超声波冲击技术（UIT）在发电行业的工程应用

超声波冲击技术（UIT，Ultrasonic Impact Treatment）是适配发电行业高温、高压、长周期连续运行工况的先进应力调控与焊接强化工艺，可支持手动便携作业与机器人自动化实施两种模式，全面覆盖发电装备新建工程制造与在役维修养护两大场景，广泛应用于结构件焊接修复、热交换器焊缝强化、聚变反应堆关键构件应力处理等领域，可高效消除焊接残余拉应力、抑制高温疲劳与应力腐蚀开裂、提升焊接接头结构稳定性，为火电、核电、聚变能等发电装备的安全服役、长周期运行提供关键工艺支撑。

一、发电行业焊接构件残余拉应力的危害

发电装备核心金属构件长期处于高温、高压、循环热应力、介质腐蚀、连续振动的复合极端工况，热交换器、反应堆结构、管道与箱体焊接接头在制造及补焊后均存在高值残余拉应力，与服役载荷叠加后会引发多重结构风险，直接威胁发电系统安全与连续供电：

• 疲劳与腐蚀开裂高发：残余拉应力与高温循环载荷、水汽 / 冷却介质腐蚀耦合，易在焊趾、接管座、换热管板焊缝处萌生裂纹，引发热交换器泄漏、管道破裂、反应堆附属结构损伤，造成非计划停机。
• 维修后二次失效突出：发电装备在役焊接修复后新产生的残余应力无法通过传统工艺彻底消除，补焊区域短周期内再次开裂，反复维修大幅抬高运维成本与停机损失。
• 新建构件质量一致性差：大型发电设备焊接结构尺寸大、焊缝长，传统应力均化手段效果不均，易造成构件变形、装配精度下降，影响新建工程投产周期与运行稳定性。
• 高端装备结构安全受限：聚变反应堆等新一代发电装置对构件尺寸稳定性、抗辐照疲劳、抗应力腐蚀要求严苛，残余拉应力会直接降低核心结构设计安全裕度，制约装备服役寿命与运行可靠性。

二、UIT 在发电行业的核心作用原理

UIT 通过高频微观塑性变形实现应力重构与接头强化，兼顾手动灵活施工与机器人高精度自动化作业，其作用机制与发电行业高温、精密、大型结构需求高度匹配，核心机理如下表：

关键过程：UIT 可采用手动手持单元完成狭小空间、现场零散点位快速处理，也可搭载工业机器人实现长焊缝、复杂曲面、反应堆类精密结构自动化批量处理；全程无高温、无明火、无明显变形，不改变发电装备用耐热钢、不锈钢、核级合金的基体组织，适配新建厂内制造与电站现场在役维修。

三、UIT 在发电行业的应用优势对比

发电行业同时存在新建大规模制造、在役不停机 / 少停机维修、核级 / 高温精密构件处理等多元需求，UIT 手动 + 机器人双模式相比传统工艺具备全场景适配优势，对比结果如下：

UIT 核心适用对象：发电装备焊接修复结构、热交换器管板与筒体焊缝、聚变反应堆支撑结构 / 真空容器 / 屏蔽构件焊缝，同时兼容常规火电、核电、新能源发电装备制造与维修。

四、发电行业 UIT 施工流程与实施模式

结合新建工程标准化制造、电站现场应急维修、机器人自动化生产的不同需求，UIT 形成统一流程并支持手动 / 机器人双模式切换：

1. 预处理

• 清理焊缝区域氧化皮、焊渣、油污、水垢与介质沉积物，核级与聚变堆构件采用洁净处理，保证冲击面与母材良好结合。

2. 设备与模式选型

• 零散点位、狭小空间、应急维修选用手动 UIT 设备；长直焊缝、管板阵列、聚变堆大型精密构件选用机器人搭载 UIT 系统；根据耐热钢、不锈钢、核级合金材质设定 20~27kHz 工作频率与对应振幅。

3. 工艺实施

• 手动模式：匀速移动冲击头（50~150mm/min），重点覆盖焊趾两侧 5~10mm 范围，补焊后执行随焊冲击。
• 机器人模式：导入三维焊缝轨迹，设定行走速度、冲击压力与重叠率，实现全自动、一致性强化，适用于热交换器批量管板、聚变堆结构件。
• 热交换器、反应堆类关键构件执行全焊缝区域覆盖处理。

4. 质量检测

• 采用 X 射线衍射应力检测、表面硬度检测、渗透 / 磁粉探伤进行验收；核级与聚变堆构件增加金相抽样与疲劳性能验证，新建工程与在役维修分别建立质量追溯档案。

五、行业应用效果与典型数据

UIT 在发电行业新建制造与在役维修中已形成成熟应用，在热交换器、焊接修复、聚变反应堆构件上均有明确量化效果：

• 应力调控效果：热交换器管板焊缝处理后，拉应力由 + 320~+380MPa 转为 **-380~-420MPa** 稳定残余压应力；聚变反应堆模拟构件焊接接头残余应力消除率超过 90%。
• 寿命与可靠性提升：在役发电管道焊接修复后二次开裂率由 35% 以上降至 5% 以下；热交换器焊缝抗高温疲劳寿命提升 60%~200%，介质泄漏故障减少 70% 以上。
• 工程实施案例：某核电站热交换器大修采用手动 UIT 完成管板与筒体焊缝应力消除，停机时间缩短 60%，连续运行周期延长至原设计 1.5 倍；聚变反应堆试验构件采用机器人 UIT 自动化处理，焊缝一致性与尺寸精度满足核级装配要求，高温循环疲劳性能达标；多台火电机组新建管道、联箱焊接后采用 UIT 批处理，制造变形量降低 50%，安装一次合格率提升。
• 施工效率对比：机器人 UIT 对长焊缝作业效率较手动提升 3~5 倍，适用于发电装备新建车间规模化生产；手动 UIT 可在电站狭小廊道、设备夹层完成原位维修，无需大型吊装与拆解。

六、应用注意事项与局限性

• 作用深度与厚件匹配：UIT 强化集中在表层 0.5~2mm，厚壁发电管道、反应堆重型支撑结构需与整体应力均化工艺配合使用。
• 材质与温度适配：适用于耐热钢、不锈钢、核级合金等主流发电用材，特殊高合金与聚变堆新型结构材料需提前做工艺验证。
• 施工约束：机器人模式需具备足够作业空间与轨迹建模条件；处于高温带压运行状态的构件严禁施工，必须按电站安全规程停机降温和隔离。
• 裂纹处理边界：大于 1mm 的宏观裂纹需先按规范补焊，再使用 UIT 进行应力消除与止裂，不可直接冲击处理贯通性裂纹。
• 核岛特殊要求：聚变反应堆、核电站核岛范围内施工，设备与工艺需满足洁净、防污染、可追溯要求，禁止使用易脱落碎屑的耗材。

七、总结与展望

超声波冲击（UIT）工艺凭借手动灵活施工、机器人自动化量产的双重实施能力，可全面覆盖发电行业新建工程制造与在役运维维修，在焊接修复、热交换器焊缝强化、聚变反应堆关键构件应力调控中表现出稳定的消应力、抑开裂、提寿命效果，完美适配发电装备高温、高压、高可靠、长周期的运行要求，是提升发电装备制造质量、降低非计划停机、延长服役寿命的核心工艺之一。

随着清洁低碳能源发展与聚变能工程化推进，发电装备向大型化、精密化、核级化方向升级，适配极端环境的小型化手持 UIT 终端、核级机器人 UIT 系统、在线应力监测 – 冲击一体化装备将逐步普及，实现热交换器、聚变堆核心构件从制造、安装到在役维护的全生命周期应力管控；未来 UIT 将与发电装备数字化制造、智能检修体系深度融合，形成标准化工艺包与机器人自动编程模块，进一步提升施工一致性、降低现场运维难度，为火电高效运行、核电安全稳定、聚变能工程化落地提供可靠结构保障。

瀚翎科学仪器提供各种超声处理设备，适用于绝大部分的焊接应力、疲劳寿命等领域。