中鋼煉焦副產物管線工程之現代化：大半徑冷作彎管技術與數位化監測之整合研究 (Modernization of Coking By-product Pipeline Engineering: An Integrated Study of Large-Radius Cold Bending Technology and Digital Monitoring)

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一、前言

在鋼鐵工業邁向工業 4.0 與低碳轉型的當代，中鋼公司（CSC）作為亞太地區重要的粗鋼生產者，正致力於將其傳統煉焦製程轉型為高價值的化學與碳材料生產中心。煉焦副產物廠（By-product Plant）不僅肩負著淨化焦爐氣（Coke Oven Gas, COG）以供廠內能源使用的職責，更是生產針狀焦、介相石墨碳微球及超級電容器碳粉等前瞻材料的搖籃 1。然而，這類高價值化改造的成功，高度依賴於底層傳輸網絡的穩定性與安全性。面對傳統煉焦副產物傳輸網絡中頻發的沖蝕、腐蝕與火災風險，中鋼應在未來的擴建或大修專案中，建立以「大半徑冷作彎管為主，標準電銲彎頭為輔」的設計準則。透過前端材料元素的精密優化、中端數位化彎管設備的精確成型，以及後端結合聲發射與流體動態監測的整合網絡，構建一個本質安全且高效的智慧化傳輸體系。

二、煉焦副產物傳輸環境之嚴苛性與轉型背景

煉焦製程是將煤炭在隔絕空氣的焦爐中加熱至 1,150°C 至 1,350°C，使其產生物理化學變化的過程 3。此過程中釋出的原始焦爐氣溫度高達 2,000°F（約 1,093°C），隨即需透過大量氨水（Flushing Liquor）噴淋降溫至 176°F 左右 4。這一過程會產生極其複雜的流體介質，包含焦油氣膠、氨水、硫化氫、萘、氰化氫以及細小的焦粉顆粒 4。

2.1 傳輸介質的流體物理特性與磨耗機制

原始焦爐氣在冷卻過程中會凝結出大量的液態冷凝物。這些冷凝物中的氯化銨（Ammonium Chloride）在特定的溫度範圍內具有極強的腐蝕性，且會與焦油交織形成高黏度的沉澱物 6。此外，焦爐氣中夾帶的微米級固體顆粒在高速流動中，對於管線轉向處的衝擊是不可忽視的。

當流體通過傳統的 1.0D（短半徑）或 1.5D（長半徑）電銲彎頭時，其流動方向的急劇改變會誘發強烈的湍流與二次流現象 7。離心力作用使流體中的重相（如焦油液滴與焦粉顆粒）向彎頭外側遷移並猛烈撞擊管壁，造成嚴重的局部沖蝕（Erosion） 8。相較之下，大半徑彎管（R ≧3D）提供了更為平緩的幾何過渡，能有效抑制二次流的強度，使流體保持較佳的流向一致性，進而降低能量損耗與物理損耗 10。

2.2 工安事故與維護成本之倒逼機制

中鋼高雄小港廠區在過去的營運紀錄中，曾發生因排風機施工過程中焦爐氣洩漏引發的火災事故，不僅造成明顯的環境污染與粒狀物排放，亦引發監管部門的重罰與勒令停工檢討 12。這類事故多與傳統管線維護中頻繁使用的現場電銲作業有關。在充滿易燃、易爆、強腐蝕介質的環境中，任何一道電銲介面都是潛在的風險點與洩漏源 14。

因此，減少現場銲接口、轉向採用預製化冷彎 Spool（管節）與非銲接式連接（如法蘭或非銲接管接頭），已成為提升本質安全度的技術必然。工法的升級不單是維修手段的更迭，更是支持針狀焦等高價值產品連續穩定產出的必要基礎 15。

三、大半徑冷作彎管的設計準則與流體動力學優勢

在未來的設計規範中，中鋼應確立優先選用 5D 或 8D 半徑冷彎管的方針，僅在空間極度受限的狹窄區域輔以標準 1.5D 彎頭 16。這種轉變對流體性能的提升具有明確的物理依據。

3.1二次流抑制與壓降降減

流體在彎管中受離心力影響，會產生由管中心向外側、再沿壁面回到內側的雙螺旋流場 7。當彎曲半徑  R與管徑  D的比值增加時，徑向壓力梯度會趨於平緩。根據計算流體力學（CFD）研究顯示，增加彎曲半徑能顯著減少流體分離現象與逆壓梯度導致的渦流 18。

對於煉焦副產物這類兩相或多相流體，壓降的降低意味著輸送泵浦馬達能耗的節約。在典型的工業環境中，系統壓降每降低 2 psi，能耗可降低約 1% 20。大規模應用大半徑彎管能有效減少全廠區的能源強度。

彎曲類型 半徑與管徑比 (R/D) 等效長度係數 (L/D) 沖蝕防護能力 能源損耗水平
短半徑彎頭 1.0D 最高 極低 極高
長半徑彎頭 1.5D 中高 普通 中高
大半徑冷彎管 3D 中低 優良 中低
高倍率感應彎管 5D – 8D 最低 極優 10 最低 20

 

3.2 對抗沖蝕與固體積聚

在煉焦廠的焦油輸送或氨水循環管線中，介質中的雜質極易在彎頭的死角或湍流區沉降，形成結垢或堵塞。大半徑彎管透過維持穩定的速度剖面（Velocity Profile），能使顆粒保持懸浮狀態，減少在管壁內側的積聚 7。此外，由於碰撞角較小，管壁所承受的動能衝擊顯著減輕，根據實驗觀察，5D 彎管的局部沖蝕率僅為 1.5D 彎頭的一半以下 9。

四、前端材料優化：冷作彎管的冶金基礎與化學成分控制

要實現大半徑冷彎管的工程應用，管材本身必須具備極佳的延展性與塑性加工潛力，同時兼顧在煉焦酸性環境下的耐蝕性 21。中鋼應針對冷彎管材建立一套嚴於標準規範的材料採購與生產清單。

4.1 碳（C）與錳（Mn）含量的平衡藝術

碳是決定鋼材強度與硬度的核心元素，但過高的碳含量會導致材料在冷作過程中發生快速硬化，降低衝擊韌性，甚至誘發冷彎裂紋 21。對於高性能冷彎管材，碳含量建議嚴格控制在 0.30% 以下，理想區間為 0.15% – 0.23% 21。

錳作為脫氧劑與強度強化劑，能有效細化晶粒。在冷彎管材中，適度的錳（0.6% – 1.2%）可補足因低碳導致的強度損失，並提升材料的延展性 21。中鋼在生產端應透過控制碳當量（CE）來確保優異的銲接性能與成型性：

CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15

規範要求 CE 應低於 0.50，以確保材料在冷彎加工後仍保有良好的疲勞壽命 24。

4.2 合金元素對於抗酸性環境的貢獻

煉焦副產物中含有高濃度的 H2S 與 NH3，極易誘發氫致開裂（HIC）與應力腐蝕開裂（SCC） 21。為了提升耐用度，管材應微量添加鉬（Mo）與鉻（Cr）。鉬能細化組織並提高在高溫酸性環境下的抗蠕變能力，而鉻則能促進表面鈍化層的形成 22。

同時，必須極度限制雜質元素磷（P）與硫（S）的含量。對於高規格酸性服務管材，硫含量應控制在 0.002% 以下，以防止硫化錳夾雜物成為裂紋萌生的起點 21。

材料牌號 (範例) C 含量極限 Mn 含量範圍 延伸率 (min%) 應用環境建議
ASTM A106 Gr. B ≦0.30% 0.29%-1.06% 22% 一般中溫高壓管線 23
ASTM A53 Gr. B ≦0.30%  1.2%max 30% 一般結構與輸送 23
SS 316L ≦0.035%  2.0%max 40% 強腐蝕、冷卻氨水段 27
自主開發冷彎用鋼 ≦0.2% 0.8%-1.2% >35% 大半徑冷彎專用 21

五、中端數位化加工：CNC 彎管設備與精度控制

工法的升級核心在於從「人工電銲」轉向「數位自動化冷彎」。數位化彎管機（CNC Pipe Bender）投入使用，不僅提升了幾何精度，更透過數據回饋實現了質量的可追溯性 28。

5.1 冷彎過程中的變形機理與數據補償

在冷彎過程中，管材會經歷物理性的應變。彎曲外側（Extrados）受拉伸而減薄，內側（Intrados）受壓縮而增厚 29。數位化彎管機能夠精確計算材料的回彈角（Springback）。不同批次的鋼材因屈服強度（Yield Strength）的微小差異，其回彈特性各異（如碳鋼通常為 2°-3°，不鏽鋼則可達 4°-6°） 29。

CNC 設備可透過感測器實時測量加工扭力，並自動進行「超彎補償」，確保最終成品角度偏差控制在  ±0.5°以內 28。此外，內心軸（Mandrel）與防皺模（Wiper Die）的數位化控制，能有效抑制彎曲區域的卵形度（Ovality）至 5% 以下，顯著優於傳統手工熱彎或電銲彎頭的質量 29。

5.2 壁厚減薄率與結構完整性

中鋼應建立嚴格的壁厚驗收標準。根據 ASME B31.3 或 DIN 28179 等規範，外側壁厚的最大允許減薄率通常定為 12.5% 29。在數位化加工中，透過增加「推進力（Booster Force）」，可以有效緩解拉伸減薄，維持管壁結構的強度。

Tmin_bend = Tmin_straight * (2R+D)/2(R+D)

此公式可用於初步校核所需的原管壁厚，確保冷彎後的管節在高壓（如 20-40 MPa 的液壓傳輸或中壓焦爐氣輸送）下依然安全可靠 31。

六、數位化檢測與動態監測系統的構建

在傳輸網絡構建完成後，如何透過「智慧之眼」實現長期運行安全，是高品質傳輸網絡的最後一塊拼圖。

6.1 聲發射（AE）與分散式光纖感測（DAS）

聲發射技術是一種高效的非破壞性檢測（NDT）手段，它透過監聽材料內部的能量釋放來識別微小裂紋或洩漏點 33。對於煉焦廠的高空焦爐氣管線，安裝聲發射感測器陣列可以實現 24 小時不間斷的「聽診」。當發生微量洩漏時，流體噴出的聲音訊號會被 AE 感測器捕捉，並透過 DenseNet 等深度學習算法進行分類與定位，準確率可達 99.7% 34。

另一方面，分散式光纖聲學感測（DAS）技術則利用鋪設在管線側邊的光纖作為長達數公里的連續傳感器 36。光纖內的雷射脈衝會因管線振動（如施工誤挖、大幅沖蝕引起的震動）產生相位變化，實現公尺級的定位精度。這種技術不含電子元件，極其適合煉焦廠等具有爆炸風險的環境。

6.2 非侵入式沖蝕與壁厚監測

為了掌握大半徑彎管內部的長期損耗，中鋼應引入非侵入式感測陣列，如 Sensorlink 的 UltraMonit 系統 9。這些感測器固定在管壁外部，利用超音波脈衝回波（Pulse-Echo）技術精確測量金屬壁厚，重複測量精度高達  ±2.5μm 9。透過數據長期監控，管理系統可以精確繪製沖蝕趨勢圖，並在管壁達到臨界安全厚度前，提前數月規劃維修專案，實現從「事後維修」向「預測性維修」的轉型 37。

七、全生命週期成本（LCC）與 ESG 安全效益分析

工法的升級在短期內可能面臨設備採購與管材成本的增加，但從全生命週期的角度視之，其經濟與社會效益極其顯著。

7.1 施工時間與火災風險的降低

傳統電銲彎頭工法在現場維修時，需面臨冗長的「動火作業」流程，包括排空、盲封、清洗與防火監控 12。採用大半徑冷彎 Spool 結合非銲接式連接（如 Pyplok 系統），可節省約 35% – 45% 的總安裝成本 14。

比較項目 傳統電銲工法 數位化冷彎 + 非銲接連接
技術工人需求 高度依賴合格銲接工 一般組裝工即可
熱工作業風險 高度火災與爆炸風險 無火花作業，本質安全 14
NDT 檢測時間 銲口 X-Ray 檢測 (數小時) 幾何尺寸驗證 (數分鐘)
管線清潔度 需酸洗、中和處理 (易產生二次污染) 機械加工，潔淨度極高 14
壓降能耗 (長期) 較高 (1.5D 阻力大) 較低 (5D 阻力小，省電費) 20

 

7.2對「高價值化改造」的戰略意義

煉焦製程的現代化旨在將煤焦油與焦爐氣轉化為高附加價值產品。中鋼子公司中鋼碳素目前已發展出四種高品質碳材料：精製瀝青、介相石墨碳微球（鋰電池負極材料）、先進碳粉（超級電容器）及石墨塊材 1。

這些高價值材料的生產對原料純度極其敏感。例如，針狀焦的生產需要高品質的煤焦油或瀝青作為進料 15。若傳輸管線頻繁因沖蝕或腐蝕導致雜質進入流體，或因管線洩漏導致製程波動，將直接影響碳材料的晶體結構與電化學性能 2。因此，一個穩定、無洩漏、低磨耗的傳輸網絡，是實現中鋼「煤化學高值化」戰略的硬體基石。

八、結論與設計準則建議

中鋼公司在未來的煉焦副產物廠大修與擴建專案中，應當超越傳統的「壞了就補、破了就焊」的思維，轉向以系統性工程為核心的現代化路徑。

  1. 建立「大半徑優先」之規範：在所有新設計的副產物管路中，凡轉向角度超過 15 度者，應優先考慮 3D 或 5D 冷彎管，以最大程度減少湍流與沖蝕 10。
  2. 優化前端材料清單：針對冷彎工法要求，採購具備低碳（C ≦23%）、低雜質（S, P ≦ 0.015%）及適當 CE 值的無縫管材，提升材料成型性能與長期抗蝕能力 21。
  3. 投入數位化預製設備：建立廠內或外包之 CNC 彎管加工中心，實現冷彎 Spool 的標準化生產與 3D 尺寸校核，減少現場動火銲接口 14。
  4. 整合多維度監測網絡：將聲發射洩漏檢測與非侵入式超音波壁厚監測整合進工廠的智慧化管理平台，確保對管線健康狀態的實時掌控 9。

工法的升級，實則是對煉焦這一傳統、重工業製程進行高價值化改造的必要基石。透過技術層面的深耕，中鋼不僅能確保高雄廠區的營運安全，更能為全球鋼鐵產業提供一個將傳統工法與現代數位技術無縫銜接的轉型典範。這不僅是工程幾何的改變，更是一場關於能效、安全與材料科學的跨學科革新。

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