專案執行下CNC冷彎機在管線工程應用實務、後熱處理及人力資源優化分析報告 (Practical Application of CNC Cold Bending Machines in Pipeline Engineering: Post-Heat Treatment and Human Resource Optimization Analysis)

/ Uncategorized / 作者:

一、序論：全球能源轉型下電力管線工程的技術演進

在二十一世紀的全球能源版圖中，大型電力工程如複循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）與高效能超臨界（Supercritical）或超超臨界（Ultra-supercritical）火力電廠，其建設與營運的可靠性直接關乎國家電網的穩定度與碳中和目標的達成。這類電廠的核心在於極端環境下的能量傳輸，而其中扮演動脈角色的管線系統（Piping Systems），不僅需要承受超高壓與超高溫的長期考驗，更面臨建設週期縮短與技術勞動力短缺的雙重壓力 1。傳統的管線施作模式高度依賴「切斷、組對、銲接、檢驗」的斷續工法，其中銲接彎頭（Welded Elbows）的使用不僅增加了潛在的洩漏風險點，更耗費了大量的人力與時間資源 3。

隨著電腦數值控制（CNC）冷彎技術的成熟，電力工程領域正經歷一場從「工法密集」向「技術密集」轉型的變革。CNC冷彎機透過精密的可程式化操作，在不需加熱的情況下對管材進行塑性變形，實現管路流向的平滑轉變 6。這種技術不僅提升了管件的結構完整性，更為解決當前熟練銲工短缺、非破壞性檢測（NDT）時程冗長以及高壓環境下銲道疲勞等核心痛點提供了革命性的解決方案 4。

二、CNC冷彎技術於電力工程管線之應用實務

2.1 冷彎技術的力學機制與工法分類

冷彎（Cold Bending）是指管材在低於其下臨界溫度（通常為室溫）的環境下進行的成型作業 6。在電力工程的重型應用中，旋轉抽彎（Rotary Draw Bending）與心軸彎曲（Mandrel Bending）是最為關鍵的工法類型。

工法類型 機械機制 電力工程適用場景 優點 限制 參考來源
旋轉抽彎 管材夾持在旋轉模具上抽拉成型 高壓蒸汽管路、儀控管線 精度極高，變形量可控 設備成本較高 6
心軸彎曲 內部插入心軸支撐管壁 薄壁合金鋼管、小半徑彎頭 有效防止內褶皺與外塌陷 換模調整時間較長 6
捲彎 (Roll Bending) 三軸或四軸滾動擠壓 大半徑曲線段、冷卻水循環管路 適合極大半徑，靈活性高 無法製作緊湊彎頭 6
壓彎 (Press Bending) 垂直壓力模具擠壓 結構支撐件、非壓力管件 生產速度極快 易產生橫截面變形 6

在旋轉抽彎過程中，CNC控制系統負責協調彎曲軸（Y）、送料軸（X）與旋轉軸（Z）的三維運動 27。對於電力管線而言，材料的物理特性會引發顯著的彈性回彈（Springback），通常介於1°  到 5° 之間 10。現代CNC設備具備自動回彈補償功能，能根據傳感器測得的扭矩與變形量實時修正彎曲角度，確保管路幾何形狀與數位孿生（Digital Twin）模型完全一致。

2.2 電力專用材料的冷彎挑戰與應變分析

電力工程管線所使用的材料種類繁多，從一般的碳鋼到高科技的蠕變強度強化鐵素體鋼（CSEF）如P91，其冷彎特性各異 14。

材料 P-Number 常用等級 典型電力應用區域 冷彎加工性描述 參考來源
P-No. 1 ASTM A106 Gr. B 冷卻水、冷凝系統、中低壓給水 塑性極佳，加工硬化適中 10
P-No. 4 ASTM A335 P11 / P12 低溫過熱器、再熱器管 硬度提升，需精確控制彎曲速率 15
P-No. 5A ASTM A335 P22 高溫再熱器、主蒸汽分配器 高強度，需考量壁厚減薄後的剩餘強度 15
P-No. 15E ASTM A335 P91 / P92 超臨界機組主蒸汽、高壓聯箱 極高硬度，冷彎會引發顯著殘餘應力 15

對於P91等材料，由於其微觀結構為精密回火馬氏體，冷彎過程中的塑性變形會導致局部晶格畸變與位錯密度增加，進而影響材料在高溫下的蠕變斷裂壽命（Creep Rupture Life） 16。因此，CNC冷彎機必須具備精密的助推器（Booster）功能，透過對管材施加軸向推力來減少外側管壁的拉伸減薄，從而將應變控制在材料容許的臨界值內 8。

2.3 關鍵電力組件的自動化加工實務

在大型電廠建設中，某些組件的製造難度極高，CNC冷彎技術的引入徹底改變了這些組件的生產邏輯：

  1. 鍋爐過熱器與再熱器蛇形管（Superheater/Reheater Coils）：這些管組由連續的多個 180 度彎頭構成。傳統上需銲接數百個短半徑彎頭。使用配備雙彎頭（Twin-head）的CNC設備（如Schwarze-Robitec CNC 100 DB Twin），可以同時在左右兩個方向進行彎曲，無需手動翻轉管件即可完成複雜的蛇形構造 19。
  2. 熱回收蒸汽發生器（HRSG）內部的膜式水牆：HRSG是複循環電廠的核心組件，其管屏寬度可達數米。利用全自動FL系列專用機台，能對整組膜式管屏進行高精度的斜向彎曲（Diagonal Bending），這對於製造鍋爐壁面的傾斜梯度（Gradient）至關重要，能有效節省現場組裝時的校準人力 19。
  3. 高壓儀控管路系統：儀控管路通常直徑較小但空間布局極其複雜。CNC冷彎能實現極高密度的管路配置，減少了接頭數量，從而將洩漏風險降至最低，對於涉及昂貴氟系氣體或高壓油壓的系統尤為重要。

三、ASME B31.1 動力管線規範與後熱處理（PBHT）

規範演進與技術門檻：Paragraph 129.3

ASME B31.1《動力管線規範》（Power Piping Code）對於管材的冷彎（Cold Bending）與成型有著嚴格的界定。根據規範定義，冷彎作業通常發生在低於材料下臨界溫度（Lower Critical Temperature）  56°C(100°F)的條件下 11。由於冷變形會引發材料的加工硬化並留下殘餘應力，規範Paragraph 129.3.2與129.3.3詳細規定了彎後熱處理（Post-Bend Heat Treatment, PBHT）的觸發條件。

 

觸發熱處理的因素 ASME B31.1 門檻要求 備註 參考來源
管材公稱直徑 (NPS)  ≧ 4英吋 (DN100) 針對合金鋼管 28
壁厚 (Wall Thickness) ≧ 19mm(3/4”) 針對碳鋼材料  
變變量 (Strain) 根據特定材料比例計算 決定是否需要恢復韌性  
彎曲半徑 (Radius) 當R <1.5D或由設計者指定 緊湊彎頭需特別關注 20

 

3.1 P22 與 P91 合金鋼的熱處理工法細節

在複循環或火力電廠的高溫蒸汽系統中，P22與P91是不可或缺的材料。這些材料的冷彎後熱處理不僅是為了釋放應力，更是為了重新調整微觀組織以防止早期失效 16。

對於 P22 (2.25Cr-1Mo)，冷彎後的熱處理（通常稱為應力消除處理）溫度範圍設在  650°C至   730°C之間 15。研究指出，溫度不宜低於   650°C以確保碳化物的穩定化，同時持溫時間必須嚴格遵循每 25mm 壁厚 1 小時的原則，且最低不得少於 15 分鐘 17。

對於 P91 (9Cr-1Mo-V-Nb)，熱處理更具挑戰性。這類材料具備應變誘發脆化的特性。在冷彎作業完成後，管件必須先冷卻至馬氏體轉變完成溫度（Mf）以下（通常建議低於 95°C），然後才能開始升溫進行回火熱處理 29。P91的熱處理溫度區間窄小（ 730°C至 775°C），若溫度過高會導致硬度下降及蠕變強度損失；若溫度過低則無法有效降低殘餘應力，增加應力腐蝕裂紋（SCC）的風險 16。

3.2 減薄率計算與結構完整性：Paragraph 102.4.5

ASME B31.1 規範中另一個核心考量是彎管後的壁厚分布。管材在外側（Extrados）會因拉伸而減薄，內側（Intrados）則因壓縮而增厚。規範 Paragraph 102.4.5 提供了一個關鍵公式來評估彎管後的壓力容量：

tm = PD/2(SE+Py)+ A

其中：

  • tm：最小所需壁厚，必須考慮機械公差、腐蝕及侵蝕餘量。
  • P：內部設計錶壓。
  • D：管材公稱外徑。
  • S：材料在設計溫度下的容許應力值（取自Appendix A表）。
  • E：接頭係數（對無縫管為1.0）。
  • y：溫度依賴係數。

在CNC冷彎實務中，工程師必須利用軟體模擬預測減薄比例。一般而言，若彎曲半徑為 3D，其外側減薄率可能達到 10% 至 15%。若計算出的 tm超出了母管的公差範圍，則必須選擇壁厚更高一級的管材作為母管，這在設計階段就需要精確的工程計算與物料規劃 21。

四、相較於傳統銲接彎頭之人力資源需求減少比例研究

4.1 勞動力模型的根本性結構轉變

在大型電力管線施工中，傳統銲接彎頭（Welded Elbows）的使用是一個極度耗費人力的過程。每一個彎頭代表著至少兩個環向接頭（Girth Welds），這涉及了一個長鏈條的專業人力配置 5。

  1. 高技術銲工與組對人員：每個接頭需要具備ASME Section IX認證的銲工執行根部銲接與填充，對於P91等材料，其合格銲工的時薪高達 40-50 美元以上 30。
  2. 非破壞性檢測（NDT）團隊：包括射線照相（X-ray）技術員、膠片評定師以及輻射防護管理員。每個高壓銲道均需 100% 合格。
  3. 預熱與熱處理技術人員：在銲接前後需裝設感應加熱圈或電阻加熱毯，監控數小時甚至數天的熱循環過程 31。
  4. 安全與後勤監控：包括現場監護人（Fire Watch）、動火許可簽發員以及高空搭架作業人員 23。

相比之下，CNC冷彎技術將「製造邏輯」轉向工廠內部的自動化生產線。一名經過基礎培訓的CNC操作員搭配一名編程工程師，即可取代上述龐大的專業團隊。

4.2 量化分析：工時、成本與效率的對比

根據來自電廠建設案例及專門管線供應商（如Tube-Mac、Pedrick、Parker）的數據，冷彎技術展現了驚人的優勢。

比較維度 傳統銲接彎頭 (2″ NPS, Sch 80, CS) CNC 冷彎管件 (同規格) 改善比例 參考來源
單一節點加工時長 約 6 – 8 小時 (含組對與銲接) 10 – 30 秒 (自動彎曲循環) > 95% 3
檢驗與驗證時長 數小時 (待冷卻、洗片、判片) 數分鐘 (幾何與外觀檢驗) ~90% 3
直接人力工時 (Man-hours) 每接頭 2 – 4 小時 (視管徑而定) 每彎曲 0.1 – 0.5 小時 (含編程) ~75% – 85% 23
總體安裝與沖洗節省 基準值 (100%) 節省約 35% – 45% 的總成本 35% – 45% 23

在一個涉及 1000 個彎管節點的大型專案中，冷彎技術能節省約 143,000 美元 的直接成本 32。更深入的研究顯示，在液壓管路系統的案例研究中，冷彎管路比銲接管路系統在安裝與沖洗環節累計節省了 1,521 個工時 23。這種減少不僅來自銲接過程的消除，還包含了以下隱形成本的消失：

  • 動火許可成本：銲接需要繁雜的許可證管理，而冷彎無需動火許可，可在具有火災隱患的廠區內同時施作 23。
  • 清理與酸洗成本：銲接會在管內留下氧化皮（Scale）與銲渣，必須進行耗時耗水的酸洗處理；冷彎管路內部清潔度高，僅需簡單的油沖洗即可達標 23。

4.3 職能層次的降級與人力資源優化

從企業的角度來看，冷彎技術實現了「技能要求的轉移」。傳統管線工程的瓶頸在於「銲工產能」，而CNC冷彎將核心競爭力轉向「數位管理與自動化」。

  1. 操作員替代銲工：一名中級CNC操作員即可負責複雜管件的生產，其培訓週期遠短於認證銲工。
  2. 勞動強度降低：自動化上下料系統消除了操作員搬運重型管材的需求，有效降低了因重複性肌肉損傷導致的病假率與勞工保險支出 33。
  3. 減少廢品人力：人工銲接的缺陷率通常在 2% 至 5% 之間。CNC冷彎的精度控制在 ±0.05°C至  ±0.1°C之間，其一致性使得因錯誤而產生的二次加工人力需求趨近於零。

五、實務案例分析：複循環電廠與重型電力工程

5.1 複循環電廠（CCPP）中的儀控與輔機系統

複循環電廠的高效率源於對餘熱的高效回收，其內部遍布了精密的高壓液壓油路與水氣採樣系統。在某項 CCPP 升級專案中，原本設計使用超過 300 個銲接插座彎頭（Socket Weld Elbows）。改採CNC冷彎工法後，整個系統的洩漏風險點減少了 60% 以上 3。專案經理回報，由於省略了 NDE 檢測與銲後熱處理，該區域的施工時程從原定的 4 週縮短至 5 天，實現了人力資源的最佳配置 3。

5.2大型火力電廠：P91 主蒸汽系統的挑戰與解決方案

火力電廠正向更高溫、更高壓的方向發展，這意味著 P91/P92 材料的比例不斷增加。應用 CNC 冷彎技術製作 P91 彎管時，由於減少了銲道數量，整段管線的可靠性獲得了本質上的提升 16。專門為電廠設計的重型冷彎機（如 Schwarze-Robitec CNC 220 HD），能處理直徑達 220mm、壁厚達 16mm 的高硬度合金鋼管 24。雖然重型合金管在冷彎後仍需整體進入爐內進行 PBHT，但相比於現場幾十個銲道的局部加熱與監測，整管爐熱處理的人力需求僅為前者的五分之一 11。

六、技術侷限性、風險管理與替代方案

儘管 CNC 冷彎在人力優化與效率上有著無可比擬的優點，但在電力工程實務中，仍需謹慎處理其物理與空間的限制：

  1. 壁厚減薄與橢圓度（Ovality）：冷彎過程中不可避免會產生管徑橢圓化與外側壁厚減薄。規範1 通常要求橢圓度不超過 8%。必須嚴格執行彎曲程序檢定，並對成品進行幾何尺寸量測 19。
  2. 空間與半徑的權衡：冷彎管路通常需要較大的彎曲半徑（3D 或以上）。在電廠密集的泵房或閥站區域，空間狹小可能迫使設計者回歸使用標準銲接彎頭 20。
  3. 熱感應彎曲（Induction Bending）的互補性：當管徑超過 DN200 或壁厚極大時，冷彎機的機械力可能不足，此時熱感應彎曲技術成為必要的替代方案 34。

七、數位化與工業 4.0 的未來影響：邁向零銲接電廠

7.1 AI 與機器人技術的整合

未來的電力工程管線加工將不再是單機作戰。CNC冷彎機正與工業機器人進行深度整合，形成全自動預製單元。

 

自動化技術 功用與人力影響 未來展望 參考來源
雷射銲縫尋找 (Laser Seam Finder) 自動識別鋼管銲縫位置，避免彎曲應力集中在銲道 降低對操作員精細視覺判斷的依賴 33
閉環控制系統 (Closed-loop Controls) 即時測量彎曲後回彈，由系統自動重新計算補償 消除「試彎」與「修整」的人力浪費  
數位模型同步 (CAD/CAM Linking) 從 PDMS 或 Revit 直接生成彎管代碼 (G-code) 縮短設計到製造的溝通鏈條 8

這類技術的應用將「技術管理」的人力轉化為「數據維護」的人力，提升電廠建設的數位化成熟度 35。

八、結論與策略建議

本研究詳盡分析了CNC冷彎機在大型電力工程中的應用實務與技術價值。研究結論指出，CNC冷彎技術在解決電力管線「安全性」與「建設效率」的矛盾上展現了卓越的能力。

  1. 人力資源優化：相較於傳統銲接彎頭，CNC冷彎能減少高達 35% – 45% 的總安裝與檢驗成本，在特定環節甚至能節省 90% 以上 的工時 23。
  2. 品質與法規遵循：透過嚴格執行 ASME B31.1 的熱處理規範，冷彎管路在抗蠕變性與結構可靠度上優於多點銲接的系統。
  3. 策略升級建議：電力工程公司應加速從傳統銲接模式向「工廠預製冷彎」轉型。考慮到勞動力成本上升，CNC冷彎的投資回收期（ROI）在大型專案中具備立竿見影的效果 36。

總結而言，CNC冷彎機已成為現代電力工程數位化轉型與人力資源優化的戰略核心。

參考文獻

  1. ASME B31.1-2024: Power Piping [New] [Changes] – The ANSI Blog, https://blog.ansi.org/ansi/asme-b31-1-2024-power-piping-changes/
  2. ASME Piping Code: B31.1, Power Piping – ASME Digital Collection, https://asmedigitalcollection.asme.org/books/chapter-pdf/4105045/861318_ch35.pdf
  3. Realize Time and Cost Savings with Precision Tube Bending, https://f.hubspotusercontent10.net/hubfs/210560/docs/precision-tube-bending-resource.pdf
  4. Tube bending in place of welding – Tecnocurve, https://www.tecnocurve.com/tubing-bending/tube-bending-in-place-of-welding/
  5. Permanent Non-Welded and Cold Bent Piping Solutions – Parker Hannifin, https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Tube-Fittings-Division/Phastite-for-Pipe-and-Cold-Bending-Whitepaper.pdf
  6. Cold Bending Pipe, Tube, and Beam For Structural and Architectural – A&S Bending, https://asbending.com/services/structural-bending/cold-bending-pipe-tube-and-beam/
  7. CNC Pipe Bending: Techniques, Applications, and Benefits, https://asbending.com/cnc-pipe-bending-services-precision-tube-fabrication/
  8. 5 Core Advantages of CNC Tube Benders, Your Complete Guide for …, https://www.soco.com.tw/pt/news/CNC-tube-bending-machine-guide
  9. Benefits of CNC Tube Bending Services vs. Joint Welding – McHone Industries, https://www.mchoneind.com/blog/benefits-cnc-tube-bending-services
  10. Mild Steel Pipe: Cold Bending vs. Hot Bending – Eastern Steel Manufacturing Co.,Ltd, https://www.eastern-steels.com/newsdetail/mild-steel-pipe-cold-bending-vs.-hot-bending.html
  11. ASME B 31 Simplified | PDF | Pipe (Fluid Conveyance) | Boiler – Scribd, https://www.scribd.com/doc/31523013/ASME-B-31-simplified
  12. Pipe bending machine by roller – Udaipur – IQAC – Techno NJR, https://iqac.technonjr.org/supportings/1.3.2_1.3.3/ProjectReports/ME/2017-18/Tarun%20Kumar,8MEPE.pdf
  13. Pipe Bending Techniques in Fabrication: Best Practices for Precision – PipeCloud, https://pipecloud.fi/pipe-bending-techniques-in-fabrication-best-practices-for-precision/
  14. Top Industrial Applications of Low Temperature Carbon Steel Pipes – Neo Impex, https://www.neoimpex.com/blog/the-top-industrial-applications-of-low-temperature-carbon-steel-pipes/
  15. Datasheet for Alloy Steel A335 P11, P12, P22, P91, https://www.steelpipesfactory.com/wp-content/uploads/2021/05/Datasheet-For-Alloy-Steel-ASTM-A335-P11-P22-P91.pdf
  16. P22 vs P91: Composition, Heat Treatment, Properties & Applications Exp – Metal Zenith, https://metalzenith.com/blogs/steel-compare/p22-vs-p91
  17. Postweld Heat Treat – Corporex S.A., https://corporex.ar/wp-content/uploads/2020/11/Postweld-Por-que-tratar-termicamente.-Tablas-CX-1.pdf
  18. Postweld Heat Treatment Code Exemption – Pt 1 – TWI, https://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/a-review-of-postweld-heat-treatment-code-exemption-part-1-march-2006/
  19. Tube bending formulated for power plant production – Modern …, https://www.modernpowersystems.com/analysis/tube-bending-formulated-for-power-plant-production-4816743/
  20. The difference between pipe bend & elbow, https://alloypipefitting.com/the-difference-between-pipe-bend-elbow.html
  21. Piping and Pipeline Bends – EPCM Holdings, https://epcmholdings.com/piping-and-pipeline-bends/
  22. ASME B31.1 Power Piping Bend – Pipeng Toolbox, http://pipeng.com/index.php/ts/itdmotdiam006l/
  23. Cost Comparison Charts – Tube-Mac Piping Technologies, https://tube-mac.com/resources/cost-comparison-charts/
  24. Use of the CNC 80 HD for cold bending under heavy load – Schwarze-Robitec, https://schwarze-robitec.com/en/use-of-the-cnc-80-hd-for-cold-bending-under-heavy-load/
  25. NBE1, https://www.jsc.no/images/norsok/eds/nbe1.htm
  26. Pipe Bend vs Elbow: Key Differences and How to Choose the Right One – Finego Steel, https://www.finegosteel.com/newsdetail/pipe-bend-vs-elbow-differences.html
  27. CNC Technology Draw Pipe Cold Bending Machine for Bend Stainless Steel Copper Iron Aluminum Alloy Tubes – SUZHOU SLS MACHINERY CO., LTD., https://slsmachinery.en.made-in-china.com/product/odfTqIyFkAcv/China-CNC-Technology-Draw-Pipe-Cold-Bending-Machine-for-Bend-Stainless-Steel-Copper-Iron-Aluminum-Alloy-Tubes.html
  28. 46 CFR § 56.80-15 – Heat treatment of bends and formed components. – Law.Cornell.Edu, https://www.law.cornell.edu/cfr/text/46/56.80-15
  29. Asme B31. PWHT | PDF | Pipe (Fluid Conveyance) | Heat Treating – Scribd, https://www.scribd.com/document/888388707/ASME-B31-PWHT
  30. 5: Cost Analysis of Traditional Manufacturing vs. Additive Manufacturing Methods, https://eng.libretexts.org/Courses/Northeast_Wisconsin_Technical_College/Design_for_Various_Manufacturing_Methods/05%3A_Cost_Analysis_of_Traditional_Manufacturing_vs._Additive_Manufacturing_Methods
  31. Welding chromium-molybdenum steel pipe for power plants – The Fabricator, https://www.thefabricator.com/thefabricator/article/tubepipefabrication/welding-chromium-molybdenum-steel-pipe-for-power-plants
  32. Bending Machine Cost Analysis | Pedrick, https://pedrick.com/cost-analysis/
  33. Case Study: Robotic Tube Bending Increases Throughput & Eliminates Safety Risks, https://kawasakirobotics.com/uploads/2022/02/Case-Study_KMM_Tube-Bending.pdf
  34. comparing cold bending and hot bending in pipe bending – lined pipe, clad pipes, induction bends, Pipe Fittings – Piping System Solutions, https://www.ltdpipeline.com/cold-bending-and-hot-bending-pipe/
  35. Pipe and Tube Bending Machine Market Trends and Future Opportunities :CMR, https://www.cognitivemarketresearch.com/articles/pipe-and-tube-bending-machine-market-trends-and-future-opportunities
  36. Maximizing Efficiency and Precision: The Advantages of CNC Power Rolling in Modern Manufacturing – Shoemaker MFG Solutions, Inc., https://shoemakermfgsolutions.com/maximizing-efficiency-precision-advantages-cnc-power-rolling-modern-manufacturing/
購物車