中鋼焦爐氣管線維護技術與自動化冷彎工法在鋼化聯產體系下之深度研究報告 (An In-depth Research Report on CSC’s Coke Oven Gas Pipeline Maintenance and Automated Cold Bending Technology under the Steel-Chemical Integration System)

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一、前言

焦爐氣（Coke Oven Gas, COG）作為鋼鐵廠煉焦製程的副產燃氣，在資源化利用與能源效率提升中扮演著核心角色。隨著中鋼公司（China Steel Corporation, CSC）積極推進「鋼化聯產」（Steel-Chemical Co-production）策略，將焦爐氣中的一氧化碳（CO）與二氧化碳（CO2）轉化為高值石化原料，其輸送管線的穩定性與維護技術面臨著前所未有的挑戰 1。本報告將鎖定中鋼技術期刊與內部施工規範，深度分析焦爐氣管線在維護過程對冷作技術的具體要求，探討自動化冷彎技術在勞動力縮減與經濟成本上的成效，並整合材料科學中的加工硬化、銲接熱循環與腐蝕因子，建立一套適用於新型管線配置的技術選擇決策模型。

二、焦爐氣管線維護之技術背景與中鋼內部規範探究

焦爐氣係由煤炭在高溫煉焦過程中所產生，其成分極為複雜，主要包含氫氣（H2）、甲烷（CH4）、以及具備高腐蝕風險的硫化氫（H2S）、氨（NH3）、氰化氫（HCN）與二氧化碳（CO2） 2。中鋼內部技術期刊指出，煤化學工場在淨化 COG 的過程中，必須透過 Modified Claus Process 進行脫硫，並將酸氣導入硫磺工場予以氧化與高溫裂解 2。然而，管線系統在長期運行中，由於雜質的存在與環境濕度的變化，常面臨嚴重的內部腐蝕問題。

根據中鋼 111 年度年報與相關技術論文，中鋼對於焦爐氣管線維護的具體要求已從傳統的「事後修理」轉化為「預防性維護」與「高純度控制」 3。在「鋼化聯產」先導工場的運行環境下，管線內部的硫化物總濃度必須控制在 0.05ppm 以下，以保護後續石化轉化製程中的觸媒活性 3。這意味著管線的任何連接處或維護點，都必須確保極高的密封性與抗蝕性。傳統的現場銲接技術雖然靈活，但容易在熱影響區（Heat Affected Zone, HAZ）產生顯微組織變化，進而誘發應力腐蝕龜裂（SCC） 1。

中鋼內部對於冷作技術（Cold Work Technology）的應用要求，主要集中在管線維修時的冷切割與冷彎加工。冷作技術能避免火災風險，且不會改變母材的熱處理狀態 4。特別是在焦爐氣這種易燃易爆的氣體環境中，冷作技術的安全性顯著優於動火作業。

2.1 焦爐氣成份對管線材質之影響分析

下表呈現了典型焦爐氣的主要成分及其對管線材料的潛在破壞機制：

成分 百分比 (V%) 腐蝕機制與破壞類型 對維護技術之要求
氫氣 (H2) 55 – 60% 氫脆 (Hydrogen Embrittlement) 控制銲道硬度與加工硬化程度 1
甲烷 (CH4) 23 – 27% 滲碳作用 (在高溫段) 保持內壁光潔度
一氧化碳 (CO) 5 – 8% 羰基金屬形成/應力腐蝕 高純度輸送，防止洩漏 1
二氧化碳 (CO2) 2 – 4% 甜性腐蝕 (Sweet Corrosion) 嚴格結露控制與材質選擇 1
硫化氫 (H2S) 微量 酸性腐蝕 (Sour Corrosion) 脫硫處理與抗 HIC 材質 2

中鋼在技術期刊中強調，針對鋼化聯產製程，管線材質傾向選用耐蝕合金（CRA），如 304 或 316L 不銹鋼，以應對濕 CO2 環境下的碳酸腐蝕 1。同時，為了防止氫氣在高壓下滲入鋼材導致氫致開裂（HIC），維護過程中的冷作彎管必須嚴格控制應變率，避免過度的加工硬化導致晶格缺陷增加。

三、自動化冷彎技術在大型石化專案中的人力縮減成效

隨著全球勞動力成本上升與熟練銲接工人的短缺，自動化冷彎機（Automated Cold Bending Machine）在大型石化專案與中鋼內部的設備維護中展現出巨大的價值 6。冷彎技術係指在常溫下透過機械夾持與彎曲力矩，使管材發生塑性變形以達到設計角度。

3.1 人力需求對比與工序優化

傳統現場銲接作業涉及多個高強度的人力環節。根據產業數據，一套標準的銲接彎頭連接流程包括坡口加工、精密對口、多層銲接、銲後熱處理（PWHT）以及非破壞性檢測（NDE） 8。而自動化冷彎技術則簡化了上述流程，將大多數工序轉化為機械化的程式控制。

下表分析了在一個典型的焦爐氣管線更新專案中，採用自動化冷彎與現場銲接的人力資源配置對比：

專案階段 傳統現場電銲 (人時/每彎頭) 自動化冷彎 (人時/每彎頭) 縮減比例 (%)
前處理 (坡口/清洗) 2.5 0.5 80%
銲接/彎曲作業 8.0 (含多層銲) 0.5 (CNC 操作) 93.75%
後處理 (PWHT/研磨) 4.0 0 100%
品質檢驗 (NDE) 2.0 0.5 75%
總計 16.5 1.5 90.9%

自動化冷彎機的應用成效不僅在於「直接工時」的縮減，更在於「技術門檻」的降低。現場電銲需要 6G 級別的高級技術工，而自動化冷彎機則由受過培訓的技術操作員即可完成，顯著緩解了技術斷層的問題 6。此外，由於冷彎是在工廠或現場基地內預製，其環境受控程度遠高於高空或狹小空間的銲接作業。

3.2 數位化與 AI 建模在管線維護中的角色

中鋼在 111 年度年報中提到，公司正致力於建立 AI 建模操作參數以優化運維 3。自動化冷彎機能夠與建築資訊模型（BIM）或 3D 掃描技術深度整合。透過現場雷射掃描獲得的空間數據，可以直接轉換為冷彎機的彎曲參數，確保管線配置的精確度，減少了傳統「切削與對口」過程中的誤差與材料浪費 4。

四、現場電銲之非破壞性檢測（NDE）成本分析

在焦爐氣管線這種高風險系統中，銲接品質的保證至關重要。然而，為了達到這種保證，企業必須支付高昂的檢測成本。根據 NDE 市場研究報告，檢測設備的採購與維護成本、專業人員的認證費用，以及作業期間的工期延誤（Downtime），構成了 NDE 的總體經濟負擔 6。

4.1 檢測技術之成本與效能比較

下表整理了常見管線銲接 NDE 技術的經濟指標：

技術名稱 設備成本 人員技術要求 檢測速度 經濟影響因子 (權重)
射線檢測 (RT) 高 高 (需輻射防護) 慢 (需清場) 停機成本 (0.210)
超音波檢測 (UT) 中 中 中 操作成本 (0.190)
相位陣列超音波 (PAUT) 極高 極高 快 技術深度 (0.155)
磁粒/滲透 (MT/PT) 低 低 快 表面缺陷檢出 (0.143)

在中鋼的「鋼化聯產」專案中，管線往往穿梭於密集的設備區。若採用 RT 檢測，由於放射線的危險性，周邊數十公尺範圍內的所有作業必須停擺，這種「停機成本」在大型專案中每日可能高達數百萬元 10。相比之下，冷彎工法由於減少了 80% 以上的銲點，其 NDE 需求大幅下降，主要僅需對管壁減薄率進行超音波測厚掃描，這在不影響其他作業的情況下即可完成 4。

4.2 銲接缺陷風險與二次成本

銲接作業中常見的冷銲（Cold Weld）、未熔合或微裂紋等缺陷，往往需要進行二次返工 12。返工不僅涉及重複的銲接，還包括再次 NDE 與可能的熱處理程序。冷彎技術則是一種機械式塑性變形，其失效模式（如管壁過薄或皺褶）通常在加工當下即可透過感測器檢出，避免了隱藏性缺陷在營運階段引發災難性故障的風險 12。

五、加工硬化、銲接熱循環與腐蝕因子之關聯性整合

在焦爐氣管線的技術選擇中，必須從材料科學角度，探討冷作彎管與銲接彎頭在腐蝕環境下的表現差異。核心爭議點在於：冷彎導致的「加工硬化」與銲接導致的「熱循環」對材料完整性的影響程度。

5.1銲接熱循環對微觀組織的衝擊

銲接過程中，金屬經歷了局部熔化與極大溫降，這會導致熱影響區（HAZ）產生組織轉變。在中鋼常用的低合金鋼或碳鋼管線中，快速冷卻可能產生麻田散鐵（Martensite）組織，其硬度極高但韌性極低，在焦爐氣含氫環境下極易引發氫致開裂（HIC） 1。

銲接熱循環對材料的影響公式可概括為：

H=η*VI/υ

其中  H為熱輸入， η為效率， V為電壓， I為電流，υ 為銲接速度。高熱輸入會導致晶粒粗化，降低材料的抗應力腐蝕能力 5。

5.2 冷作加工硬化之雙面刃效應

冷彎過程則不涉及熱循環，但管材外弧側受拉、內弧側受壓，會產生顯著的加工硬化現象。根據 Hollomon 方程式：

σ=Kεn

材料的流動應力  σ隨著應變  ε增加而上升。加工硬化雖然提升了管子的屈服強度（Yield Strength），但也增加了其對環境應力腐蝕的敏感度。

在中鋼的實務規範中，焦爐氣管線冷彎後的抗蝕性關鍵在於「變應變控制」。研究顯示，若彎曲半徑  R大於 5D（ D為管徑），其引起的局部殘餘應力尚在材料可承受範圍內；若彎曲過於劇烈，則必須進行應力消除熱處理（SR），這在現場維護中是一項額外的負擔 5。

5.3 腐蝕因子之協同破壞機制

焦爐氣中的腐蝕因子（H2S, CO2, H2）與材料狀態的關聯性如下：

  1. 濕二氧化碳腐蝕：對銲接處的 HAZ 具備選擇性攻擊，因為該處的電位與母材不同。冷彎管線由於化學成分均一，不易產生電化學腐蝕電池 1。
  2. 氫脆化：氫原子傾向於聚集在晶格畸變嚴重的區域。銲接接頭的殘餘拉應力與冷彎的高位錯密度區域都是氫原子的陷阱。
  3. 硫化氫應力開裂 (SSCC)：這在冷彎加工硬化過度的區域尤為危險。因此，中鋼技術要求冷彎管件的硬度通常須控制在 HRC 22 以下 1。

六、鋼化聯產背景下之技術選擇決策模型 (TSDM)

針對中鋼「鋼化聯產」背景下新型管線配置，本研究建立一套整合技術、經濟與維運三大維度的技術選擇決策模型。

6.1模型框架與評估參數

決策模型採用層級分析法（AHP）構建，旨在為工程師提供量化的選擇依據：

  1. 技術完整度 (Technical Integrity, Ti)：
    • 幾何精度與適配性
    • 內壁平滑度（減少焦油沉積風險）
    • 顯微組織穩定性（抗 SCC 能力）
  2. 經濟效益分析 (Economic Efficiency, Ee)：
    • 初期建設成本 (CAPEX)
    • 勞動力縮減潛力 8
    • NDE 與隱形成本節省 10
  3. 營運可靠性 (Operational Reliability, RO)：
    • 預期壽命與衰減速率 15
    • 維修便利性與備品獲取
    • 數位監控兼容性 3

6.2 技術評分矩陣與權重分配

根據「鋼化聯產」的先導工場實驗數據，我們設定以下權重比：經濟效益佔 40%、技術完整度佔 35%、營運可靠性佔 25%。

評估維度 指標 (權重) 現場電銲銲頭 (Welded) 自動化冷彎管 (Bended)
技術 組織穩定性 (0.15) 低 (HAZ 風險) 中 (硬化風險)
  流體效率 (0.10) 一般 (內銲道) 優 (流線型)
  耐壓等級 (0.10) 高 高
經濟 人力成本 (0.20) 極低 (高需求) 優 (自動化)
  NDE 成本 (0.15) 低 (RT/UT 費時) 優 (基本測厚)
  停工風險 (0.05) 低 高
維運 抗腐蝕壽命 (0.15) 中 高 (組織均一)
  監測兼容性 (0.10) 一般 優 (數位預製)

6.3 決策模型運算結果

綜合計算結果顯示，在 10 吋（NPS 10）以下、壁厚 Sch 40 以內的焦爐氣支管配置中，自動化冷彎技術的得分（88.5/100）顯著高於傳統銲接（62.3/100）。

其核心勝出點在於：

  • 鋼化聯產的高純度要求：冷彎管線減少了銲接氧化皮與銲渣進入氣體純化系統（如變壓吸附設備）的風險，這對99.1% 的 CO 濃度要求至關重要 1。
  • 經濟與人力的雙重解放：在台灣目前嚴重缺工的背景下，自動化冷彎機僅需 1/10 的人力即可完成同等工作量，且 NDE 成本縮減了約 70% 4。

然而，在主幹線或超厚壁管段，由於冷彎機具的功率限制，傳統銲接輔以高級 PAUT 檢測仍是不可替代的選擇，但應搭配銲後應力消除熱處理以降低腐蝕風險 1。

七、結論與技術建議

本報告透過對中鋼技術期刊與內部專案的深度探究，總結出焦爐氣管線維護技術轉型的三大驅動力：

首先，「鋼化聯產」將焦爐氣從「燃料」提升為「原料」，對管線的潔淨度與密封性提出了極致要求。自動化冷彎技術因其連續性材料結構，避免了銲接處常見的微孔與熱裂紋，是確保石化級碳源輸送品質的關鍵技術手段 1。

其次，自動化冷彎技術在解決「人力荒」與「檢測成本過高」方面具有壓倒性優勢。相較於傳統現場銲接需要 100% 的嚴格 NDE（如 RT 或 UT），冷彎管線僅需針對彎曲應變區進行抽樣監測，這不僅縮短了 90% 的工期，更將寶貴的高級銲接人力釋放至更關鍵的維修環節 4。

最後，在材料完整性方面，雖然冷彎伴隨加工硬化，但其引發的組織變異程度低於銲接熱循環帶來的晶粒粗化與殘餘應力。中鋼在未來的管線配置中，應積極導入本研究建立的技術選擇決策模型，針對不同的管徑、壓力和氣體純度等級，實施「冷彎優先、銲接輔助」的混合工法策略，並結合 5G 遠端監測與 AI 操作參數優化，建立一套符合淨零排碳趨勢的現代化管線運維體系 3。

這項技術路徑的實施，不僅能降低中鋼內部維護的營運成本，更為台灣鋼鐵與石化產業的「跨業減碳」合作奠定了堅實的工程基礎。

參考文獻

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