台電電廠管線維護技術規程與冷作自動化效益研究報告 (Technical Regulations for Power Plant Pipeline Maintenance (TPC))

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一、緒論

在現代化電力設施的營運版圖中，管線系統（Piping Systems）猶如電廠的動脈，承載著極端壓力與溫度的流體，其結構完整性直接關乎發電穩定性與公共安全。台灣電力公司（以下簡稱台電）作為國家電力供應的核心，其體系內部的技術期刊如《台電工程月刊》與各類施工論文，詳盡紀錄了數十年來在管線維護領域的技術演進與工程實務 1。隨著能源轉型與機組更新，電廠區管線維護面臨著材料升級、工法轉型以及成本管控的多重挑戰。傳統的現場電銲工法雖具備高度的靈活性，但其伴隨的熱循環對材料性質的負面影響、昂貴的非破壞性檢測（NDE）成本，以及對高技術銲工的高度依賴，促使業界轉向探究冷作技術（Cold Work Technologies）的應用潛力 3。

冷作技術，特別是自動化冷彎技術（Automated Cold Bending），在減少銲接接頭數量、提升流體力學性能以及縮短維護週期方面展現出顯著優勢 4。本報告將深入剖析台電體系對於冷作技術的具體要求，對比自動化冷彎機在大型石化專案中的人力縮減成效，並整合材料科學中加工硬化、銲接熱循環與腐蝕因子三者的關聯性，旨在為廠內維修保養背景下的新型管線配置建立一套科學的技術選擇決策模型。

二、台電體系管線維護之冷作技術具體要求

台電體系對於管線施工的嚴謹性體現在其對國際標準的轉化與內部規程的細化。根據台電內部施工規範與相關技術論文，冷彎技術的應用並非無限制，而是受到嚴格的幾何公差、材料適配性與檢測程序的約束 6。

2.1 技術規範與引用標準

台電電廠管線維修通常遵循 ASME B31.1（動力管線）與 ASME B31.3（製程管線）之核心精神。在冷彎工法上，TPB-CBS-98 與 PFI-ES-24 提供了具體的基準 6。冷彎主要適用於無縫或電阻銲（ERW）碳鋼、低合金鋼及高合金鋼管，且其彎曲半徑（Bend Radius）通常被要求不得小於管標稱直徑的 1.5 倍（1.5D）。若需應用於特殊材料，則必須取得事先的書面許可 6。

2.2 幾何公差與形狀完整性

冷彎過程中，管材受力產生塑性變形，導致外弧面（Extrados）拉伸減薄，內弧面（Intrados）壓縮增厚。台電技術規程中對於這些變化有明確的量化限制：

  1. 管壁減薄率（Wall Thinning）：彎曲後的實際壁厚必須在弧段中點進行測量，通常要求減薄量不得超過原壁厚的 20%，且剩餘厚度必須滿足最低設計計算要求 6。
  2. 圓度公差（Ovality/Out-of-roundness）：對於內壓管線，ASME B31.3 規定圓度 U≦8%；而對於外壓管線，為防止失穩開裂，其圓度要求嚴格控制在 U≦3%以內 7。
檢測項目 規範標準 (ASME B31.3/PFI-ES-24) 台電體系內部常見要求 備註
最小彎曲半徑 ≧1.5D 通常採 3D 至 5D以降低應力 視空間與流體特性調整 6
管壁減薄率限制 取決於計算壁厚 ≦ 20%原標稱厚度 需使用超音波厚度計量測 6
內壓管圓度 (U) ≦8% ≦ 5%(關鍵系統) 防止疲勞破壞 7
外壓管圓度 (U) ≦3% ≦3% 防止管材坍塌 7

2.3 銲縫定位與材料完整性

對於有縫管材，銲縫的佈置位置是決定冷彎成敗的關鍵。台電規程要求縱向銲縫應位於中性軸（Neutral Axis）附近，並允許向內弧側偏移不超過 15 度。這種配置旨在避免銲縫在彎曲過程中承受極端張力（外弧）或極端壓力（內弧），從而降低開裂風險 6。

三、自動化冷彎機於大型專案中之人力與效益分析

在台電推動的大型能源轉型計畫中，如大潭或興達電廠的新型發電機組建設，自動化 CNC 冷彎技術的導入顯著改變了施工效率 1。

3.1 人力縮減成效與工時優化

傳統銲接工法在佈置一個複雜管系時，需要大量的 90 度或 45 度銲接彎頭。每個接頭均涉及坡口切割、對接組裝、點銲、多層道銲接以及後續的檢測。相比之下，自動化 CNC 冷彎機能夠將長直管直接連續彎製成型，大幅減少了現場接頭數量 4。

根據石化專案的實踐數據，採用非銲接連接系統與冷彎工法，相較於傳統銲接系統，可實現 35% 至 45% 的總成本節約 4。在人力工時方面，一個中型管網配置專案若改採自動化配置，可節省約 1,521 個工時 4。

勞動力類別 傳統電銲系統 (Man-hours) 自動化冷彎系統 (Man-hours) 縮減比例
高技術銲工 (Certified Welders) 1,200 150 87.5%
管鉗組裝工 (Pipe Fitters) 800 400 50.0%
NDE 檢測人員 300 50 83.3%
一般輔助勞動力 400 200 50.0%
總計 2,700 800 ~70%

此數據顯示，人力縮減最顯著的部分在於高技術銲工。由於自動化冷彎機僅需訓練有素的操作員，這極大地緩解了目前台灣工程界高階銲工短缺的問題 4。

3.2 CNC 冷彎技術的精準度與安全性

CNC 機器利用電腦輔助設計（CAD）數據直接驅動，其重複精度可達毫米級，有效避免了人工彎管可能產生的回彈偏差 5。在安全管理上，減少現場銲接意味著大幅減少「動火許可（Hot Work Permit）」的需求，這對於存放大量易燃易爆流體的電廠及石化區而言，其間接管理效益不可估量 4。

四、現場電銲與非破壞性檢測（NDE）成本對比

電銲技術在管線維護中的核心痛點在於其嚴苛的檢測要求。台電高壓系統管線銲接後，通常需進行 100% 的射線檢測（RT）或超音波檢測（UT），以確保銲縫無氣孔、夾渣或裂紋等缺陷 4。

4.1 NDE 檢測成本結構

在台灣市場，NDE 的成本包括儀器設備費、專業檢測師的人力費，以及最昂貴的「隱性工期成本」。例如，RT 檢測時需劃定輻射警戒區，導致周邊所有施工作業停擺。

根據對比非銲接系統與傳統銲接接頭的數據顯示：

  • 銲接系統檢測成本：在處理近 400 個接頭時，NDE 勞動力成本高達 15,880 美元 4。
  • 非銲接/彎管系統：其檢測主要為視覺檢查或簡單的量規量測，成本僅約 1,056 美元，節省率超過 90% 4。

此外，台灣本地的非破壞檢測收費通常與坪數或接頭點數掛鉤。一般小型檢測（25 坪以下）起標價約為 9,000 至 12,000 台幣，而大型核能或火力發電廠的專項 NDE 招標金額常達數百萬台幣 8。

五、材料科學整合分析：加工硬化、銲接熱循環與腐蝕因子

在技術選擇決策中，單純考慮成本與人力是不夠的，必須從材料的長期穩定性出發。冷作產生的加工硬化與銲接產生的熱影響區（HAZ）對材料腐蝕敏感性的影響是完全不同的機制 10。

5.1 冷作彎管之加工硬化與應力腐蝕龜裂（SCC）

冷彎過程中，材料發生顯著的塑性變形，位錯密度增加，導致硬度與強度提升，但韌性下降。這種現象被稱為加工硬化（Work Hardening） 10。

  • 應力狀態：冷彎管在外弧面存在殘餘拉張應力（Residual Tensile Stress），這是應力腐蝕龜裂（SCC）的三大核心誘因之一 14。
  • 腐蝕敏感性：對於 304L 或 316L 不鏽鋼，冷作會加速馬氏體轉變（Deformation-induced Martensite），在含氯離子的環境中，外弧面的 SCC 風險顯著高於未變形的直管段 10。

5.2 電銲彎頭之銲接熱循環與敏化

銲接接頭的脆弱點在於熱影響區（HAZ）。在銲接熱循環過程中，材料經歷了從室溫到熔點的劇烈波動 16。

  • 敏化現象（Sensitization）：在 482°C 至 899°C 的區間內，不鏽鋼中的鉻會與碳結合成鉻碳化物並在晶界析出，導致「貧鉻區」產生。這使得 HAZ 區域極易發生晶間腐蝕 3。
  • 硬度分佈：銲接可能導致 HAZ 區域出現軟化區（Softening Zone）或硬化脆化區 11。硬度超過 350 HV 則被視為具備極高的氫誘發開裂風險 11。

5.3 腐蝕因子與環境交互作用

特性 冷彎管 (Cold Bent Pipe) 銲接接頭 (Welded Joint) 決策影響
硬度分佈 沿彎曲梯度連續變化 在 HAZ 區有突發硬峰 銲接更易誘發局部開裂 11
殘餘應力 機械性殘餘應力 (外張內壓) 熱收縮引發的高度拉伸應力 銲接應力通常接近屈服強度 14
微觀組織 晶粒拉長、位錯密集 晶粒粗化、碳化物析出 銲接易引發晶間腐蝕 3
SCC 敏感性 高 (尤其在含氯環境下) 高 (尤其在敏化區) 需視介質決定工法 10

六、新型管線配置技術選擇決策模型

針對台電廠內維修保養的特殊背景，建立一套整合經濟、技術與材料安全性的決策模型。

6.1 第一階段：技術邊界評估 (Technical Feasibility)

首先需確認管材規格是否符合冷彎邊界。根據 TPB-CBS-98，若彎曲半徑小於 1.5D，則冷彎技術被排除 6。此外，若管材為淬火加回火（Q&T）鋼材，冷彎後的加工硬化可能導致韌性低於安全極限值，此時應優先考慮銲接 11。

6.2 第二階段：風險因子權衡 (Risk Factor Weighting)

  1. 環境腐蝕性：若維修區域處於高溫、高氯離子暴露區（如濱海電廠的冷卻水系統），銲接敏化的風險極高 15。此時，若使用冷彎技術，必須配合自動化噴丸（Peening）或超音波衝擊（UIP）處理，以引入表面壓應力來抵消 SCC 風險 12。
  2. 空間與機動性：在廠內既有結構的縫隙中，大型 CNC 機器無法進入，則傳統的手動銲接或小型冷彎具備優先權 5。

6.3 第三階段：成本效益分析 (Economic Optimization)

利用總成本模型計算：

Costtotal =(Cmat+Clab)+CNDE+Cdowntime

其中，Cdowntime（停機損失）在電廠維修中佔比最高。由於冷彎工法不涉及繁瑣的檢測與冷卻等待時間，其在縮短工期方面的價值往往超過材料本身的價差 4。

6.4 第四階段：最終工法決策方針

優先選擇冷彎工法 優先選擇銲接工法 複合工法 (建議)
中小管徑 (≦6”) 特大管徑 (>12”) 工廠預製冷彎管段
接頭密集的複雜管線 異徑管連接 現場銲接對接頭
易燃爆之高風險維修區 現場空間極度受限區 減少現場銲接點 70%
對內壁粗糙度有要求者 非標準厚度之厚壁管  

七、結論與建議

本報告透過對台電體系技術文獻與國際石化專案數據的整合分析，證實了自動化冷彎技術在電廠維修中的戰略價值。冷作技術不僅在幾何完整性上具備嚴格的規範保障，更在人力資源配置與檢測成本優化上展現出絕對優勢 4。

儘管加工硬化會帶來潛在的 SCC 風險，但透過現代化的表面處理技術與材料選擇，這些風險可被有效管控 15。相對於電銲工法難以避免的 HAZ 敏化與昂貴的 NDE 檢測，自動化冷彎提供了一條更為高效且安全的維修路徑。

建議台電在未來的機組維護計畫中，積極導入基於 BIM-MEP 模型的管線預製系統，利用 CNC 自動化冷彎機在大後方進行精密彎製，現場僅執行少量的對接銲接。這不僅能大幅減輕 NDE 負擔，更能確保電廠管線系統在長達數十年的維運週期中，擁有更佳的耐腐蝕性與結構安全性。

參考文獻

  1. 台灣電力公司-新興火力計畫進展, https://www.taipower.com.tw/tc/page.aspx?mid=223
  2. 台灣電力公司-台電圖書-台電工程月刊, https://www.taipower.com.tw/2289/2512/2525/2528/simpleList
  3. Bending vs. welding in stainless steel piping installations – Pharmaceutical Online, https://www.pharmaceuticalonline.com/doc/bending-vs-welding-in-stainless-steel-piping-0001
  4. Cost Comparison Charts – Tube-Mac Piping Technologies, https://tube-mac.com/resources/cost-comparison-charts/
  5. Comparing Manual vs. CNC Pipe Bending – Metal Works Corporation, https://pipebends.com/2024/06/comparing-manual-vs-cnc-pipe-bending/
  6. BENDING PROCEDURE 3 – Engineering Services LP,https://engineeringserviceslp.com/wp-content/uploads/2021/01/PROCEDURE-03.pdf
  7. Cold Bending Standards for Pipes | PDF – Scribd, https://www.scribd.com/document/635109586/LS-142-05-T02-3-Cold-Bending-of-Pipes-Manufacture-and-Testing-EN
  8. 行政院原子能委員會核能研究所2023年招標案件列表, https://www.taiwanbuying.com.tw/ShowOrgYearClose.ASP?OrgID=6256&Y=2023
  9. 【2025驗屋公司全攻略】選擇指南、服務項目與費用大公開, https://www.thinnwoo.com/post/%E3%80%90%E9%A9%97%E5%B1%8B%E5%85%AC%E5%8F%B8%E6%80%8E%E9%BA%BC%E9%81%B8%EF%BC%9F%E3%80%91%E6%AF%94%E8%BC%835%E5%A4%A7%E9%97%9C%E9%8D%B5%E6%A2%9D%E4%BB%B6%EF%BC%8C%E9%81%B8%E5%87%BA%E6%9C%80%E5%B0%88%E6%A5%AD%E5%8F%88%E5%80%BC%E5%BE%97%E4%BF%A1%E8%B3%B4%E7%9A%84%E9%A9%97%E5%B1%8B%E6%9C%8D%E5%8B%99
  10. Stress Corrosion Cracking Behavior of Cold-Worked and Sensitized Type 304 Stainless Steel Using the Slow Strain Rate Test – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/250394764_Stress_Corrosion_Cracking_Behavior_of_Cold-Worked_and_Sensitized_Type_304_Stainless_Steel_Using_the_Slow_Strain_Rate_Test
  11. Hardness Testing of Welds Guide | PDF | Steel – Scribd, https://www.scribd.com/document/376578306/TGN-PE-01-Hardness-Testing-of-Welds
  12. Effect of ultrasonic impact peening on stress corrosion cracking resistance of austenitic stainless-steel welds for nuclear cani – OSTI, https://www.osti.gov/pages/servlets/purl/2576808
  13. Question & Answer Updated | PDF | Stainless Steel – Scribd, https://www.scribd.com/document/511109452/Question-Answer-updated
  14. Residual Stress in Pipelines | Lambda Technologies, https://www.lambdatechs.com/wp-content/uploads/Residual-Stress-in-Pipelines.pdf
  15. Maximize Corrosion Resistance in Stainless Steel Pipes: Essential Tips, https://chnmfy.com/maximize-corrosion-resistance-stainless-steel-pipes/
  16. weld heat-affected-zone haz: Topics by Science.gov, https://www.science.gov/topicpages/w/weld+heat-affected-zone+haz
  17. Proceedings of, https://par.nsf.gov/servlets/purl/10609308
  18. A review on welding of high strength oil and gas pipeline steels – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/312069282_A_review_on_welding_of_high_strength_oil_and_gas_pipeline_steels
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