วันพุธที่ 13 ธันวาคม พ.ศ. 2560

การจุดระเบิดจากรถที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซล MO Memoir : Wednesday 13 December 2560


ในหลายโรงงาน ในบริเวณที่พื้นที่การผลิตมีความเสี่ยงที่จะมีโอกาสที่จะแก๊สเชื้อเพลิงรั่วไหลออกมาได้นั้น มักจะไม่อนุญาตให้รถที่ใช้เครื่องยนต์ "เบนซิน" ผ่านเข้าไปในพื้นที่ในขณะที่โรงงานเดินเครื่อง แต่อนุญาตให้รถที่ใช้เครื่องยนต์ "ดีเซล" ผ่านเข้าไปในพื้นที่ดังกล่าวได้ โดยมีเหตุผลว่าเครื่องยนต์ดีเซลนั้นไม่มีระบบ "จานจ่าย (distributor)" ที่เป็นสวิตช์ปิด-เปิดที่ทำหน้าที่ควบคุมการจ่ายไฟฟ้าไปยังหัวเทียนของกระบอกสูบต่าง ๆ (เป็นอุปกรณ์ที่มีประกายไฟฟ้าเกิดขึ้นได้ในระหว่างการทำงาน) ผมเองก็ยังเคยมีโอกาสนั่นรถบัสโดยสารที่ทางโรงกลั่นน้ำมันจัดให้เพื่อเข้าชมพื้นที่ภายในหน่วยการผลิต (แต่เขาให้นั่งอยู่แต่บนรถนะ ไม่ให้ลงมาเดินนอกรถ) แต่มันก็มีบันทึกอุบัติเหตุเอาไว้เหมือนกันว่า รถที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลนั้นก็สามารถจุดระเบิดไอเชื้อเพลิงที่รั่วไหลออกมาได้เช่นเดียวกัน

คำถามหนึ่งที่คนที่เรียนทางด้านเครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal combustion engine หรือที่คนที่เรียนวิชานี้มักจะเรียกชื่อย่อว่า ICE) มักจะต้องเตรียมตัวตอบคือ "จะเกิดอะไรขึ้น ถ้านำน้ำมันเบนซินไปเติมให้กับเครื่องยนต์ดีเซล และนำน้ำมันดีเซลไปเติมให้กับเครื่องยนต์เบนซิน" คำตอบของคำถามดังกล่าวคือเครื่องยนต์จะเกิดการน๊อคเพราะน้ำมันทั้งสองชนิดมีคุณสมบัติหนึ่งที่ตรงข้ามกันอยู่ นั่นคือ "ความยากง่ายของการจุดระเบิดด้วยตนเอง" โดยพารามิเตอร์หนึ่งที่บ่งบอกถึงความยากง่ายในการจุดระเบิดด้วยตนเองของเชื้อเพลิงก็คือ "autoignition temperature" หรืออุณหภูมิลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง


รูปที่ ๑ เหตุการณ์การจุดระเบิดแก๊สบิวเทนที่รั่วออกมา จากพื้นผิวเครื่องยนต์หรือท่อไอเสียที่ร้อน (จากวารสาร Loss Prevention Bulletin Vol. 13 ปีค.ศ. ๑๙๗๗ (พ.ศ. ๒๕๒๐) หน้า ๘)
 
๓ องค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้คือ เชื้อเพลิง สารออกซิไดซ์ (ปรกติก็คืออากาศ) และแหล่งพลังงาน (ซึ่งอาจเป็น เปลวไฟ ประกายไฟ ความร้อน หรือตัวเร่งปฏิกิริยา ก็ได้) เครื่องยนต์เบนซินนั้นทำงานด้วยการผสมน้ำมันกับอากาศเข้าด้วยกันก่อน กลายเป็นแก๊สผสมมที่เรียกว่า "ไอดี" จากนั้นจึงป้อนไอดีนั้นเข้าสู่กระบอกสูบและทำการอัดส่วนผสมนั้นให้มีความดันสูงขึ้นก่อนที่จะทำการจุดระเบิดโดยใช้ประกายไฟฟ้าจากหัวเทียน แต่ในจังหวะที่เปลวไฟที่เกิดจากการจุดระเบิดที่หัวเทียนนั้นกำลังแผ่ขยายไปทั่วกระบอกสูง แก๊สไอดีที่ยังไม่ลุกไหม้นั้นจะมีความดันและอุณหภูมิสูงขึ้น และถ้าเชื้อเพลิงนั้นมีค่า autoignition temperature ต่ำเกินไป ไอดีนั้นก็จะเกิดการระเบิดขึ้นเองก่อนที่เปลวไฟที่แผ่ออกมาจากหัวเทียนจะเคลื่อนที่มาถึง ทำให้จังหวะการเกิดความดันสูง (อันเป็นผลจากการเผาไหม้) ในกระบอกสูบนั้นไม่สัมพันธ์กับจังหวะการเคลื่อนที่ของกระบอกสูบ 
  
ด้วยเหตุนี้เพื่อที่จะป้องกันการเกิดอาการน็อคของเครื่องยนต์เบนซิน เครื่องยนต์เบนซินจึงมักจะทำงานที่ค่าอัตราส่วนการอัด (compression ratio คือปริมาตรที่มากที่สุดของกระบอกสูบที่เกิดขึ้นเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงต่ำสุด ต่อปริมาณที่เล็กที่สุดของกระบอกสูบที่เกิดขึ้นเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด) ไม่สูงมาก (คือประมาณ 10:1) และในกรณีที่จำเป็นต้องใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำ ก็อาจต้องใช้การตั้งองศาการจุดระเบิดช่วย คือตั้งให้หัวเทียนทำการจุดระเบิดในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่มาจนถึงตำแหน่งสูงสุดแล้วและกำลังเคลื่อนที่ลง
 
เครื่องยนต์ดีเซลนั้นดูดอากาศเพียงอย่างเดียวเข้ากระบอกสูบ จากนั้นจึงทำการอัดอากาศนั้นให้มีปริมาตรเล็กลงซึ่งทำให้ความดันและอุณหภูมิของอากาศที่ถูกอัดนั้นเพิ่มสูงตามไปด้วย ในทางทฤษฎีนั้นไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์เบนซินหรือดีเซล ยิ่งเครื่องยนต์ทำงานด้วยอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น จะทำให้ประสิทธิภาพของวัฏจักรกำลังนั้นสูงตามไปด้วย ที่ค่าอัตราส่วนการอัดเท่ากัน ประสิทธิภาพของวัฏจักรเบนซิน (Otto cycle) จะสูงกว่าของวัฏจักรดีเซล แต่ด้วยด้วยการที่เครื่องยนต์ดีเซลนั้นแก๊สที่อัดนั้นมีแต่อากาศ จึงทำให้สามารถอัดด้วยอัตราส่วนการอัดที่สูงกว่าเครื่องยนต์เบนซินได้ (ระดับประมาณ 20:1) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้รถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลสามารถประหยัดน้ำมันได้มากกว่ารถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์เบนซิน 
  
ไอเสียที่ระบายออกจากเครื่องยนต์จะไหลออกทางท่อไอเสีย แก๊สไอเสียนี้จะมีอุณหภูมิสูง ส่วนที่ว่าสูงแค่ไหนนั้นก็ดูได้จากการที่เขาไม่ทาสีระบบท่อไอเสีย (คือตั้งแต่ท่อร่วมไอเสีย (exhaust manifold) ที่รับแก๊สจากแต่ละกระบอกสูบมารวมกัน ไปจนถึงท่อไอเสีย (exhaust pipe) ที่ปล่อยไอเสียออกทางด้านหลังรถ) เพราะมันไม่มีสีที่ทนอุณหภูมิสูงได้ (ทาไปก็ไหม้หมด) ประเด็นเรื่องอุณหภูมิของท่อไอเสียนี้มักจะไม่ได้รับการพิจารณาในแง่ที่ว่าถ้ามันสูงพอมันก็สามารถทำให้ไอเชื้อเพลิงนั้นจุดระเบิดได้เช่นเดียวกัน
 
วารสาร Loss Prevention Bulletin Vol. 13 ปีค.ศ. ๑๙๗๗ (พ.ศ. ๒๕๒๐) หน้า ๘ ยกเหตุการณ์การระเบิดที่เกิดขึ้นในระหว่างการถ่ายแก๊สบิวเทนจากรถบรรทุก (มีรถบรรทุก ๒ คันอยู่ในเหตุการณ์) เนื้อหาในเอกสาร (รูปที่ ๑) กล่าวว่าในระหว่างที่ทำการถ่ายแก๊สบิวเทนออกจากรถนั้นสังเกตเห็นไอของบิวเทนรั่วออกมา (ผลจากข้อต่อสายยางที่ไม่แน่นและสายยางมีรูรั่ว) พนักงานขับรถจึงส่งสัญญาณเตือนและปิดการทำงานของปั๊มถ่ายบิวเทน แต่ไม่ทันเวลา ไอบิวเทนที่รั่วออกมานั้นพบกับแหล่งพลังงานและเกิดการลุกติดไฟ แหล่งพลังงานที่ทำให้แก๊สลุกติดไฟนั้นเชื่อว่าเป็นส่วนของเครื่องยนต์ที่ร้อนหรือไม่ก็ท่อไอเสีย นอกจากนี้พนักงานขับรถทั้งสองคนยังรายงานว่า ก่อนที่จะเกิดเหตุไฟไหม้นั้น เครื่องยนต์ของรถมีการเร่งเครื่องได้เอง
 
แก๊ส LPG (พวกโพรเพนและบิวเทน) นั้นจะบรรจุในถังความดันที่เก็บแก๊สในรูปของของเหลวภายใต้ความดันที่อุณหภูมิห้อง และการถ่ายแก๊สจากถังใบหนึ่งไปยังถังอีกใบหนึ่งด้วยการใช้ปั๊มก็เป็นการถ่ายในสภาพที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน ดังนั้นเมื่อรั่วออกมาจึงพอจะมองเห็นเป็นละอองไอได้
เมื่อแก๊สที่รั่วออกมาจากรูรั่วนั้นเกิดการจุดระเบิด เปลวไฟที่เกิดจากการเผาไหม้ก็จะวิ่งจากแหล่งจุดระเบิดกลับไปยังจุดที่รั่วออกมาและเกิดการลุกไหม้ต่อที่นั่น (หาจุดที่รั่วออกง่ายกว่าหาจุดเริ่มต้นการระเบิด) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้สามารถตามกลับไปได้ว่าจุดที่เกิดการรั่วนั้นอยู่ที่ไหน ซึ่งในเหตุการณ์นี้พบอยู่สองตำแหน่งคือที่ตัวสายยาง (ที่การเผาไหม้ตรงตำแหน่งนั้นทำให้เกิดรูขนาด 2 นิ้ว) และที่ข้อต่อของสายยางเข้ากับท่อ

รูปที่ ๒ การระเบิดที่เกิดจากเครื่องยนต์ดีเซลที่ดูดเอาอากาศที่ผสมกับไอระเหยของไซโคลเฮกเซนเข้าไป

ประเด็นที่เราควรตั้งข้อสังเกตตรงนี้คือ ปรกติแล้วแก๊สหุงต้มที่เราใช้เป็นเชื้อเพลิงกันตามบ้านเรือนนั้นเวลาที่มันรั่วออกมา แม้ว่าจะมีปริมาณเพียงเล็กน้อยก็ตาม เราก็จะได้กลิ่นเหม็นแล้ว ปรกติแล้วแก๊สไฮโดรคาร์บอน C1-C4 เป็นแก๊สที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ดังนั้นเพื่อความปลอดภัยจึงมักทำการเติมสารที่มีกลิ่นเหม็น (พวก mercaptan) ผสมเข้าไปเพื่อให้รู้ว่ามีแก๊สรั่วหรือไม่ (คือถ้าได้กลิ่นเหม็นก็แสดงว่ามีแก๊สรั่ว) แต่ในเหตุการณ์นี้แก๊สบิวเทนได้รั่วออกมาในปริมาณที่มากถึงระดับหนึ่งแล้วโดยที่พนักงานขับรถที่ทำการขนถ่ายบิวเทนอยู่นั้นไม่ทราบเรื่อง ส่อให้เห็นว่าแก๊สบิวเทนที่ทำการขนถ่ายอยู่นั้นไม่มีการผสมสารที่มีกลิ่นเข้าไป ซึ่งก็มีอยู่หลายงานเช่นกันที่ต้องการแก๊สบิวเทนที่ไม่มีการผสมสารให้กลิ่น 
ตัวอย่างหนึ่งของงานเช่นนี้ได้แก่การนำแก๊สบิวเทนไปใช้เป็น propellent gas ในกระป๋องสเปรย์ต่าง ๆ
 
ตามรายงานเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในรูปที่ ๑ นั้นแสดงให้เห็นว่ามีการรั่วไหลของแก๊สออกมาเป็นระยะหนึ่งแล้ว นั่นคือการที่เครื่องยนต์ดีเซลของรถนั้นเร่งเครื่องได้ด้วยตนเอง ตรงนี้เป็นผลจากการที่เครื่องยนต์ดูดเอาอากาศที่มีบิวเทนผสมอยู่เข้าไป ในกรณีเช่นนี้มีบันทึกไว้เหมือนกันว่าในบางกรณีนั้นแม้ว่าจะปิดสวิตช์เครื่องยนต์ คือตัดน้ำมันไม่ให้จ่ายไปยังเครื่องยนต์ แต่เครื่องยนต์ก็ยังทำงานต่อไปและเร่งความเร็วรอบขึ้นเรื่อย ๆ อันเป็นผลจากเชื้อเพลิงที่ผสมอยู่กับอากาศที่เครื่องยนต์ดูดเข้าไป
 
Prof. Trevor Kletz เคยได้บรรยายเหตุการณ์การระเบิดที่เกิดจากการที่เครื่องยนต์ดีเซลดูดเอาไอระเหยของไซโคลเฮกเซน (cyclohexane C6H12) เข้าไปไว้ในเอกสาร ICI Safety Newsletter No. 23 ในปีค.ศ. ๑๙๗๐ (รูปที่ ๒ - หาดาวน์โหลดจากอินเทอร์เน็ตได้) ในเหตุการณ์นั้น (ที่เกิดขึ้นในปีค.ศ. ๑๙๖๙) ไอระเหยของไซโคลเฮกเซนที่ผสมอยู่กับอากาศที่เครื่องยนต์ดูดเข้าไป ทำให้เครื่องยนต์ดีเซลเร่งตนเอง (แม้ว่าจะตัดการจ่ายน้ำมันแล้วก็ตาม) จนกระทั่งเกิด flash back ออกมาจากเครื่องยนต์ จากเหตุการณ์ดังกล่าวจึงส่งผลให้เกิดการพัฒนาอุปกรณ์เพื่อป้องกันไม่ให้เหตุการณ์เช่นนั้นเกิดขึ้นซ้ำอีก
 
แต่การจุดระเบิดตามเหตุการณ์ในรูปที่ ๑ และเหตุการณ์ในรูปที่ ๒ นั้นแตกต่างกัน เหตุการณ์ในรูปที่ ๒ นั้นการจุดระเบิดเกิดจากที่วิ่งย้อนออกมาจากช่องดูดอากาศเข้าของเครื่องยนต์ ดังนั้นถ้าสามารถหยุดการทำงานของเครื่องยนต์ได้ ก็จะไม่มีการเกิดเปลวไฟวิ่งย้อนออกมา ส่วนเหตุการณ์ในรูปที่ ๑ นั้นเกิดจากพื้นผิวที่ร้อนจัด ดังนั้นแม้ว่าจะไม่มีการดูดเอาไอเชื้อเพลิงเข้าไปในเครื่องยนต์ แต่ถ้าตัวเครื่องยนต์หรือท่อไอเสียนั้นมีอุณหภูมิสูงมากพอ ก็จะสามารถจุดระเบิดไอระเหยของเชื้อเพลิงที่มาสัมผัสกับพื้นผิวดังกล่าวได้

ปิดท้ายที่ว่างของหน้ากระดาษด้วยภาพแม่น้ำเจ้าพระยาที่ถ่ายจากสะพานกรุงธนเมื่อราวหกโมงเย็นเศษของวันนี้ก็แล้วกันครับ

วันอาทิตย์ที่ 10 ธันวาคม พ.ศ. 2560

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๘ (ตอนที่ ๒๕) MO Memoir : Sunday 10 December 2560

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนิ้อหาลง blog
 
เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้เกี่ยวกับการสอบวิทยานิพนธ์เมื่อวันพฤหัสบดีและวันศุกร์ที่ผ่านมา และเป็นฉบับปิดท้ายบทความชุด "แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๘" ด้วย