เนื้อหาในบันทึกฉบับนี้ใช้ความรู้พื้นฐานที่เคยเล่าไว้ในบันทึกก่อนหน้านี้
๓ ฉบับคือ
ปีที่
๑ ฉบับที่ ๑๐ วันพฤหัสบดีที่
๒๕ กันยายน พ.ศ.
๒๕๕๑
เรื่อง "เชื้อเพลิงและการเผาไหม้
(1)
คุณสมบัติทั่วไป"
ปีที่
๑ ฉบับที่ ๑๑ วันอังคารที่
๓๐ กันยายน พ.ศ.
๒๕๕๑
เรื่อง "เชื้อเพลิงและการเผาไหม้
(2)
การเผาไหม้และการระเบิด"
และ
ปีที่
๒ ฉบับที่ ๑๔๐ วันพุธที่ ๓๑
มีนาคม พ.ศ.
๒๕๕๓
เรื่อง "Electrical
safety for chemical processes"
ในการระเบิดของเชื้อเพลิง
(ที่ไม่ใช่วัตถุระเบิดและไม่ใช่สารที่สามารถสลายตัวด้วยตนเอง)
นั้นจะมีปัจจัยที่เกี่ยวข้องอยู่ด้วยกัน
๓ ปัจจัยคือ (ก)
สารออกซิไดซ์
(ข)
เชื้อเพลิง
และ (ค)
พลังงานกระตุ้น
การระเบิดจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการผสมกันระหว่างสารออกซิไดซ์และเชื้อเพลิงในสัดส่วนที่พอเหมาะ
ที่เรียกว่าอยู่ในช่วง
explosive
limit
ช่วง
explosive
limit
เป็นตัวบอกว่าความเข้มข้นของเชื้อเพลิงในอากาศต้องมีค่าไม่น้อยกว่าเท่าไร
(lower
explosive limit - lel) และต้องสูงไม่เกินเท่าไร
(upper
explosive limit - uel)
ที่ความเข้มข้นของเชื้อเพลิงต่ำกว่า
lower
explosive limit ปริมาณ
"เชื้อเพลิง"
จะไม่มากพอที่จะทำให้การเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นเกิดต่อเนื่องได้
(มันเริ่มจากการลุกไหม้และปฏิกิริยาการลุกไหม้นั้นเร่งตัวเองจนกลายเป็นการระเบิด)
ในทางกลับกัน
ที่ความเข้มข้นของเชื้อเพลิงสูงกว่า
upper
explosive limit ปริมาณ
"สารออกซิไดซ์"
จะไม่มากพอที่จะทำให้การเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นเกิดต่อเนื่องได้
ในกรณีของโรงงานปิโตรเคมีนั้นสารออกซิไดซ์ที่มีอยู่ทั่วไปก็คืออากาศ
ส่วนเชื้อเพลิงก็คือสารเคมีต่าง
ๆ ที่อยู่ในระบบ ท่อ ถัง ต่าง
ๆ ของโรงงาน
และเนื่องจากหน่วยผลิตส่วนใหญ่ของโรงงานมักจะทำงานที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ
ดังนั้นการรั่วของอากาศภายนอกเข้าไปในระบบการผลิตและเกิดการระเบิดภายในอุปกรณ์ของหน่วยผลิตนั้นจึงมักไม่เกิด
(ถ้าจะเกิดก็มักเกิดจากสาเหตุอื่น)
ดังนั้นการระเบิดหรือเพลิงไหม้ในโรงงานปิโตรเคมีจึงมักเกิดจากการที่เชื้อเพลิงที่อยู่ในระบบเกิดการรั่วไหลออกมาภายนอก
จนผสมกับอากาศในสัดส่วนที่เหมาะสม
และได้รับพลังงานกระตุ้นให้เกิดการลุกไหม้/ระเบิด
พลังงานกระตุ้นในโรงงานนั้นมีอยู่ทั่วไปเต็มไปหมด
ไม่ว่าจะเป็นพื้นผิวที่ร้อน
(เช่นท่อไอน้ำ
หรืออุปกรณ์ไฟฟ้า)
มอเตอร์ไฟฟ้าต่าง
ๆ (แม้ว่าจะเป็นชนิด
explosion
proof ก็ตาม)
เปลวไฟ
(ในพวก
furnace
และ
cracker
ต่าง
ๆ)
หรือเกิดจากการที่เชื้อเพลิงนั้นเองมีอุณหภูมิสูงกว่า
autoignition
temperature อยู่แล้ว
พอเจอกับอากาศก็ลุกไหม้ทันที
ซึ่งถ้าเป็นกรณีหลังสุดนี้มันก็จะเกิดการลุกไหม้/ระเบิดได้ทันทีที่รั่วออกมาสัมผัสกับอากาศ
(ไม่จำเป็นต้องรั่วมากด้วย)
ไอ้ที่จะมีปัญหาก็คือตัวเชื้อเพลิงเองนั้นมีอุณหภูมิต่ำกว่า
autoignition
temperature ของตัวมันเอง
พอเกิดการรั่วไหลออกมาจึงยังไม่เกิดการระเบิด
ถ้าหากสภาพแวดล้อมของสถานที่ที่เกิดการรั่วไหลนั้นมีการถ่ายเทอากาศที่ดี
และไม่มีแหล่งที่จะจุดระเบิดเชื้อเพลิงนั้นได้
เชื้อเพลิงที่รั่วออกมาก็จะฟุ้งกระจายออกไปจนไม่สามารถรวมตัวจนมีความเข้มข้นสูงถึง
lower
explosive limit ได้
ก็จะไม่เกิดการระเบิด
ดังเช่นกรณีของรถบรรทุก
LPG
คว่ำที่บริเวณแยกวงแหวนตะวันออกที่
อำเภอลำลูกกาเมื่อเช้าวันที่
๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๕ ที่ผ่านมา
ดังนั้นถ้าเกิดการรั่วไหลในปริมาณน้อย
ๆ ในโรงงาน เขาก็จะทำการไล่ด้วยการเอาไอน้ำฉีดไล่
(ต้องไม่ใช่ไอน้ำร้อนจัดนะ)
เพราะไอน้ำจะทำให้เชื้อเพลิงระเหยกลายเป็นไปฟุ้งออกไปไม่ให้เกิดไอความเข้มข้นสูง
(ใช้ได้ดีกับพวกที่รั่วออกมาเป็นของเหลว)
และไอน้ำยังช่วยเจือจางอากาศบริเวณที่รั่วไหลนั้นให้ลดลง
เมื่อไอเชื้อเพลิงเกิดการผสมกับอากาศแล้วเกิดการลุกไหม้
เปลวไฟจะวิ่งจากจุดที่เกิดการทำให้เกิดการลุกไหม้และแผ่ออกไป
ถ้าไอผสมเชื้อเพลิงกับอากาศยังมีปริมาณไม่มากจนทำให้ไอเชื้อเพลิงก็เผาไหม้หมดก่อนหรือวิ่งย้อนไปถึงจุดที่เกิดการรั่วไหลและลุกติดไฟต่อที่นั่น
เปลวไฟที่เกิดขึ้นก็จะยังไม่ทันเร่งความเร็วได้สูงมาก
(ยังต่ำกว่าความเร็วเสียง)
ปรากฏการณ์เช่นนี้จะเรียกว่า
Flash
fire (ยังไม่ถึงขั้นการระเบิด)
ความเสียหายที่เกิดจาก
flash
fire จะเป็นจากการแผ่รังสีความร้อนเป็นหลัก
แต่ flash
fire ก็อาจเป็นต้นเหตุให้เกิดความเสียหายอื่นที่รุนแรงกว่าตามมาอีก
แต่ถ้าหน้าคลื่นความเผาไหม้เร่งความเร็วได้สูงขึ้นไปอีกก็จะกลายเป็นการระเบิด
ซึ่งก่อนหน้านี้เคยกล่าวว่ามีอยู่
๒ แบบคือ deflagration
และ
detonation
ซึ่งแบ่งโดยใช้เกณฑ์ความรุนแรง
แต่มาคราวนี้จะแนะนำให้รู้จักอีก
๒ แบบซึ่งแบ่งโดยใช้เกณฑ์รูปแบบพื้นที่ที่เกิดการรั่วไหลคือ
การระเบิดของกลุ่มไอในพื้นที่ปิด
(Confined
vapour cloud explosion) และ
การระเบิดของกลุ่มไอในพื้นที่เปิด
(Unconfined
vapour cloud explosion)
ปัจจัยหนึ่งที่เป็นตัวกำหนดว่าเชื้อเพลิงที่รั่วไหลออกมากลายเป็นไอผสมกับอากาศจนสามารถที่จะเกิดการระเบิดได้นั้น
คือต้องผสมในสัดส่วนที่พอเหมาะ
โดยเริ่มต้นในอากาศจะมีความเข้มข้นของเชื้อเพลิงเป็นศูนย์
เมื่อเชื้อเพลิงรั่วไหลออกมากลายเป็นไอผสมกับอากาศ
ความเข้มข้นของเชื้อเพลิงในอากาศก็จะเพิ่มสูงขึ้น
และเมื่อถึงระดับ lower
explosive limit
เมื่อใดส่วนผสมนั้นก็พร้อมที่จะระเบิดได้ถ้าได้รับพลังงานกระตุ้นที่เพียงพอ
ถ้าเป็นในบริเวณพื้นที่ปิด
เช่นอุปกรณ์ที่ตั้งในอาคาร
หรือในพื้นที่อับลม
ไม่มีการระบายอากาศที่ดีพอ
ไอเชื้อเพลิงที่รั่วออกมาก็จะไม่ฟุ้งกระจายไปไหน
ดังนั้นแม้ว่าจะมีเชื้อเพลิงรั่วไหลไม่มาก
เชื้อเพลิงที่รั่วไหลออกมาก็จะผสมกับอากาศรอบ
ๆ จนมีความเข้มข้นสูงถึงระดับ
lower
explosive limit ได้เร็ว
แต่ถ้าเป็นบริเวณพื้นที่โล่งหรือพื้นที่ที่มีการถ่ายเทอากาศได้ดี
ไอเชื้อเพลิงที่รั่วออกมาจะฟุ้งกระจายออกไป
โอกาสที่จะสะสมจนมีความเข้มข้นถึงระดับ
lower
explosive limit จะมีน้อย
เว้นแต่จะมีการรั่วไหลในปริมาณมากในเวลาอันสั้น
ดังนั้นถ้าจะเปรียบเทียบกันระหว่างการระเบิดของกลุ่มไอในพื้นที่ปิดและการระเบิดของกลุ่มไอในพื้นที่เปิดแล้วจะเห็นว่า
ในแง่ของโอกาสที่จะเกิด
ถ้าเป็นพื้นที่ปิดจะมีโอกาสเกิดสูงกว่า
แต่ถ้าพิจารณาในแง่ของความรุนแรงแล้ว
ถ้าเป็นพื้นที่เปิดจะรุนแรงมากกว่า
เพราะต้องมีการรั่วไหลออกมาเป็นจำนวนมากจึงจะเกิดการระเบิดได้
ตัวอย่างการระเบิดที่กลายมาเป็นบทเรียนหลักของหลักสูตรวิศวกรรมเคมีคือการระเบิดของโรงงานที่เมือง
Flixborough
ประเทศอังกฤษเมื่อเดือนมิถุนายน
ปีค.ศ.
๑๙๗๔
(พ.ศ.
๒๕๑๗)
ซึ่งในครั้งนั้นมีการประมาณว่ามีการรั่วไหลของ
cyclohexane
อยู่ในช่วง
2-40
ตันก่อนที่จะเกิดการระเบิด
(ดู
Memoir
ปีที่
๒ ฉบับที่ ๑๑๓ วันศุกร์ที่
๕ กุมภาพันธ์ พ.ศ.
๒๕๕๓
เรื่อง "Flixborough
explosion")
การระเบิดที่เมือง
Flixborough
นั้นเป็นตัวอย่างสำคัญสำหรับการศึกษาต้นตอของสาเหตุการระเบิด
โดยมีการตรวจสอบพื้นที่เกิดเหตุ
หาทิศทางของแรงระเบิดจากความเสียหายของอุปกรณ์ต่าง
ๆ (เช่นการล้มพับของเสาโคมไฟ
การขยับตำแหน่งของอุปกรณ์
ซึ่งจะเคลื่อนไปในทิศทางที่แรงมากระทำ)
หาขนาดของแรงระเบิดที่ต้องใช้ในการทำให้สิ่งของต่าง
ๆ เสียหาย (เช่นฝาท่อระบายน้ำที่เป็นคอนกรีตแตกหัก
หรือเสาโคมไฟเกิดการล้มพับ
แต่ในกรณีโครงสร้างที่เป็นโลหะต้องพิจารณาด้วยว่าความเสียหายที่เห็นนั้นเกิดจากแรงระเบิดหรือเกิดจากความร้อนเพลิงไหม้ที่เกิดขึ้นตามมา
เพราะเมื่อโลหะมีอุณหภูมิสูงขึ้น
ความแข็งแรงจะลดลง
จนรับน้ำหนักตัวมันเองหรือสิ่งที่มันแบกรับอยู่ไม่ได้)
และยังนำไปสู่แนวปฏิบัติใหม่ที่ควรนำมาใช้ในการออกแบบโรงงานภายหลังจากนั้นด้วย
รูปที่
๑ก (บน)
และ
๑ข (ล่าง)
บริเวณนี้คาดว่าน่าจะเป็นจุดศูนย์กลางของการระเบิด
ดูจากภาพความเสียหายที่มีเศษชิ้นส่วนโลหะบิดเบี้ยวและท่อบางท่อที่โก่งโค้ง
(ลูกศรสีเหลือง)
ที่อาจเป็นเพราะแรงระเบิดดันให้โก่ง
คราบดำที่เป็นบนโครงสร้างต่าง
ๆ แสดงว่าบริเวณนี้อยู่ใต้เปลวไฟ
และโดนควันไฟรมดำ
(รูปสองรูปนี้ต้องขออภัยเจ้าของภาพ
เพราะผมไม่สามารถตรวจสอบได้ว่าเจ้าของภาพนั้นคือใคร
เห็นมีการนำไปโพสหลายแห่งเหลือเกิน)
รูปที่
๒ก (บน)
และรูปที่
๒ข (ล่าง)
นำมาจากภาพข่าวของช่อง
๗ เป็นภาพถ่ายทางอากาศซูมให้เห็นบริเวณที่เกิดเพลิงไหม้
ในรูปบนที่วงไว้สงสัยว่าเป็นผลจากแรงระเบิด
ส่วนพวกท่อ-โครงสร้างเหล็กที่ยุบตัวลงมาน่าจะเป็นผลจากการได้รับความร้อนจากเปลวไฟจนโลหะสูญเสียความแข็งแรงและรับน้ำหนักตัวเองไม่ได้
รูปที่
๓ ภาพ Cooling
tower นำมาจากภาพข่าวช่อง
๗ เช่นเดียวกัน ช่องว่าง ๆ
บริเวณผนังคาดว่าน่าจะเกิดจากการรับแรงระเบิด
รูปที่
๔
ภาพถ่ายอีกมุมหนึ่งแสดงให้เห็นพื้นที่น่าจะถูกแรงระเบิดดันยกขึ้นไป
(บริเวณที่วงในรูป
๒ก)
และอุปกรณ์ที่ถูกควันรมจนดำไปหมด
แสดงว่าไฟน่าจะไหม้อยู่ที่ด้านล่างมาทางด้านขวาของบริเวณนี้
ตอนนี้จากข้อมูลที่ได้ดูเหมือนว่าการระเบิดจะเกิดจากการรั่วของโทลูอีน
แต่สิ่งที่ยังต้องพิจารณาคือจากภาพความเสียหายที่เห็นนั้นโทลูอีนจะต้องรั่วออกมาในปริมาณที่มาก
และต้องเกิดเป็นไอผสมเข้ากับอากาศในปริมาณมาก
แต่เนื่องจากโทลูอีนมีจุดเดือดสูงถึง
110ºC
ซึ่งสูงกว่าน้ำอีก
ดังนั้นในความคิดของผมผมสงสัยว่าก่อนเกิดการรั่วนั้น
โทลูอีนอยู่ในสภาพที่เป็นของเหลวภายใต้ความดันที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ
กล่าวคืออุณหภูมิของโทลูอีนก่อนรั่วสูงกว่า
110ºC
เมื่อเกิดการรั่วออกมาจึงทำให้กลายเป็นไอฟุ้งกระจายผสมกับอากาศทันที
แต่อุณหภูมิก่อนรั่วอาจจะสูงกว่า
110ºC
ไม่มากนั้นเพราะไม่เช่นนั้นการรั่วไหลจะเป็นแบบเดียวกับการรั่วไหลของ
LPG
คือกระจายออกไปเป็นบริเวณกว้างได้อย่างรวดเร็ว
แต่คำถามที่ผมยังไม่มีคำตอบที่เชื่อถือได้
(ซึ่งไม่รู้ว่าจะมีวันได้หรือไม่)
ก็คือ
"มันรั่วออกมาข้างนอกได้อย่างไร"
(แต่จากคำพูดบอกเล่าที่บอกกันปากต่อปากมันทำให้คิดว่ามันคล้าย
ๆ กับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อปีพ.ศ.
๒๕๓๑)
มีคนพูดกันว่ามีการเอาโทลูอีนไปล้างยางที่เกาะเป็นคราบในระบบ
และก็เหมือนกับจะพอใจกับคำอธิบายแค่นั้น
แต่มันก็ไม่ตอบคำถามว่า
"แล้วมันรั่วออกมาได้อย่างไร"
เพราะถ้ามีการปฏิบัติงานดังกล่าวเป็นประจำ
แล้วทำไมก่อนหน้านั้นจึงไม่เกิดเหตุเช่นนี้
ทำไมต้องมาเกิดเอาครั้งนี้
บทเรียนหนึ่งที่ได้จากการระเบิดที่
Flixborough
คือในบรรดาผู้เสียชีวิตนั้นส่วนใหญ่อยู่ในห้องควบคุม
ห้องควบคุมของโรงงานดังกล่าวมีสองชั้นโดยฝ่ายเดินเครื่องโรงงานอยู่ชั้นล่าง
(เป็นห้องที่มีหน้าต่างกระจกรอบ)
ฝ่ายห้องแลปวิเคราะห์อยู่ชั้นบน
ผู้เสียชีวิตส่วนใหญ่เกิดจากการที่อาคารดังกล่าวพังถล่มลงมาทับ
และจากเศษกระจกหน้าต่างปลิวบาด
หลังเหตุการณ์ดังกล่าวจึงมีคำแนะนำว่าห้องควบคุมที่จะสร้างขึ้นใหม่นั้นควรมีเพียงชั้นเดียว
ออกแบบให้รับแรงระเบิดได้ในระดับหนึ่ง
และไม่ควรมีหน้าต่าง
ซึ่งที่เคยเห็นนั้นก็มีการสร้างในรูปแบบดังกล่าว
โดยสร้างทางเข้าออกเป็นประตูสองชั้น
ภายในห้องควบคุมจะดูดอากาศจากด้านนอก
(บนหลังคา)
อัดความดันเข้ามาในห้องควบคุมให้ความดันในห้องควบคุมสูงกว่าบรรยากาศข้างนอกเล็กน้อย
(เวลาเปิดประตูจะมีลมพัดออกมา)
ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้แก๊สที่อยู่ภายนอกรั่วเข้าไปในห้องควบคุมได้
และหน่วยงานใดที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเดินเครื่อง
ก็ควรที่จะออกไปอยู่นอกบริเวณหน่วยผลิต
แนวปฏิบัติดังกล่าวถูกนำไปใช้กับห้องควบคุมที่ตั้งอยู่ในหน่วยการผลิต
แต่ไม่ครอบคลุมไปถึงอาคารสำนักงานที่ตั้งอยู่นอกหน่วยการผลิต
ดังนั้นจึงเกิดรายการที่บรรดาหน้าต่างกระจกต่าง
ๆ ของอาคารสำนักงานนั้นไม่ได้ใช้กระจกนิรภัย
ดังนั้นแม้ว่าจะอยู่ห่างจากจุดระเบิดเป็นระยะทางไกล
(อาคารในรูปที่
๕ อยู่ห่างจากจุดระเบิดกว่า
๑๓๐๐ เมตร
แต่ขออนุญาตไม่เอ่ยแล้วกันว่าเป็นสำนักงานไหน)
แต่จะเห็นประตู-หน้าต่างที่เป็นกระจกนั้นแตกกระจาย
ซึ่งถ้าหากเหตุเกิดในวันธรรมดาในระหว่างทำงานคงจะมีคนบาดเจ็บจากเศษกระจกบาดในอาคารสำนักงานรอบข้างมากกว่านี้อีก
แต่ก็มีเหมือนกันนะที่ห้องควบคุมได้รับการออกแบบให้รับแรงระเบิดได้
ไม่มีหน้าต่างใด ๆ
การสร้างผนังอาคารกับเสาใช้การผูกเหล็กเส้นเชื่อมต่อกัน
และตีแม่แบบเทคอนกรีตหล่อเป็นชิ้นเดียวกันเลย
(อาคารทั่วไปจะหล่อเสาก่อนแล้วค่อยก่ออิฐทำผนัง)
มีการอัดความดันภายในด้วย
แต่มีการสร้างเป็นสองชั้น
โดยชั้นบนเป็นห้องแลปวิเคราะห์
(ใช้แนวความคิดที่ว่าพอวิเคราะห์เสร็จจะได้ส่งผลแลปให้กับฝ่ายเดินเครื่องผลิตได้ทันที
ไม่ต้องเสียเวลาเดินทาง)
แถมห้องแลปที่อยู่บนชั้นสองยังมีกระจกหน้าต่างรอบด้านอีก
แบบที่ได้รับความเห็นชอบนั้นอาจจะไม่ใช่แบบที่ปลอดภัยที่สุด
แต่เป็นแบบที่ใช้งบประมาณต่ำที่สุด
และผู้ที่ตัดสินใจเลือกว่าจะใช้แบบไหนในการก่อสร้างนั้นมักจะไม่ใช่ผู้ที่ต้องมาปฏิบัติงานประจำในสถานที่ดังกล่าว
(เผลอ
ๆ จะไม่ได้ทำงานประจำในจังหวัดดังกล่าวด้วย)
อันนี้ก็เลยสงสัยว่าเป็นที่มาของห้องควบคุมในย่อหน้าข้างบน
รูปที่
๕ก (บน)
และ
๕ข (ล่าง)
กระจากแตกจากแรงระเบิด
ณ อาคารสำนักงานของบริษัทหนึ่งที่อยู่ห่างจากจุดระเบิดประมาณ
๑๓๐๐ เมตร
ในรูปบนจะเห็นว่ากระจกบานใหญ่แตกแต่บานเล็กด้านล่างไม่แตก
และกระจกด้านที่ไม่ได้หันเข้าหาแรงระเบิด
(วงม่วง)
ไม่แตก
