Развитие метода люминесцентного контроля состава плазмы и обрабатываемой поверхности в технологии антикоррозионной защиты нефтегазового оборудования

Abstract

Актуальность. Надежность и целостность нефтедобывающего оборудования, сроки его эксплуатации обеспечиваются комплексом мер по борьбе с коррозией, в частности использованием технологий газопламенного напыления защитных покрытий на проектируемые или восстанавливаемые детали. В данных технологиях эффективным методом контроля за состоянием состава плазмы и качества напыляемой поверхности может служить явление гетерогенной хемилюминесценции. Гетерогенные хемилюминесцентные реакции обладают селективностью и высокой чувствительностью к типу поверхности и сорту возбуждающего газа. Использование оптических методов для изучения, контроля и управления в неравновесных системах газ–твердое тело открывает новые аналитические и аппаратурные возможности в физике поверхности, химии, плазмохимии, технологии полупроводников и люминофоров, в решении экологических проблем. Изучение процессов адсорбции–десорбции, диссоциации, диффузии, рекомбинации газовых частиц, дефектообразования и роста кристаллической решетки с использованием явления гетерогенной хемилюминесценции является актуальной задачей физики конденсированного состояния. Поскольку явление гетерогенной хемилюминесценции реализует возможности осуществления селективных экспресс-методов анализа при простом аппаратурном оснащении с пределом обнаружения свободных атомов, радикалов, примесей в газовой фазе и в составе поверхностных слоев конденсированных сред до 10–6 % (мол). Цель: исследование процессов в неравновесных системах газ – твердое тело и определение параметров этого взаимодействия на основе регистрации характеристик гетерогенной хемилюминесценции; разработка нестационарных методов определения параметров взаимодействия газ–твердое тело с использованием явления гетерогенной хемилюминесценции, контроль параметров газовой среды и состояния поверхности конденсированных сред. Объекты: атомно-молекулярные пучки водорода, кристаллофосфор ZnS–Mn2+, приповерхностные области взаимодействия газ – твердое тело. Методы: методы, основанные на явлении гетерогенной хемилюминесценции в атомарном водороде для определения скоростей адсорбции и рекомбинации атомов Н, десорбции молекул H2, энергии активации десорбции молекул водорода с поверхности ZnS–Mn2+. Методом «темновой» паузы определена скорость рекомбинации адсорбированных атомов водорода по механизму Лэнгмюра–Хиншелвуда. Результаты. Выполнено сравнительное исследование люминесценции ZnS–Mn2+ при возбуждении светом (фотолюминесценции) и атомарным водородом (гетерогенной хемилюминесценции). Изучены спектрально-кинетические характеристики люминесценции. Установлены механизмы и параметры взаимодействия атомов водорода с поверхностью сульфида цинка (сечения, частотные факторы, энергии активации) с использованием спектрально-кинетических характеристик гетерогенной хемилюминесценции. Показано, что люминофор ZnS–Mn2+ может служить экспресс датчиком восстановительной компоненты плазмы (водород). Явление гетерогенной хемилюминесценции составляет основу оперативных методов контроля начальных стадий модификации поверхности твердых тел в процессах пучково-плазменной обработки материалов.

Relevance. Reliability and integrity of oil production equipment, its operation time are provided by a set of measures to combat corrosion, in particular, to use gas-plasma sputtering of protective coatings on designed or restored technology parts. In these technologies, the heterogeneous chemiluminescence phenomenon can serve as an effective method for monitoring plasma composition state and the sputtered surface quality. Heterogeneous chemiluminescence reactions has selectivity and high sensitivity to surface type and excitation gas grade. The use of optical methods to study and control in non-equilibrium gas-solid systems opens up new analytical possibilities in surface physics, chemistry, plasma chemistry, semiconductor and phosphor technology, and in solving environmental problems. Study of adsorption, desorption, dissociation, diffusion, gas particles recombination, defect formation and crystal lattice growth using heterogeneous chemiluminescence phenomenon is an urgent task in condensed matter physics, as the heterogeneous chemiluminescence phenomenon realizes the possibility of selective rapid analysis methods with simple hardware equipment at detection limit of free atoms, radicals, impurities in gas phase and the surface layers composition condensed matter to 10-6 % (mol). The main aim of the research is to study the processes in non-equilibrium systems gas-solid and to determine the interaction based on the registration of characteristics of heterogeneous chemiluminescence; to develop the methods for determining time-dependent interaction parameters of gas-solid using heterogeneous chemiluminescence phenomenon, to monitor the parameters of gaseous medium and the state of condensed matter surface. Objects: atomic-molecular hydrogen beams, crystalline phosphorus ZnS-Mn2+ , near-surface gas-solid interaction regions. Methods: methods based on heterogeneous chemiluminescence phenomenon in atomic hydrogen for determining adsorption rate and H atoms recombination, H2 molecules desorption rate, heat of hydrogen atoms desorption from ZnS-Mn2 + surface. Using the «dark» pause method, the recombination rate of adsorbed atoms was obtained by the Langmuir-Hinshelwood mechanism. Results. The authors have carried out the comparative study of ZnS-Mn2 + luminescence upon light (photoluminescence) and atomic hydrogen (heterogeneous chemiluminescence) excitation. Spectral-kinetic characteristics of luminescence were studied and mechanisms and parameters of interaction of hydrogen atoms with zinc sulfide surface (cross sections, frequency factors, activation energies) based on the kinetic characteristics of heterogeneous chemiluminescence were determined. It is shown that the ZnSCMn2+ phosphor can serve as an express sensor reducing plasma component (hydrogen). Heterogeneous chemiluminescence phenomenon is an effective method to control the initial step of modification and composition of solids surface in beam-plasma treatment of materials.