CCPP A335 P91&P22 承受水錘衝擊負荷 : 冷作彎管與電銲彎頭差異化表現及失效機制分析研究 (Comparative Analysis of Performance and Failure Mechanisms in Cold Bending Pipes vs. Welded Elbows of A335 P91 and P22 Steel Under Steam Hammer Impact in CCPP)

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一、緒論:複循環火力發電廠高能管線之演進與環境挑戰

在現代電力產業中，複循環火力發電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）已成為支撐能源轉型與負載平衡的核心力量。隨著再生能源占比提高，CCPP 必須頻繁進行起動與停止的循環操作（Cyclic Operation），以應對電網負載的劇烈波動 1。這種操作模式對電廠內的高能管線（High Energy Piping, HEP）系統提出了前所未有的挑戰。主蒸汽管線與再熱蒸汽管線不僅要在極高的溫度（通常超過 540°C）與壓力下維持長期運作，還必須承受頻繁的熱循環應力以及突發性的流體動力負荷，其中蒸汽錘（Steam Hammer）即是最具破壞性的瞬態事件之一 3。

在管線材料的選擇上，ASTM A335 P22（2.25Cr-1Mo）與 P91（改良型 9Cr-1Mo-V-Nb）是兩種最具代表性的合金鋼 6。P22 作為傳統的低合金鉻鉬鋼，長期以來被廣泛應用於亞臨界機組；而 P91 作為強化蠕變鐵素體鋼（CSEF），憑藉其優異的高溫強度與蠕變抗力，成為超臨界與複循環機組主蒸汽系統的首選材料 9。然而，這兩種材料在微觀組織穩定性、加工敏感度以及對瞬態衝擊的響應上存在顯著差異，特別是在管線轉向部位——彎管與彎頭的表現上，冷作彎管與電銲彎頭的選擇往往決定了整個系統在極端工況下的生存能力 12。

二、材料冶金特性與高溫強化機制

理解 A335 P22 與 P91 在動態負荷下的表現，必須首先深入分析其冶金構造與強化機制。這兩種材料的化學成分設計決定了其在高溫環境下的組織演變過程，進而影響其在面對水錘衝擊時的斷裂韌性與裂紋抗力 6。

2.1 A335 P22 的貝氏體組織與延展性

P22 鋼的化學成分相對簡單，主要依靠鉻（Cr）提供抗氧化性，鉬（Mo）提供固溶強化與抑制蠕變空洞生長的功能 7。在經過標準的正火與回火處理後，P22 通常呈現鐵素體與貝氏體的混合組織 18。

元素成分 (wt%) A335 P22 (典型範圍) 強化作用描述
碳 (C) 0.04 – 0.12 形成碳化物，平衡強度與銲接性 7
鉻 (Cr) 0.90 – 1.50 提升高溫抗氧化性與耐蝕性 7
鉬 (Mo) 0.38 – 0.65 提升蠕變強度，防止高溫脆化 9
錳 (Mn) 0.30 – 0.60 脫氧，提升鋼材淬透性 7

P22 的顯微組織中包含隨機分佈的貝氏體板條與粗大的 M23C6 碳化物。這種組織賦予了 P22 較佳的延展性與衝擊韌性，使其在面對瞬態壓力波時具有較高的變形吸收能力，但在超過 550°C的環境下，其蠕變抗力會迅速下降 6。

2.2 A335 P91 的馬氏體組織與析出強化

P91 鋼的出現是為了填補低合金鋼與奧氏體不鏽鋼之間的性能空白。透過精確控制 9% 鉻、1% 鉬，並添加微量的釩（V）、鈮（Nb）與氮（N），P91 在熱處理後能形成穩定的回火馬氏體組織 6。

元素成分 (wt%) A335 P91 (典型範圍) 強化作用描述
鉻 (Cr) 8.00 – 9.50 顯著提升氧化極限，穩定馬氏體基體 7
鉬 (Mo) 0.85 – 1.05 強化固溶體，抑制高溫下的位錯運動 9
釩 (V) 0.18 – 0.25 形成細小 V(C,N)，提供析出強化 7
鈮 (Nb) 0.06 – 0.10 釘紮晶界，防止高溫下的晶粒粗化 7
氮 (N) 0.03 – 0.07 與 V、Nb 結合形成強化相 MX 7

P91 的高強度主要來自於三個層面：回火馬氏體的高位錯密度、分佈於亞晶界的 M23C6 碳化物，以及均勻分佈於基體內部的細小 MX 型碳氮化物 6。這些細小粒子（尺寸約 20-50 nm）能有效釘紮晶界與位錯，使得 P91 在 600°C 下的許用應力幾乎是 P22 的兩倍 9。然而，這種高度工程化的顯微組織對熱加工極其敏感，任何不當的冷作或銲接熱循環都可能導致組織退化，成為失效的溫床 10。

三、蒸汽錘現象：瞬態壓力波的物理與動態分析

蒸汽錘（Steam Hammer）或流體錘（Fluid Hammer）是當管內高速流動的流體受到突然阻礙時，其動量（Momentum）發生劇烈改變而產生的壓力激增現象 3。在 CCPP 中，這通常發生在蒸汽輪機跳脫導致自動截止閥（Stop Valve）在毫秒級時間內關閉，或者由於減溫水控制不當導致管內產生冷凝水塞（Condensate Slug）而撞擊彎頭時 3。

3.1壓力波的產生與傳播

當閥門瞬間關閉時，緊鄰閥門的流體層速度降為零，根據能量守恆定律，流體的動能轉化為壓力能。產生的瞬態壓力增量 ΔP 可由 Joukowsky 公式表示：

ΔP = ρ·c ·Δv

其中，ρ 為流體密度，c 為聲速（在此指管內介質中的壓力波傳播速度），Δv 為流速變化量 20。

在典型的 P91 主蒸汽管線案例中（壓力 110 barg，溫度 510°C），蒸汽密度約為 30 kg/m3，聲速約為 685.3 m/s。若蒸汽原流速為 30 m/s 並被瞬間截斷，則產生的瞬態壓力升高量約為 0.626 MPa（約 6.26 bar） 20。雖然此壓力值看似不高，但壓力波會以聲速在管線系統中來回傳播，並在每一次遇到方向改變（如彎頭）或截面積變化（如三通、變徑管）時，產生巨大的不平衡力 F 3。

3.2彎頭上的流體動力負荷

作用在彎頭上的合力 F 可由下式估算：

F = 2 ·A ·(P+ΔP) ·sin(θ/2)

對於 90° 彎頭（θ= 90°），不平衡力會沿著彎頭的平分線方向作用，產生劇烈的衝擊載荷 20。

參數項 數值/描述 對管線系統的影響
壓力升高量 (ΔP) 約 6.26 bar 增加環向應力與軸向負荷 20
不平衡力 (F) 可達 138,975 N 導致支吊架損壞、彎頭處應力集中 20
載荷性質 衝擊性、動態、瞬態 誘發高週疲勞或瞬時塑性變形 1
系統響應 振動、位移、橢圓化 導致密封洩漏或管壁開裂 5

這種衝擊載荷會顯著增加支撐結構的負荷。在某些研究案例中，考慮蒸汽錘後的總載荷可能是靜態載荷的三倍以上 20。如果管線系統的靈活性不足或支吊架已損壞，水錘產生的動態彎矩可能導致彎頭發生顯著的橢圓化（Ovalization）變形，進而引發微觀裂紋的萌生 25。

四、冷作彎管（Cold Bending Pipe）之特性與失效機制

冷作彎管是利用機械力將直管在低於再結晶溫度的情況下強制彎曲。對於 CCPP 中的高溫管線，冷作彎管提供了一種無縫的流體通道，但也引入了複雜的材料學問題 28。

4.1殘餘應力與加工硬化

在彎曲過程中，管壁會經歷不均勻的塑性變形。外弧側（Extrados）被拉伸而減薄，內弧側（Intrados）則被壓縮而增厚 28。這種變形會導致以下現象：

  1. 加工硬化 (Work Hardening)：塑性變形導致位錯密度（Dislocation Density）急劇增加。對於 P91 這種原本就具有高位錯密度的馬氏體鋼，額外的加工硬化會進一步提升硬度，但會顯著降低材料的斷裂韌性（Fracture Toughness）與延展性 28。
  2. 殘餘應力分佈：彎管完成後，內部會存在極高的殘餘應力。外弧側表面通常存在殘餘拉伸應力，內弧側則存在殘餘壓縮應力 28。在承受水錘衝擊時，瞬態壓力產生的軸向拉伸應力會與外弧側的殘餘拉伸應力疊加，極易超過材料的屈服強度，導致裂紋萌生 28。
  3. 幾何畸變 (Ovalization)：冷作過程難以完全避免截面的橢圓化。在承受內壓波動（如水錘）時，橢圓化的截面會試圖恢復圓形，這種反覆的幾何調整會在彎頭切點區域產生極高的二次循環應力 25。

4.2 P91 冷作彎管的組織退化（Abnormal Microstructure）

P91 鋼的特殊之處在於其對形變能的敏感性。冷作過程儲存的內能如果未透過適當的後熱處理（Post-Bending Heat Treatment, PBHT）釋放，會在後續的高溫運作中觸發異常的顯微組織演變 10。

  • 回複與再結晶：在高溫（超過 540°C）下，冷作區域的高位錯密度會驅動回複過程，導致馬氏體板條邊界消失。在某些案例中，高達 100% 的回火馬氏體會轉變為多邊形鐵素體（Polygonal Ferrite） 14。
  • 析出物粗化：冷作形變會加速 M23C6 與 Laves 相的析出與聚集（Aggregation）。當析出物尺寸增加到數微米（如4 μ）時，原有的釘紮效應喪失，材料硬度顯著下降（由 224 HV 降至 214 HV 或更低），這會導致該區域在高溫下的蠕變強度與疲勞壽命大幅縮短 14。

在承受水錘衝擊時，這些組織退化的區域成為系統中最薄弱的環節。由於鐵素體基體的強度遠低於正常的馬氏體，壓力波產生的剪切力會迅速在這些軟化區累積應變，導致早期的「蠕變-疲勞」混合失效 1。

五、電銲彎頭（Welded Elbow）之特性與失效機制

電銲彎頭（通常為預製件與直管段銲接，或為帶有縱向銲縫的成型彎頭）是另一種常見的配置。其核心問題在於銲接熱影響區（Heat Affected Zone, HAZ）的非均質性 12。

銲接熱影響區 (HAZ) 的分層構造

銲接過程中的熱循環會在母材與銲縫之間形成不同的微觀組織帶。對於 P91 與 P22，這包括：

  1. 粗晶熱影響區 (CGHAZ)：靠近熔合線，峰值溫度遠高於 Ac3，晶粒粗大。此處硬度最高，韌性最低，對冷裂紋（Cold Cracking）極為敏感 12。
  2. 細晶熱影響區 (FGHAZ)：溫度僅略高於Ac3，發生完全再結晶，形成細小的晶粒。
  3. 臨界熱影響區 (ICHAZ)：溫度介於 Ac1 與 Ac3 之間，組織僅發生部分相變。原有的強化粒子（如 MX）發生部分溶解或粗化，形成所謂的「軟化帶」 13。

5.1  Type IV 裂紋：P91 銲縫的「阿基里斯之踵」

Type IV 裂紋是指發生在 FGHAZ 或 ICHAZ 中的早期蠕變失效。這是 P91 鋼在全球範圍內最臭名昭著的失效機制 10。

  • 機制分析：銲接熱循環破壞了 P91 的馬氏體板條構造，並使強化析出物（M23C6）在細晶界處發生粗化。這導致該區域的橫向蠕變強度大幅低於母材與銲縫金屬 13。
  • 衝擊響應：在水錘衝擊下，動態壓力波會產生巨大的軸向拉力。由於 Type IV 區域是材料性能的「低谷」，應變會優先集中在此狹窄區域（寬度通常僅 1-2 mm）。這種應變定位（Strain Localization）會加速蠕變孔洞的連結與微裂紋的形成 13。
  • 隱蔽性失效：Type IV 裂紋通常從管壁內部（Sub-surface）萌生，且失效前幾乎沒有宏觀變形（斷口呈脆性外觀）。這意味著水錘可能在未經預警的情況下，直接觸發已存在 Type IV 損傷的銲接彎頭發生破裂 35。

5.2 P22 銲縫的碳遷移問題

相對於 P91 的馬氏體退化，P22 在與不同合金（如 P91 或奧氏體鋼）銲接時，更容易發生碳遷移（Carbon Migration）現象 12。在高溫運作下，碳元素會從低合金側（P22）遷移至高合金側（P91），導致 P22 側形成一個低強度的脫碳鐵素體帶。水錘產生的衝擊力在經過這種異質接頭時，會因強度極差而誘發局部撕裂 5。

六、承受水錘衝擊時的差異化表現分析

當 CCPP 系統發生蒸汽錘事件時，冷作彎管與電銲彎頭展現出截然不同的動態響應與失效軌跡。

6.1斷裂韌性與衝擊吸收能力

P22 由於其鐵素體-貝氏體組織，天然具有較高的衝擊功吸收能力。在發生水錘時，P22 彎管或銲縫傾向於發生局部的塑性變形而非瞬時斷裂 6。

相比之下，P91 鋼雖然具備更高的靜態強度，但其衝擊韌性（Impact Toughness）受熱處理影響極大。若銲後熱處理（PWHT）不完全，銲縫區硬度可能高達 400-500 HV，表現得像工具鋼一樣脆 15。在面對水錘的高應變速率（High Strain Rate）加載時，P91 系統缺乏足夠的能量吸收緩衝，容易發生脆性開裂（Brittle Fracture） 15。

6.2失效模式對比表

特性項目 冷作彎管 (P91/P22) 電銲彎頭 (P91/P22)
主要弱點 外弧側減薄與殘餘應力疊加 28 銲接 HAZ 的組織弱化 (Type IV) 13
組織一致性 較高，但易發生整體性軟化 14 低，存在劇烈的物理/化學不連續性 12
水錘失效模式 橢圓化過載開裂、疲勞裂紋萌生 25 HAZ 區域的脆性撕裂、銲縫脆斷 34
檢測難度 中 (主要針對幾何變形與表面硬度) 32 高 (Type IV 損傷難以由常規 NDE 檢出) 35
維修性 損壞後通常需整體更換 可進行局部挖補銲接，但有修復風險 39

 

6.3幾何效應與應力強化

在水錘事件中，電銲彎頭的銲縫餘高（Weld Reinforcement）會形成幾何上的「缺口」（Notch）。根據斷裂力學，動態應力在缺口處會發生倍增。對於 P91 這種具有高缺口敏感性的材料，銲縫趾部（Weld Toe）往往是裂紋的首發點 40。而冷作彎管雖然沒有銲縫缺口，但其管壁厚度分佈的不均勻（外薄內厚）會導致壓力波經過時，薄弱的外弧側承受超過平均水平的環向應力 28。

七、關鍵製造程序的控制：防止水錘誘導失效

為了減輕水錘對 P22 與 P91 彎管系統的破壞，製造過程中的熱處理控制至關重要。

7.1冷作後的熱處理策略

對於冷作彎管，ASME 規範根據變形率來決定是否需要熱處理。然而，對於 P91 這種 CSEF 鋼，即使是微小的變形也可能在長期運行中導致性能下降。

  • 全正火加回火 (Full Normalizing and Tempering)：這是恢復冷作管組織的最徹底方法，能完全消除形變能並重建馬氏體組織 36。
  • 消除應力退火 (Stress Relieving)：僅能緩解殘餘應力，無法扭轉微觀組織的退化。若 P91 彎管僅進行低溫消除應力處理，仍無法規避 Type IV 類似的軟化問題 36。

7.2銲接工法與 PWHT 的精確執行

對於電銲彎頭，銲接後的熱處理（PWHT）幾乎是決定性的。

  1. 預熱與層間溫度 (Preheat & Interpass)：P91 必須維持在 200-300°C 的預熱，防止高硬度馬氏體在冷卻過程中產生氫致裂紋（HIC） 15。
  2. 冷卻至 Mf 點：銲接完成後，必須讓零件冷卻至 100°C 以下，確保奧氏體完全轉化為馬氏體後，再開始進行 PWHT 38。
  3. PWHT 溫度窗口：P91 的回火溫度窗口非常狹窄（通常為 730-775°C）。溫度太低無法提升韌性，溫度太高（超過 Ac1 約 800°C）則會導致新鮮馬氏體生成，使材料再次脆化 38。
材料類型 PWHT 溫度範圍 持溫時間建議
A335 P22 680°C – 740°C 每吋厚度 1 小時 45
A335 P91 730°C – 775°C 至少 2 小時，嚴格監控 42

不當的 PWHT 是 P91 銲接接頭在承受水錘衝擊時發生「拉鍊式」爆裂（Unzipping Failure）的主因 4。

八、工程標準與法規要求：ASME B31.1 的角色

在高能管線的設計與維護中，ASME B31.1（動力管線規範）提供了基礎框架。針對水錘與材料衰減，規範近年來進行了重要更新 27。

8.1應力強化因子 (SIF) 與 B31J

傳統的 B31.1 計算使用較為簡化的 SIF 值。然而，研究顯示這些數值在評估非標準彎頭（如經過修整的彎頭）的疲勞性能時可能過於樂觀 50。新的 B31J 規範提供了更精確的實驗方法與有限元素分析（FEM）程序，來確定複雜幾何形狀在承受動態應力時的真實強度 50。

8.2銲縫強度折減因子 (Weld Strength Reduction Factor, W)

由於銲接區域（特別是 Type IV 區）的強度在高溫蠕變工況下不可避免地低於母材，ASME 在管壁厚度計算法中引入了係數 W 27。

t = P·D / 2·(S·E·W + P·Y)

其中，W 在 540°C 以上的環境下會顯著降低（P91 在 650°C 時 W 可能低至 0.5）。這意味著電銲彎頭必須具有更厚的管壁，才能彌補銲縫區在承受長期應力與突發水錘時的強度缺失 27。

九、典型失效案例研究與教訓總結

歷史上的重大事故為我們提供了關於材料選擇與衝擊載荷處理的寶貴經驗。

9.1案例一：Mohave 與 Monroe 電廠的縱向銲縫失效 (P22/P11)

在 1980 年代，多個使用 P22 或 P11 縱向銲縫管線的電廠發生了長達數十米的劇烈爆裂。

  • 失效機制：長期運行導致銲縫 HAZ 產生嚴重的蠕變孔洞累積。
  • 水錘的角色：在系統發生瞬態壓力波動（水錘）時，原本已受損的銲縫無法承受瞬間增長的環向應力，裂紋以聲速沿銲縫擴展，造成災難性後果 10。這導致後來業界傾向於在高能系統中使用無縫管（Seamless Pipe）。

9.2案例二：West Burton 電廠 P91 集管箱端蓋失效

英國 West Burton 電廠在 P91 集管箱（Header）運行僅約 20,000 小時後發生爆炸 11。

  • 失效機制分析：失效點位於端蓋銲接接頭的 Type IV 區域。由於端蓋設計導致銲縫處於極高的幾何應力集中區，且銲接程序控制不佳，導致該處在長期應力與頻繁的起動流體衝擊下，發生了快速的 Type IV 開裂 11。
  • 教訓：設計時應將銲縫（HAZ）儘可能遠離高應力集中區域，並採用全穿透銲接輔以精確的 PWHT。

9.3案例三：中國 P91 管線「偽劣件」事故

2006 年中國某電廠發生 P91 管線爆裂，造成多人傷亡。

  • 問題核心：調查發現使用了標記為 P91 但實際成分不符，且未經過正確正火處理的劣質管材 26。
  • 衝擊響應：由於材料組織並非正常的馬氏體，管線在承受運行中的微小水錘衝擊時即表現出極低的脆性斷裂抗力。這強調了現場材料鑑定（PMI）在 CCPP 建設中的不可或缺性 10。

十、未來展望與壽夢管理策略

隨著複循環電廠轉向更靈活的操作模式，針對彎管與彎頭的壽命管理必須進化。

10.1數位孿生與實時監控

現代電廠開始導入基於感測器的數位孿生（Digital Twin）系統。透過在彎頭處安裝陀螺儀、位移計與溫度傳感器，系統可以實時計算每一次水錘事件對材料累積的疲勞損傷 1。這使得工程師能夠在顯微裂紋形成前，精確預測哪些部位需要優先進行非破壞性檢測（NDE）。

10.2高級檢測技術的應用

由於 Type IV 損傷與異常組織退化的高度隱蔽性，傳統方法已不足夠。

  • 相控陣超音波 (PAUT)：能更有效地檢測銲縫內部的微小夾雜與早期裂紋 5。
  • 微硬度與磁性檢測：利用 P91 馬氏體退化後磁性與硬度的改變，來篩選出組織異常的冷作彎管 32。
  • 表面複製品 (Replication)：雖然僅限於表面，但仍是確認蠕變孔洞密度的金標準 35。

十一、綜合分析與結論

本研究透過對 A335 P91 與 P22 合金鋼在複循環火力發電廠中，應對蒸汽錘衝擊的差異化表現進行了深入分析，核心結論如下：

  1. 材料響應的本質差異：P22 以其優異的延展性與熱處理容忍度，在承受單次或少數幾次強大水錘衝擊時，具有較高的安全性與變形吸收能力。而 P91 雖然靜態強度極高，但其對加工敏感度大，若存在組織退化或銲縫 Type IV 損傷，在瞬態衝擊下極易發生無預警的脆性斷裂。
  2. 製造程序的決定性影響：
    • 冷作彎管的風險在於變形能驅動的基體軟化，必須透過全正火與回火來確保其在高溫下的穩定性。
    • 電銲彎頭的瓶頸在於熱影響區的非均質性，特別是 P91 的 Type IV 區域在水錘產生的軸向力作用下，壽命可能縮短至設計值的五分之一。
  3. 失效機制的交互作用：水錘並非孤立的失效原因，它通常是「誘發劑」，觸發了已在運作中緩慢形成的蠕變損傷或加工缺陷。對於 P91 而言，水錘與 Type IV 裂紋的結合是主蒸汽管線最危險的威脅。
  4. 技術建議：
    • 在設計階段，應嚴格評估截止閥關閉速率，並透過水力分析優化管線佈局，減少不平衡力的量級。
    • 施工階段應強化對 P91 正火與 PWHT 溫度的實時紀錄監控，防止因熱處理不當造成材料韌性崩解。
    • 維護階段應建立「關鍵部位（CPS）」清單，重點監控經歷過嚴重水錘事件的彎頭與三通銲縫，並利用微金相技術定期評估組織狀態。

總結而言，A335 P91 雖然是高效能電廠的基石，但其「高性能、高風險」的特性要求工程人員必須具備更深刻的冶金學與流體動力學知識。在面對複循環電廠靈活運作的未來挑戰時，正確理解並防範水錘對不同製造工法彎管的損害，是保障能源設施結構安全的關鍵。

參考文獻

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