CCPP頻繁升降載模式下 P91 鋼材循環軟化現象與屈服強度劣化之深度分析研究報告 (In-depth Analysis of Cyclic Softening and Yield Strength Degradation of P91 Steel under Frequent Load Cycling of CCPP)

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一、緒論：柔性運轉環境對 CCPP 關鍵材料的嚴峻挑戰

在當前全球能源轉型與再生能源佔比持續提升的背景下，聯合循環發電廠（CCPP）的運轉模式發生了根本性的轉變。過去以基載（Base-load）為主的穩定運行方式，已逐漸被頻繁的升降載（Cycling）、快速啟停（Start-up and Shut-down）以及「二班制」（Two-shifting）運轉所取代。這種高度靈活的運轉要求雖然滿足了電網對再生能源波動性的補償需求，卻給發電組件的高溫承壓部件帶來了前所未有的力學考驗。特別是對於廣泛應用於超臨界與超超臨界機組蒸汽管道、集箱及過熱器系統的 P91 鋼（改良型 9Cr-1Mo 鐵素體/馬氏體鋼），其在週期性熱-機負荷作用下的材料響應成為決定電廠長期安全性與經濟性的關鍵因素 1。

P91 鋼因其優異的高溫蠕變強度、良好的導熱性能以及較低的熱膨脹係數，曾被視為高溫高壓電力設施的理想材料。然而，當前工業實踐與實驗室研究均表明，P91 鋼在應變控制的循環載荷下表現出極為顯著的「循環軟化」（Cyclic Softening）現象。這種現象的特徵是，隨著負載週次的增加，材料內部的抗變形能力持續減弱，表現為峰值應力和屈服強度的顯著下降 4。在 CCPP 頻繁升降載的過程中，由於組件截面存在的熱梯度以及機械約束，會產生顯著的循環塑性應變。即便在較低的宏觀應力水平下，局部的應變疲勞累積也會觸發微觀組織的不可逆演變，進而導致材料的力學性能隨運行時間的推移而發生不可忽視的退化 1。

這種軟化過程並非線性且具有階段性特徵。在循環初期，應力幅值通常會出現快速的非線性跌落，隨後進入一段較長的、近似線性的緩慢軟化階段，直至疲勞裂紋萌生並進入失穩擴展期。對於運轉中的電廠而言，循環軟化最直接的危害在於它嚴重侵蝕了組件的安全邊際。基於原始材料性能設計的組件，在經歷數千次循環後，其屈服強度可能僅剩初始值的一半甚至更低，這使得傳統的靜態強度設計準則在柔性運轉環境下顯得過於樂觀 8。因此，深入剖析 P91 鋼在頻繁升降載模式下的循環軟化機制、定量評估其強度劣化規律，並建立精確的壽命預測與管理模型，已成為當前電力工程與材料科學領域亟待解決的核心課題 8。

二、P91 鋼之冶金基礎與高溫強化機制

P91 鋼的卓越性能源於其精細設計的微觀組織。作為一種中鉻耐熱鋼，P91 經過正規化（Normalization）與回火（Tempering）處理後，形成典型的回火馬氏體組織。在微觀尺度上，這種組織具有極高的複雜性與有序性，其強化機制可以概括為位錯強化、晶界強化以及沉澱強化三者的協同作用 12。

2.1 回火馬氏體的多尺度亞結構

P91 鋼的原始奧氏體晶粒內部分布著由馬氏體包（Packet）、塊（Block）以及細長的板條（Lath）構成的多級結構。板條邊界實質上是高度糾纏的位錯邊界，構成了所謂的「低角晶界」（Low-angle Grain Boundaries, LABs）。在初始狀態下，P91 鋼內部的位錯密度極高，通常維持在 1014 至 1015  m-2 的量級。這些高密度的位錯網絡與細密的板條邊界有效地阻礙了位錯的進一步滑移，賦予了材料極高的初始屈服強度 12。

2.2 彌散沉澱相的穩定作用

除了位錯與亞晶界的貢獻，P91 鋼還依賴於兩類關鍵的沉澱相進行強化。第一類是分布在板條邊界與原奧氏體晶界（PAGBs）處的粗大 M23C6 型碳化物（主要是富鉻碳化物），它們起到了釘紮（Pinning）晶界的作用，延緩了晶界的遷移與粗化。第二類是彌散分布在馬氏體板條內部極其細小的 MX 型碳氮化物（如 Nb(C,N) 和 V(C,N)），這類粒子具有極高的熱穩定性，能夠有效地阻礙位錯在板條內部的攀移與湮滅 12。

下表列出了典型 P91 鋼與其升級型號 P92 鋼的化學成分對比，揭示了微合金化元素在強化機制中的角色：

元素 (wt.%) P91 (典型範圍) P92 (典型範圍) 強化角色說明
碳 (C) 0.08–0.12 0.07–0.13 形成碳化物，提供沉澱強化 13
鉻 (Cr) 8.00–9.50 8.00–9.50 提供抗氧化性與基體穩定性 17
鉬 (Mo) 0.85–1.05 0.30–0.60 固溶強化元素，提高蠕變強度 13
釩 (V) 0.18–0.25 0.15–0.25 形成細小 MX 相，阻礙位錯運動 13
鈮 (Nb) 0.06–0.10 0.04–0.09 穩定 MX 相，抑制晶粒長大 13
鎢 (W) – 1.50–2.00 P92 關鍵元素，提高固溶強度與穩定性 17
氮 (N) 0.03–0.07 0.03–0.07 形成氮化物，提高熱強性 13

三、循環軟化現象的宏觀力學特徵與階段演化

在 CCPP 頻繁升降載產生的循環塑性應變作用下，P91 鋼表現出顯著的應變軟化行為。在受控的應變循環測試中，這一特徵極為直觀：隨著循環週次 N 的增加，維持恆定應變幅值所需的峰值應力持續下降。與許多奧氏體不鏽鋼在初期發生循環硬化或迅速達到穩定狀態不同，P91 鋼在幾乎所有的運轉循環中都表現出連續且無明顯飽和跡象的軟化趨勢 1。

3.1 軟化過程的三階段特徵

研究者普遍將 P91 鋼的循環軟化過程劃分為三個互相關聯的階段，每個階段對應著不同的微觀損傷演化機制 7：

  1. 第一階段：快速下降期：在循環的最初數十至數百週次（約佔總壽命的 10% 以內），應力幅值呈現出劇烈的非線性下降。這一階段的軟化速率極高，主要與材料內部初始高密度位錯的迅速重組與湮滅有關 10。
  2. 第二階段：穩定軟化期：此階段佔據了材料疲勞壽命的絕大部分。應力隨週次的增加呈近似線性的緩慢下降。在此期間，亞晶組織發生緩慢的長大與合併，材料進入一種動態的微觀演變狀態，雖然變化速率放緩，但損傷仍在持續累積 7。
  3. 第三階段：失穩失效期：當週次接近疲勞壽命末期，應力幅值會出現第二次迅速下降。這通常不再是由於均勻的組織軟化引起，而是因為宏觀疲勞裂紋已經萌生並開始失穩擴展，導致組件有效承載截面積迅速減小，最終發生斷裂 1。

3.2 應變幅值與溫度的影響規律

循環軟化的程度受到載荷參數與環境溫度的強烈調控。實驗數據表明，應變幅值Δε / 2 越高，軟化現象越明顯，且失效週次 Nf 越短。在高應變幅值下，塑性變形分量較大，引發的位錯滑移與交互作用更加頻繁，導致軟化路徑被極大地壓縮。然而，值得注意的是，在較低應變幅值下（更接近實際發電廠的熱循環情況），雖然軟化過程較慢，但由於運行週期極長，最終累積的強度損失同樣巨大 4。

溫度是另一個關鍵變量。隨著測試溫度從室溫升高到 600°C，P91 鋼的循環軟化速率顯著提升。高溫增加了原子的擴散能力，使得位錯攀移、原子擴散以及晶界遷移等恢復過程變得更加容易 5。在 600°C 以上的高溫區間，材料甚至可能在極短的週次內就表現出嚴重的強度喪失，這直接解釋了為什麼 CCPP 高溫蒸汽部件是失效的高風險區。

四、循環軟化的微觀物理機制：多尺度演化分析

循環軟化的宏觀表現實質上是 P91 鋼不穩定的馬氏體亞結構向熱力學更平衡態演化的過程。透過透射電子顯微鏡（TEM）與電子背向散射繞射（EBSD）等表徵手段，科學家們揭示了這一過程在原子與位錯尺度的本質 7。

4.1 位錯密度的劇烈下降與湮滅

位錯強化是 P91 初始強度的核心來源。然而，在循環應變作用下，原本混亂分布的位錯開始發生滑移與重組。不同滑移面上的異號位錯相遇後會發生湮滅，而同號位錯則趨於排列成更穩定的位錯牆。研究觀測到，經過長期循環後，P91 鋼內部的位錯密度會從 1014 m-2 下降到 1011 m-2 左右，這種三個數量級的跌落直接導致了位錯強化效應的崩潰 4。

4.2 馬氏體板條的寬化與亞晶長大

板條邊界（低角晶界）是 P91 鋼中阻礙位錯滑移的關鍵障礙。在循環負載下，這些 LABs 不再穩定。通過位錯在晶界處的吸收與釋放，相鄰的細小馬氏體板條會發生合併。這一過程被稱為「板條寬化」（Lath Widening）。原本寬度約為 0.2–0.5 μm 的板條逐漸演變為直徑超過 1.0 μm 的等軸狀亞晶。由於晶界密度大幅降低，位錯滑移的平均自由程增加，根據霍爾-佩奇（Hall-Petch）關係，這必然導致材料屈服強度的下降 12。

4.3 沉澱相的穩定性與 Ostwald 熟化

沉澱相對亞晶界具有釘紮作用，能延緩上述的組織粗化。然而，M23C6 碳化物在長期循環與高溫環境下表現出明顯的粗化趨勢（Ostwald Ripening）。隨著週次的累積，小尺寸的碳化物溶解，大尺寸碳化物進一步長大。一旦碳化物尺寸過大且間距增加，它們就失去了對板條邊界的有效釘紮能力，使得組織恢復過程加速 12。與此同時，雖然 MX 相相對穩定，但在極端條件下也可能發生轉變或粗化。此外，某些有害相如 Laves 相（Fe2(Mo,W)）在循環過程中的析出與長大，會消耗基體中的固溶強化元素（如鉬、鎢），進一步弱化基體強度 12。

五、屈服強度隨運轉週次劣化之定量評估

為了將循環軟化的研究應用於工程設計，必須對屈服強度的下降進行定量化。循環屈服強度（Cyclic Yield Strength）通常被定義為循環至半壽命（0.5 Nf）時，由穩定後的循環應力-應變曲線（CSSC）所確定的 0.2% 偏置屈服應力 5。

下表整理了多項研究中 P91 鋼在不同溫度下，單次（原始）屈服強度與循環穩定後屈服強度的對比：

測試環境 (溫度/應變幅值) 初始屈服強度 σy0​ (MPa) 穩定週次屈服強度 σyc​ (MPa) 強度下降率 (%) 參考數據源
室溫 (25°C) / ± 0.5% 641 512 ~20% 5
500°C / ± 0.5% 450 320 ~29% 19
600°C / ± 0.4% 380 210 ~45% 1
625°C / ± 0.6% 310 145 ~53% 23

數據清晰地顯示，循環軟化對屈服強度的削減作用隨溫度升高而急劇惡化。在 600°C 的高溫環境下，P91 鋼的屈服強度在經歷一定週次的循環後，竟然會下降接近一半。這意味著如果工程師僅依據材料手冊中的初始性能進行設計，其計算出的應力水平在機組運作數年後可能已經遠遠超過了材料當時的實際屈服極限，從而引發大規模的塑性變形或過早的疲勞開裂 8。

六、蠕變-疲勞交互作用（Creep-Fatigue Interaction）下的損傷累積

CCPP 的升降載模式不僅包含單純的疲勞過程，還伴隨著長時間的高溫運行（持壓階段）。這就引入了更為複雜的蠕變-疲勞交互損傷。在持壓（Hold-time）期間，材料會發生顯著的應力鬆弛（Stress Relaxation），將循環產生的部分彈性應變轉化為蠕變應變。這種微觀蠕變損傷與疲勞裂紋的演變相互耦合，大大縮短了材料的整體壽命 23。

6.1 應力鬆弛對軟化的加速效應

當應變循環中包含拉伸或壓縮持壓時，循環軟化的速率會發生改變。實驗觀察到，拉伸持壓通常比壓縮持壓更能加速應力幅值的下降。這是因為拉伸持壓期間形成的晶界蠕變孔洞會削弱材料的整體剛度，並在反向加載時促進組織的恢復 23。持壓時間的增加會導致更大的應力跌落，但研究也發現一種「飽和效應」：當持壓時間超過 1 小時後，應力幅值的下降幅度趨於穩定，但裂紋的萌生與擴展卻會因為環境效應（如氧化）與蠕變損傷的累積而繼續加速 26。

6.2 軟化組織對蠕變性能的負反饋

循環軟化與蠕變性能之間存在著致命的負反饋循環。循環軟化導致的位錯密度降低與板條邊界喪失，使得材料的抗蠕變能力大幅下降。研究指出，經過疲勞循環預損傷的 P91 鋼，其後的蠕變斷裂時間可能僅為未損傷材料的幾分之一 8。這種現象被稱為「軟化誘導的蠕變退化」。在實際組件中，這意味著頻繁的負載變動實際上是在為後續的定速蠕變破壞「鋪路」。當前許多設計規範（如 RCC-MRx）已經意識到，傳統的基於 virgin 材料性能的累積損傷計算在 P91 鋼上是不保守的，必須引入「軟化修正係數」或「時間衰減因子」來進行安全性補償 8。

七、銲接接頭的脆弱性與 IV 型開裂問題

在 CCPP 組件中，銲接接頭（Welded Joints）是循環軟化與失效最敏感的區域。P91 鋼銲接過程中的熱循環會使鄰近銲縫的區域形成一個複雜的熱影響區（HAZ），其中包括粗晶區（CGHAZ）、細晶區（FGHAZ）以及臨界區（ICHAZ） 2。

7.1 IV 型開裂的物理特徵

所謂的「IV 型開裂」主要發生在 FGHAZ 或 ICHAZ 中。由於這些區域在銲接時經歷的峰值溫度僅略高於或處於 Ac1 轉變點附近，導致原始的馬氏體組織發生了部分分解，形成了細小且強度較低的鐵素體晶粒。在後續的循環運轉中，這個區域的組織演變速度（即軟化速度）遠快於母材（Base Metal）。由於 HAZ 的強度原本就低於母材，再加上循環軟化的疊加效應，使得應變在該區域發生高度集中。最終，蠕變孔洞在此處優先萌生並連結成裂紋，導致接頭在遠低於設計壽命的時間內發生脆性斷裂。

7.2 銲接工法對軟化抗性的影響

銲接後的熱處理（PWHT）對於減緩軟化至關重要。不當的 PWHT（如溫度過高或時間過長）會導致組件在尚未投入運行前就發生「過回火」，預先消耗了材料的位錯強化潛能。相反，如果 PWHT 不足，殘留應力過高則會加速裂紋的萌生。此外，近年來開發的「低溫預銲接回火」（LTT）技術與「熱機械處理」（TMT）顯示出提高 HAZ 抗性的潛力 2。通過在銲接前精確控制基體的析出相分布，可以在 HAZ 區域維持更穩定的亞結構，進而抑制 IV 型開裂的發生 14。

八、高級本構模型：捕捉循環軟化的動態行為

為了在有限元分析（FEA）中準確模擬組件的循環軟化，科學家們開發了多種複雜的本構模型。準確預測 P91 鋼隨週次變化的應力-應變響應，是剩餘壽命評估的基礎 10。

8.1 修正的 Chaboche 統一粘塑性模型

標準的 Chaboche 模型通過各向同性軟化項 R 和非線性運動硬化項 X（回饋應力）來描述循環行為。然而，為了捕捉 P91 鋼獨特的二階段軟化特徵，必須對各向同性軟化函數進行修正。通常做法是引入雙指數項或結合線性項 10：

\dot r = [ b1 (q1- r)+ b2 (q2- r)]\dot p

其中 p 為累積等效塑性應變，bi 與 Qi 為材料參數。第一項描述了初期的快速軟化，第二項則對應於長期的組織劣化。這種修正模型能較好地模擬 P91 在 400-600°C 範圍內的實驗曲線 19。

8.2 Ohno-Wang 模型與能量基礎法

相比之下，Ohno-Wang 模型在處理循環塑性的棘輪效應（Ratcheting）與非對稱加載下的軟化表現更具優勢 5。研究表明，Ohno-Wang 模型能更精確地描述滯後環的幾何形狀及其隨週次的演變，其壽命預測精度優於傳統的 Chaboche 模型 5。

此外，由於 P91 鋼偏離了 Masing 行為（即不同應變水平下的響應曲線不能重合），傳統基於彈塑性應變幅值的 Basquin-Coffin-Manson 模型有時會產生較大誤差。因此，越來越多的研究採用基於能量的參數（如滯後環面積累積的塑性功）來評估損傷。Morrow 能量模型在模擬 P91 鋼的平均塑性應變能密度方面表現出極高的可靠性，能有效整合低週疲勞與高週疲勞的損傷貢獻 5。

九、工業失效案例研究與實踐教訓

分析真實發電廠的失效案例，可以讓我們更深刻地理解循環軟化的工程影響。

9.1 英國 West Burton 電廠案例分析

West Burton 是一座 4 × 500 MW 的燃煤發電廠，但在轉向靈活運轉後，其 P91 關鍵組件發生了嚴重的早期失效 2。在運行僅 20,000 到 36,000 小時後（遠低於 20 萬小時的設計壽命），集箱與管道接頭處發現了嚴重的開裂。 metallurgical 調查證實，失效的原因並非單一的超溫超壓，而是由於機組頻繁啟停產生的循環熱應力引發了材料的循環軟化。軟化後的 HAZ 組織在局部應力集中下迅速發生蠕變開裂。這個案例給電力行業敲響了警鐘：在高循環環境下，P91 鋼的「中壽命危機」（Mid-life Crisis）是真實存在的風險 2。

9.2 Eastman Chemical 工廠管線失效

另一個案例發生在 Eastman Chemical 的給水線 P91 管道 29。儘管該管線的運行溫度僅為 163°C，看似遠低於蠕變範圍，但由於安裝過程中的銲接與熱處理不當，加上投產初期的多次非預期熱循環（約 25 次循環），導致在管座銲接處發生了脆性斷裂。這證明了即便在較低溫度下，如果初始組織不穩定，頻繁的熱衝擊同樣能觸發局部軟化與強度喪失，最終引發災難性後果 29。

十、減緩策略：材料改良、工法優化與運轉管理

面對循環軟化的威脅，當前的工程策略主要集中在「增強穩定性」與「精確監控」兩個維度。

10.1 採用更高強度的 P92 與 MarBN 鋼

P92 鋼通過以鎢代鉬，顯著提升了組織在長期受熱下的穩定性 13。鎢在基體中的擴散速率較慢，能有效延緩碳化物的粗化，從而在循環過程中提供更持久的釘紮力 13。更新一代的 MarBN（Martensitic Boron-Nitrogen）鋼則通過精確控制硼（Boron）與氮的比例，利用硼原子在晶界處的偏聚，極大地提高了板條邊界的穩定性，實驗顯示其循環軟化抗性優於 P91 與 P92 16。

10.2 熱機械處理（TMT）與受控冷卻

研究表明，在 P91 鋼的生產工法中引入熱機械處理（如 Ausforming），可以人為地增加位錯密度並誘導極其細小的 MX 相析出 2。這種經 TMT 優化後的組織具有更強的「結構記憶力」，在後續的循環運轉中表現出極低的恢復速率。實驗中，經 TMT 優化後的 P91 試樣在 600°C 下的蠕變壽命與循環疲勞壽命均比標準 normalized and tempered 狀態提高了近一倍 14。

10.3 運轉管理與壽命評估調整

在運轉層面，電廠操作員應儘量減少「冷啟動」的頻率，並優化升溫與升壓速率，以降低組件截面的瞬態熱應力。在檢修與維護方面，必須摒棄僅依賴運行小時數的傳統思路，轉而採用「等效循環次數」與「剩餘強度評估」相結合的方法 3。

下表比較了不同的壽命評估技術及其對循環軟化的考量：

評估技術 核心原理 循環軟化考量程度 優缺點分析
線性累積損傷 (LM) Dtot = Σni/Nfi  + Σtj /trj 極低 24 簡單易行，但對 P91 極度不保守 8
延性耗盡法 (DE) 基於材料斷裂延性的累積 中等 8 能反映部分物理損傷，但參數獲取困難
Omega 方法 基於應變速率演化的預測 高 3 能實時反映組織劣化引起的應變率加速
修正 Chaboche FEA 損傷耦合的粘塑性模擬 極高 19 預測精確，但計算量大，需詳盡材料數據

十一、結論與未來研究方向

總結而言，CCPP 頻繁升降載模式引發的 P91 鋼循環軟化現象，是電力工程界必須正視的材料退化問題。這不僅僅是力學性能的簡單下降，而是涉及位錯湮滅、亞晶長大及沉澱相粗化等多層次微觀演變的系統性工程挑戰。本研究分析表明，屈服強度隨週次增加的劣化程度遠超傳統設計預期，特別是在 600°C 附近的高溫工況下，其強度損失可高達 40% 以上 4。

未來的研究與工業實踐應聚焦於以下三個核心方向：

第一，開發與推廣更高穩定性的材料（如 P92, P91B 或 MarBN），並結合 TMT 等先進工法從源頭上提升組織對循環載荷的免疫力 13。

第二，在設計規範中強制引入「循環性能修正」，確保柔性運轉機組的安全係數能夠覆蓋整個生命週期內的強度退化 8。

第三，利用大數據與機器學習技術，結合在線應變監測與定期硬度分析，建立組件級別的數位孿生模型，實現對循環軟化損傷的動態預警與精準維護 8。

最終，唯有通過材料科學、本構建模與電廠運轉管理的三方協同，才能在追求電力系統靈活性的同時，守住熱力組件結構完整的安全底線。

 

參考文獻

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  28. Understanding strain controlled low cycle fatigue response of P91 steel through experiment and cyclic plasticity modeling – INIS-IAEA, https://inis.iaea.org/records/2amh1-p7v60
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