流體管路線上阻斷工法探討

1. 前言

國內半導體供應管線汰換施工多採用傳統式斷管之施工方式，不僅承受停水時間長、產線復歸不確定因素；尤以半導體製程產線常處於滿載、須配合歲修時程。傳統系統停線規畫總造成莫大經濟成本損失。線上工法於管線汰換施工時無須中斷供水，此跨時代工法對身處半導體廠務系統更是一大福音。

綜觀工法演進，從冷凍工法、氣球工法至插閥式及本次引進最新桶式工法，隨工法演進對於工程風險控制及阻斷效率提升皆有長足進步^[1][2][3][4]。

2. 文獻探討

2.1 線上開孔介紹

1970年代開始，因石化與工業製程需求，線上施工需求逐漸浮現，最初主要應用於能源與工廠，輸送管線透過不斷水工法可在不停線(影響生產)的同時進行管路的擴充、修改與阻斷；過往的40年間，隨著需求與技術的演進，線上工法已逐步自成一不可取代的重要工具；應用對應流體、管徑大小與施工可靠度亦有長足進步；2016年TransCanada Corp.(國際能源權威公司)統計僅北美區域透過線上工法替該公司避免US$5,683M^[5]因管路中斷帶來之損失。

不斷水工法要求安全、穩定的於正運作中流體管線進行開孔分流並不影響既有供應，主要步驟流程示意如 圖1~圖3：

2.2 線上阻斷介紹

線上阻斷(Hot tapping and Line stopping)為線上開孔之衍生技術(球囊式、閥瓣式、桶式；冷凍除外)，透過開孔完成後對線上流體進行物理性阻絕，達到阻斷流體卻不需停止系統供應並降低系統恢復影響時間，主要針對部分管路、閥件、監控元件更換維修等需求。

技術工法經過近半世紀進步安全性不斷提升，數種工法可供施工團隊依管道流體與現場條件進行選擇，以下為工法說明與比較。

2.2.1 冷凍工法：

冷凍工法為線上阻斷中第一個被提出並驗證使用之方法，基本原理為透過液態氮/二氧化碳對管路內流體進行不侵入式冰封，使之凍結為局部固體段後進行管道維修工作(圖4~圖6)。但因凍結過程管道本身承受極低溫環境，有其結構變形、變質疑慮；且對於流體流速、溫度、純度要求複雜，從而衍生出球囊式、閥瓣式、桶式等新世代工法。

2.2.2 球囊式阻斷：

透過線上開孔之分歧管段，置入彈性球囊並引入氣體使球囊膨脹，進而阻斷流體進行管段工程，完成後釋放球囊壓力並退出。此方法可避免冷凍工法之風險與限制，屬於侵入式線上阻斷前期工法。(圖7)

2.2.3 瓣閥式阻斷：

同球囊式阻斷利用線上開孔之分歧管段，透過瓣膜式封堵器取代球囊達到阻斷流體，其優點為透過瓣膜墊片(可隨流體變更選擇)與機械結構重量強化阻斷效果，並降低球囊變形、破損風險。(圖8)

2.2.4 桶式阻斷：

不同球囊式、瓣閥式阻斷利用線上開孔僅為單側開口，桶式阻斷預先焊接四通鞍座，開孔為全開孔(鞍座內管段全切斷)，置入阻斷筒利用筒身結構與外包彈性墊片達成流體阻斷，完成管段工程後抽出阻斷筒恢復流體供應後進行鞍座封堵即完成。(圖9~圖12)

3. 研究方法

針對不同管路系統需求進行實作，藉以掌握不同工法優缺點與瓶頸。首先冷凍工法，配合本公司南科廠區空調冷卻水系統閥件故障汰換需求，因空間狹小初步評估使用液態氮冷凍工法(圖13)，結果發現因流體溫度、流速問題加上管壁內側結垢形成熱阻層(圖14)，經過六小時不間斷使用液態氮仍無法將流體凍結，可透過紅外線熱像儀(圖15)發現拆除液態氮後流體溫度隨即恢復。

該管段後續採用球囊式阻斷，考慮管壁結垢層選用特殊EDPM橡膠球囊(圖16)，於直管段空間允許區域進行阻斷作業(圖17)，結果阻斷率>95%透過引流順利完成法蘭/閥件新增作業(圖18)。

瓣閥工法：因廠區冷卻水水系統蝶閥異常無法關斷導致下游泵浦難以維修保養，且上游連接主管無關斷閥，須新增永久手動閥件，透過預先線上帶壓開孔鞍座(圖19)安裝置入式瓣膜閥件(圖20)，但發現因管壁不平整(圖21)導致閥件阻斷率約80%無法達到完全阻斷，若要求阻斷率此工法需特別考量管壁情況。

因冷凍、球囊和瓣閥式阻斷皆遭預管壁不平整導致阻斷過程風險或阻斷率不佳經驗，特別引進選用筒式阻斷(圖22~圖28)針對某400A冰水管失效閥件更換，明顯發現因阻斷面為全新切削面、平整度高，阻斷率幾乎100%，可說是目前最安全與保證之阻斷工法。

4. 結果分析與結論

綜觀線上阻斷工法計有冷凍式、球囊式、瓣閥式與筒式四種，隨工法使用與回饋逐步演進，不斷提升施工可靠性；各工法優缺點比較如 表1：

筆者針對施工風險程度將四種工法初步分為風險較高之冷凍、球囊式，因其存在凍結冰柱結構穩定性與球囊破裂風險；瓣閥式、桶式阻斷因其物理阻斷機制相對穩定，施工過程無因阻斷機構意外導致流體大量洩漏甚至無法中止之情形，若施工現場空間允許桶式阻斷會是半導體關鍵系統推薦選擇。