基于微波谐振探头的HDPE管道热熔接头冷焊缺陷无损检测技术研究及其应用价值分析

针对HDPE管道热熔接头冷焊缺陷导致燃气网络安全隐患的问题，研究团队开发了基于微波谐振探头与矢量网络分析仪(VNA)的无损检测(NDT)系统，通过监测S21共振峰幅值变化实现对焊接质量的精准评估。研究证实该方法能有效识别由融合温度(170–220°C)和压力(0.47–0.78 MPa)异常引起的缺陷，为管道完整性评估提供了创新性解决方案。

　　

在城市化进程加速的今天，高密度聚乙烯（HDPE）管道因其耐腐蚀、轻质高强等优点，已成为燃气输送网络的核心材料。然而，管道连接处的热熔焊接工艺若存在瑕疵——特别是因加热不足或融合压力不当形成的"冷焊缺陷"，将直接威胁管网系统的安全运行。传统检测手段如目视检查或破坏性抽样不仅效率低下，更难以实现全面覆盖，这使得开发高效精准的无损检测技术成为行业迫切需求。

发表于《International Journal of Polymer Analysis and Characterization》的研究中，Jinping Pan、Zhen Wang、Chaoming Zhu和Lianjiang Tan团队创新性地将微波谐振探头与矢量网络分析仪（VNA）相结合，构建了一套非侵入式检测系统。该系统通过分析微波在材料中的传播特性，将HDPE接头内部的结构变化转化为可量化的电信号参数，实现了对冷焊缺陷的灵敏识别。

研究团队主要采用四项关键技术：首先利用微波谐振探头采集接头区域的电磁响应信号，重点监测散射参数S₂₁的共振峰变化；其次通过控制融合温度（170–220°C）和压力（0.47–0.78 MPa）制备不同质量等级的试样；接着采用电子万能试验机进行拉伸测试以评估机械性能；最后结合真密度分析和X射线衍射（XRD）表征材料结晶度与结构致密性。所有试样均来自标准HDPE管道热熔焊接工艺模拟。

微波响应与缺陷关联分析

通过对比不同工艺参数下S₂₁共振曲线的偏移规律，发现冷焊缺陷会导致共振峰幅值显著降低。当融合温度低于190°C或压力低于0.6 MPa时，系统可检测到明显的信号衰减，表明微波检测对工艺参数异常具有高度敏感性。

力学性能验证

拉伸试验显示，存在冷焊缺陷的接头其抗拉强度平均下降27.3%，断裂伸长率减少34.8%，证实缺陷严重削弱接头的机械完整性。

材料结构表征

真密度测试表明缺陷区域材料孔隙率增加，密度降低0.8–1.2%；XRD图谱显示冷焊接头的结晶度下降约15.6%，表明分子链排列有序度受损，与微波检测结果相互印证。

系统可靠性验证

通过建立S₂₁信号变化与力学性能、结晶度的定量关系模型，证明微波响应参数可作为评估焊接质量的可靠指标，检测准确率达92.7%。

本研究系统论证了微波无损检测技术在HDPE管道质量控制中的适用性。该方法不仅克服了传统检测手段的局限性，更能实现实时、在线的工艺监控。特别是通过S₂₁参数与材料力学性能、结晶度的关联分析，为建立基于电磁响应的质量评估标准提供了理论依据。该技术有望应用于油气管道、城市管网等重大基础设施的安全监测领域，对提升能源输送系统的可靠性具有重要实践价值。