氫氣與天然氣混燒輸氣管線採電銲組立與冷作彎管二者差異化分析 (台電於興達電廠進行混氫減碳計畫探討)

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摘要

 

隨著先進氣渦輪機組導入氫氣與天然氣混燒能力，其燃料輸送管線的加工技術面臨全新的技術挑戰與風險。本報告針對管線工程中常用的兩種加工技術(電銲與冷作彎管)，進行了深入的研究與分析。核心挑戰在於，氫氣獨特的物理化學特性（分子尺寸小、擴散性高）會導致金屬材料出現「氫脆」（Hydrogen Embrittlement, HE）現象，嚴重影響管線的結構完整性與運營安全。

研究顯示，無論是電銲工序還是冷作彎管，都會在管線材料中引入特定的應力或微觀結構變化，使其對氫脆更為敏感。電銲的熱影響區（HAZ）因快速加熱和冷卻而成為氫脆裂紋最敏感的區域，而冷作彎管則因塑性變形和殘留應力而增加氫損傷風險。因此，這兩種技術的選擇並非簡單的優劣判斷，而是一種策略性的權衡取捨，需在不同的風險類型與成本之間做出決策。

為了應對這些挑戰，報告提出了一套整合性的解決方案，強調從材料選擇、加工工法、品質檢測到法規遵循的全面管理。這包括採用抗氫脆材料、實施專門的熱處理（如銲後熱處理與除氫烘烤）、利用先進的非破壞性檢測（NDT）技術（如相控陣超音波檢測與氦氣測漏），並積極應對正在演變的國際與國內法規標準。其旨在於為業界提供關鍵洞見與可行性建議，以確保氫氣與天然氣混燒管線的長遠安全與可靠性。

 

一、前言：新興的氫氣與天然氣混燒經濟

 

1.1 氫氣摻混在能源轉型中的策略性角色

為應對全球氣候變遷與淨零排放的趨勢，各國正積極推動能源轉型。氫氣作為一種潔淨且多功能的能源載體，被視為實現深度脫碳的關鍵。先進的氣渦輪機組已具備氫氣與天然氣（H₂/NG）混燒能力，使其能部分取代天然氣作為發電燃料，有助於減少二氧化碳(CO2​)排放。例如，台電已規劃在興達電廠進行示範計畫，初步混入5%的氫氣，並逐步提高至15%，以期達到減碳目標，同時也作為台灣2050淨零排放路徑中關鍵的氫能策略之一 1。

此一技術的推動，其經濟與物流上的優勢顯著。藉由利用現有龐大的天然氣管線基礎設施，可大幅節省建設全新專用氫氣管線所產生的鉅額成本，並實現氫氣的長距離、低成本、大規模運輸 3。然而，這種看似簡單的「共用」策略，卻在工程與材料科學層面帶來了複雜的挑戰。

 

1.2 核心技術挑戰：氫脆現象

氫脆是氫氣摻混管線應用中最核心的技術挑戰。氫脆是一種金屬材料因氫原子滲透和溶解而導致其延展性、韌性與承載能力顯著下降的現象 5。氫氣分子 (H2​) 極小，其尺寸遠小於甲烷分子 (CH4​)，這使其能更容易地滲透進入管道鋼材的微觀結構中 8。

一旦氫原子進入金屬晶格，它會在位錯、晶界、第二相或空位等缺陷處聚集，這些缺陷通常被稱為「氫陷阱」 10。當金屬處於機械應力作用下，聚集的氫原子會削弱金屬原子間的鍵合力，導致裂紋的萌生與擴展，最終造成脆性斷裂 7。

值得注意的是，現有對氫脆的大部分研究基於液體環境中的電化學反應所產生的「陰極氫」 12。然而，氫氣管線中的氫脆發生在高壓氣相環境中，其氫原子源自於氫分子在管道鋼材表面的吸附和解離，這被稱為「氣態氫」 12。儘管兩種機制下氫原子進入鋼材內部後導致氫脆的機理並無本質差異，但氣相氫脆的獨特性質需要新的研究與應對策略。

 

1.3 報告範圍與結構

報告將從工程實務與材料科學兩個角度，對電銲工序與冷作彎管這兩種管線加工技術進行深入分析。首先，將詳細探討兩種技術對材料微觀結構的影響以及其與氫脆風險的關聯；其次，將提出相應的加工工法、品質控制與檢測的最佳實踐方法；最後，將對兩種技術進行比較性評估，並總結全球與國內的發展現況，提供具體的行動建議。

 

二、電銲工序之深入分析

 

2.1 技術原理與工藝選擇

電銲是管道連接最常見且最關鍵的技術。對於氫氣服務管線，銲接連接被認為是首選方法，因為與螺紋或其他機械連接相比，銲接能最大程度地減少潛在的洩漏點 13。

在銲接工藝的選擇上，研究推薦採用惰性氣體鎢極電弧銲（Gas Tungsten Arc Welding, GTAW），通常稱作TIG銲，用於根部銲道（root pass）。這是為了確保銲道內部表面光滑且無缺陷，從而最大限度地減少氫氣滲透的潛在路徑 15。對於後續的填充銲道，則可選用其他銲接工藝，如手動金屬電弧銲（Manual Metal Arc, MMAW）或氣體保護金屬電弧銲（Gas Metal Arc, GMAW） 15。

 

2.2 氫氣對銲接點與熱影響區（HAZ）的影響

銲接過程中，熱量輸入與隨後的快速冷卻會導致銲接點周圍的母材區域發生微觀結構變化，這個區域稱為熱影響區（Heat-Affected Zone, HAZ） 16。大量研究一致指出，HAZ是整個管線中最脆弱、對氫脆最敏感的部位 16。

銲接過程中的高溫梯度與快速冷卻，會使HAZ的微觀結構發生改變，可能產生馬氏體或貝氏體等氫敏感性高的組織 10。這些新形成的微觀結構含有高密度的位錯、晶界和碳化物等，這些都成為氫原子極易聚集的「氫陷阱」 10。氫原子在這些區域的富集會導致材料塑性顯著下降，並形成微小裂紋，最終演變為氫致裂紋（Hydrogen-Induced Cracking, HIC）或氫輔助裂紋（Hydrogen-Assisted Cracking, HAC） 5。

因此，HAZ從一個單純的銲接副產物，轉變為一個需要高度專業化關注的工程關鍵點。研究進一步將HAZ細分為粗晶HAZ（CGHAZ）、細晶HAZ（FGHAZ）和部分變態HAZ（ICHAZ），並發現它們在不同應變率下對氫損傷的敏感性各不相同 17。例如，在低應變率下，CGHAZ對氫脆最敏感，而在高應變率下，ICHAZ則表現出最大的氫損傷 17。

 

2.3 銲接工序之氫脆防治策略與最佳實踐

為了確保銲接接頭的完整性與可靠性，必須實施一系列專門的氫脆防治措施，涵蓋銲前、銲中與銲後階段。

  • 銲前準備與材料選擇： 應選擇低碳含量的材料，例如在不鏽鋼中增加鎳的含量（通常不低於10%），可以穩定其奧氏體微觀結構，降低氫脆風險 14。此外，必須使用低氫型銲接耗材，以從根本上減少氫氣在銲接過程中的引入 19。
  • 銲接過程控制： 實施嚴格的預熱處理是關鍵，這能有效降低銲接區的冷卻速率，防止形成敏感的微觀結構，並為氫原子擴散逸出提供時間 19。
  • 銲後處理： 這是最重要的步驟之一。銲後熱處理（Post-Weld Heat Treatment, PWHT）旨在通過均勻加熱至特定溫度，來釋放銲接引入的殘留應力，並改善材料的韌性與延展性 24。此外，一種被稱為「氫氣烘烤」（Hydrogen Bake-out或Post-Bake）的專門工藝，在銲接完成後立即進行，目的在於主動驅除銲接點和HAZ中殘留的氫原子，以防止延遲開裂的發生 19。

 

三、冷作彎管之深入分析

 

3.1 技術原理與工藝優勢

冷作彎管是指在室溫下，使用專用的液壓管道彎曲機，通過物理性彎曲來實現管道的變向 26。這種技術在工程中備受青睞，主要是因為其具備多重優勢。首先，它能直接在現場根據實際地形或設計要求進行彎曲，提供了高度的客製化與靈活性 26。其次，冷作彎管可減少對預製銲接彎頭的需求，從而顯著降低材料成本、縮短施工時間，並減少所需的銲接點數量 14。減少銲接點也意味著潛在的洩漏點和HAZ的數量隨之減少。

 

3.2 冷作彎管對管道材料特性的影響

儘管冷作彎管能避免銲接帶來的熱影響區問題，但它並非完全沒有風險。冷作彎管過程中的塑性變形，會導致管道材料內部產生顯著的殘留應力 27。這種應力狀態以及隨之而來的微觀結構變化，使其成為氫脆的另一個高風險區域。

塑性變形會改變金屬的微觀結構，增加位錯密度，並可能產生新的微觀組織 29。這些微觀結構特徵同樣是強效的「氫陷阱」 10。這種預先存在的內部應力與變質的微觀結構，使得冷作彎管部分對氫氣的侵蝕變得極為敏感，最終可能導致應力加速的氫脆與疲勞破壞 6。這種風險對於高強度鋼材尤為明顯，因為它們對氫損傷的敏感性更高 9。

此外，冷作彎管還可能引入其他缺陷，如橫截面變形（橢圓化）、壁厚變薄，以及在循環壓力載荷下的疲勞損傷 5。這些潛在的缺陷進一步增加了氫氣管道運營中的風險。

 

3.3 冷作彎管之氫脆防治策略與最佳實踐

由於冷作彎管本身帶來的風險，其加工過程必須採取嚴格的控制與緩解措施。

  • 材料選擇： 應選擇具有良好延展性和韌性的材料，以承受彎曲時的應力，避免裂紋的萌生 26。
  • 工藝參數控制： 必須嚴格控制彎曲參數，特別是保持足夠大的彎曲半徑。一般建議彎曲半徑應為管道直徑的40至60倍，以將應力集中和材料變形降至最低 26。
  • 銲後熱處理類比應用： 雖然研究文獻中並未直接提及針對冷作彎管的銲後熱處理，但從銲接工序的成功經驗來看，對冷彎管段進行類似的銲後應力釋放熱處理（post-bend heat treatment）應是可行且必要的緩解策略 24。這種處理將有助於釋放冷彎過程中產生的殘留應力，從而降低氫脆的潛在風險。

 

四、非破壞性檢測（NDT）與檢驗

 

4.1 NDT在氫氣服務管線中的重要性

由於氫損傷的潛在性、隱蔽性與延遲性，非破壞性檢測（NDT）在氫氣管線的整個生命週期中扮演了至關重要的角色 11。NDT不僅是品質控制的手段，更是確保管道在投入使用前和運營期間安全性的基本要求，旨在在早期階段發現材料劣化或缺陷，避免最終的災難性失效 32。

 

4.2 檢測技術從傳統到先進的演進

氫脆與裂紋通常始於肉眼無法觀察到的微觀缺陷或內部裂紋 32。這使得傳統的表面檢測方法（如液體滲透檢測和磁粉檢測）不足以應對核心問題 32。這促使檢測技術必須從傳統方法向更先進的NDT方法演進。

  • 先進超音波檢測（UT）： 這是最核心的檢測技術之一。相控陣超音波檢測（Phased Array Ultrasonic Testing, PAUT）和衍射時差法（Time-of-Flight Diffraction, TOFD）等技術能夠精確地檢測和量測銲接接頭、HAZ及其他區域內部的缺陷、氫致裂紋（HIC）和高溫氫攻擊（HTHA） 32。
  • 放射線檢測（RT）： RT是另一種重要的NDT方法，可透過X射線或伽馬射線穿透材料，以檢測內部缺陷如裂紋、空洞和夾雜物 32。
  • 專門的測漏技術： 由於氫氣分子極小，其洩漏風險遠高於天然氣 8。因此，必須採用專門的測漏技術，如氦氣測漏（Helium Leak Testing）來檢測銲接接頭與管道連接處的微小滲漏 38。

除了單次檢測，持續性的監測與頻繁的定期檢驗也至關重要。例如，UC Irvine的氫氣摻混專案就將洩漏檢測頻率從常規的每年一次增加到每月一次 39。

 

五、標準、法規與國內外發展

 

5.1 法規滯後與主動應變的必要性

目前，全球的氫能法規體系正處於快速發展階段，試圖追趕技術應用的腳步 40。現有的管道標準，如API 1104和ASME B31.8，最初是為碳氫化合物而設計，目前正積極更新以納入氫氣特有的安全風險 41。例如，美國石油協會（API）已成立1104氫氣工作小組來開發銲接資格要求，而ASME B31.8也正在納入一個專門針對氫氣的新章節 42。這種正在進行的法規演變，突顯了當前氫氣專案必須依賴臨時性指導，並主動承擔超越最低合規標準的責任，以確保安全 8。

主要相關標準與法規包括：

  • ASME B31.12： 這是針對氫氣管道和管線的主要標準，涵蓋材料、設計、製造、檢驗等要求 45。然而，該標準正計畫退役，其相關內容將被整合至ASME B31.3和8等更通用的管道標準中，以簡化法規體系 43。
  • NFPA 2： 該守則為氫氣的產生、安裝、儲存、管道鋪設和使用提供了基本安全保障，對安全間距、洩漏檢測和材料選擇等有明確規定 48。
  • 國內法規與政策： 台灣的2050淨零轉型計畫中，已明確將「發展抗氫脆銲接材料及技術」和「評估天然氣管線混氫」列為關鍵策略 1。這顯示出國內對此技術挑戰的深刻認知與政策層面的積極推動。

 

5.2 國際與國內示範專案

全球範圍內已有多個成功案例，為氫氣摻混管線的安全性提供了實證。例如，英國基爾大學（Keele University）和紐西蘭的Te Horo試點專案，以及美國南加州瓦斯公司（SoCalGas）在UC Irvine的專案，都已成功示範了高達20%的氫氣摻混，並收集了寶貴的安全協定、運營影響與材料相容性數據 39。這些專案的共同特點是採取了嚴格的安全措施，包括頻繁的洩漏監測和緊急應變計畫。

在國內，台電已於興達電廠啟動燃氣混氫示範計畫，並承諾將嚴格遵循比歐洲更為嚴苛的安全規範 2。此外，印度塔塔鋼鐵（Tata Steel）已成功開發出可輸送100%純氫氣的高壓API X65管道，這證明了材料技術的創新是解決氫脆問題的根本之道 52。

 

六、綜合比較與結論建議

 

6.1 電銲與冷作彎管的策略性權衡

電銲與冷作彎管的選擇並非簡單的優劣判斷，而是一種策略性的權衡取捨。銲接創造了高度集中的高風險點（HAZ），但其風險類型相對明確，並已有成熟的緩解措施（如銲後熱處理與除氫烘烤）及日趨先進的NDT技術可供應用 21。相較之下，冷作彎管則可減少銲接點與潛在洩漏路徑的數量，但它卻在管道中創造了一個範圍更大、更為分散的風險區域，其特徵為殘留應力與變異的微觀結構，易導致延遲性氫脆與疲勞裂紋 27。

從成本效益分析來看，工程專案必須權衡多次高完整性銲接的勞力與檢測成本，與冷作彎管所產生的材料應力及潛在長期風險。這兩種加工技術的比較性分析詳見下表。

電銲與冷作彎管加工技術之比較分析

 

評估準則 電銲（Welding） 冷作彎管（Cold Bending） 重要意涵
對微觀結構的影響 引入熱影響區（HAZ），微觀結構顯著改變，可能形成敏感的晶粒結構 17。 產生內部殘留應力與塑性變形，改變晶粒結構，降低延展性並增加氫脆敏感性 27。 兩種方法都從根本上改變了材料的微觀結構，HAZ是銲接的關鍵關注點。
對氫氣損傷的敏感性 銲道和HAZ處有高度的氫輔助裂紋（HAC）與氫致裂紋（HIC）風險 16。 因冷加工與殘留應力，增加了氫脆（HE）與疲勞損傷的風險 6。 兩種工藝都需要實施嚴格的氫脆緩解措施。這是在兩種不同失效機制之間進行權衡。
緩解與最佳實踐 須使用低氫銲材，控制預熱與銲後熱處理，並嚴格進行除氫烘烤 19。 須嚴格控制彎曲半徑，並考慮進行銲後應力釋放熱處理 11。 緩解措施是強制性的；銲接緩解側重於控制化學與熱量，而彎曲緩解則側重於管理機械應力。
品質控制與檢測 需使用先進NDT檢測內部缺陷（如UT, RT）及表面缺陷（如氦氣測漏） 32。 需檢測橢圓化、壁厚減薄與潛在裂紋 27。先進UT可評估內部損傷 32。 NDT對兩種技術都至關重要，但檢測的缺陷類型和方法可能不同。一個全面的計畫必須涵蓋所有製造類型。
法規地位 屬於API 1104與ASME B31.12等標準的涵蓋範圍，但針對H₂/NG的具體要求仍在發展中 41。 相較於銲接，在主要標準中缺乏明確的指導；主要依賴於通用的管線設計規範與材料特性 27。 法規體系正在追趕技術，銲接程序是一個主要焦點。這凸顯了彎管領域的法規空白。
成本與效率 勞力密集，需要熟練銲工。成本隨材料、接頭設計和NDT要求而異 56。 是一種經濟有效、省時的替代方案，特別適用於長而平緩的彎曲 14。 兩者之間的選擇通常是勞力/檢測成本與材料/配件成本之間的權衡。高純度TIG銲接比MIG或SMAW更昂貴 57。

6.2 結論與建議

綜合上述分析，可得出以下結論：

  1. 管線完整性需要新的典範： 氫氣與天然氣混燒管線的製造與管理不能沿用舊有模式。傳統上針對天然氣管道安全的措施並不足以應對氫氣帶來的獨特挑戰，尤其是在氫脆方面。
  2. 兩種加工技術各有其風險： 電銲在熱影響區（HAZ）引入了高度集中的氫脆風險，而冷作彎管則通過塑性變形和殘留應力創造了更為分散的風險區域。這兩種技術的選擇必須基於對特定專案風險的全面評估。
  3. 先進技術與持續監測至關重要： 為了確保管道安全，必須採用專門的工藝（如銲後除氫烘烤）、先進的檢測技術（如PAUT與氦氣測漏），並建立持續性的監測計畫，以檢測早期階段的氫損傷。

基於這些結論，本報告對從業人員提出以下建議：

  • 實施整體性風險管理： 從設計、材料選擇到製造與長期運營，應採取全面的風險管理方法。
  • 優化銲接協議： 必須採用專門的銲接程序，包括使用低氫銲材、精確的熱量控制，並將銲後除氫烘烤列為強制性步驟。
  • 謹慎使用冷作彎管： 對於冷作彎管，應進行嚴格的機械分析，確保彎曲參數不超過材料極限，並在必要時考慮進行銲後熱處理來緩解殘留應力。
  • 保持持續警惕： 應強制執行全面的NDT計畫，並在整個管線生命週期內利用先進技術進行持續檢測，以在潛在缺陷演變為失效前及時發現。
  • 密切關注法規動態： 應積極追蹤新興的行業標準與法規指南，這些框架正在不斷演變，以應對氫能技術的發展。

 

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  47. Hydrogen Piping and Pipelines – Becht, https://becht.com/becht-blog/entry/hydrogen-piping-and-pipelines/
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  51. Hydrogen blending pilot – Firstgas, https://firstgas.co.nz/projects/the-te-horo-hydrogen-blending-pilot
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  53. Pipe Fabrication for Hydrogen Infrastructure – AI Energy Solutions, https://aienergysol.com/blog/2025/02/03/pipe-fabrication-for-hydrogen-infrastructure/
  54. 紧固件氢脆是如何产生的?危害有哪些,如何检查及防止?, https://www.zhjiali.com/cn/new/new-85-336.html
  55. API STANDARD 1104, https://dl.gasplus.ir/standard-ha/standard-API/API_1104_22nd_Edition_July_2021_Welding_of_Pipelines_and_Related.pdf
  56. How Much Does it Cost to Weld? – Axenics, https://axenics.com/blog/cost-efficient-welding-services
  57. How Much Does Welding Cost – Axenics, https://axenics.com/blog/how-much-does-welding-cost
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