三菱電力發電廠管線配置冷作技術與自動化生產效益分析研究 (Research on Cold Working Technology and Automation Production Efficiency of Piping Layout in Mitsubishi Power Plants)

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一、前言

在當前全球能源轉型與高效率發電技術開發的背景下，電力基礎設施的建設品質與維護效率成為核心競爭力。三菱電力集團（Mitsubishi Power），作為三菱重工（MHI）旗下的核心事業體，在先進超超臨界（A-USC）發電廠、高效能氣渦輪機（GTCC）以及核能設備領域，長期致力於管線配置技術的創新。傳統的電廠管線施工高度依賴現場電銲，這不僅耗費大量熟練人力，且隨之而來的非破壞性檢測（NDE）成本與長期營運中的應力腐蝕龜裂（SCC）風險始終是業界挑戰 1。

本報告鎖定三菱電力體系內的技術期刊、內部論文與專案實務數據，深入探討其對於冷作技術（Cold Working）的具體要求，分析自動化冷彎技術在人力縮減與品質控制上的成效，並針對電銲熱循環與加工硬化對材料腐蝕因子的影響進行科學整合。最終，本研究旨在建立一套適用於建廠背景下的新型管線技術選擇決策模型。

二、三菱電力集團對冷作技術的具體要求與材料規範

三菱電力在開發運作溫度達 700˚C以上的 A-USC 發電技術時，管線材料的選用與加工技術是決定系統壽命的關鍵 2。在高溫高壓環境下，管材必須在承受極端應力的同時，維持微觀組織的長期穩定。

2.1 材料選擇與技術範疇

三菱電力針對 A-USC 鍋爐與高溫蒸汽管線，開發並測試了多種候選材料。其中，鎳基合金（Ni-based alloys）如 HR6W（45Ni-23Cr-7W）與先進鐵素體鋼（Advanced Ferritic Steels）如 SAVE12AD 是主要的研究對象 1。這些材料在加工過程中，對於變形率與熱處理程序有著極為嚴苛的要求。

冷作技術主要應用於小口徑管材（Small-bore piping）以及特定幾何配置下的過熱器（Superheater）與再熱器（Reheater）面板 2。三菱電力的內部規範要求，冷彎加工必須在室溫下進行，利用機械力使管材產生塑性變形，而無需外部加熱。這種加工方式雖然能避免熱影響區（HAZ）的產生，但會引發加工硬化，必須透過後續的熱處理來恢復材料性能 1。

2.2 彎曲半徑與幾何公差

三菱電力對於冷彎與熱彎的幾何限制有明確的區分。冷彎的標準彎曲半徑設定為 2.5D（ D為管外徑），而熱彎則可縮減至 1.5D 1。對於大直徑厚壁管（如外徑 350mm、壁厚 40mm），三菱電力傾向於採用高頻感應加熱彎曲（High-frequency Induction Bending），以控制壁厚減薄率並減少橫截面的扁平化程度 2。

加工參數 冷彎 (Cold Bending) 熱彎/感應彎 (Hot/Induction Bending) 技術要求說明
標準彎曲半徑 (R) ≧2.5D ≧1.5D 旨在平衡空間緊湊性與加工應力 1
壁厚減薄率限制 一般需控制在 12.5% 以內 一般需控制在 10% 以內 確保高壓環境下的結構強度 5
扁平率 (Ovality) 依據 EN 12952 / ASME B31.1 依據國際標準執行 減少流道紊流與應力集中 6
適用材質 延展性良好之鐵素體鋼、鎳基合金 高強度、厚壁之合金鋼管 視材料敏感度決定加工溫度 7

2.3後加工熱處理程序

冷作加工後，材料內部的位錯密度會大幅增加，導致硬度升高而韌性下降。三菱電力技術評論指出，對於 A-USC 候選鎳基合金，彎曲加工後必須進行「重新固溶熱處理」（Re-solution Heat Treatment），條件須與管材出廠時一致 1。對於 SAVE12AD 等鐵素體鋼，則需進行正火與回火（Normalizing and Tempering），以確保微觀組織如 M23C6 碳化物與 Laves 相（如 Fe2W）的均勻分布，這對於維持 100,000 小時以上的蠕變強度至關重要 1。

四、自動化冷彎機在大型發電專案中的人力縮減成效

隨著全球勞動力成本上升與熟練銲工短缺，三菱電力在其全球專案（如印尼 Paiton II、德國 Boxberg R）中，積極導入自動化預製技術 2。其中，自動化冷彎機（CNC Bending Machine）的應用顯著改變了發電專案的成本結構。

4.1 替代人工之生產效率分析

在傳統施工模式下，管線配置需要大量的現場銲接接頭（Field Welds）與人工配合壓力機的彎管作業。這類作業不僅效率低下，且因人工操作難以精確補償材料的彈回（Springback），常需反覆校正 8。

現代化的自動化冷彎生產線，如三菱電力合作夥伴使用的 CNC Twin machines，配備兩個可移動的彎曲頭，能同步進行左/右向彎曲。這使得製造複雜的過熱器蛇形管時，管材無需在每個彎頭後手動翻轉 5。

三菱電力專案數據顯示，導入自動化冷彎中心後，生產效率可提升 3 倍以上 11。更重要的是，自動化設備能實現「首件即合格」（First Part Right），將材料廢料率與重工率降至最低 8。

4.2 模組化設計與人力縮減之量化成效

三菱電力推行的模組化（Modularization）建廠策略，是人力縮減的核心手段。將管線與機電設備在工廠內利用自動化設備預先安裝於模組支架上，再運抵現場組裝 12。

專案工項 傳統現場施工人力 (Man-hours) 模組化工廠預製人力 (Man-hours) 人力縮減比例 (%)
氣渦輪機機殼隔熱與管線安裝 基準值 (100%) 20% 80% 13
中大口徑管線連接 (含冷彎) 基準值 (100%) 55% – 65% 35% – 45% 14
現場非破壞性檢測 (NDE) 監督 基準值 (100%) 15% 85% 14
系統沖洗與試車準備 基準值 (100%) 40% 60% 14

根據內部專案評估，採用非銲接式冷彎連接系統（如 Phastite 或 Field-bent pipes），單一子系統可節省約 1,521 個工時 14。這種人力縮減效益在面對高勞動力成本市場時，能顯著提升專案的投資報酬率（ROI），自動化設備的投資通常可在短時間內回收 15。

五、現場電銲非破壞性檢測（NDE）成本對比分析

雖然銲接是電力管線連接的標準技術，但現場電銲伴隨的檢測成本與施工干擾，已成為發電廠建設中的顯著支出項 17。三菱電力在其技術選擇中，日益傾向於利用冷作彎管來消除不必要的銲縫。

5.1 射線檢測 (RT) 的多重負擔

現場銲接接頭通常要求進行 100% 的射線檢測（Radiographic Testing），以檢測內部缺陷如氣孔或未熔合 18。RT 的高昂成本並非僅來自設備與人員，更在於其產生的「連鎖停工效應」：

  1. 輻射安全隔離：RT 作業期間必須清場並劃定警戒區，導致周邊半徑數十公尺內的所有施工活動必須被迫中止 19。
  2. 時間滯後：傳統底片式 RT 需經過拍攝、顯影、乾燥、判片及出具報告的週期，通常產生 24-48 小時的施工空檔 20。
  3. 合格率風險：現場環境（風力、灰塵）常導致銲接質量不穩，若檢測結果不合格，重工（Rework）成本不僅包含銲條材料，更包含第二次甚至第三次 NDE 的費用 21。

5.2 超音波檢測 (UT) 與自動化檢測的進展

三菱電力開發了先進的相控陣超音波檢測（PAUT）技術，用以取代傳統 RT。PAUT 能提供即時的高解析度影像，且因無輻射源，可與其他工項同步進行，大幅優化了進度計畫 22。然而，即使採用 PAUT，現場檢測的人力投入與數據管理成本依然高於冷彎一體化管件 24。

5.3 冷彎彎頭與電銲接頭之 NDE 成本比較

檢測維度 現場電銲彎頭 (Welded Elbow) 工廠冷彎管 (Bent Pipe) 差異分析
檢測數量 2 個銲縫 / 彎頭配置 0 個銲縫 (連續管材) 冷彎完全消除 NDE 需求 17
單點成本 (USD) $150 – $400 (含設備、人員) 近乎零 (僅基礎維護檢查) 銲接需高額檢測人力成本 14
施工干擾 高 (RT 安全隔離、作業暫停) 無 提升整體專案各工種並行效率 19
合規紀錄 複雜 (需保存底片、數位圖檔) 簡單 (CNC 加工數據紀錄) 簡化質量追蹤與稽核 25

三菱電力的內部研究顯示，透過增加冷彎比例並配合非銲接連接件，現場檢測人力成本可從 $15,880 降至 $1,056，降幅超過 90% 14。

六、冷作加工硬化、電銲熱循環與腐蝕因子之關聯性

管線在發電廠運作環境下的失效，多與應力、材料與環境（腐蝕因子）的交互作用有關。三菱電力針對加工過程對材料壽命的影響，建立了深厚的科學理論基礎 26。

6.1 冷作彎管之加工硬化與應力分佈

冷彎加工會使金屬產生永久性形變，並伴隨加工硬化現象。位錯密度（Dislocation Density）的上升不僅提高了屈服強度，也改變了材料的電化學電位 27。

  • 拉伸殘餘應力：彎管的內側弧面（Intrados）通常承受拉伸殘餘應力，而外側弧面（Extrados）承受壓縮殘餘應力 27。對於應力腐蝕龜裂（SCC）敏感的環境（如 PWR 一次側原水），拉伸應力區是裂紋萌生的首選位置 28。
  • 硬度閥值：三菱電力針對 316 不銹鋼的研究指出，當硬度超過 Hv300 時，SCC 的傳播速率會顯著加快 29。因此，冷彎加工後的硬度監控是保證質量的核心指標。

6.2 銲接熱循環之微觀損害：Type IV 龜裂與敏感化

相對於冷彎，銲接熱循環引入了極大的局部熱量，導致熱影響區（HAZ）產生嚴重的組織退化 30。

  • Type IV 龜裂機制：在 A-USC 常用的 9Cr-3W 鋼中，銲接熱循環會使局部區域加熱至臨界溫度（ AC3附近），產生細晶組織。在高溫蠕變過程中，此區域的強度遠低於基材與銲縫中心，易引發 Type IV 斷裂 32。
  • 化學穩定性喪失：電銲過程中，晶界附近的鉻元素可能與碳結合成碳化鉻析出，導致「鉻貧化區」。在腐蝕性介質中，此區域會發生劇烈的晶間腐蝕 33。

6.3 腐蝕因子與加工歷史的耦合

三菱電力的數據揭示，材料的「加工歷史」直接決定了其腐蝕抗力 35。

  • Alloy 690 技術選擇：雖然 Alloy 690 被認為比 Alloy 600 更具抗 SCC 性，但三菱電力研究顯示，超過 30% 的冷作硬化會使其在高溫原水中的裂紋生長速率提升 36。
  • 表面強化對策：為抵消冷作與銲接產生的不利拉伸應力，三菱電力廣泛採用「溫和塑性拋光」（Low Plasticity Burnishing, LPB）。透過在表面引入穩定的壓縮應力層，可使冷彎件的 SCC 壽命延長 38。

七、建廠背景下的新型管線配置技術選擇決策模型

基於上述分析，針對新型發電廠的管線配置，三菱電力建立了一套完整的技術選擇決策模型（Technology Selection Decision Model, TSDM）。

7.1 第一階段：幾何可行性過濾 (Geometric Viability)

模型首先根據三維設計圖面（3D-CAD MATES）評估管線路徑 40。

  • 若R >1.5D：強制選用「電銲標準彎頭」。
  • 若 1.5D≦R<2.5D：考慮「自動化感應彎曲（Induction Bending）」 42。
  • 若 R≧2.5D：預設進入「CNC 冷彎路徑」。

7.2 第二階段：批量經濟性分析 (Batch Economic Analysis)

導入盈虧平衡分析（Break-even Point, BEP），評估自動化投資回報 43。

  • 小批量/維修件 (< 500 件/年)：採用「手動銲接 + 抽樣 NDE」。
  • 大批量/標準工項 (> 5,000 件/年)：全面導入「自動化冷彎中心 + 模組化組裝」 45。

7.3 第三階段：風險因子權重評估 (Risk Matrix Weighting)

此階段整合加工歷史與腐蝕環境之關聯性 47。計算總體風險係數 Ktotal：

Ktotal  = Ws•σres + Wm•Hv + We•Cenv

其中  σres為殘餘應力，Hv為維氏硬度， Cenv為環境腐蝕因子， W為權重係數。

  • 高風險（ K > Kthreshold）：如高溫過熱器出口。必須選用「冷彎一體化管件 + 固溶處理/正火回火 + 表面 LPB 處理」 38。
  • 中低風險：如冷卻水系統、空壓系統 49。選用「ERW/無縫管 + 標準冷彎」 51。

7.4第四階段：生命週期成本優化 (LCC Optimization)

最終決策必須考慮 NDE、人力與運維成本的總和 14。

  • 路徑 A（傳統銲接）：低材料初置費，極高檢測費，高風險運維。
  • 路徑 B（自動化冷彎）：高設備初置費，低檢測費，極低運維風險 54。
決策變數 路徑 A (銲接) 建議 路徑 B (冷彎) 建議 三菱電力實務標準
管徑大小 D>400mm (超大口徑) D≦330mm (標準尺寸) CNC 可覆蓋大部份電廠管線 8
運行溫度 T<540˚C T≧600˚C 高溫區避免銲接弱化點 1
法規限制 允許 10% 抽檢區 必須 100% NDE 區 冷彎能直接豁免 NDE 流程 14
施工工期 > 30 天 (現場組銲) < 7 天 (模組快裝) 模組化可縮減 75% 現場工期 17

八、結論與技術趨勢

三菱電力集團在發電管線配置領域的技術實踐證明，技術選擇正從傳統的經驗導向轉向數位化、自動化驅動的科學模型。自動化冷彎機的成效不僅體現在單純的人力縮減，更在於其消除了銲接熱循環對高等級材料造成的不可逆損傷，從源頭上降低了 A-USC 發電廠面臨的 Type IV 龜裂與 SCC 風險 1。

未來，三菱電力的技術願景將進一步整合 AI 輔助生產系統（如 MaiDAS®）。透過將決策模型嵌入數位雙生平台，工程師能在專案招標階段即精確預測 NDE 節省的金額與施工人力的最佳化配置，從而確保在全球能源設備供應鏈的領先地位 56。對於追求極致效率與可靠性的現代電廠建設而言，優先選擇「自動化冷彎預製」配合「先進相控陣檢測」的技術路線，已成為不容忽視的產業標準 57。

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