CCPP HP Main Steam、Hot Reheat 以及 HP Feedwater 系統 : 針對 NPS 8″ 冷作彎管取代電銲彎頭之技術可行性與經濟效益分析研究 (Technical Feasibility and Economic Benefit Analysis of Replacing Welded Elbows with NPS 8″ Cold Bening Pipes in CCPP HP Main Steam, Hot Reheat, and HP Feedwater Systems)

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一、前言

在當前全球能源結構轉型的背景下，複循環火力發電廠（CCPP）以其高熱效率、低排放及優異的負載隨動性，成為電力系統中不可或缺的基載與中載電源。為了進一步提升熱效率，現代 CCPP 的設計參數不斷推向超臨界甚至超超臨界水平，這對電廠中壓力與溫度條件最為嚴苛的高壓主蒸汽（HP Main Steam）、再熱蒸汽（Hot Reheat）以及高壓給水（HP Feedwater）系統提出了極高的材料與工法要求。在這些系統中，公稱管徑 NPS 8″（DN 200）以下的小口徑管線佔據了相當大的比例，涵蓋了大量的支管、排氣、排水及儀控管路。傳統上，這些管路的方向變換處多採用標準電銲彎頭（Welded Elbows），然而隨着材料科學與精密加工技術進步，以冷作彎管（Cold Bending）取代電銲彎頭已成為優化電廠建設成本、縮短工期並提升運行可靠性的關鍵技術方向。

二、系統特性與材料選擇之演進

CCPP 電廠的高壓蒸汽系統運行環境極為嚴苛。主蒸汽與再熱蒸汽的運行溫度通常在540°C 至 610°C之間，壓力則可達 170 bar 以上 1。在如此高溫下，金屬材料會發生顯著的蠕變（Creep）現象，即材料在恆定應力下隨時間緩慢產生塑性變形，最終導致斷裂 2。因此，這些系統必須採用蠕變強度增強型鐵素體鋼（CSEF），如 Grade 91（P91）與 Grade 92（P92） 2。

2.1 蠕變強度增強型鐵素體鋼（P91/P92）的冶金優勢

P91 鋼材（9Cr-1Mo-V-Nb）是 1970 年代開發出的改良型鉻鉬合金，其核心優勢在於精準的合金配方：9% 的鉻提供了優異的抗氧化與抗腐蝕能力，鉬則透過固溶強化提升高溫強度 4。更重要的是，透過添加微量的釩（V）與鈮（Nb），並嚴格控制氮（N）含量，P91 在經過正規化與回火（N&T）處理後，能形成穩定的回火馬氏體組織，並在晶界上析出細小且彌散的M23C6碳化物及 MX 型碳氮化合物 4。這些析出相能有效釘紮位錯，阻止晶界滑移，從而賦予材料極高的抗蠕變能力 4。

相比之下，P92 鋼材透過添加約 1.5% 至 2.0% 的鎢（W）進一步強化了固溶處理效果，使其在 600°C以上的蠕變強度比 P91 高出約 25% 至 30% 4。對於 NPS 8″ 以下的管線，選用 P91 或 P92 可以顯著減小管壁厚度。例如，在相同設計條件下，P91 的壁厚僅需傳統 P22 鋼材的三分之一，這不僅減輕了管路自重，也降低了熱應力疲勞的風險 2。

2.2 高壓給水系統與 WB36 材料特性

高壓給水系統雖然運行溫度較低（通常低於350°C），但其運行壓力極高，且需應對高流速下的流速加速腐蝕（FAC） 10。WB36（15NiCuMoNb5-6-4）是一種低合金高強度鋼，透過鎳（Ni）、銅（Cu）及鈮（Nb）的聯合作用，在300°C 左右仍能保持極高的屈服強度 10。WB36 的應用使得給水管線能夠設計得更薄，進而簡化銲接程序並降低結構載荷 11。

三、冷作彎管技術之工法原理與幾何約束

冷作彎管是指在環境溫度下，利用機械力使管材產生塑性變形，從而獲得所需轉向角度的加工工法。針對 NPS 8″ 以下、Schedule 80 或 160 的厚壁合金管線，旋轉拉彎（Rotary Draw Bending）是目前最主流的精密技術，其物理機制與幾何演化具有高度的可預測性 13。

3.1 機械變形機制與加工硬化

當管材經歷冷彎過程時，管子外弧側（Extrados）會因受拉應力而減薄，而內弧側（Intrados）則因受壓應力而增厚。這種非均勻的塑性變形會導致位錯（Dislocation）密度急劇上升，進而引發顯著的加工硬化現象。

為了維持 NPS 8″ 厚壁管的截面質量，必須配置以下複合模具組件：

  • 刮屑模 (Wiper Die)：通常採用 AMPCO® 18 高等級青銅材料，安裝於起彎點處提供內部支撐，是防止內弧側起皺（Wrinkling）的關鍵設備。
  • 球式芯棒 (Ball Mandrel)：採用多節聯動球頭，深入管路內部支撐外弧壁，防止管截面因拉伸而塌陷，確保真圓度（Ovality）符合規範要求。

3.2 纖維應變之理論計算與 R/D 選擇

成型應變的核心判據是「最大纖維伸長率」（Maximum Fiber Elongation）。根據 ASME Section VIII Div. 1 及 B31 系列規範，通用的理論公式如下：

εf = 50D/(R + 0.5D)

其中， D為管子名義外徑， R為彎曲中心線半徑。

下表展示了常用 NPS 8″ 以下管件在不同 R/D設計下的成型應變與技術可行性：

彎曲半徑 (Radius) 預估應變 (ϵf​) 製造難度 (NPS 8″ Sch 80) 法規熱處理路徑
1.5D (Elbow) 25.00% 極高 (易導致外側破裂) 強制全管 N&T
2.0D (Bend) 20.00% 高 N+T 臨界線
3.0D (Bend) 14.29% 中 (常規冷彎) 亞臨界 PBHT (回火)
5.0D (Bend) 9.09% 低 (工法穩健) PBHT 或豁免

對於 8 吋管線，執行R=1.5D 的冷彎幾乎是不可能的，會導致嚴重的內側起皺與外側破裂。因此，將 R值提升至 3D 甚至 5D 以上，不僅使冷彎變得極其可行，更能將應變控制在 15% 以下的安全區區間，避開昂貴的全管正規化（N&T）程序。

 

3.3 尺寸公差與真圓度控制

法規針對動力管線成型後的幾何公差設定了嚴苛紅線：

  1. 真圓度 (Ovality)：對於承受內壓的管線（如蒸汽管），最大直徑與最小直徑之差通常限制在名義外徑的 8% 以內；對於承受外壓（如真空系統）則收緊至 3%。
  2. 壁厚減薄量：雖然規範允許減薄，但彎曲後的外弧壁厚 tactual必須滿足設計公式所得的最小壁厚tm。若減薄量預期超過 12%，設計者必須在選取初始直管名義壁厚時預留足夠餘裕。

四、技術可行性深度評估：冶金與力學維度

對於 P91/P92 及 WB36 這類精密合金材料，冷彎工法的挑戰在於「應變誘導的組織退化」。

4.1 3.1 P91/P92 的差排飽和與 CSRF 效應

P91 鋼材的優異性能來自其回火馬氏體（Tempered Martensite）板條結構，藉此阻礙差排運動。

  • 差排飽和 (Dislocation Saturation)：冷加工引入了遠超平衡態的差排密度。在高溫（540-600°C）服役環境下，這些過剩差排提供了巨大的回復驅動力，促使板條結構迅速崩解為等軸狀亞晶粒，大幅降低蠕變強度。
  • CSRF 因子：研究顯示，對於冷加工量達 10-15% 且未經正確 PBHT 的冷彎件，其「蠕變強度折減係數」（CSRF）可能低至0.5 至 0.6。其組織特徵與銲接熱影響區（HAZ）的細晶區（FGHAZ）極為相似，極易誘發 Type IV 蠕變開裂。

4.2 析出相的異常粗化機制

高應變冷加工會加速合金元素的擴散速率（差排管線效應），導致強化相失穩：

  1. Z 相 (Cr(V,Nb)N)：這是 P91 材的冶金「癌症」 1。高位錯密度會加速奈米級 MX 相轉變為粗大的 Z 相，導致長期蠕變強度斷崖式下跌。
  2. Laves 相 (Fe2(Mo,W))：高變形量促進 Laves 相在晶界過早析出並粗化（可達4μm），消耗了固溶強化元素 Mo，並在晶界形成脆性薄膜，成為蠕變孔洞的成核點。

4.3 WB36 材的銅析出與韌性恢復

WB36 的強度源自奈米級銅（Cu）顆粒的沉澱硬化。

  • 二次硬化風險：冷彎後的 WB36 若在320-350°C 長期運行，溶解在基體中的 Cu 會持續析出，導致材料進一步硬化並伴隨韌性驟降（DBTT 溫度偏移）。
  • PBHT 的作用：透過590-620°C 的亞臨界熱處理，可以控制 Cu 顆粒的分布狀態，顯著恢復冷彎造成的衝擊韌性損失，避免在機組頻繁啟停中發生熱疲勞脆斷。

五、法規符合性與 PBHT 規範要求

在動力管線系統建設中，必須嚴格遵守 ASME B31.1 或 EN 13480-4 針對成型應變所設定的紅線。

5.1 ASME B31.1 對 P-No. 15E (P91/P92) 的核心要求

ASME B31.1 根據設計溫度與應變率劃分了嚴格的 PBHT 極限值要求：

設計溫度條件 成型應變率 (​ϵf) 強制 PBHT 要求
低於540°C 5%< ϵf≦25% 亞臨界回火 (730-785°C)
低於540°C ϵf > 25% 強制全管重新正規化與回火 (N+T)
540°C至600°C 5%< ϵf≦20% 亞臨界回火 (730-785°C)
540°C至600°C ϵf > 20% 強制全管 N+T

技術風險警告：Paragraph PG-19.3 規定，若無法精確計算應變或涉及顯著壁厚減薄（如某些非標彎曲工法），上述門檻必須「減半」使用。這意味著在保守設計下，10% 的應變就可能觸發極為昂貴的全管 N+T 要求。

 

5.2 規避全管正規化 (N+T) 的設計策略

全管 N+T 處理涉及將整個管組件加熱至 1040°C以上，這在工程實踐中存在巨大挑戰：

  1. 幾何變形風險：在高溫下，NPS 8″ 的重型管件極易發生自重下垂，導致預製管橋無法精確對接。
  2. 冷卻速率紅線：2025/2026 版規範要求 Grade 91 Type 2 材料從900°C 冷卻至480°C 的速度不得低於5°C/min。在大型熱處理爐內，要確保複雜幾何形狀的所有部位均達此速率極其困難。

因此，針對 NPS 8″ 管線標準化 5D 彎曲半徑（應變約 9.1%）是技術上的最佳選擇，它能穩健地避開 20% 的 N+T 門檻，保留管材原始出廠的高質量組織。

5.3 其它材料的 PBHT 門檻 (ASME B31.1)

材料類別 強制 PBHT 觸發門檻 (物理尺寸) PBHT 目標與注意事項
P-No. 1 (碳鋼) 壁厚t≧19mm (3/4 in) 應力釋放、提升延展性
P-No. 4, 5 (低合金鋼) NPS ≧4 或壁厚 t≧12.5mm 亞臨界應力消除以優化抗蠕變性
WB36 NPS ≧4 或壁厚 t≧12.5mm 韌性恢復、控制 Cu 析出動力學

六、經濟效益深度分析：CAPEX 與時間價值

以冷作彎管取代電銲彎頭，能顯著降低銲接工作量及後續熱處理與檢測成本。

6.1 銲接接頭數量與直接成本節省

每一個標準電銲彎頭至少需要兩道環向銲縫。對於 P91 等高等級合金鋼，其 PWHT 過程極其繁瑣。採用冷作彎管可減少約 60% 至 75% 的銲接接頭數量 14。這意味著大量的現場 PWHT 被工廠內的自動化 PBHT 所取代，顯著提升了生產效率。勞動力成本在銲接作業中佔比高達 85% 15，減少銲縫可直接釋放高資位特殊鋼銲工的產能 16。

6.2 非破壞檢測（NDE）成本的顯著下降

在 CCPP 高壓系統中，銲縫通常要求 100% 的放射線檢測（RT） 17。冷作彎管僅需進行表面檢測（PT/MT）與真圓度測量，檢測費用僅為銲縫 RT 檢測的 10% 左右。

6.3 縮短吹管與試車週期

冷作彎管消除了銲縫內部的銲瘤，使管路更為平滑。減少銲縫意味著減少了內部氧化皮的產生，可使吹管週期縮短 20% 以上，電廠能提前併網售電 18。在某些蒸汽迴路升級案例中，工期可從 25-30 天大幅縮短至 5-7 天 11。

七、運行階段的經濟效益與能效增長

7.1 流道優化與泵功節省

冷作彎管可輕鬆實現 3D 或 5D 半徑，相較於 1.5D 彎頭，較大的彎曲半徑減少了湍流。對於主蒸汽管路，壓降的減少直接提升了汽輪機入口壓力；對於高壓給水系統，阻力的減少則降低了給水泵的廠用電消耗。

7.2 減少維護風險

冷作彎管作為單一整體件，消除了易發生 Type IV 蠕變開裂的銲縫處，熱疲勞壽命比銲接彎頭高出 10 至 12 倍。

八、關鍵工法控制：避免「軟化」與早期失效

針對 NPS 8″ 以下的高合金管線，冷彎工法的成敗取決於對材料微觀狀態的精確守護。若控制不當，原本預期 30 年的壽命可能縮短至 20,000 小時左右 19。

8.1 冷加工誘導的組織退化與 CSRF

當 P91 材經歷大應變冷彎時，內部會發生差排飽和（Dislocation Saturation）。雖然這在常溫下表現為硬度升高（加工硬化），但在540-600°C 的高溫環境下，過剩的差排提供了巨大的回復驅動力，促使馬氏體板條結構迅速崩解為等軸狀亞晶粒，大幅降低蠕變強度。

  • CSRF 因子：研究顯示，對於未經正確 PBHT 的冷彎件，其蠕變強度折減係數（CSRF）可能低至0.5 – 0.6，壽命損失高達 50% 以上。

8.2 析出相的異常粗化機制：Z 相與 Laves 相

高應變會加速合金元素的擴散速率，引發析出相的異常變化：

  1. Laves 相 (Fe2(Mo,W))：高變形量會促進 Laves 相在晶界過早析出並快速粗化（可達4μm），這不僅消耗了固溶強化元素 Mo，還會在晶界形成脆性薄膜 3。
  2. Z 相 (Cr(V,Nb)N)：高位錯密度會加速原本有益的奈米級 MX 相轉變為粗大的 Z 相，導致長期蠕變強度呈現斷崖式下跌。

8.3 PBHT 精確溫度控制與 AC1 警戒線

PBHT 的核心目的是透過亞臨界回火消除過剩差排並穩定碳化物。

  • 溫度極限值：對於 P91/P92，PBHT 溫度必須嚴格限制在730°C 至785°C 之間。
  • 軟化風險：若溫度高於800°C（超過AC1），組織會重新奧氏體化 7。隨後的緩冷會產生軟鐵素體（Soft Ferrite），進入「軟化狀態」（Soft Condition），使蠕變斷裂時間大幅縮短。

8.4 硬度分佈圖譜 (Hardness Mapping) 佈點規範

為了有效偵測潛在的軟化區（Soft Spots），必須對冷彎件執行 100% 的硬度圖譜監控：

  • 佈點要求：針對 NPS 8″ 彎管，測試點應涵蓋「起彎點、中點、終點」三個橫截面，且每個截面必須包含「外弧 (Extrados)、內弧 (Intrados)、中性面 (Neutral Axis)」。
  • 驗收門檻：P91 的目標硬度應在 190-250 HBW（或 200-275 HV）之間。任何低於 180 HBW 的數據點均被視為失效風險。

8.5 WB36 的銅析出控制與韌性回復

WB36 材的強度源自銅的沉澱硬化 12。

  • 二次硬化問題：在320-350°C 長期運行時，Cu 會持續析出，導致材料進一步硬化並伴隨韌性驟降。
  • PBHT 的作用：透過590-620°C 的 PBHT，可以控制 Cu 顆粒分布，回復冷彎造成的韌性損失。

九、設備能力與工業實踐

針對 NPS 8″ 以下、Schedule 80/160 的厚壁合金管線，冷作彎管對加工設備的穩定性與模具精密性提出了極高要求 13。

9.1 現代旋轉拉彎機的技術規格

以 Pines Model 8 系列為例，該類重型旋轉拉彎機具備處理 NPS 8″ Sch 80 厚壁鋼管的能力 24。其核心規格如下：

  • 動力輸出：配備 30HP 的電機驅動，能提供足夠的扭矩以克服 P91 鋼材在高壓合金化後展現出的高變形抗力 24。
  • 控制精度：採用 NC 或 CNC 精密控制系統，彎曲角度重複精度可達±1°，饋送與旋轉精度均控制在±0.1mm 以內 25。
  • 重型結構：設備自重約 35,000 lbs，確保了在彎製 8″ 厚壁管時具備足夠的剛性，防止機身震顫導致的表面刮傷或真圓度失準 24。

9.2 精密模具與潤滑工法

為了確保 NPS 8″ 管線在 3D 或 5D 彎曲下的質量，必須使用複合模具組件：

  • 刮屑模 (Wiper Die)：通常採用 AMPCO® 18 或 M4 等高等級青銅材料製造，安裝於起彎點處提供內部支撐，是防止內側起皺的關鍵。
  • 球式芯棒 (Ball Mandrel)：採用多節聯動球頭，進入管路內部支撐外弧壁，防止管截面因拉伸而塌陷，並能將真圓度誤差限制在規範範圍內。
  • 專用彎管油：在芯棒與管內壁之間塗抹高極壓（EP）添加劑的專用潤滑油，能顯著降低摩擦熱，防止 P91 管材表面在變形過程中發生撕裂。

9.3 感應加熱局部 PBHT 設備

對於需要現場或工廠內進行局部 PBHT 的彎管，現代感應加熱設備配備了多點式高溫感應器，能即時讀取管內壁溫度 27。這對於 P91 這種導熱係數特殊的材料尤為重要，能確保均熱區（Soak Band）完全覆蓋應變受影響區，並精確執行730-785 °C 的回火曲線。

十、綜合效益評估與未來展望

冷作彎管工法在動力管線系統中的應用，正從單純的成本規避轉向基於全壽命週期的智慧維管模式。

10.1 量化效益彙整與施工增益

收益類別 具體指標 估計節省/增益
直接成本 減少 B9 銲材、昂貴氬氣與 X-Ray 檢測 降低 35% – 45% 18
勞動效率 每一冷彎點減少約 75 小時的銲接工時 節省約 1,500 人時 (以 200 點計) 16
啟動效益 減少 40% 以上的內部氧化皮生成與吹管時間 提前 15 – 20 天進入併網 18
安全收益 消除 75% 以上的 Type IV 蠕變開裂潛在發生點 降低 30 年維護成本 50% 以上 14

 

10.2 前瞻技術：數位孿生與蠕變壽命預測

隨着 Industry 4.0 的推進，NPS 8″ 冷作彎管的未來趨勢在於與數位孿生（Digital Twin）技術的整合：

  • 實時應力監測：透過在關鍵彎管處安裝無線微型感應器（MEMS 陀螺儀），結合數位孿生模型，可識別機組啟停過程中的真實彎矩與扭矩分量，精確預測 Type IV 開裂的萌生壽命。
  • 降階模型 (ROM) 預測：利用基於有限元素分析（FEA）訓練的降階模型，能在數秒內推算出不同運行工況下的結構應力場，將預測誤差控制在 5% 以內。
  • 機器學習演習：利用 Larson-Miller 參數與大量蠕變實驗數據訓練 PSO-SVR 機器學習模型，可針對 P91/P92 彎管進行剩餘壽命（Residual Life）的在線評估，其決定係數R2 已達92 以上。

10.3 結語：轉向零故障運行的標準配置

冷作彎管技術配合 5D 半徑的標準化設計，將成為未來超超臨界發電機組建設的標配。它不僅在建設階段實現了極致的 CAPEX 優化，更透過消除銲接弱點，為能源設施的長週期、高靈活性運行奠定了韌性基礎。

十一、結論

本研究透過對 CCPP HP Main Steam、Hot Reheat 以及 HP Feedwater 系統的技術可行性與經濟效益進行深度分析，得出以下明確結論：

針對 NPS 8″ 以下的小口徑管線，以冷作彎管取代電銲彎頭具有極高的技術可行性。雖然 P91/P92 材料對冷加工變形高度敏感，但透過選擇合適的彎曲半徑（3D 或以上）、精準的設備控制以及嚴格的彎後熱處理 (PBHT)（特別是硬度監控與亞臨界回火），可以完全恢復甚至優化材料的機械性質。

冷作彎管的經濟效益顯著且深遠。在建設階段，它能節省約 60% 至 75% 的銲接與檢測成本，並顯著縮短施工週期與吹管工期。在運行階段，由於流道的優化與銲接弱點的消除，系統展現出更高的能效以及更低的事故停機率。

為了確保該技術的成功應用，建議在實施過程中加強以下環節：

第一，應嚴格遵守 ASME B31.1 等規範中對於變形量與熱處理溫度的對應要求（即法規規定的極限值），防止 P91 鋼材出現軟化現象。

第二，必須強化現場硬度檢測與微觀組織抽檢，並採用格柵狀硬度分佈圖譜（Hardness Mapping）作為彎管質量驗收的核心指標。

第三，工程設計應優先考慮彎管的佈置空間，透過標準化設計提升工廠預製率。

總體而言，冷作彎管技術的推廣是複循環發電廠管路工程的一場技術革命，它不僅降低了投資門檻，更為能源設施的長週期安全運行奠定了堅實基礎。隨著高溫合金材料與自動化加工技術的持續演進，該工法在動力管線行業的應用前景將愈發廣闊。

參考文獻

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