CCPP A335 P91 管線打底銲道結構完整性對管線長期服役安全之深度影響分析報告 (In-depth Impact Analysis of Root Pass Structural Integrity on the Long-term Service Safety of CCPP A335 P91 Pipelines)

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一、導論：打底銲道作為管路內壁核心邊界之哲學定義

在現代超臨界（USC）及超超臨界發電廠與石化製程的設計框架中，ASTM A335 P91（9Cr-1Mo-V-Nb）蠕變強度增強型鐵素體鋼（CSEF）的應用已成為高溫高壓蒸汽輸送系統的標準配置 1。然而，傳統工程觀點往往將「打底銲道」（Root Pass）僅視為連接兩段管材的初步物理接合，這種認知在面對 P91 等高度敏感材料時顯得過於狹隘。實務分析表明，打底銲道實質上構成了管線內壁的物理與化學邊界層的一部分。在長達二十至三十年的設計壽命內，這層僅有數毫米厚度的金屬必須直接承受高速、高溫流體的物理沖刷、化學溶解以及極限應力的持續作用 3。

對於 P91 鋼材而言，任何微小的幾何缺陷無論是根部內凹（Root Concavity）、過度滲透（Excess Penetration）還是對準不良（Misalignment）都不僅僅是施工瑕疵，而是會在流體力學與冶金劣化的雙重作用下，被顯著放大。這些缺陷會誘發流動加速腐蝕（Flow-Accelerated Corrosion, FAC）的局部加速，並在高溫環境下演變為潛變（Creep）裂縫的啟動源 5。因此，研究打底銲道的結構影響，必須從微觀冶金演變、流體動力學干擾以及長期破壞力學等多維度進行統合分析。

二、P91 鋼材之冶金特性與銲接敏感性分析

2.1 化學組成與強化機制之關聯

P91 鋼材的卓越性能源於其精確的化學配比，這直接決定了銲接後的組織響應。鉻（Cr）含量控制在 8.00% 至 9.50% 之間，提供了在高溫環境下不可或缺的抗氧化與抗腐蝕屏障 1。鉬（Mo）的加入則強化了固溶強化效果，並提高了材料的抗蠕變能力 8。

更為關鍵的是，P91 鋼材引入了微量的鈮（Nb）與釩（V），這些元素在受控的氮（N）含量下，會形成極其細小的 MX 型碳氮化物（如 VN 與 NbC）。這些沉澱物釘紮在位錯線上，極大地阻礙了高溫下的位錯運動，這正是 P91 鋼材相較於傳統 P22 鋼材具有更高蠕變強度的核心原因 7。

下表詳列了 ASTM A335 P91 鋼材的主要化學組成要求：

合金元素 含量百分比 (%) 冶金功能與對打底銲道之影響
碳 (C) 0.08 – 0.12 形成碳化物，提供基本強度；過高會增加銲後硬度與冷裂風險。
鉻 (Cr) 8.00 – 9.50 提升抗氧化性與高溫耐蝕性，防止磁鐵礦層過快溶解。
鉬 (Mo) 0.85 – 1.05 提供固溶強化，並提升材料的熱彈性與耐磨損特性。
釩 (V) 0.18 – 0.25 與氮結合形成細小 VN，是高溫蠕變強度的主要來源。
鈮 (Nb) 0.06 – 0.10 控制晶粒尺寸，與碳氮結合形成穩定的 MX 相。
氮 (N) 0.030 – 0.070 促進碳氮化物沉澱，強化回火馬氏體基體。
矽 (Si) 0.20 – 0.50 脫氧劑；含量過高可能導致銲金屬韌性下降 12。

 

2.2 銲接熱循環與組織演變

P91 鋼材在銲接過程中會經歷複雜的相變循環。打底銲道的沉澱與冷卻速率直接影響了熱影響區（HAZ）的分布。由於其極高的碳當量（計算值約為 1.96），若不實施預熱，銲道將在冷卻過程中形成極脆且高應力的馬氏體組織，導致 100% 的冷裂機率 11。

在打底銲接後，受熱區域會形成多個區帶：靠近熔合線的粗晶區（CGHAZ）、稍遠的細晶區（FGHAZ），以及加熱溫度僅略高於 Ac1 的臨界區（ICHAZ） 13。ICHAZ 區域通常被認為是 P91 銲件最薄弱的環節，因為該處的 M23C6 碳化物易發生粗化，且 MX 相部分溶解，形成了所謂的「軟化帶」，這是 Type IV 型蠕變裂縫的首發位置 13。

三、打底銲道銲接工法對內部幾何之控制

3.1 銲接工法之選擇：GTAW 與先進工法

目前，對於 P91 管線的打底銲接，手工鎢極氬弧銲（GTAW）仍是公認的最佳選擇，因為其能提供極高的電弧控制精度與優良的根部成型品質 9。然而，隨著技術演進，先進的氣體金屬電弧銲（GMAW）衍生工法，如改進型短路轉移（Modified Short-circuit，例如 RMD 工法），也開始被應用於 P91 打底銲接。這些工法透過數位化控制電流，能產生極其平滑的根部波紋，減少了湍流發生的可能性，並在某些情況下可省略繁瑣的背面保護氣程序 3。

3.2 背面保護氣（Back Purging）與氧含量管理

打底銲道的內表面質量極大程度上取決於背面保護氣的成效。對於 P91 這種含鉻量高的鋼材，防止內壁「結瘤」或「發黑」（Sugaring）是維持長期耐蝕性的關鍵 18。

有效的背面保護應遵循以下技術參數：

  • 氣體純度： 必須使用純度大於99% 的氬氣 11。
  • 流量比： 實驗證明，背面保護氣與銲槍氣體流量應維持約 4:1 的比例。典型的建議值為背面保護流量 40 CFH（立方英尺/小時），銲槍流量 10 CFH 18。
  • 洗淨時間： 在銲接啟動前，應進行至少 5 到 6 次的氣體體積置換，將氧含量降低至 5000 ppm 以下，甚至在嚴格標準下需低於 10 ppm 18。
  • 維持階段： 背面保護壓力應維持至至少完成前兩層填充銲道，以防止後續銲道的熱量導致已成型的根部發生二次氧化 20。

四、打底銲道幾何缺陷對流動加速腐蝕（FAC）的誘發機制

4.1 FAC 的物理化學動力學

流動加速腐蝕（FAC）是一個複雜的退化過程，主要涉及碳鋼或低合金鋼表面磁鐵礦（Fe3O4）薄膜在流體中的溶解。在正常的層流狀態下，P91 鋼材因其 9% 的鉻含量能形成相對穩定的富鉻氧化層，具有較好的抗 FAC 能力 5。然而，當打底銲道存在幾何缺陷時，穩定的氧化膜會受到劇烈湍流的物理剪切與化學溶解加速的雙重攻擊 22。

FAC 的質量傳遞速率可用以下數學模型描述：

FACrate = K · (Cs – Cb)n

其中 K 為質量傳遞系數，Cs 為氧化物在金屬表面的飽和濃度，Cb 為流體主體中的濃度。打底銲道的幾何不連續性會直接改變 K 值 22。

 

4.2 根部過高（Excess Penetration）之干擾

當打底銲道向管路內部凸起過多時，它實質上扮演了一個「縮流圈」（Orifice）的角色。流體流經此突起物時，會發生流線剝離，並在下游重新附著。在重新附著點，邊界層會被極度壓縮，導致局部剪切應力增加數倍。這不僅加速了鐵離子的質量傳遞，更可能直接機械性地剝離尚未穩定的氧化皮層，從而引發快速的壁厚減薄 5。

根據 ASME B31.1 的規範，對於 P91 等高溫管線，根部過高的限制非常嚴格，通常不得超過 3 mm 或壁厚的 25%（取較小者），這是為了最小化流動干擾 26。

4.3 根部內凹（Root Concavity/Suck-back）之效應

根部內凹是指銲縫中心低於管材內壁表面的現象，通常由於背面保護壓力不足或銲接能量過高導致表面張力無法支撐熔池所致。在流體力學視角下，內凹區域會形成「微型死水區」或「渦流區」 18。在這些區域，流體會產生迴流，導致局部區域的氧含量或化學參數與主體流動發生偏差，並誘發坑蝕或加速局部溶解過程 19。

五、打底銲道與高溫蠕變裂縫的交互作用

5.1 應力集中因子（Stress Concentration Factor, Kt）的幾何依賴性

打底銲道位於管線承壓能力的最內層，是應力分布最敏感的區域。幾何缺陷會產生顯著的理論應力集中因子 Kt。對於對接銲縫根部，其 Kt 受到過渡半徑 ρ、銲縫寬度 W 及高度 h 的強烈影響 28。

在線性彈性分析中，一個典型的 Kt 計算公式如下：

Kt = 1 + 2.2 ·(h/ρ)0.65 ·f(θ)

當根部過渡過於尖銳（即 ρ 極小時），Kt 可能上升至 3.0 以上。在 550 °C 以上的環境中，這種局部的高應力會導致材料提前進入三級蠕變階段 30。

 

5.2 蠕變裂縫擴張（CCG）與 C* 積分評估

在長期的蠕變服役條件下，打底銲道的幾何缺口會演變為裂縫。對於 P91 銲件，裂縫擴張速率 da/dt 通常與蠕變斷裂力學參數 C* 積分呈冪函數關係：

da/dt = A ·(C*)m

研究顯示，P91 銲金屬與熱影響區（HAZ）的 A 值與 m 值與母材存在顯著差異。在 600 °C 的測試中，HAZ 區域表現出最高的裂縫擴張敏感性。如果打底銲道本身存在缺陷，它會作為一個初始位移場，誘導裂縫沿著與其相鄰的薄弱 HAZ 區帶（如 Type IV 區域）擴張，這解釋了為何許多 P91 失效案例都起源於根部並向外發展 13。

 

5.3 微觀組織退化：碳化物溶解與「白帶」（White Bands）現象

長期高溫服役會導致打底銲道組織發生不可逆的化學漂移。一個顯著的威脅是某些合金元素（如鉻、鉬、錳）在微觀上的分布不均。透過雷射誘導擊穿光譜（LIBS）分析發現，在銲縫邊界可能形成低鉻含量的區域 37。

這些貧鉻區域會引發以下惡性循環：

  1. 碳活度梯度： 即使最初碳分布均勻，化學元素的差異也會產生碳活度梯度，導致碳原子從貧合金區向富合金區擴散 37。
  2. 碳化物溶解： 隨著碳的流失，M23C6 等強化相開始溶解，导致其對晶界的釘紮作用消失。
  3. 組織軟化： 原有的回火馬氏體組織會發生再結晶，轉變為軟弱的鐵素體帶，這在顯微鏡下呈現為「白帶」（White Bands）。這些區域的硬度可能降至 200 HV 以下，成為蠕變失效的快速通道 14。

六、質量驗收標準與非破壞性檢測（NDT）

6.1 ASME B31.1 關於打底銲道之幾何限制

為了降低上述風險，電力管線規範 ASME B31.1 對於打底銲道的內部質量設定了具體極限值。

缺陷項目 驗收準則與限制 潛在影響
根部過高 (Excess Penetration) 厚度 ≧ 6 mm 時，限 3 mm 或 25% T。 誘發流體剝離，增加 FAC 沖刷。
根部內凹 (Root Concavity) 內凹深度不得使接頭總厚度小於管壁標稱厚度。 形成流體死角，誘發腐蝕與渦流。
對準不良 (Misalignment) 不得超過壁厚的 10% 或最大 1 mm 11。 產生強烈的進口效應，縮短疲勞壽命。
底層厚度 (Root Layer) GTAW 打底厚度建議控制在 2.8 – 3.2 mm 11。 保障結構強度，防止後續填充燒穿。

 

6.2 內視鏡檢測（Borescope）的策略應用

由於打底銲道位於內部，工業內視鏡成為了評估其作為「管路內壁一部分」完整性的核心手段。現代高解析度內視鏡不僅能捕捉根部的成型波紋，還能透過特定的光影角度判斷是否存在細微的熱裂縫或未熔合 40。

對於 P91 管線，建議在以下節點進行內視鏡掃描：

  • 銲接完成後： 檢查背面保護是否成功，是否存在氧化結瘤。
  • 熱處理（PWHT）後： 檢查是否因應力釋放過程產生了新的根部裂縫。
  • 服役中檢修： 監測打底銲道區域是否出現 FAC 特有的扇貝狀沖刷痕跡 23。

七、失效案例研究：West Burton 電廠與 Eastman 化學廠案例

7.1 West Burton 電廠：Type IV 裂縫與幾何不連續性

在英國 West Burton 電廠的案例中，P91 聯箱在運行 20,000 至 36,000 小時後發生了多次銲縫裂縫。分析顯示，除了材料過度回火（Over-tempering）導致硬度下降外，銲縫根部的幾何突變被證明是主要的裂縫誘因。尖銳的銲縫輪廓導致該處應力水平遠高於平均設計值，加速了熱影響區軟化帶的剪切變形。這進一步印證了打底銲道幾何平滑化對於預防長期蠕變損傷的重要性 6。

7.2 Eastman 化學廠：給水管線爆裂

2005 年，Eastman 化學廠的一條 P91 給水管線發生爆裂。該管線雖然在 325 °F（163 °C）的相對低溫下運行，但壓力高達 1762 psig。失效調查發現，其插套銲接（Socket weld）根部區域存在不當的熱處理與顯著的幾何缺口。這些缺陷在壓力波動下充當了疲勞源，且由於長期暴露在流體沖刷下，根部的幾何劣化與組織變脆相互耦合，最終導致突發性斷裂。這強調了即使在非高溫蠕變區，打底銲道的「內壁一致性」依然是承壓安全的基石 43。

八、經濟性評估：運行、修理與更換（Run, Repair, or Replace）

當發現打底銲道存在幾何缺陷時，工程師必須進行精確的完整性評估（Fitness-for-Service, FFS）。

決策路徑 技術與經濟考量
持續運行 (Run) 僅適用於缺陷深度低於最小壁厚要求，且 FAC 速率預測在安全範圍內。需配合加密監測。
局部修補 (Repair) 成本較低，但對 P91 而言極具挑戰。修補銲接會產生新的 HAZ，可能誘發更嚴重的 Type IV 問題。
更換管段 (Replace) 雖然 CAPEX 較高，但能重置 30 年的設計壽命，避免重覆修補帶來的生產損失（OPEX） 44。

九、結論與前瞻建議

針對 A335 P91 鋼材，打底銲道的結構完整性直接決定了整個管線系統的長期可靠性。本報告之核心發現歸納如下：

  1. 功能重定義： 打底銲道必須被視為與母材同等重要的流體動力學邊界層。任何幾何上的不平整（過高或內凹）都會轉化為流場的擾動源，將原本緩慢的均勻腐蝕轉化為劇烈的流動加速腐蝕 5。
  2. 應力與組織的雙重風險： 根部幾何缺陷不僅產生靜態應力集中，更會在高溫環境下與 P91 特有的熱影響區軟化帶交互作用。組織中合金元素的偏析與 carbon 遷移會形成弱化的「白帶」，在應力集中的區域優先啟動蠕變裂縫 13。
  3. 工法的精確性要求： 嚴格的背面氬氣保護（氧含量低於 5000 ppm）與穩定的熱輸入控制是獲得平滑根部表面的先決條件。先進的波形控制 GMAW 工法在提升根部質量方面顯示出巨大潛力 3。
  4. 全生命週期檢測策略： 應採用以內視鏡為核心的幾何驗收機制，並輔以相控陣超音波進行長期蠕變監測。對於運行超過 100,000 小時的管線，需特別注意打底銲道區域的硬度變化與金相演變 40。

未來，隨著發電效率向更高溫、更高壓的方向發展，打底銲道將面臨更嚴苛的考驗。整合計算流體力學（CFD）與蠕變損傷力學的模型，將成為預測 P91 管線剩餘壽命與規劃維護方案的不可或缺之工具。工程實務必須從「銲接完成」的思維轉向「內壁完整性管理」，方能確保工業基礎設施的長治久安。

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