วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๓ MO Memoir : Sunday 4 September 2554

ก่อนอื่นก็ต้องขอกล่าวต้อนรับว่าที่สมาชิกใหม่ของกลุ่ม ที่คาดว่าจะมาเข้าร่วมงานกันในภาคต้นปีการศึกษา ๒๕๕๕ จำนวน ๕ คน (เลข ๕ มาเยอะหน่อย) งานนี้ต้องขอขอบคุณสาวน้อยนักแสดงและสาวน้อยหน้าบาน (คนหลังตั้งชื่อให้อย่างนี้ไม่รู้เจ้าตัวจะชอบหรือเปล่า) ที่ช่วยประชาสัมพันธ์ให้เป็นอย่างดี หวังว่าปีการศึกษาหน้าคงมาครบกันทุกคน แต่ถ้าเปลี่ยนใจจะไปทำอย่างอื่นก็ขอความกรุณาช่วยแจ้งให้ทราบด้วย ทางกลุ่มจะได้เปิดรับคนอื่นเข้ามาแทน ตอนนี้อยากทราบเรื่องอะไรเกี่ยวกับทางกลุ่มก็ขอให้ติดตามทาง blog นี้ไปก่อนก็แล้วกัน ผมจะะเริ่มส่ง Memoir ฉบับ pdf ให้กับสมาชิกใหม่ก็ต่อเมื่อเริ่มเข้ามาเรียนแล้ว

ผมเขียนเรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๑" ไปใน Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓๒ วันจันทร์ที่ ๒๗ เมษายน ๒๕๕๒ และเรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๒" ไปใน Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓๓ วันพุธที่ ๒๙ เมษายน ๒๕๕๒ ในตอนที่ ๒ นั้นผมขึ้นเรื่องวาล์วระบายความดันเอาไว้ แต่ก็ไม่ได้เขียนสักที นี่ก็ค้างมาเกือบสองปีครึ่งแล้ว แถมมี Memoir คั่นกลางอีกกว่า ๓๐๐ ฉบับ ก็เลยคิดว่าได้เวลาที่ต้องลงมือเขียนแล้ว

อันที่จริงก่อนหน้านี้ก็ได้เขียนเรื่องเกี่ยวกับ Breather valve ใน Memoir ๓ ฉบับที่ ๓๐๑ วันศุกร์ที่ ๑๓ เมษายน ๒๕๕๔ เรื่อง "การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ (Atmospheric tank)" ซึ่งก็เป็นเรื่องเกี่ยวกับวาล์วระบายความดัน แต่วาล์วดังกล่าวไม่เพียงแต่ยอมให้แก๊สในถังระบายออกเมื่อความดันในถังสูงเกินไป แต่ยังยอมให้อากาศข้างนอกเข้าไปในถังได้เมื่อความดันในถังต่ำเกินไป

ส่วนวาล์วระบายความดันใน Memoir ฉบับนี้เป็นวาล์วที่ใช้ระบายความดันในกรณีที่ความดันภายในภาชนะนั้นสูงเกินกว่าความดันที่กำหนดไว้ และเนื้อหาในนี้ไม่ได้เน้นไปที่การออกแบบหรือการเลือกใช้ เพียงแต่ต้องการให้รู้จักว่าวาล์วระบายความดันนั้นทำงานอย่างไร

ตามมาตรฐานอเมริกานั้นจะแยกวาล์วระบายความดันออกเป็น ๓ ประเภทตามชนิดของไหลดังนี้

(ก) Safety valve ใช้กับแก๊ส

(ข) Relief valve ใช้กับของเหลว

(ค) Safety relief valve ใช้ได้ทั้งแก๊สและของเหลว

แต่ถ้าเป็นตามมาตรฐานอังกฤษนั้น (BS 6759 ปีค.ศ. 1984) เรียกรวม ๆ ว่าวาล์วที่ทำงานด้วยระบบกลไกใด ๆ ก็ตามที่ออกแบบมาเพื่อเปิดอัตโนมัติเพื่อการระบายความดันที่สูงเกินนั้น เรียกรวมว่า safety valve โดยไม่มีการกำหนดว่าใช้กับของเหลวหรือแก๊ส⁽¹⁾

ที่ระดับความดันที่ใช้งานกันทั่วไปในอุตสาหกรรมนั้น ถือได้ว่าไม่สามารถทำให้ของเหลวมีปริมาตรเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้นถ้าถัง (หรือท่อ) ที่บรรจุของเหลวนั้นมีความดันสูงเกินไป ถ้าเปิดวาล์วให้ของเหลวรั่วไหลออกมาได้หรือมีที่ว่างให้ขยายตัวได้ ความดันในระบบก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่ในกรณีของแก๊สนั้นเนื่องจากเป็นของไหลที่อัดตัวได้ ดังนั้นถ้าความดันในถัง (หรือท่อ) ที่บรรจุแก๊สนั้นสูงเกินไป การเปิดช่องว่างให้แก๊สรั่วไหลออกมาได้ก็จะทำให้ความในระบบนั้นลดลง แต่การลดลงจะช้ากว่าของเหลว

ดังนั้นในกรณีของวาล์วระบายความดันที่ใช้กับแก๊สนั้น ทันทีที่ความดันในระบบสูงเกินค่าที่กำหนดไว้ (แม้ว่าจะเกินไปเพียงเล็กน้อย) วาล์วจะต้องเปิดเต็มที่ทันทีอย่างรวดเร็ว เพื่อให้การระบายความดันเป็นไปได้อย่างสะดวกและทันท่วงที ในขณะที่วาล์วที่ใช้ในการระบายความดันของของเหลวนั้น จะเปิดกว้างมากน้อยเท่าใดก็ขึ้นอยู่กับว่าความดันในระบบนั้นสูงเกินค่าที่กำหนดไว้มากน้อยเท่าใด ถ้าความดันสูงเกินไปมาก วาล์วก็เปิดเพียงเล็กน้อย ถ้าความดันสูงเกินไปมาก วาล์วก็เปิดกว้างมากขึ้น

ทีนี้เรามาดูกันว่าวาล์วแต่ละแบบนั้นมีหลักการทำงานอย่างไรโดยจะใช้รูปวาดแบบง่าย โดยจะเริ่มจากวาล์วระบายความดันสำหรับของเหลวที่แสดงในรูปที่ ๑ ก่อน

รูปที่ ๑ หลักการทำงานของวาล์วระบายความดันสำหรับของเหลว

สมมุติว่าท่อที่ต่อเข้าวาล์วนั้นมีพื้นที่หน้าตัด 10 cm² ตัววาล์วเองที่ปิดท่อระบายความดันก็มีขนาดพื้นที่หน้าตัด 10 cm² และแรงกด (ปรกติจะใช้สปริงกด แต่ในรูปแสดงเป็นก้อนน้ำหนัก) ที่กดให้วาล์วปิดนั้นคือ 100 kg (ตัวนี้เทียบได้กับ set pressure หรือความดันที่กำหนดให้วาล์วเปิด) ตราบใดก็ตามที่ความดันในระบบต่ำกว่า 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะน้อยกว่า 100 kg กล่าวอีกนัยหนึ่งคือความดันในระบบยังไม่สามารถทำให้วาล์วยกตัวขึ้นได้

แต่ถ้าความดันในระบบเท่ากับ 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะเท่ากับ 100 kg วาล์วก็พร้อมที่จะยกตัวขึ้น

และเมื่อความดันในระบบสูงเกินกว่า 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะมากกว่า 100 kg วาล์วก็เริ่มยกตัวขึ้น และเปิดช่องให้ของเหลวในระบบระบายออกไปได้ (รูปที่ ๑ กลาง)

แต่อย่างที่บอกไว้ในหน้าที่แล้วคือ ของเหลวนั้นถ้าเราเปิดช่องให้มันรั่วไหลไปได้หรือมีที่อยู่มากขึ้น ความดันในระบบก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว ดังนั้นทันทีที่วาล์วเริ่มเปิดออก ความดันในระบบก็จะลดต่ำลงอย่างรวดเร็วโดยที่วาล์วไม่จำเป็นต้องเปิดจนสุด แต่ถ้าความดันในระบบยังคงสูงอยู่ วาล์วก็จะยกตัวเปิดกว้างมากขึ้นอีกเพื่อให้ของเหลวระบายได้รวดเร็วขึ้นอีก (รูปที่ ๑ ขวา)

และเมื่อความดันในระบบลดลง วาล์วก็จะค่อย ๆ ปิดตัวลงตามความดัน จนกระทั่งปิดสนิทเมื่อความดันในระบบลดลงต่ำกว่า 10 kg/cm²

รูปที่ ๒ แสดงวาล์วระบายความดันสำหรับระบบที่เป็นแก๊ส ตัววาล์วจะมีโครงสร้างที่แตกต่างไปจากวาล์วที่ใช้กับระบบที่เป็นของเหลวอยู่เล็กน้อย โดยเฉพาะตรงส่วนพื้นที่หน้าตัดของส่วนที่เป็นวาล์วซึ่งจะมีพื้นที่หน้าตัดใหญ่กว่าพื้นที่หน้าตัดของท่อที่ต่อเข้าวาล์ว ในกรณีนี้สมมุติว่าท่อที่ต่อเข้าวาล์วนั้นมีพื้นที่หน้าตัด 10 cm² ตัว plug ของวาล์วเองที่ใช้ปิดท่อระบายความดันก็มีขนาดพื้นที่หน้าตัด 12.5 cm² และแรงกดที่กดให้วาล์วปิดนั้นคือ 100 kg ตราบใดก็ตามที่ความดันในระบบต่ำกว่า 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะน้อยกว่า 100 kg วาล์วก็จะยังไม่เปิด

ทีนี้ถ้าความดันในระบบสูงกว่า 10 kg/cm² เพียงเล็กน้อย ผลคูณระหว่างความดัน (10+ kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของท่อ (10 cm²) ก็จะมากกว่า 100 kg ตัววาล์วก็จะยกตัวสูงขึ้น แต่ทันทีที่ตัววาล์วยกตัวสูงขึ้นเพียงเล็กน้อย พื้นที่หน้าตัดที่ความดันในระบบกระทำจะเพิ่มจาก 10 cm² เป็น 12.5 cm² ซึ่งจะทำให้ผลคูณระหว่างความดัน (10+ kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของวาล์ว (12.5 cm²) เพิ่มขึ้นเป็นกว่า 125 kg ซึ่งสูงกว่าน้ำหนักที่กดเอาไว้มาก วาลว์ก็จะเปิดตัวขึ้นอย่างรวดเร็วจนสุดเพื่อระบายความดันส่วนเกินในระบบออกไป

รูปที่ ๒ หลักการทำงานของวาล์วระบายความดันสำหรับแก๊ส

ที่นี้ถ้าความดันในระบบลดลงเหลือต่ำกว่า 10 kg/cm² เช่นลงมาเหลือแค่ 9 kg/cm² ผลคูณะหว่างความดัน (9 kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของวาล์ว (12.5 cm²) ก็จะเท่ากับ 112.5 kg ซึ่งยังคงมากกว่า 100 kg วาล์วก็จะยังคงไม่ปิด วาล์วจะเริ่มปิดตัวได้ก็ต่อเมื่อความดันในระบบลดลงเหลือ 8 kg/cm² ซึ่งเป็นค่าความดันที่ทำให้ผลคูณะหว่างความดัน (8 kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของวาล์ว (12.5 cm²) เท่ากับ 100 kg และทันทีที่ความดันในระบบลดลงต่ำกว่า 8 kg/cm² วาล์วก็จะปิดตัวลงทันที

ดังนั้นจากตัวอย่างข้างบนจะเห็นว่าในกรณีของวาล์วระบายความดันสำหรับแก๊สนั้น วาล์วจะเริ่มเปิดก็ต่อเมื่อความดันสูงเกินกว่า 10 kg/cm² แต่จะปิดก็ต่อเมื่อความดันในระบบต่ำกว่า 8 kg/cm² ซึ่งจะเห็นว่ามีความแตกต่างกันอยู่ ช่วงความดันนี้มีชื่อว่าช่วง blowdown

วาล์วระบายความดันนั้นแม้ว่าทางผู้ผลิตจะทำการปรับตั้งความดันตามที่ผู้ใช้กำหนดไว้ แต่ก็เป็นหน้าที่ของผู้ใช้ว่า "ต้องตรวจสอบ" ด้วยการอัดความดันว่าวาล์วทุกตัวว่าเปิดได้จริงตามความดันที่ผู้ผลิตกล่าวอ้าง สิ่งหนึ่งที่ต้องระวังคือปรกติแล้ววาล์วระบายความดันมักจะใช้สปริงในการกดให้วาล์วปิด (ไม่ได้ใช้น้ำหนักแบบที่แสดงในรูป) ความแข็งแรงของสปริงที่อุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิสูงนั้นแตกต่างกัน โดยปรกติแล้วโลหะจะอ่อนตัวลงที่อุณหภูมิสูงทำให้แรงกดของสปริงลดลงได้เมื่อสปริงร้อนขึ้น ดังนั้นเวลาตั้งความดันที่จะให้วาล์วเปิดก็ต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วย เพราะปรกติการตั้งความดันวาล์วมักจะกระทำที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าต้องนำวาล์วตัวนั้นไปใช้กับระบบที่มีอุณหภูมิสูงก็ต้องมีการเผื่อความดันเอาไว้ด้วย

การติดตั้งวาล์วระบายความดันนั้นจะติดตั้งให้วาล์วตั้งในแนวดิ่ง ในหลายแห่งนั้นจะใช้กฎที่ว่าท่อระหว่างตัววาล์วและภาชนะที่ต้องการระบายความดัน "ต้อง" ไม่มีวาล์วใดที่สามารถทำให้การไหลถูกปิดกั้นได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือต้องไม่มีการติดตั้งวาล์วใด ๆ เลย แต่การทำเช่นนี้อาจเกิดปัญหาได้ถ้าหากตัววาล์วระบายความดันเกิดการรั่วไหล ทำให้ไม่สามารถถอดออกมาซ่อมแซมได้เว้นแต่ต้องหยุดการเดินเครื่อง ดังนั้นจึงมีอีกกลุ่มหนึ่งที่พิจารณากฎการติดตั้งว่าท่อระหว่างวาล์วระบายความดันกับภาชนะที่ต้องการระบายความดัน "ต้องไม่มีโอกาส" ที่ภาชนะนั้นจะไม่ได้รับการป้องกันจากวาล์วระบายความดัน ซึ่งทำได้โดยการติดตั้งวาล์วระบายความดัน 2 ตัว และมีวาล์วควบคุมทิศทางการไหล ถ้าหมุนวาล์วควบคุมทิศทางการไหลนั้นให้เปิดในทิศทางหนึ่ง อีกทิศทางหนึ่งก็จะปิด ลักษณะเช่นนี้ก็ทำให้ภาชนะความดันนั้นได้รับการป้องกันจากวาล์วระบายความดันตลอดเวลาเช่นเดียวกัน (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ รูปด้านซ้ายเป็นการติดตั้งวาล์วระบายความดันที่ไม่สามารถถอดออกมาซ่อมได้ถ้าเกิดการรั่วไหล เว้นแต่จะมีการหยุดเดินเครื่อง ส่วนรูปด้านขวาเป็นการติดตั้งวาล์วระบายความดันสองตัวโดยมีระบบวาล์วที่ทำให้ต้องมีวาล์วระบายความดันอย่างน้อยหนึ่งตัวปกป้องภาชนะเอาไว้ตลอดเวลา

ในกรณีที่คาดการณ์ว่าความดันในระบบอาจมีการเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วได้นั้น (เช่นเกิดการระเบิดภายใน) วาล์วระบายความดันจะไม่สามารถระบายความดันที่เพิ่มขึ้นนี้ได้ทัน จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า rupture disc หรือ bursting disc ซึ่งมีลักษณะเป็นแผ่นโลหะบางสำหรับปิดกั้นระหว่างภายในภาชนะกับท่อระบายความดัน bursting disc นี้ออกแบบมาให้ฉีกขาดหรือแตกออก ณ ความดันที่กำหนดไว้ การระบายความดันของ bursting disc นั้นอาจระบายออกสู่บรรยากาศโดยตรง (ให้พุ่งขึ้นตรงไปข้างบน) เพราะการระบายออกสู่อากาศโดยตรงเป็นเส้นทางที่มีการต้านทานการไหลน้อยที่สุด ไม่เหมือนกับการระบายเข้าระบบ flare (ระบบเผาแก๊สทิ้ง) ของโรงงาน

รูปที่ ๔ Bursting disc รูปซ้ายเป็นรูปก่อนการฉีกขาด รูปขวาเป็นรูปหลังการฉีกขาดแล้ว⁽²⁾

หมายเหตุ

(1) Cyril F. Parry, "Relief Systems Handbook", Institute of Chemical Engineers, 1992.

(2) http://www.directindustry.com/prod/bs-b-safety-systems-llc/bursting-discs-61984-403736.html