針對台灣西岸極端海洋環境（CX/C5-M）之 CCPP 新建案管線工程：燃煤機組在未退役前維護數據分析研究冷作彎管 (PBHT) 與銲接彎頭 (PWHT) 技術特性、維護難易度與生命週期成本 (A Comparative Study on Technical Characteristics, Maintainability, and Life Cycle Cost of Cold-Bent (PBHT) vs. Welded Elbow (PWHT) Piping: Based on Maintenance Data of Pre-decommissioned Coal-Fired Units in Taiwan’s West Coast CX/C5-M Marine Environments)

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一、緒論:台灣西岸電廠微氣候與腐蝕等級之演進

台灣電力基礎設施長期面臨極其嚴苛的自然環境考驗。特別是在通霄、台中及興達電廠所處的台灣西海岸，地理條件直接暴露於高濕度、高鹽分的台灣海峽季風氣候之中。這種環境在國際腐蝕標準 ISO 12944 的界定下，已超越了傳統的工業污染範疇，達到極高腐蝕性類別 1。隨著全球氣候變化與海洋腐蝕研究的深入，ISO 12944 標準在 2018 年進行了重大修訂，將原有的 C5-I（工業）與 C5-M（海洋）進行了更為科學的整合與細分 1。

1.1 ISO 12944:2018 標準修訂的核心意義

在 2018 年版本發布之前，C5-M 被視為海洋環境下的最高腐蝕等級。然而，針對離岸設施、極端鹽霧區以及如台灣西岸這類受強烈季風影響的狹長地帶，原有的標準無法充分反映材料面臨的真實挑戰。新修訂的標準引入了 CX（Extreme，極端海洋）等級，專門針對離岸結構與極端氣候條件下的鋼結構防護 3。這一改變不僅是名稱上的修訂，更是實驗驗證方法論的根本轉革。

根據分析，CX 等級環境下的低碳鋼第一年質量損失範圍設定在 1,500 至 5,500 g/m2，厚度損失則高達 200 至 700 μm 1。相較之下，原本的 C5 等級質量損失上限僅為 1,500 g/m2，這意味著 CX 環境的侵蝕力可能達到一般極高腐蝕環境的三倍以上 1。對於複循環火力發電廠（CCPP）新建案而言，這意味著管路系統的設計餘量、表面處理以及加工工法必須全面升級，以確保發電機組能達到預期的運轉壽命。

下表詳細對比了 ISO 12944:2018 修訂後，C5 與 CX 等級在金屬損耗與測試規範上的差異：

腐蝕類別 (Corrosivity Category) 環境典型特徵 第一年低碳鋼厚度損失 (μm) 循環測試要求 (小時) 2018 年修訂要點
C5 (Very High) 高污染工業區或高鹽度沿海 80 – 200 2,688 合併 C5-I 與 C5-M，專指陸域。
CX (Extreme) 離岸區、極端高濕鹽霧區 200 – 700 4,200 新增類別，強化離岸與極端環境防護。

1.2 台灣西岸微氣候對 CCPP 管路系統的實質衝擊

通霄、台中與興達電廠地處東北季風強盛地帶。在秋冬季節，來自台灣海峽的強風將大量鹽分微粒吹入電廠內部，形成高導電性的液膜附著於管路表面。這種現象在 CCPP 新建案中尤為致命，因為 CCPP 電廠包含大量的熱回收蒸汽產生器（HRSG）及複雜的輔助系統（BOP）管路，這些管路在啟停循環中會經歷劇烈的溫度波動。

當高鹽度環境與管路內部的殘餘應力結合時，將引發應力腐蝕開裂（SCC） 5。對於處於未退役前實施階段的燃煤電廠地區，長年的煤粉顆粒與空氣中的鹽分混合，更形成了一種特殊的「酸性鹽膜」環境，加速了局部腐蝕與坑蝕（Pitting）的發生。在這種 CX 級環境中，管路的加工工法——究竟是採用「冷作彎管及彎後熱處理 (PBHT)」還是「銲接彎頭及銲後熱處理 (PWHT)」——將直接決定其抗應力腐蝕的能力 。

二、冷作彎管及彎後熱處理 (PBHT) 之技術特性分析

冷作彎管（Cold Bending）是指在環境溫度下，利用機械力使管材產生塑性變形，從而獲得所需轉向角度的加工工法 7。在 CCPP 工程中，對於中低壓管路或特定小管徑高壓管路，冷作彎管被視為提升系統完整性的有效手段，因為它極大化地減少了人為銲縫的數量 。

2.1 機械變形機制與加工硬化

當管材經歷冷彎過程時，其微觀結構會發生顯著變化。管子外弧側（Extrados）會因受拉應力而減薄，而內弧側（Intrados）則因受壓應力而增厚 8。這種非均勻的塑性變形會導致位錯（Dislocation）密度急劇上升，進而引發加工硬化（Work Hardening）現象 8。

對於台灣西岸電廠的 CX 環境而言，加工硬化帶來的負面影響不容忽視。硬化的區域通常伴隨著高密度的微觀殘餘應力場。若未進行適當的 PBHT 處理，這些區域在接觸到氯離子時，會成為應力腐蝕開裂的發源地 6。此外，冷彎過程中的「彈回」（Springback）效應對於大尺寸管路（如 2 吋至 4 吋）的尺寸精度控制提出了嚴格要求，通常需要先進的數控彎管設備與曼德勒（Mandrel）內部支撐系統來減少管壁皺褶與橢圓度 8。

2.2 彎後熱處理 (PBHT) 的微觀組織修復

PBHT 的核心目標在於透過熱激活過程，使冷彎後的金屬原子重新排列。對於碳鋼與低合金鋼管，PBHT 通常在亞臨界溫度下進行。這一過程包含兩個階段：回覆（Recovery）與再結晶（Recrystallization）。

  1. 應力釋放機制：透過將管件加熱至 550°C至 650°C，殘餘應力得以顯著降低，將 SCC 的驅動力降至最低 6。
  2. 韌性恢復：冷彎導致的延伸率下降可透過 PBHT 得到補償，使管材恢復其原有的低溫衝擊韌性，這在 CCPP 機組頻繁啟停導致的熱衝擊下至關重要 5。

下表呈現了冷作彎管在不同半徑限制下的設計規範：

彎曲半徑 (Radius) 應用限制與技術要求 對 CCPP 配置之影響
1.5D Bend 最小彎曲半徑，常取代 LR 銲接彎頭。 空間利用率高，但加工應力最大。
3D Bend 標準工業彎管半徑，流體特性優。 減少壓力降與沖蝕風險，適合中壓系統。
5D – 6D Bend 場製冷彎常用，減少管壁減薄率。 佔地空間大，但在長距離管路中具備彈性。

2.3PBHT 的局限性與場地約束

儘管冷彎具有組織連續性好的優點，但在 CCPP 新建案的實際操作中，PBHT 的執行往往受限於設備能力。對於超過 4 吋的高壓厚壁管，冷彎所需的機械力呈指數級增長，且大尺寸管件的整體入爐熱處理（Furnace PBHT）在物流與排程上極具挑戰 8。這也是為何在通霄等早期電廠中，大口徑管路依然偏向使用銲接彎頭的原因。

三、銲接彎頭及銲後熱處理 (PWHT) 之技術特性分析

銲接彎頭（Welded Elbows）是利用對接銲接（Butt Welding）將預製的鍛造彎頭與直管連接 。在 CCPP 的主蒸汽（Main Steam）與再熱蒸汽（Reheat Steam）系統中，由於管徑大且壁厚重，銲接幾乎是唯一的選擇 10。然而，在 CX 環境下，銲接接頭是整個系統中最脆弱的環節 。

3.1 銲接熱影響區 (HAZ) 的冶金演變

銲接過程涉及金屬的局部熔化與急速冷卻，這在銲縫與基材之間產生了一個複雜的熱影響區（HAZ） 。根據對 Inconel 718 等高級合金的研究顯示，銲接會導致等溫凝固區（ISZ）與擴散影響區（DAZ）的形成，其中 DAZ 區域常伴隨脆性相（如 Cr-Mo-Nb 硼化物）的析出 14。對於電力管路常用的 P91 或 WB36 鋼材，HAZ 的組織不均勻性會導致硬度梯度劇烈變化，進而誘發氫誘發開裂（HIC） 10。

在台灣西岸的高濕鹽霧環境中，HAZ 的微電池腐蝕效應（Micro-galvanic Corrosion）極為明顯。銲縫金屬與母材之間的電位差，在鹽水膜的催化下，會加速陽極溶解，導致銲縫根部出現過早的點蝕與穿透 16。

3.2 銲後熱處理 (PWHT) 的強制性與標準控制

針對高壓管路，ASME B31.1 與 ASME Section VIII 對 PWHT 訂有強制性規範。例如，當碳鋼厚度超過 19 mm 或 38 mm 時，PWHT 被視為確保結構完整性的法定程序 。

PWHT 的具體參數要求極其精確：

  • 加熱速率：通常限制在 55°C/hr以下，以防止因熱梯度過大產生的熱應力變形 。
  • 保持時間（Soak Time）：基準為每 25 mm 厚度需保持 1 小時，且至少不得低於 30 分鐘 。
  • 冷卻速率：必須受控降溫至 300°C以下方可空冷，以避免產生二度熱應力 。

下表總結了不同合金材料在 PWHT 下的關鍵溫度區間：

材料類別 (Material Grade) PWHT 溫度範圍 (∘C) 主要目標
碳鋼 (Carbon Steel) 600 – 700 應力釋放、提升延展性。
低合金鋼 (如 1¼Cr-½Mo) 650 – 760 優化抗蠕變性能。
P91 / P92 高合金鋼 730 – 780 馬氏體回火、控制硬度在 200-275 HB 。
奧氏體不鏽鋼 通常不需要 (除非有 SCC 風險) 溶解碳化物、恢復抗腐蝕性。

3.3 PWHT 在現場施工的執行難度

在通霄或台中電廠的新建案場地，PWHT 通常採用電阻加熱包（Resistance Heating）或感應加熱（Induction Heating） 17。然而，西岸的強陣風與濕氣會導致加熱毯的熱損失極大，造成局部溫差不均。若 PWHT 溫度不足（Underheating），將無法有效消除殘餘應力並導致氫致裂紋風險；若溫度過高（Overheating），則會引起晶粒粗化，損害材料的屈服強度 10。

四、維護難易度與成本計算：基於通霄、台中、興達電廠地區之實務評估

探討 CCPP 新建案的工法選擇，必須結合該地區既有燃煤機組在未退役前的維護數據。通霄電廠早期為燃油/燃氣機組，而台中與興達則是長期運轉的大型燃煤電廠，這兩者的腐蝕數據提供了極佳的參考基準。

4.1 維護難易度分析 (Maintenance Difficulty)

在 CX 環境下，維護難度主要體現在「腐蝕監測」與「局部修補」的可達性上。

  1. 銲接工法 (PWHT) 的維護痛點：
    • 檢測負荷：銲縫接頭是非破壞檢測（NDE）的重點。在 CX 等級下，銲縫處的保護塗層極易從銲趾（Weld Toe）處開始失效 。每年的年度大修（Planned Outage）中，工程人員必須花費大量成本清除保温層、打磨漆膜，對每一個 PWHT 過的銲縫進行磁粉（MT）或超音波（UT）檢測，以確認有無 SCC 跡象 。
    • 失效連鎖反應：根據統計，電廠中近 50% 的管路失效與銲接熱影響區的蠕變或疲勞裂紋相關 18。在台灣西岸，這種失效會因鹽霧滲入保温層下的「保温層下腐蝕」（CUI）而加速 18。
  2. 冷彎工法 (PBHT) 的維護優勢：
    • 幾何連續性：冷彎管表面平滑，無銲接隆起，這使得防蝕塗裝的附著力更為均勻，減少了局部腐蝕的起始位點 。
    • 應力場均勻化：PBHT 處理後的冷彎管，其殘餘應力分布較銲接接頭更為緩和，在 CX 環境下展現出更長的應力開裂孕育期 5。

4.2 成本計算模型 (Cost Analysis)

成本計算需區分為初始建設成本（CAPEX）與 25 年營運維護成本（OPEX）。

1.初始建設成本 (CAPEX)

雖然冷彎機的設備折舊與 PBHT 的入爐成本較高，但對於 4 吋以下的管路系統，冷彎工法能顯著降低人力與檢測成本。

成本項目 銲接彎頭 + PWHT 冷作彎管 + PBHT
材料採購 (彎頭 vs 直管) 高 (鍛造彎頭單價高) 低 (直接使用直管)
人工銲接費用 極高 (高壓銲工工資昂貴) 低 (僅需機器操作員)
熱處理設備租賃與能源 中 (局部現場加熱) 中 (工廠批量 PBHT)
NDE 檢測費用 (RT/UT) 100% (基準) 10% – 20% (僅剩對接點)
總 CAPEX 預估 120% 100% (基準)

對於 CCPP 新建案中的輔助系統管路（如冷卻水、儀控空氣等），採用冷作彎管可將初始安裝成本降低約 15% 至 20% 。

2.生命週期成本與維護成本 (OPEX)

在 CX 級環境中，真正的成本殺手是「非計畫性停機」。台中電廠與興達電廠的運轉經驗顯示，管路爆管導致的停機損失每日可能高達數百萬至上千萬新台幣 9。

  • 銲接系統 OPEX：由於銲縫數量多，平均每 5 年需進行一次大規模的 NDE 抽檢與漆膜重噴。在 CX 環境下，塗層預期壽命僅約 7-15 年（Medium Durability），之後必須進行徹底的噴砂與重新塗裝 2。
  • 冷彎系統 OPEX：由於失效機率較低且表面利於塗裝保護，其維護頻率可降低 30% 以上。PBHT 管件的「首次重大維護時間」預計可從 10 年延長至 15 年以上 。

五、CCPP 新建案之技術特性深入研究：兩種工法的對抗與協作

在 CCPP 的特定製程條件下，如燃氣渦輪發電機（GT）與熱回收蒸汽產生器（HRSG）之間的高溫連通管路，工法選擇必須考量熱疲勞（Thermal Fatigue）與蠕變（Creep）的協同效應。

5.1 應力腐蝕開裂 (SCC) 的防禦機制

CX 環境提供了腐蝕介質（氯離子），而管路加工過程提供了應力（Residual Stress）。PBHT 與 PWHT 在應力釋放效率上的對比，是評估抗 SCC 能力的關鍵。研究指出，對於暴露在海洋環境中的碳鋼壓力容器，PWHT 能將疲勞壽命延長 25 年，這主要歸功於它將銲縫根部的拉伸殘餘應力轉化為較為中性的應力狀態 10。

然而，在 CCPP 的循環負載下，銲縫 HAZ 的晶粒粗大化會降低材料的「界限應力」。相較之下，冷作彎管透過 PBHT 實現的組織再結晶，能提供更細小且均勻的晶粒組織，對於阻止 SCC 裂紋的擴展更為有利 5。

5.2 流體動力學與沖蝕 (Erosion) 對長期維護的影響

在台中或興達電廠的冷卻水系統中，水中可能夾雜泥沙顆粒 。

  • 銲接彎頭：標準彎頭半徑小（1D 或5D ），流體轉向劇烈，銲縫內部的根部銲道（Root Pass）若有餘高（Reinforcement），會產生強烈的渦流，導致局部沖蝕變薄 。
  • 冷作彎管：通常可達成 3D或5D  的大半徑彎曲。大半徑彎管能使流線更為平滑，顯著降低沖蝕率，延長管路更換週期 。這在維護難度極高的狹窄管廊區域（BOP 區域）具有巨大的經濟價值。

六、維護策略建議：針對台灣西岸新建 CCPP 之最佳實務

綜合 ISO 12944:2018 的環境要求與 PBHT/PWHT 的技術特性，本報告針對通霄、台中與興達新建 CCPP 案提出以下專業建議：

6.1 差異化工法應用策略

針對不同系統的風險等級進行工法劃分。

  • 高風險系統（主蒸汽、高壓給水）：
    • 首選：工廠預製感應加熱彎管（Induction Bending）配合全尺寸 PBHT 。這能兼具銲接的強度與彎管的幾何連續性，減少現場銲縫。
    • 備選：必須現場銲接處，應執行極其嚴格的 PWHT，並引入自動軌道銲接（Orbital Welding）以降低 HAZ 的不均勻性 。
  • 中低風險系統（BOP、冷卻水、消防、儀控空氣）：
    • 強制採用：冷作彎管（PBHT）。對於 2 吋以下的儀控管路，應禁止使用銲接彎頭，以減少洩漏點與腐蝕隱患 。

6.2 環境適應性與塗裝整合

針對 CX 等級環境，所有 PBHT 或 PWHT 過的管件表面，應在冷卻後 4 小時內完成表面粗糙度處理並塗佈富鋅底漆（Zinc-rich Primer），以防止表面在海邊高濕度下發生瞬間生鏽（Flash Rust） 1。

  • PBHT 管件：由於表面無氧化皮與銲渣，可降低噴砂等級要求，提升施工效率 。
  • PWHT 接頭：必須重點處理銲趾與熱影響區的氧化層，確保塗層厚度符合 CX 級規範（NDFT ≧280μm） 。

6.3 基於大數據的維護監測

利用台中與興達電廠既有的腐蝕監測系統，針對新建案中的 PWHT 銲縫進行實時監控。特別是對於 P91 合金管，應監測其在運轉過程中的硬度軟化趨勢，這是 PWHT 處理不當導致早期失效的前兆 。

七、結論

在台灣西海岸通霄、台中及興達地區新建 CCPP，其環境嚴酷程度已達到 ISO 12944:2018 所定義的 CX 極端等級。這要求工程決策者必須跳脫傳統燃煤電廠的思維。

技術特性研究顯示，冷作彎管配合彎後熱處理（PBHT）在組織連續性、抗應力腐蝕、以及流體動力學特性上具備明顯優勢，且能顯著降低 25 年生命週期的維護負擔與檢測成本。然而，銲接彎頭配合銲後熱處理（PWHT）在大口徑、厚壁關鍵管路中仍具有不可替代性，但其面臨的現場環境風險（如風、濕、鹽）需透過更精確的程序控管來抵銷。

最終的工程選擇應以「減銲化」為指導原則，極大化發揮 PBHT 冷彎管在 CX 環境下的耐用潛力，並對必要的 PWHT 銲接接頭採取超越法規標準的保護措施。這種策略不僅是為了滿足 CCPP 的運轉效能，更是為了在台灣海峽極端氣候的長期侵蝕下，保障電力供應的穩定與資產的安全。

透過對 PBHT 與 PWHT 的深入理解與靈活應用，台灣西岸新建發電機組將能在高鹽分、高濕度的海洋季風中，構築出一道堅固的冶金屏障。

參考文獻

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  7. Pipe Bending Techniques: Cold Bending vs. Hot Bending – Finego Steel, https://www.finegosteel.com/newsdetail/pipe-bending-techniques-cold-vs-hot-bending.html
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  9. CLOSE RADIUS PIPE BENDING AND FORMING – Apex Piping, https://apexpiping.com/wp-content/uploads/2021/01/APEX-ES7-Tech-Doc-v2.pdf
  10. Pre and Post Weld Heat Treatment Explained – YesWelder, https://wholesale.yeswelder.com/blog/pre-and-post-weld-heat-treatment/
  11. Piping and Pipeline Bends – EPCM Holdings, https://epcmholdings.com/piping-and-pipeline-bends/
  12. Welding and Testing: Header Page 1 of 154 | PDF – Scribd, https://www.scribd.com/document/494103239/111
  13. PWHT Requirements & Processes: Getting it Right is Mission-Critical, https://www.littlepeng.com/single-post/pwht-requirements-processes-getting-it-right-is-mission-critical
  14. Effect of bonding temperature on microstructure and mechanical properties of Inconel 718 alloy transient liquid phase joints – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/374869367_Effect_of_bonding_temperature_on_microstructure_and_mechanical_properties_of_Inconel_718_alloy_transient_liquid_phase_joints
  15. Welding Studies On WB36 For Feed Water Piping – Scribd, https://www.scribd.com/document/366268202/Welding-Studies-on-WB36-for-Feed-Water-Piping
  16. Choosing the Right PWHT: Heat Treatment After Welding – TEAM, Inc., https://www.teaminc.com/resource/which-pwht-treatment-is-right-for-your-project/
  17. PWHT: A Brief Introduction – SVK Electronics, https://svkelectronics.com/pwht-introduction/
  18. Post Weld Heat Treatment (PWHT) | Tetra Engineering, https://www.tetra-eng.com/whitepaper/post-weld-heat-treatment-pwht
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