策略實施與技術驗證：中鋼軋鋼二廠高壓液壓系統冷作配管應用分析 (Strategy Implementation and Technical Verification: Application Analysis of Cold-Formed Piping in High-Pressure Hydraulic Systems at China Steel Corporation’s Second Rolling Mill)

一、摘要與策略必要性

1.1 煉鋼廠液壓系統現代化的背景與挑戰

中鋼（CSC）軋鋼二廠的設備升級計畫，核心在於提升其生產技術與產品品質。該軋鋼廠主要配置了四輥可逆式軋機，其運營仰賴先進且高度精密的液壓自動厚度控制（Automatic Gauge Control, AGC）系統 ¹。軋機要求精確的流程控制，以生產出具有優於國際標準的厚度和平面度公差的鋼板 ¹。這些高性能產品，例如用於臺北金融中心摩天大樓的高強度鋼板，要求液壓系統具備極致的穩定性、響應速度與長期可靠性。

本次設備現代化的目標不僅限於提高軋鋼設備的可靠性，還包括優化員工工作條件，並確保未來的生產活動能夠維持穩定的節奏 ²。在高壓、高熱、高震動的重工業環境下，傳統的液壓配管設計已成為實現上述目標的瓶頸。因此，設計團隊決定採取關鍵的戰略性決策：大規模採用冷作彎管取代傳統的管件接頭，從根本上解決重工業液壓系統固有的洩漏、振動和流體污染問題。

1.2 技術選型決策的定量化預期效益

將液壓配管系統從多接頭設計轉向單一、連續的冷作彎管，預期將帶來顯著的可靠性和性能提升。在可靠性方面，通過消除多個潛在的洩漏點和應力集中區域，預期系統的平均故障間隔時間（MTBF）將會顯著提高 ³。清潔的液壓系統本身就意味著更少頻繁的維護和更低的故障率，這對於保障軋機的連續運行至關重要 ³。

在系統性能方面，冷作彎管的設計重點是優化液壓油的流體動力學特性。平滑、大半徑的彎曲通道能夠大幅減少高流速下的壓降和流體湍流 ⁵。這種流動的穩定性直接轉化為液壓控制元件（特別是高精度的伺服閥）更快的響應時間和更高的精度，從而有助於軋鋼廠實現更精準的軋制公差控制 ¹。

二、傳統管件接頭在重載環境下的可靠性危機分析

推動採用冷作彎管的根本原因，是對傳統機械接頭在鋼廠等重載高壓環境下固有弱點的深刻認識。這些弱點不僅是維護成本的來源，更是潛在災難性停機的導火線。

2.1 傳統機械接頭的主要失效模式

傳統液壓配管設計中，每一次流向改變或元件連接，都需要使用彎頭、法蘭或螺紋接頭。每一個這類接頭都至少引入了兩個到三個潛在的洩漏路徑（如密封件、螺紋、接合面） ⁷。在高壓、高頻率壓力脈動的環境下，洩漏點的幾何數量成為系統可靠性的主要限制因素。

連續的機械振動和壓力循環會導致密封件（如 O 型圈）加速老化和疲勞 ⁸。一旦密封件失效或螺栓連接鬆動，系統不僅會出現流體損失，還可能導致突然的、災難性的故障 ⁹。此外，在配管材料的選擇上，必須嚴格禁止使用鍍鋅管件，因為鍍鋅層的鋅片剝落會污染液壓油，進一步損壞 O 型圈和系統內的精密密封件 ¹⁰。傳統接頭在運行過程中自身的磨損和腐蝕也會產生固體污染物，持續惡化油液品質。

傳統接頭的危害是多重且相互強化的。接頭不僅是流體洩漏的發生源，它們也是系統汙染物的生成器和外部環境汙染物進入系統的入口。當密封件在高壓下失效時，除了流體外洩，在某些工況下（例如吸油側），空氣和外部環境中的鋼廠粉塵會被吸入系統 ¹¹。這會導致泵浦發生氣穴現象（Cavitation）或加速系統內部的腐蝕和磨損 ⁸。因此，冷作彎管通過創造一個無縫、連續的流體通道，從結構上消除了絕大多數洩漏和汙染物進入的途徑，成為保障液壓油清潔度和延長精密元件壽命最有效的設計手段之一 ³。

以下表格對比了機械接頭與冷作彎管在可靠性關鍵指標上的差異。

Table 1: 機械接頭與冷作彎管的可靠性指標比較

參數	機械接頭 (彎頭/法蘭)	冷作彎管	對系統可靠性的影響
潛在洩漏點數量	高 (每次轉向 2-3 個接點) ⁷	零 (連續管路)	顯著降低流體損失與外部汙染風險
振動疲勞抗性	低 (應力集中於接頭) ⁸	高 (單一、剛性結構)	延長泵、閥門和密封件壽命 ⁹
安裝對準容錯度	低 (要求精確對準、扭矩) ⁷	高 (固定線路、剛性更佳)	減少安裝錯誤和組件磨損

2.2 振動：重載液壓系統的隱形殺手

在鋼廠這類連續、重載的應用中，振動被視為液壓系統的隱形殺手。液壓系統中的持續振動是一種破壞性力量，會導致軟管和接頭等組件疲勞，連接鬆動，並最終可能引發突然的災難性故障 ⁸。這種振動不僅會攻擊配管本身，還會影響整個系統的組件，尤其是有著緊密公差的精密部件。

振動的危害遠超結構損壞：它會損壞敏感的儀器，例如導致壓力表讀數不準確；它也會加速磨損或導致閥芯卡滯，從而影響液壓控制的精確度 ⁸。振動的產生原因多樣，包括泵浦的氣穴現象（Cavitation）或液壓流體的湍流。高流速的液體，特別是當其流經狹窄通道或經歷傳統接頭的急轉彎時，會產生高度的湍流，進而轉化為脈動和結構振動 ⁹。傳統的銳角接頭因此成為流體引發振動的主要誘因。

三、冷作彎管的技術優勢與性能提升

採用冷作彎管是實現液壓系統性能和可靠性提升的結構性基礎，其優勢涵蓋系統剛性、流體動力學優化以及振動抑制。

3.1 系統剛性與洩漏預防

冷作彎管提供了一體成型、無縫的流體傳輸路徑 ¹²。這種連續的管線結構從設計層面消除了所有傳統彎頭、三通和法蘭接頭，從而根除了數十個潛在的洩漏點 ⁷。這不僅減少了流體損失，更重要的是，它顯著提升了配管系統的整體剛性和結構完整性 ⁴。

在高壓環境下，壓力脈衝和機械應力是造成接頭失效的主要原因。在傳統設計中，這些應力集中在接頭、螺紋或密封墊上。相比之下，平滑的彎曲弧度使得工作壓力和動態載荷能夠沿著連續的管壁均勻分佈，有效降低了局部應力集中的風險，大幅提升了抗疲勞壽命 ⁷。

3.2 流體動力學優化與能耗降低

傳統的標準 90° 彎頭迫使流體突然改變方向，造成嚴重的能量損失和高程度的流體湍流。在軋鋼廠的高壓、高流速應用中，這種內部的流體紊亂會轉化為額外的壓降和系統熱量，浪費能源並降低系統效率。

採用大半徑冷作彎管（通常建議中心線半徑 R 至少為管徑 D 的 3 倍到 5 倍，即 R≧ 3D 到 5D）是流體動力學設計中的關鍵優化手段。平滑的彎曲過渡能夠最小化分離流和渦流的產生，從而大幅降低沿程阻力係數 ⁵。實證研究表明，大半徑彎管對流速和壓力的影響遠小於小半徑配件，這一差異在高雷諾數（例如 40,000 到 60,000 的湍流狀態）下尤為明顯 ⁵。

這種流體動力學的優化對於中鋼軋鋼二廠的高精度AGC系統具有直接的戰略意義。AGC系統的快速、精確控制依賴於液壓油的瞬時、穩定傳輸。降低管線內的湍流和壓降，可以直接減少流體傳輸的延遲和非線性效應，從而提高液壓執行器的動態響應速度和控制精度。這確保了系統能夠在極短時間內響應軋制公差的微小變化，是軋鋼產品精度優於國際標準的技術保障。

Table 2: 性能比較：液壓管線中的流體動力學特性

組件	主要流動特性	壓力損失係數	湍流程度	流體動力學優勢
標準 90° 彎頭接頭	突然改變方向	高 (半徑小)	高 (產生渦流/脈動) ⁹	增加泵浦負荷，易產生氣穴現象
大半徑冷作彎管 (R ≥ 3D)	平順漸進改變方向	低 (半徑大)	低 (平滑過渡) ⁵	提升系統響應速度和能源效率

3.3 振動抑制與配套安裝規範

儘管冷作彎管本身具備更優越的結構剛性，但在重載鋼廠環境中，其抗震優勢的實現必須依賴於嚴格的安裝規範。配管系統的振動是動態載荷、壓力脈動和流體湍流共同作用的結果。冷作彎管提供了堅固、剛性的配管本體，但若沒有適當的支撐，依然可能發生共振或疲勞。

因此，設計時必須整合重載型（Heavy Duty）管夾或鋼製夾具，這些夾具適用於高機械振動應用，並能確保管線和軟管的無振動佈設 ¹⁰。管夾的選擇必須考量液壓配管壓力、待支撐的重量和動態載荷 ¹⁰。更關鍵的是，必須嚴格遵守管夾間距規範，例如對於管徑在 6 至 14 mm 的管線，其間距應限制在 0.9 m 內；對於較大的管徑，如 50 至 57 mm，間距可擴展至 3.0 m ¹⁰。只有嚴格執行這些規範，才能確保冷彎管線的結構優勢能夠在實際運行中有效地將系統MTBF的增長轉化為現實。

四、冷作彎管的工程驗證與質量控制標準

冷作彎管雖然消除了接頭的洩漏風險，但同時將可靠性風險轉移到了彎曲加工工法的質量控制上。由於冷作涉及材料的塑性變形，嚴格的工程驗證和質量檢測標準是確保最終產品可靠性的關鍵。

4.1 冷作工法原理與材料要求

冷作（Cold Forming）工法是在室溫下，通過機械力對管線進行塑性變形，形成預定的彎曲形狀 ¹³。相比於需要將鋼材加熱至 850°C 到 1050°C 的熱彎（Hot Bending），冷作過程保持了鋼材原有的機械強度和冶金特性。

在材料選擇上，液壓系統必須使用具備良好延展性的無縫鋼管，例如冷拔低碳鋼或，在需要耐腐蝕的環境下，則採用不銹鋼無縫管 ¹⁰。配管在彎曲前，其內外壁必須光滑、無銹蝕、無氧化、無橢圓或不均勻現象 ¹⁰。這些是滿足高壓、高清潔度要求的基本前提。

4.2 結構完整性風險管理：橢圓度與壁厚減薄

冷作彎曲過程中，最主要的潛在缺陷是管線外側（Extrados）的壁厚減薄（Wall Thinning）和管線截面形狀的變形（橢圓度 Ovality） ¹⁴。

橢圓度是指管線截面從理想圓形變形為橢圓形的程度，計算公式為：橢圓度 (%) = (OD_max – OD_min) / OD_nominal *100 ¹⁴。過高的橢圓度會導致管內流體截面積受到限制，流速分佈不均，更為嚴重的是，它會在後續連接法蘭或接頭時，造成密封件難以可靠密封 ¹⁴。為了控制橢圓度，必須在彎曲過程中採用內部芯軸（Mandrel） ¹⁴，並確保芯軸精確定位，例如在切線點後 0.25 到0.5 倍管徑處 ¹⁴。在某些情況下，彎曲後可能還需使用整形模具將彎頭段的縱截面修整回圓形 ¹⁶。

壁厚減薄的風險在於它會降低管線的承壓能力，過度的減薄可能導致管線在極端壓力衝擊下發生局部屈服或結構疲勞失效 ¹⁵。在高壓配管規範中，驗收標準通常要求壁厚減薄不得超過公稱壁厚的 12.5%（參考 ASME B31.3 壓力管線標準）。

冷作彎管的設計必須將風險從接頭洩漏轉移到對製造工法質量的控制上。如果彎曲加工質量低劣，產生高橢圓度和嚴重壁厚減薄的彎管，其結構完整性可能低於甚至不如使用傳統的優質機械接頭的系統。因此，中鋼的現代化項目必須強制要求彎曲加工商使用高性能的彎管設備、具備精密測量能力，並執行嚴格的檢測流程。

Table 3: 冷作液壓配管的關鍵質量控制參數

參數	定義	驗收限值 (典型高壓規範)	超出限值的風險
壁厚減薄 (Wall Thinning)	外側彎曲處厚度減少量	通常 < 公稱壁厚的 12.5% (依據 ASME B31.3)	結構疲勞、局部屈服、脈動壓力下失效 ¹⁵
橢圓度 (Ovality)	截面從圓形變形為橢圓形的程度	通常 < 5% (取決於管表號 Schedule) ¹⁴	流量受限、應力集中、最終連接點密封問題 ¹⁴
最小中心線半徑 (CLR)	彎曲中心線的最小半徑	具體取決於材料和應用 (R≧3D 至 5D) ¹⁷	壁厚過度減薄、材料應變硬化、流體阻力增加

4.3 國際標準合規與非破壞性檢測 (NDT)

冷作彎管的設計和製造必須符合國際專業標準，例如參考 ASME B16.49（涵蓋熱彎和現場冷彎管件的規範） ¹⁷，以確保彎曲角度和最小半徑符合結構要求。

出廠驗收流程必須嚴格執行，以確保每件彎管的可靠性 ¹⁵：

目視檢查： 檢查彎管表面是否存在裂紋、起皺、塗層損傷或其它肉眼可見的缺陷。
尺寸測量： 準確測量和記錄彎曲半徑、彎曲角度和橢圓度，確保其符合工程圖紙和公差要求。
非破壞性檢測（NDT）： 對於軋鋼廠中的關鍵高壓液壓管線，必須採用超聲波或磁粉檢測等NDT方法，以確認實際壁厚是否在可接受的減薄範圍內，並排除內部可能存在的微裂紋 ¹⁵。

五、經濟效益與營運衝擊評估

儘管冷作彎管的初始製造成本可能高於標準接頭組合，但從系統生命週期成本（Life Cycle Cost, LCC）的角度來看，其帶來的長期經濟效益是顯而易見且具有說服力的。

5.1 生命週期成本 (LCC) 比較分析

系統可靠性的提升（即 MTBF 的增加）是降低長期運營成本的核心要素 ³。冷作彎管消除了重複性的洩漏檢測和密封件更換工作，大幅削減了年度的維護、維修和運營（MRO）成本 ³。在傳統液壓系統中，洩漏和密封失效往往是主要的維護活動。一旦採用連續的冷彎管線，這些重複性的工作將被消除。

此外，由於配管系統中彎頭、法蘭、密封墊等標準備件的需求量大幅減少，這也簡化了備件庫存的管理、倉儲需求和採購流程 ⁴。

5.2 提高生產效率與安全保障

軋鋼廠屬於連續生產的重工業環境 ¹。液壓系統的任何非計劃停機，特別是由於高壓接頭洩漏或失效引起的，都會導致巨大的生產損失。冷作彎管設計所提供的極高可靠性，是保障高設備稼動率和穩定生產節奏的直接手段。

從安全角度來看，高壓液壓系統的組件失效，尤其是接頭鬆動導致的流體噴射或組件破裂，對操作人員構成嚴重的安全威脅 ⁹。通過消除這些高風險的洩漏點，冷作彎管設計有效地提升了工廠現場的整體安全環境。

六、結論與中鋼項目實施建議

6.1 總結分析

中鋼在軋鋼二廠設備更新中，決定以冷作彎管取代傳統接頭的液壓配管設計，是一項高瞻遠矚的工程決策。這項策略是基於對系統可靠性、流體動力學性能和全生命週期成本的深入權衡。

從工程角度而言，冷作彎管為高壓液壓系統提供了一個連續、無接縫、高剛性的流體傳輸路徑。它從根本上切斷了因機械接頭引起的洩漏、外部汙染物侵入和振動疲勞等問題的因果鏈。在流體性能方面，大半徑彎管優化了油液流動，減少了湍流和壓降，這直接增強了液壓AGC系統的動態響應速度和控制精度，從而支持軋鋼廠實現其嚴苛的產品公差要求 ¹。

6.2 具體實施與品控建議

為確保冷作彎管的設計優勢得以完全實現，以下具體建議應納入中鋼項目的實施細節和驗收標準中：

實施專門的品質協議： 必須將 Table 3 中所述的關鍵質量控制參數，如橢圓度（應控制在 5% 以下）和壁厚減薄（必須小於公稱壁厚的 12.5%），納入所有冷作彎管的採購規格和最終驗收流程。必須要求加工商提供完整的尺寸測量和NDT報告 ¹⁵。
配管安裝的剛性保障： 必須嚴格執行液壓系統管夾安裝規範。在鋼廠高振動環境下，應優先採用重載型或鋼製夾具，並嚴格遵守間距指南（例如 6–14 mm 管徑的管夾間距為 0.9 m ¹⁰，以確保冷彎管線的結構優勢能夠持續有效抑制高頻振動。
設計優化原則： 在配管設計過程中，應充分利用佈局空間，在不影響結構的前提下，盡可能最大化彎曲半徑（CLR），以最大限度地利用流體動力學優勢，進一步減少阻力 ⁵。
系統級清潔度控制： 儘管管線結構優化降低了內部汙染物的生成，但必須同步加強對液壓油的儲存和添加過程的清潔度控制，確保液壓油在進入系統之前即達到高潔淨度要求 ¹¹。這將確保系統從外部和內部都能維持最佳的運作狀態。

參考文獻

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CN214184664U – 一种冷弯成型两端带直管段弯管的整形工装 – Google Patents, https://patents.google.com/patent/CN214184664U/zh
Differences Between Hot Bend & Cold Bend – ASME B16.49 – YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=txNBUT8g9g4

一、 摘要與策略必要性