CCPP管線設計實務與潁璋工程技術挑戰：自我檢討與產業升級改善建議報告 (Design Practice of CCPP Piping and Engineering Technical Challenges in Ying-Zhang: A Self-Evaluation and Industry Upgrading Recommendation Report)

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一、緒論:複循環電廠與高溫合金管線工程之發展脈絡

在全球能源轉型與碳中和目標的驅動下，複循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）已成為電力系統中不可或缺的高效能基載與調度電源。複循環電廠利用燃氣輪機排放的高溫廢氣加熱水蒸汽，驅動蒸汽輪機進行二次發電，其熱效率可達到 60% 以上。然而，這種高效能的背後，是管線系統必須承受極端的高溫與高壓環境。特別是在主蒸汽與再熱蒸汽系統中，管線材料的選擇與加工技術直接決定了電廠的安全運行壽命。潁璋工程興業有限公司（以下簡稱潁璋工程）長期深耕於此領域，致力於利用先進的 CNC 冷作彎管技術解決傳統銲接工法在高溫環境下的脆弱性問題 1。

隨著發電效率的要求提升，蒸汽參數已從次臨界、超臨界邁向超超臨界水準，這使得 ASTM A335 P91（Type 2）與 P22 等高鉻合金鋼（Cr-Mo Alloy Steel）成為 CCPP 管線設計的核心材料 1。P91 鋼材因其卓越的高溫蠕變強度（Creep Strength）與抗氧化性能，被廣泛應用於高壓蒸汽傳輸，但其極高的化學穩定性與冶金複雜性，也對管線設計、彎製加工與熱處理流程提出了前所未有的挑戰。潁璋工程在實務中觀察到，傳統的銲接彎頭（Welded Elbows）方案在 P91 材料上極易發生早期失效，主要集中於熱影響區（Heat Affected Zone, HAZ）的微觀組織變化 2。因此，開發並優化冷彎技術以減少銲接接頭，已成為提升電廠整體完整性的關鍵路徑。

本報告旨在針對 CCPP 管線設計實務進行全面審視，結合潁璋工程在冷作彎管領域的實際技術挑戰，進行深度的自我檢討與技術升級建議。透過整合冶金學原理、CNC 彎管力學與 AVEVA E3D 等先進數位設計平台，本研究將提出一套系統性的改善方案，以應對 2026 年 ASME B31.1 及 B31.3 法規更新帶來的最新技術要求，並為未來氫能（H2）等新興能源管線系統的開發奠定基礎 1。

二、 P91 高溫蠕變合金鋼的冶金特性與加工難點分析

2.1 P91 材料的微觀組織與強化機制

ASTM A335 P91（9Cr-1Mo-V-Nb）是一種經過精密改良的馬氏體耐熱鋼。其卓越的高溫性能不僅源於 9% 鉻（Cr）提供的抗氧化性，更依賴於鈮（Nb）與釩（V）等微量元素形成的碳氮化物沉澱強化 2。在正確的熱處理條件下，P91 應具有穩定的回火馬氏體組織，並在晶界上分布著細小的 M23C6 碳化物與  Mx型氮化物。

下表詳細對比了 CCPP 常見合金鋼材料的化學成分與機械性能，顯示了 P91 在合金化程度上的高度複雜性：

規格等級 主要化學成分 (%) 抗拉強度 (MPa) 屈服強度 (MPa) 市場參考價格 (USD/Ton)
ASTM A335 P22 2.25Cr-1Mo 5 415 min 6 205 min 6 3,500 – 4,000 5
ASTM A335 P91 9Cr-1Mo-0.2V-0.08Nb 5 585 min 6 415 min 6 8,500 – 9,500 5
ASTM A106 Gr.B Carbon Steel 7 415 min 240 min 800 – 1,200 7

P91 鋼材對熱循環極度敏感。在銲接或熱加工過程中，如果加熱溫度超過 Ac1 臨界點，原本穩定的回火馬氏體會發生部分奧氏體化。在隨後的冷卻過程中，如果冷卻速率不當，可能會在組織中殘留未轉變的奧氏體，或者形成粗大的 δ-鐵素體（Delta Ferrite），這將顯著降低材料的蠕變斷裂壽命 2。

2.2 銲接過程中的結構性風險與冷裂傾向

在 CCPP 的管線安裝中，P91 的銲接被視為風險最高的工法。由於其極高的淬硬性，銲接區域在冷卻過程中極易形成硬而脆的馬氏體。根據冶金研究，P91 的馬氏體轉變開始溫度（Ms）約為 400°C，而轉變結束溫度（Mf）則低至200°C以下 2。若施工現場未嚴格遵守預熱（Preheat）與層間溫度（Interpass Temperature）控制，氫原子極易在淬硬的組織中擴散，導致冷裂痕（Cold Cracking）的產生。

此外，銲接熱循環不可避免地會在熱影響區邊緣產生一個「軟化層」（Softening Layer）。該區域的硬度通常低於母材與銲縫，在長期高溫運行中，應力會集中於此軟化區域，引發所謂的 IV 型開裂（Type IV Cracking），這是目前全球複循環電廠主蒸汽管線最主要的失效模式之一 3。潁璋工程推廣的冷作彎管技術，其核心價值正在於減少這些高風險的銲接接頭，進而從源頭規避銲接引發的冶金缺陷。

三、 冷作彎管技術（CNC Cold Bending）在 CCPP 工程中的應用

3.1 冷彎加工與銲接彎頭之技術對比

在傳統設計中，管線的 90 度轉向通常採用標準的短半徑（1.0D）過長半徑（1.5D）銲接彎頭。然而，這種工法在 CCPP 的高能系統中存在多項弊端。首先，每個彎頭至少需要兩道環向銲縫（Circumferential Welds），這不僅增加了非破壞檢測（RT/UT）的負擔，也增加了系統的潛在失效點 1。

潁璋工程引進的 CNC 冷彎技術能夠直接在母材鋼管上彎製出 3D 或 5D 的彎曲半徑。相比銲接彎頭，冷彎管具有以下技術優勢：

  1. 結構完整性：冷彎管為連續的母材結構，消除了銲縫這一應力集中源，特別是在承受汽錘（Steam Hammer）或地震載荷時，其力學表現遠優於銲接組件 1。
  2. 流體特性優化：較大的彎曲半徑（如 5D）能顯著降低流體阻力，減少蒸汽流動產生的壓力降與湍流沖蝕，對於提升電廠熱效率具有間接貢換 8。
  3. 經濟效益顯著：雖然冷彎加工需要昂貴的設備投入，但其能節省大量的銲接耗材、電銲工人事成本、以及高昂的 RT/UT 檢測費用 1。根據潁璋工程的實務估算，在 4 吋 Schedule 10S 的不銹鋼管系統中，冷彎方案的綜合成本較傳統銲接方案可降低約 30% 8。

3.2 冷彎過程中的力學變化與品質控制基準

冷彎加工並非單純的機械變形，其過程伴隨著複雜的材料塑性流動與應變強化（Strain Hardening）。在進行 P91 或 P22 合金鋼冷彎時，必須嚴格控管以下三個關鍵力學參數 9：

  1. 管壁減薄（Wall Thinning）：在彎曲過程中，管子外側（Extrados）受拉伸力作用，導致壁厚減小。ASME B31.1 要求彎後的最小壁厚必須滿足設計壓力下的強度需求。通常， 3D 彎管的外側減薄率約在 10-15% 之間 9。
  2. 橢圓度（Ovality/Flattening）：管截面在彎曲時會趨向於扁平化。過高的橢圓度會改變流體動力學特性並在運行中產生不均勻的周向應力。工業標準通常將橢圓度限制在 8% 以內 9。
  3. 內側皺褶（Wrinkling）：管子內側（Intrados）受壓縮力作用，若管壁過薄或支撐不足（未採用芯棒 Mandrel），極易產生皺褶，這在電廠系統中是被嚴格禁止的 10。

3.3 潁璋工程之 CCPP 小尺寸管（Small Bore）實戰背景

潁璋工程在複循環電廠管線工程中具備領先的實務地位，目前已累積 6 套複循環機組之小尺寸管（Small Bore）的冷彎實戰經驗 8。這項深厚的經驗累積，使潁璋能精準掌握 P91 與 P22 材料在小管徑、厚壁（XXS）規格下的變形特性，並能針對模組化區域的密集管線空間進行優化佈置。透過 6 套機組的數據回饋，公司已建立起完善的小尺寸管冷彎參數庫，能有效應對高應變率下的幾何完整性挑戰 8。

四、 數位設計平台與製造端之銜接：AVEVA E3D 的應用

4.1 DfM（面向製造的設計）原則與規則導向設計

在現代化的 CCPP 工程中，設計端（EPC）與製造端（潁璋工程）之間的鴻溝往往是導致工期延誤的主要原因。傳統設計流程中，管線工程師在 3D 模型中規劃路由時，往往忽視了製造設備的物理限制。AVEVA E3D Design 作為全球領先的電廠設計平台，提供了一套強大的規則導向（Rule-Based）設計環境，允許將製造限制直接植入設計規範中 13。

潁璋工程在自我檢討中發現，管線 Spool 的設計若能提前導入 DfM 原則，將可大幅提升加工成功率。這些原則包括：

  • 夾持長度預留（Clamping Length）：CNC 彎管機在起始與結束彎曲時需要足夠的直線段供模具夾持，通常需要管徑的 2-3 倍長度。若設計中彎曲點過於靠近法蘭或三通，將導致無法上機加工 11。
  • 擺動包絡線（Swing Envelope）模擬：在進行複雜的多平面彎管時，管子會在空間中旋轉。若在 AVEVA E3D 模型中未考慮機床本體的動態空間，加工過程中管材可能會與地面或機器結構碰撞 12。
  • 管件優化（Spooling Optimization）：透過 E3D 的 Pipe Fabrication 模組，可以自動分析管件的合理分割長度，盡可能將多個彎曲點整合在單一 Spool 中，從而最大化減少工地現場的對接銲縫 16。

4.2 雷射掃描與數位孿生在改建工程（Brownfield）中的作用

針對現有電廠的管線更新或氫能系統改建，精確的現場數據採集至關重要。潁璋工程建議在設計初期利用 3D 雷射掃描技術獲取廠房現況的點雲數據（Point Cloud），並直接導入 AVEVA E3D 環境 4。

這種「數位孿生」方法能確保新設計的高壓蒸汽管線能精準避開既存的電纜橋架、鋼構與設備。對於潁璋工程而言，這意謂著在工廠預製的 Spool 運抵現場後，能夠實現「零修改安裝」（Zero-rework Installation），極大地降低了現場動火作業的時間成本與安全風險 8。

五、 潁璋工程面臨的技術挑戰與自我檢討

5.1 對 P91（Type 2）材料敏感性的再認識

雖然潁璋工程已累積 6 套複循環機組小尺寸彎管的實戰經驗，但在追求技術卓越的過程中，仍發現 P91 材料在加工後的硬度異常問題需進階優化 8。雖然冷彎避免了銲接的高熱輸入，但大幅度的塑性變形仍會引入顯著的殘餘應力。根據 ASME 2026 年的最新趨勢，對於高應變冷彎管的後續處理要求變得更加嚴格 1。

自我檢討點： 過去對於冷彎後的硬度檢測僅限於表面抽檢，缺乏對管壁厚度方向硬度梯度（Hardness Gradient）的深度研究。對於 P91 這種對蠕變極度敏感的材料，任何微小的組織失衡都可能在運行十年後導致應力腐蝕裂痕。潁璋工程必須強化與材料實驗室的合作，針對不同彎曲率（R 因子）建立材料應變時效（Strain Aging）的數據庫 3。

5.2 CNC 設備極限與設計端之數據同步

雖然潁璋工程擁有先進的 CNC 機具，但在與 Tier-1 EPC 廠商對接時，經常發現設計圖紙中的彎曲半徑（如 2.5D, 6.5D）與公司現有模具清單（如 1.5D, 3D, 5D）不匹配 1。這導致了頻繁的設計變更與溝通成本。

改善方向： 潁璋工程應將其設備限制（如最大彎曲角度、最大夾持力、模具半徑系列）打包成一套數位化插件（Plugin），供設計端在 AVEVA E3D 中直接調用。當設計工程師規劃的彎管超出潁璋的加工能力時，系統應及時預警，實現「設計即製造」（Design as Manufactured）的理念 19。

六、 CCPP 管線工程之經濟性分析與風險控管

6.1 高價值材料的損失防護與報廢經濟學

P91 與 P22 鋼管的採購週期長、價格昂貴。2025 年末的市場趨勢顯示，P91 合金鋼管的價格仍處於每噸 8,500 美元以上的高位，且受全球能源政策影響，供給波動劇烈 5。

下表展示了在 CCPP 管線工程中，不同錯誤類型產生的潛在經濟損失評估：

故障/錯誤類型 影響範圍 經濟損失估算 (單件) 風險控管建議
P91 銲接冷裂痕 需要切除銲縫、重新坡口、重新銲接 USD 5,000 – 15,000 嚴格執行 200-250°C 預熱與層間控溫 3
冷彎壁厚超差 整個 Spool 報廢，重新採購管材 USD 20,000 – 50,000 增加超音波在線測厚，優化夾模壓力 9
現場碰撞干涉 修改既存結構或重新彎製管線 USD 10,000 – 30,000 導入 AVEVA E3D 實時碰撞檢測與掃描數據 14
熱處理不當 (P91) 材料微觀組織損壞，系統性失效風險 難以估量 (涉及電廠停機成本) 導入數位化溫度紀錄與即時品質追蹤 2

潁璋工程的技術優勢在於能顯著降低「銲接冷裂痕」這一項的發生頻率，但相對地，必須在「冷彎精度控制」上投入更高的研發與品質人力，以防止高價值管材的報廢 1。

6.2 2026 年 ASME 規範更新的策略應對

潁璋工程正密切關注 ASME B31.1 及 B31.3 的 2026 年版更新。初步分析顯示，新規範將對 P91 材料的冷彎熱處理豁免條件（Heat Treatment Exemptions）進行重新定義 1。

目前的自我檢討顯示，公司對於「感應加熱消除應力」（Induction Stress Relieving）與「回火熱處理」（Tempering）的切換邏輯尚不夠明確。在改善建議中，應針對不同形變量的 P91 管件，制定標準化的感應加熱處理（PBHT/PWHT）程序，並透過高溫蠕變測試（Creep Test）驗證其長期可靠性，確保符合最新法規要求 2。

七、 提升與改善建議方案

7.1 短期改善：製程數位化與數據透明化

  1. 建立數位材料履歷系統：針對每一根入廠的 P91 管材，利用 QR Code或建檔來追蹤其化學成分、批號、冷彎參數（彎曲速度、壓力設定）與後續硬度檢測結果。這能為業主提供透明的品質保證數據鏈 7。
  2. 標準化模具庫對接：主動向 EPC 廠商提供潁璋的 CNC 模具數據庫，建議設計端在建模初期就鎖定符合加工能力的 R 值（如 3D, 5D），減少非標設計導致的加工難度 18。

7.2 中期改善：深化設計與製造的技術整合

  1. 開發 AVEVA E3D 加工規則插件：投資軟體工程資源，在 E3D 平台內建立一個「潁璋製造規則檢查器」（Yingzhang Fabrication Checker）。該插件能自動掃描管線設計，確認夾持長度是否足夠、彎間直線段是否符合機床極限，以及是否有足夠的擺動包絡空間 16。
  2. 推動早期承包商參與（ECI）：將 6 套機組的成功經驗轉化為前端技術優勢，在 FEED 階段即提供管線優化建議，透過增加冷彎比例來降低系統的長期維護成本 1。
  3. 實踐「冷彎+熱處理」一體化預製模式：潁璋工程正致力於推動冷作彎管（Cold Bending）與彎後熱處理（IH-PBHT）雙工法整合模式，目標是在預製階段一併完成此兩項關鍵程序 1。透過導入感應加熱技術進行即時應力消除與組織優化，不僅能減少對外部熱處理分包商的依賴，更能縮短物流時程並實現更嚴謹的品質閉環管理。

7.3 長期改善：材料科研與新領域開拓

  1. P91 冷彎疲勞與蠕變性能深度研究：將與大學或研究機構合作交流，針對冷彎形變區進行微觀組織（如 EBSD 分析）與高溫疲勞測試。目標是證明在特定冷彎參數下，冷彎管的使用壽命優於同規格的銲接彎頭，為業主提供更有力的決策依據 17。
  2. 佈局氫能（H2）管線系統技術：利用在 CCPP 領域積累的合金鋼與不銹鋼加工經驗，轉型至氫氣壓縮機撬裝（Skid）管線的彎製與組裝。氫氣系統對銲道缺陷極度敏感，冷彎技術在防止氫脆（Hydrogen Embrittlement）方面具有得天獨厚的優勢 1。

八、 結論

複循環電廠的管線工程是一項集材料科學、機械力學與數位設計於一體的精密系統工程。潁璋工程在 6 套複循環機組小尺寸管冷彎的實務經驗證明，透過技術創新與製程優化，能有效解決 P91 等先進合金鋼在銲接工法中的天然缺陷 8。然而，技術的領先並非永久，面對 2026 年法規更新與數位化轉型的巨浪，潁璋工程必須透過整合「冷彎與熱處理」一體化預製工法，展現出更強的自我檢討與升級勇氣 1。

未來的競爭力將不再僅僅取決於 CNC 機台的數量，而取決於對數據的掌控力與對材料冶金特性的深刻理解。透過將製造限制條件整合進 AVEVA E3D 等設計平台，並在加工過程中實現精密的數位化監控，潁璋工程將能從傳統的管線加工協作廠商，轉型為電力工程領域的戰略技術合作夥伴。在全球能源設施邁向更高效率與更長壽命的過程中，減少每一道不必要的銲道，就是在為電廠的安全運行增加一份保障。這不僅是潁璋工程的技術挑戰，更是提升台灣電廠管線設計與製造水準的重要契機 1。

參考文獻

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