之間存在熱接觸電阻，而內壁若未採取封堵，管內部的空氣流動會產生強烈的自然或強制對流，將熱量帶走，進一步降低內壁溫度 15。
  4. 環境因素：現場的風速、溼度與外部隔熱層的性能皆會影響外壁熱量的穩定性 18。

四、局部溫度超過 Ac1 的冶金風險與後果

當 PWHT 過程中發生熱傳導遞延補償過度，導致局部區域（通常是外壁或靠近加熱器處）溫度跨越 Ac1 臨界點時，將產生一系列毀滅性的組織轉變。

4.1新鮮馬氏體與二次淬火風險

一旦局部溫度超過Ac1，部分組織會轉變為奧氏體。由於 P91 鋼具有極高的淬硬性（Hardening Ability），即便是在現場極慢的空冷速率下，這些奧氏體區域也會在冷卻過程中重新轉變為新鮮的、未經過回火的馬氏體 10。這種微觀組織呈現極高的脆性與硬度（通常超過 350 HB 或 40° HRC），且由於未經回火處理，其位錯密度極高，內部殘餘應力巨大 12。

4.2機械性能的非線性惡化

局部超溫對機械性能的影響並非緩慢衰減，而是具有明顯的閾值效應。當 PWHT (PBHT)溫度在 760°C以下時，隨著溫度升高，強度下降而韌性升高；一旦跨越Ac1，性能會發生逆轉。

PWHT 溫度狀態 顯微組織特徵 常溫衝擊韌性 高溫蠕變性能
正確回火 (750 – 770°C) 回火馬氏體 + 穩定碳化物 最佳 (> 47J) 最佳 1
局部超溫 (> 780°C) 含新鮮馬氏體 + 粗化碳化物 急劇下降 蠕變壽命縮短 50% 以上 10
嚴重超溫 (> 810°C) 二次淬火組織 + 大量 Laves 相 極脆 喪失長期可靠性 10

4.3 IV 型開裂（Type IV Cracking）的誘發機制

P91 鋼的長期服役故障主要集中在 IV 型開裂，這是一種發生在熱影響區（HAZ）細晶區或臨界區的早期蠕變斷裂。PWHT(PBHT) 超溫會加劇這一傾向，因為超溫會導致該區域內的 M23C6 碳化物加速粗化，並促使析出不穩定相（如 Z 相），導致基體失去釘紮作用，在高溫高壓環境下迅速產生蠕變空洞 1。

五、現場監測與控制技術的侷限性

在局部熱處理中，準確捕捉真實溫度是防止超溫的第一道防線，但現場環境存在多種干擾因素。

5.1熱電偶（Thermocouple）的安裝與誤差分析

現場多採用 K 型熱電偶。若熱電偶僅是用機械夾具或鐵絲固定，接點與管表面的接觸熱阻會導致讀數大幅低於管材真實溫度 23。此外，熱電偶若受到加熱墊的直接輻射影響，讀數又會偏高，產生所謂的「虛假溫度」 25。

  1. 電容放電點銲（Capacitance Discharge Welding）：這是行業推薦的唯一精確固定方式，確保熱電偶接點與金屬表面達成冶金結合 26。
  2. 隔熱防護：熱電偶接點必須用導熱泥或特殊絕緣毯包裹，以屏蔽外部輻射干擾 23。

5.2 PID 控制系統與溫度過沖（Overshoot）

大多數電阻加熱系統使用 PID 閉環控制。由於厚壁管的熱慣性極大，若 PID 參數（比例帶 P、積分 I、微分 D）調校不當，在接近設定溫度的保溫平台啟動點時，極易發生溫度過沖 28。

u(t) = Kpe(t) + Ki ∫e(t)dt + Kd*de(t)/dt

在 P91 熱處理中，即便是 10°C 的過沖也可能是致命的。如果設定點為 760°C，而系統在動態平衡過程中產生了 15°C 的過沖，且該點正好位於 Ni+Mn 含量較高的銲縫區，便極可能觸發變態點 30。

六、緩解熱傳導遞延與降低溫差的應對策略

為了確保 PWHT 的有效性同時規避超溫風險，專案配管工程中必須採取系統性的工法優化措施。

6.1加熱帶與隔熱帶寬度的科學設計

根據 AWS D10.10 的指導原則，加熱帶寬度（HB）不能僅僅覆蓋銲縫，必須寬到足以克服軸向散熱。對於厚壁 P91，應採用更保守的計算公式：

HB = SB + 2*(2.5 √Rt)

其中 R 為管半徑，t 為壁厚。擴大加熱帶可以使受熱區的溫度梯度更加平緩，有效降低維持中心溫度所需的熱強度，從而縮小內外壁溫差 5。

6.23升溫速率（ROH）的補償策略：Approach B

研究與實踐表明，當徑向溫度梯度（TTG）過大時，單純提高功率只會燒毀外壁組織。最有效的策略是降低升溫速率 13。

  1. Approach A：遵循規範上限速率（如 220°C/hr / 厚度比例），通常會導致 30-50°C 的徑向溫差。
  2. Approach B：將升溫速率減半（如降至 60-80°C/hr）。這給予熱量充足的時間通過管壁擴散，使內壁能夠在較低的外壁峰值溫度下緩慢跟上，最終將溫差控制在 10°C 以內 13。

6.3內部熱損失的精確控制

內壁的自然對流是熱遞延的主要敵人。

  1. 管內填棉與封堵：應在銲縫受熱區內部的管腔內填充耐高溫陶瓷纖維棉，並在受熱區兩側各 300-500 mm 處設置臨時阻火牆或金屬堵頭，徹底消滅煙囪效應 15。
  2. 輔助內部加熱：對於極厚壁組件（如三通或閥門接頭），可考慮同步進行內外壁加熱，從根本上消除徑向梯度 34。

6.4控制區段的精細化管理

在水平管線的局部 PWHT(PBHT) 中，由於對流導致熱量上升，管頂（12點鐘方向）與管底（6點鐘方向）會產生顯著溫差。

  1. 獨立多區控溫：將加熱墊分為上下兩個或多個控制迴路。底部的熱輸入應設定高於頂部，以補償對流造成的能量損失 26。
  2. 多熱電偶冗餘監測：在銲縫中心線的頂部、底部及側面分別佈置監測熱電偶，並在加熱帶邊緣設置梯度監控點 14。

七、針對 Ac1 臨界點風險的專項管理路徑

針對 P91 Type 2 的高敏感性，工程管理應從源頭成分分析到現場監控建立閉環體系。

銲材成分與變態溫度的動態預測

在施工前，應獲取每批次銲材的質保書（MTR），利用經驗公式計算其預期的 Ac1 點。

Ac1 (°C) ≒f(Cr, Mo, Ni, Mn, V, C)

若銲材中的 Ni+Mn 含量較高（如 >1.2%），必須調低 PWHT(PBHT) 的設定目標值，通常建議設定在 740 – 755°C 之間，以保留至少 15-20°C 的安全餘裕，防止熱遞延補償過程中觸發相變 12。

7.1硬度測試與冶金複檢

作為 PWHT 質量的最後把關，硬度測試是檢測是否局部超溫最直觀的方法。

  1. 硬度範圍要求：合格的回火組織硬度應在 190 – 250 HB 之間 2。
  2. 超溫特徵：若測試發現局部硬度異常升高（如 >280 HB），則強烈預示該區域發生了二次淬火形成新鮮馬氏體。此時必須進行金相複驗（現場金相複製，Replica），若確認組織受損，該組件必須進行整體的正規化與回火（N+T）處理以恢復性能 11。

八、結論

在 ASTM A335 P91 Type 2 管線專案配管工程中，熱傳導遞延與徑向溫度梯度是局部電阻熱處理的核心技術難點。在大厚壁管線中，內壁溫度的滯後性誘使現場人員提高外壁加熱強度，這極易導致銲縫區域特別是高鎳錳含量的銲縫金屬超過 Ac1 臨界點，造成不可逆的機械性能劣化。

為規避此風險，工程實踐中應優先採取「降低升溫速率（Approach B）」與「擴大加熱與隔熱帶寬度（Approach C）」的組合策略，配合精確的管內封堵與內部保溫，從物理上減少維持內壁溫度所需的內外溫差。同時，必須依據銲材實際化學成分精確界定 PWHT(PBHT) 的安全操作窗口，並通過多區精細化控溫與 CD 點銲熱電偶確保溫控的真實性。唯有通過這種基於冶金機制與熱工物理的精準控制，方能確保 P91 Type 2 接頭在高溫高壓下的長期安全性與結構完整性。

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