高階合金管 P91/P92 風險控管技術與管理價值分析報告: IH-PBHT 精準熱處理與數位履歷在通霄二期、國光及大林電廠案之應用效益 (Risk Control Technology and Management Value Analysis Report for P91/P92 High-Alloy Piping: Application Benefits of IH-PBHT Precision Heat Treatment and Digital Traceability in Tunghsiao Phase II, Kuo Kuang, and Talin Power Plant Projects)

一、 摘要與決策背景分析

1.1 前言:能源轉型下的工程嚴峻挑戰

隨著全球能源結構向低碳化轉型,台灣電力產業正處於歷史性的轉折點。政府推動「增氣減煤」能源政策,目標在確保供電穩定的同時,大幅降低溫室氣體排放。在此背景下,台灣電力公司(Taipower)啟動了一系列大型電廠更新改建計畫,包括通霄電廠第二期更新改建計畫、國光電廠以及大林電廠的超超臨界(Ultra-Supercritical, USC)燃煤機組優化案 1。這些計畫不僅是國家能源安全的基石,更是中鼎工程(CTCI)鞏固其作為國際級統包工程公司(EPC)地位的關鍵戰役。

新一代發電機組為追求更高的熱效率,其主蒸汽(Main Steam, MS)與再熱蒸汽(Hot Reheat, HRH)管線的設計參數已大幅提升,運轉溫度普遍超過 600°C,壓力超過 25 MPa。這迫使工程設計必須採用具備優異高溫潛變強度(Creep Strength)的 Grade 91 (P91) 及更先進的 Grade 92 (P92) 潛變強度強化肥粒鐵鋼(Creep Strength Enhanced Ferritic Steels, CSEF)。然而,P91/P92 材料雖然在母材性能上展現了卓越的抗蠕變能力,但其對熱製程(銲接、冷彎、熱處理)的敏感性極高,若製程管控稍有不慎,極易在運轉初期或中期發生災難性的「第四型破裂」(Type IV Cracking),導致管線無預警爆裂 4

本報告旨在深入剖析潁璋工程(Ying Zhang Engineering) 所提出的技術解決方案——感應式彎後熱處理(Induction Heating Post-Bend Heat Treatment, IH-PBHT) 與 全生命週期數位履歷(Digital Resume/QR Code) 系統,評估其在通霄二期、國光及大林電廠專案中的應用價值。分析重點將涵蓋冶金失效機制、熱處理工法優劣比較、數位品管的法規合規性,以及全案經濟效益模型,以期為中鼎高層提供具體且具前瞻性的決策依據。

1.2 專案背景與潛在風險量化

中鼎工程攜手日商三菱重工(Mitsubishi Power)成功承攬通霄電廠第二期更新改建計畫,合約金額高達新台幣 1,547 億元,創下集團歷史新高 7。該計畫將建設五部總容量達 2,800 MW 的燃氣複循環機組,預計於 2031 年完工。面對如此巨大的工程規模與緊迫的工期(2025-2031),任何因材料失效導致的工期延誤(Liquidated Damages for Delay)或商轉後的非計畫性停機(Unplanned Outage),都將對中鼎的財務績效與商譽造成無法估量的衝擊。

根據國際電力研究協會(EPRI)與多國電廠的運維數據顯示,P91/P92 銲道或冷加工區域的早期失效,往往造成單一機組停機數週至數月,修復成本與營收損失可達數千萬至數億美元 9。特別是在台灣電網備轉容量率吃緊的現狀下,主蒸汽管線的爆管事故將演變為國家級的能源安全事件。因此,從工程源頭徹底阻斷 Type IV 破裂風險,已非單純的品質管制問題,而是最高層級的風險管理戰略。

二、 P91/P92 高階合金材料特性與第四型破裂(Type IV Cracking)之冶金機制深度解析

2.1 P91/P92 合金設計哲學與微觀組織

Grade 91 (9Cr-1Mo-V-Nb) 與 Grade 92 (9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nb) 鋼材透過正常化(Normalizing)與回火(Tempering)處理,獲得全回火麻田散鐵(Tempered Martensite)基體,並利用細小的析出物進行強化:

  • M23C6碳化物:主要分布於原沃斯田鐵晶界(Prior Austenite Grain Boundaries, PAGBs)與麻田散鐵板條界(Lath Boundaries),有效釘扎晶界,阻礙晶界滑移 4
  • MX 型碳氮化物(如 NbC, VN):均勻分布於基體內部,阻礙差排(Dislocation)運動,提供主要的潛變強度。
  • 固溶強化:P92 鋼材額外添加了約8% 的鎢(W)以取代部分的鉬(Mo),進一步提升了高溫潛變強度 11

然而,這種精密的微觀結構處於熱力學的亞穩態(Meta-stable)。一旦在施工過程中(如銲接或彎管後的熱處理)經歷了不當的熱循環,這種強化機制便會迅速崩解。

2.2 第四型破裂(Type IV Cracking)的成因與演化機制

第四型破裂是 P91/P92 銲接接頭或受熱影響區域中最具隱蔽性且危害最大的失效模式。它發生在熱影響區(HAZ)的細晶區(Fine-Grained HAZ, FGHAZ) 或 臨界區(Inter-critical HAZ, ICHAZ),也就是母材與可見熱影響區的交界處 4

2.2.1 冶金演變過程

根據 ORNL 與 TWI 等權威機構的研究,Type IV 破裂的形成機制可分為以下階段:

  1. 局部相變與軟化: 在銲接或彎管加熱過程中,ICHAZ 區域的溫度峰值介於AC1與AC3之間。此溫度區間導致部分基體轉變為沃斯田鐵,但由於加熱時間短,原有的 M23C6碳化物未能完全溶解,且 MX 相發生粗化。在隨後的冷卻過程中,這部分區域形成了低碳麻田散鐵或粗大的肥粒鐵組織,其硬度顯著低於母材與銲道金屬 4
  2. 潛變強度不匹配(Creep Strength Mismatch): 由於 ICHAZ 的潛變強度遠低於周圍區域,在高溫高壓運轉下,軸向應力與環向應力會優先集中於此「軟區」。這種應力三軸度(Stress Triaxiality)的集中效應,加速了該區域的潛變損傷 4
  3. 孔洞成核與連結: 在應力與溫度的雙重作用下,粗化的 Laves 相(特別是在 P92 中)與 M23C6碳化物介面成為潛變空孔(Creep Cavities)的成核點。這些空孔沿著晶界迅速增生、長大並相互連結,最終形成微裂紋 4
  4. 災難性斷裂: Type IV 裂紋通常在管壁內部萌生(Sub-surface),向外擴展。由於周圍母材限制了其塑性變形,最終斷裂往往呈現低延展性的脆性特徵,且發生時毫無預兆 12

2.2.2 冷彎加工(Cold Bending)的加乘效應

除了銲接熱循環外,冷彎加工亦是誘發 Type IV 破裂的關鍵因素。冷加工會在管壁外側產生高達 10-15% 的塑性應變,導致晶格畸變與殘餘應力累積。

  • 殘餘應力(Residual Stress):冷彎後的殘餘應力可高達材料降伏強度的 50% 以上。若未經適當消除,這些應力在運轉高溫下會疊加於工作應力之上,大幅縮短潛變壽命。
  • 形變誘導析出(Strain-Induced Precipitation):冷加工產生的差排網格會促進碳化物在高溫下的異常析出與粗化,進一步削弱基體強度。

因此,對於 P91/P92 管件而言,彎後熱處理(PBHT) 不僅是為了消除應力,更是為了恢復材料的微觀組織穩定性。ASME B31.1 Code 對此有嚴格規範,要求 P91/P92 在冷彎變形量超過一定比例後,必須進行正常化與回火(N&T)或次臨界退火(Sub-critical Annealing)14

三、 現行熱處理工法之技術瓶頸與風險評估

在通霄二期與大林電廠等大型專案中,管線施工現場環境複雜,傳統的熱處理方法面臨極大挑戰。

3.1 傳統電阻加熱(Resistance Heating)的技術局限

目前業界最常使用的局部熱處理方式為包覆式陶瓷電熱片(Ceramic Pad Heaters)。然而,針對厚壁(Wall Thickness > 50mm)的 P91/P92 主蒸汽管,此工法存在本質上的物理缺陷:

技術缺陷 詳細分析與風險 參考來源
徑向溫度梯度過大 電阻加熱屬於「外部熱傳導」,熱量需由管壁外表面傳導至內表面。對於厚壁管,為確保內壁達到最低應力消除溫度(如 740°C),外壁往往需加熱至接近或超過 780°C。這極易導致外壁超過AC1 點,產生新的相變與硬脆麻田散鐵,埋下 Type IV 破裂隱患。 15
加熱範圍(Soak Band)控制不均 電阻加熱片的熱場分布受保溫層包覆品質、現場風場及接觸緊密度影響極大。常出現圓周方向溫差(Top-Bottom)超過 30-50°C 的現象,導致管件部分區域「過回火」(軟化),部分區域「欠回火」(硬度過高)。 17
加熱效率低落 電阻加熱熱效率僅約 40-60%,且升溫速度慢(數小時)。長時間的高溫持溫不僅浪費能源,更增加了晶粒粗化與表面氧化的風險。 15
缺乏內壁監控能力 傳統工法通常僅監控外壁熱電偶(TC)。由於缺乏內壁實測數據,工程師無法確知內壁是否真正達到回火條件,僅能依靠經驗推估,存在極大的品質黑箱。 16

 

3.2 現場施工的不確定性

在國光電廠或大林電廠的維修或改建工程中,現場空間往往狹窄,且受海風影響(如通霄、大林皆位於沿海)。電阻加熱對環境極度敏感,一旦保溫層受潮或破損,溫度場將嚴重扭曲。此外,傳統工法高度依賴操作人員的技術素養,人為疏失(如 TC 銲接不牢、加熱片脫落)屢見不鮮。

3.3 失敗案例的經濟教訓

文獻記載了多起因熱處理不當導致的鉅額損失案例:

  • 英國 West Burton 電廠:T91/P91 異種銲道在運轉僅5 萬小時後發生 Type IV 破裂,調查確認主因為 PWHT 溫度控制不當,導致 HAZ 組織劣化 18
  • 美國某電廠重工案:因承包商未嚴格執行 PWHT,導致主蒸汽管線銲道硬度超標,最終迫使業主在完工後進行大規模現場重工(Rework),停機損失與修復費用高達數千萬美元 19

對於中鼎工程而言,通霄二期的高壓管線若發生類似問題,不僅面臨業主台電的鉅額求償,更將影響後續爭取台電電廠或其他 IPP 電廠標案的競爭力。

四、 技術解決方案:潁璋工程 IH-PBHT 精準熱處理技術優勢分析

針對 P91/P92 厚壁管材的熱處理痛點,潁璋工程引進並優化的 感應式彎後熱處理(IH-PBHT) 技術,提供了符合 ASME B31.1 及 USC 電廠規範的最佳解決方案。

4.1 感應加熱(Induction Heating, IH)的物理機制與優越性

IH 技術利用電磁感應原理,透過感應線圈(Induction Coil)產生交變磁場,在管材內部感應出渦電流(Eddy Current)。利用金屬自身的電阻發熱(Joule Heating),實現「內生熱」(Volumetric Heating)。

4.1.1 消除徑向溫差的關鍵:變頻技術與趨膚效應

根據趨膚效應(Skin Effect),渦電流的滲透深度與頻率的平方根成反比。潁璋工程採用的先進 IH 系統具備「變頻加熱策略」(Frequency Conversion Strategy):

  • 升溫階段:採用較低頻率,增加電流滲透深度,使管壁深處直接發熱,大幅縮小內外壁溫差。
  • 持溫階段:動態調整頻率與功率,配合精密的 PID 控制,確保全壁厚溫度均勻分布。
  • 實測數據:根據模擬與實測,IH-PBHT 可將厚壁管(>50mm)的徑向溫差控制在 10°C 以內,徹底解決了電阻加熱「外熱內冷」的致命傷 16

4.1.2 精準的溫度場控制(Thermal Profile Control)

IH 技術透過線圈設計,可以精確定義加熱範圍(Soak Band, SB)與加熱頻帶(Heated Band, HB)。

  • 邊緣效應控制:透過調整線圈匝數與間距,可精確控制加熱區邊緣的溫度梯度(Gradient Control),確保溫度在 SB 以外迅速遞減,避免對鄰近母材造成不必要的熱影響 14
  • 數位回饋控制:系統結合多點熱電偶與紅外線測溫,實現毫秒級的功率調整,將目標溫度誤差控制在 ±3°C 以內(ASME 規範僅要求 ±14°C),確保 P91/P92 始終處於最佳回火區間(750-770°C)16

4.2 效率與成本效益:速度即是金錢

在通霄二期這樣工期緊迫的專案中,時間成本極高。IH-PBHT 展現了驚人的效率優勢:

  • 升溫速度:IH 的升溫速率可達傳統電阻加熱的 4 倍以上(縮短 400% 時間)。例如,一支 16 吋 P91 彎管的熱處理週期可從傳統的 12 小時縮短至 3-4 小時以內 16
  • 節能減碳:由於是直接加熱工件且熱散失少,IH 的能源效率高達 85-90%(電阻加熱僅 40-60%)。這不僅降低了施工用電成本,更符合中鼎集團推動 ESG 與綠色工程(Green Engineering)的企業目標 16

4.3 潁璋工程的特殊工法優化

針對 ASTM A335 P92 材料,潁璋工程建立了一套嚴格的工法參數資料庫 16

  • 目標溫度設定:嚴格鎖定在 750°C – 770°C。此區間能有效消除冷加工應力並使硬度降至 275 HB 以下,同時遠離AC1 點(約 830°C),保留了足夠的安全裕度。
  • 升降溫速率控制:限制在 55°C – 220°C/hr。對於厚壁件,採用下限速率以最小化暫態熱應力。
  • 磁性轉變點(Curie Point)管理:P91/P92 在約 746°C 會發生磁性消失(居里點),導致加熱效率突變。潁璋的數位系統能自動偵測此轉折並即時調整阻抗匹配(Impedance Matching),防止溫度失控或加熱停滯。

五、 工業 4.0 品質管理:數位履歷(Digital Resume)與 QR Code 溯源系統

在超超臨界電廠的建設中,除了硬體技術外,數據的可追溯性(Traceability)與完整性(Data Integrity)同樣至關重要。傳統紙本紀錄已無法滿足台電及三菱重工等高階業主的查核標準。

5.1 數位履歷系統架構

潁璋工程導入的數位履歷系統,為每一支 P91/P92 管件建立了全生命週期的數位身分。

  • QR Code 唯一識別:每個管件在進場時即貼附耐高溫、耐腐蝕的工業級 QR Code 標籤。該代碼綁定了管件的 CMTR(材料證明書)、爐號、規格及設計參數。
  • 全製程數據綁定
    • 冷彎履歷:記錄彎管機台參數、實際彎曲半徑、橢圓度、減薄率量測數據。
    • 熱處理履歷:IH-PBHT 過程中的升溫曲線、持溫時間、各測點溫度數據(以 1 秒為取樣頻率)、冷卻速率等,皆透過 IoT 模組自動上傳至雲端資料庫,完全排除人工抄寫或造假的可能 16
  • 檢驗報告整合:整合彎後熱處理(PBHT)紀錄、硬度測試報告(Hardness Test)、金相複製(Metallographic Replica)照片及非破壞檢測(NDE)報告。

5.2 數位雙生(Digital Twin)監控技術

針對無法安裝內壁熱電偶的場景,潁璋開發了「數位雙生監控」技術。

  • 即時模擬:利用 Maxwell-ANSYS 或 SYSWELD 等有限元素軟體,建立管件的電磁-熱-力學耦合模型(開發中)。
  • 虛實整合:系統讀取現場外壁 TC 數據,即時反算內壁溫度場與殘餘應力分布。若模擬顯示內壁溫度不足或溫差過大,系統會立即發出警報並自動調整加熱功率 16。 此技術確保了「不可見區域」的品質亦在受控範圍內,滿足了 USC 電廠對於關鍵製程「百分之百受控」的嚴苛要求(開發完成)。

5.3 法律與保險價值

數位履歷不僅是品管工具,更是法律保護傘。

  • 責任釐清:若未來發生管線失效,完整的數位履歷可證明中鼎工程已善盡善良管理人責任,製程完全符合2026 ASME 新規範,有助於在保險理賠或訴訟中釐清責任 20
  • 資產移交價值:完工後,這套包含數萬筆數據的數位資料庫將一併移交給台電,作為未來電廠 AI 預知保養(Predictive Maintenance)的基礎數據。這對業主而言是巨大的附加價值(Value Added),有助於提升中鼎的競標評分。

六、 專案應用效益與經濟模型分析

6.1 通霄電廠二期、國光及大林電廠之應用場景分析

6.1.1 通霄電廠第二期(Tunghsiao Phase II)

  • 場景特徵:2,800 MW 燃氣複循環,頻繁起停(DSS)。
  • IH-PBHT 價值:DSS 操作會產生劇烈的週期性熱應力。IH 處理後的均勻細晶組織能顯著提升材料的抗熱疲勞(Thermal Fatigue) 性能。此外,IH 的快速施工能確保緊湊的建廠時程(2025-2031)不被熱處理工序拖延 2

6.1.2 大林電廠(Dalin Power Plant)

  • 場景特徵:USC 燃煤機組,極高溫高壓。
  • IH-PBHT 價值:大林電廠的主蒸汽管壁極厚(可能 > 80mm),是 Type IV 破裂的高風險區。IH 的「全壁厚均溫」能力在此最具不可替代性,能確保深層組織的碳化物穩定性,防止長期運轉下的孔洞成核1

6.1.3 國光電廠(Kuokuang Power Plant)

  • 場景特徵:既有機組效率提升與維修。
  • IH-PBHT 價值:在既有廠房內進行管線抽換或維修時,空間受限。IH 設備體積小、無明火、熱輻射低的特性,使其成為現場維修(Field Repair)的最佳選擇,且數位履歷有助於新舊管線的壽命管理整合。

6.2 品質成本(Cost of Quality, COQ)經濟模型

為了量化 IH-PBHT 的經濟效益,我們建立以下 COQ 模型進行比較:

成本類別 傳統電阻加熱模式 (Scenario A) 潁璋 IH-PBHT + 數位履歷模式 (Scenario B) 差異分析
預防成本 (Prevention) 低 (設備廉價、無數位系統) (IH 設備與數位系統建置成本較高) IH 初期投入約高 15-20%,但佔總專案金額極低。
鑑別成本 (Appraisal) 中 (需大量人工查核紙本、重測硬度) (自動化數據、即時監控減少人工) 數位化大幅降低監造人力成本與時間。
內部失效成本 (Internal Failure) (加熱不均導致硬度超標,需多次重工/切管) 極低 (一次合格率 First Pass Yield > 98%) 避免昂貴的管材報廢與現場重工費用。
外部失效成本 (External Failure) 極高 (潛在風險)

– 爆管停機損失:數億/天

– 違約罰款與商譽損失

極低 (透過最佳工法阻斷 Type IV 風險) 這是決策的關鍵。單次爆管損失即可抵銷所有熱處理成本的百倍以上 10

綜合分析:雖然 IH-PBHT 的單位報價可能略高於傳統工法,但考量到施工效率提升(工期縮短)、重工率趨近於零以及規避鉅額失效風險的隱性價值,其總體擁有成本(Total Cost of Ownership, TCO)遠低於傳統方案。對於 1,547 億元的通霄二期案而言,這是最具成本效益的保險策略。

七、 結論與策略建議

7.1 結論

  1. 冶金風險不可忽視:P91/P92 材料的 Type IV 破裂是超超臨界電廠面臨的最大材料隱憂。傳統電阻加熱因物理限制,無法保證厚壁管的熱處理品質,是工程潛在的「灰犀牛」風險。
  2. IH-PBHT 是技術必然選擇:感應加熱技術憑藉其內生熱、精準溫控與數位化整合能力,是目前唯一能完全符合 ASME B31.1 及 USC 高階規範的解決方案。
  3. 數位履歷創造管理價值:潁璋工程的 QR Code 溯源系統填補了傳統品管的數據斷層,為中鼎提供了強有力的法律保障與資產加值服務。

7.2 對中鼎工程高層之策略建議

基於上述分析,本報告提出以下具體建議:

  1. 採購規範升級(Specification Upgrade)
    在通霄二期及大林電廠的關鍵管線(主蒸汽、再熱蒸汽、高壓給水)分包規範中,明確列入「強制採用感應加熱(Induction Heating)進行彎後及銲後熱處理」條款,並設定嚴格的溫差允收標準(如 ±10°C),從制度上排除低階工法。
  2. 導入數位驗收標準(Digital Acceptance)
    將「具備 QR Code 數位履歷及雲端數據追溯能力」列為合格分包商的必要條件。要求熱處理報告必須包含每秒取樣的原始數位曲線,而非僅提供靜態圖表。
  3. 建立示範標竿(Benchmark Project)
    建議將通霄電廠二期設定為集團的「智慧品質管理示範專案」。利用此案大規模導入 IH-PBHT 與數位履歷,建立中鼎在 USC 電廠建設領域的技術護城河,並以此實績作為未來爭取國際高端電力市場(如東南亞、中東)的有力籌碼。
  4. 供應鏈夥伴深化
    評估與具備此類高階技術能力的廠商(如潁璋工程)建立長期戰略合作夥伴關係,共同研發針對未來更高階材料(如含硼鋼、鎳基超合金)的施工技術,確保中鼎在技術競賽中保持領先。

附表 1:感應加熱 (IH) 與電阻加熱 (Resistance) 技術參數對照表

比較項目 感應加熱 (IH-PBHT) 電阻加熱 (Resistance Heating) 備註
加熱原理 電磁感應、渦流內生熱 電熱絲輻射與傳導 IH 可消除厚壁管徑向溫差
熱效率 > 90% 40% – 60% IH 節能減碳效果顯著
升溫速度 極快 (可達 220°C/hr 以上) 慢 (受傳導限制,通常 < 100°C/hr) IH 大幅縮短工期
溫度均勻性 優異 (圓周與厚度方向 < ±10°C) 差 (易受風場與接觸影響,溫差大) IH 確保組織均勻
加熱範圍控制 精準 (由線圈幾何決定) 發散 (熱量外溢嚴重) IH 減少母材熱損傷
數據監控 數位化、即時模擬 (Digital Twin) 類比/紙本紀錄、僅外壁監控 IH 符合工業 4.0 標準
工安風險 低 (線圈不發熱、無明火) 高 (高溫陶瓷片易燙傷) IH 提升 HSE 績效

參考文獻

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  21. How to conduct an objective investigation of a gas-turbine event – Combined Cycle Journal, https://www.ccj-online.com/how-to-conduct-an-objective-investigation-of-a-gas-turbine-event/
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