ท่อระเบิด เพราะลืมเปิดวาล์วด้านขาออกปั๊มหอยโข่ง MO Memoir : Friday 7 December 2560

เมื่อแก๊สถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลง อุณหภูมิของแก๊สนั้นจะสูงขึ้น ส่วนจะสูงขึ้นเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับว่าถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลงเท่าใดและด้วยอัตราเร็วในการอัดเท่าใด อัตราเร็วในการอัดส่งผลต่อระยะเวลาที่แก๊สนั้นมีในการระบายความร้อนผ่านภาชนะบรรจุ ถ้าอัดเร็วก็จะทำให้มีเวลาน้อยในการระบายความร้อน ทำให้แก๊สที่ถูกอัดตัวมีอุณหภูมิสูง ถ้าอัดช้า ความร้อนที่เกิดขึ้นจะมีเวลามากขึ้นในการระบายออกทำให้อุณหภูมิแก๊สเพิ่มขึ้นไม่มาก ส่วนปริมาตรที่เล็กลงนั้น ยิ่งเล็กลงก็ยิ่งมีอุณหภูมิสูงขึ้น
 

เครื่องยนต์ดีเซลก็ทำงานด้วยหลักการเดียวกันนี้ คือทำการอัดอากาศให้มีปริมาตรเล็กลงอย่างรวดเร็ว ทำให้อากาศที่ถูกอัดนั้นมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นมาก (อัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์ดีเซลจะอยู่ที่ประมาณ 20:1 ในขณะที่ของเครื่องยนต์เบนซินจะอยู่ที่ประมาณ 10:1) และเมื่อทำการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปผสมกับอากาศร้อนนั้น ถ้าอุณหภูมิอากาศร้อนสูงกว่า "autoignition temperature" หรืออุณหภูมิลุกติดไฟได้ด้วยตนเองของเชื้อเพลิง เชื้อเพลิงก็จะเกิดการลุกไหม้ได้ทันที ด้วยเหตุนี้ถ้าเป็นช่วงหน้าหนาวที่อากาศเย็น เครื่องยนต์ดีเซลจะติดเครื่องยาก ต้องมีการ "เผาหัว" คือใช้ระบบไฟฟ้าทำการอุ่นอากาศให้ร้อนก่อนไหลเข้ากระบอกสูบ ทำให้ติดครื่องยนต์ได้ง่ายขึ้น

รูปที่ ๑ อากาศค้างอยู่ในท่อด้านขาออกของปั๊มหอยโข่งเนื่องจากวาล์วด้านขาออกปิดอยู่ เมื่อปั๊มเดินเครื่องจึงทำให้อากาศในเส้นท่อดังกล่าวถูกอัดตัวให้มีปริมาตรลดลง ความดันและอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น จนทำให้ของเหลวในท่อนั้นระเบิดอันเป็นผลจากอุณหภูมิที่สูงถึงระดับ autoignition temperature

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (induction motor) เป็นอุปกรณ์ขับเคลื่อนหลักที่ใช้ขับเคลื่อนเครื่องจักรกลต่าง ๆ ในอุตสาหกรรม โครงสร้างหลักภายในของมอเตอร์คือขดลวดทองแดงที่นำไฟฟ้าได้ดีและมีความต้านทานต่ำ ในช่วงแรกที่มอเตอร์เริ่มหมุนจากหยุดนิ่งนั้นจะมีกระแสไหลผ่านขดลวดในปริมาณมาก แต่เมื่อมอเตอร์เริ่มหมุนแล้วกระแสจะไหลผ่านลดต่ำลง และเนื่องจากความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำไฟฟ้านั้นแปรผันตามปริมาณกระแสยกกำลังสอง (P = I²R เมื่อ P คือความร้อนที่เกิด I คือกระแส และ R คือความต้านทาน) ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้มอเตอร์เกิดความเสียหายจากความร้อนที่เกิดขึ้นในช่วงที่เริ่มหมุน จึงควรต้องให้มอเตอร์นั้นหมุนจากหยุดนิ่งจนได้ความเร็วรอบการหมุนของมันโดยเร็ว โดยไม่ควรให้มอเตอร์รับภาระงาน (ถ้าเป็นไปได้) หรือให้มีภาระงานที่น้อยที่สุดเพื่อที่จะลดปริมาณกระแสที่ไหลผ่านขดลวดในช่วงที่มอเตอร์เริ่มหมุน
 

ปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) อาศัยการเปลี่ยนพลังงานจลน์ของของเหลวที่ถูกเหวี่ยงออกจากใบพัด (impeller) ให้กลายเป็นความดัน (หรือที่เรียกว่าเปลี่ยน velocity head เป็น pressure head) ที่อัตราการไหลต่ำสุด ความดันที่เกิดขึ้นจะมากสุด และความดันด้านขาออกจะลดลงตามอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้น โดยตัวปั๊มเองนั้นจะใช้พลังงานน้อยสุดเมื่ออัตราการไหลเป็นศูนย์ ซึ่งเป็นช่วงที่ปั๊มทำความดันด้านขาออกได้สูงที่สุด และด้วยการที่ปั๊มหอยโข่งส่วนใหญ่นั้นใช้มอเตอร์ไฟฟ้าขับเคลื่อน ดังนั้นการเริ่มเดินเครื่องปั๊มหอยโข่งนั้นจึงมักจะเริ่มเดินเครื่องด้วยการปิดวาล์วด้านขาออกเอาไว้ (เพื่อให้มอเตอร์รับภาระงานต่ำสุด) และเมื่อมอเตอร์เริ่มหมุนแล้วจึงค่อยเปิดวาล์วด้านขาออก
 

แต่การปั่นกวนของเหลวในตัวปั๊มโดยที่ไม่มีการไหลเวียนของของเหลวนั้นก็ทำให้ของเหลวนั้นมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นได้ ดังนั้นในกรณีของของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงจึงอาจเกิดปัญหาของเหลวนั้นเดือดในปั๊มจนเกิด cavitation ได้ ด้วยเหตุนี้ในกรณีมีความเสี่ยงที่จะเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ เพื่อป้องกันการเกิดปัญหาดังกล่าวจึงมักจะยอมให้มีของเหลวในปริมาณต่ำไหลผ่านปั๊มในช่วงเริ่มเดินเครื่อง โดยทำการติดตั้ง minimum flow line ทางด้านข้าออกของปั๊ม (คือวนของเหลวด้านขาออกส่วนหนึ่งกลับไปยังด้านขาเข้าหรือแหล่งจ่าย) หรือเปิดวาล์วด้านขาออกเอาไว้หน่อยก่อนเริ่มเดินเครื่องปั๊ม (คือไม่ปิดวาล์วสนิท) และเมื่อมอเตอร์หมุนจนได้ความเร็วรอบแล้วจึงค่อยเปิดวาล์วด้านขาออกให้เต็มที่

รูปที่ ๒ บทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Loss Prevention Bulletin หน้า ๒๔-๒๕Vol. 13 ปีค.ศ. ๑๙๗๗ (พ.ศ. ๒๕๒๐)

วารสาร Loss Prevention Bulletin Vol. 13 ปีค.ศ. ๑๙๗๗ (พ.ศ. ๒๕๒๐) หน้า ๒๔-๒๕ ตีพิมพ์บทความหนึ่งที่น่าสนใจคือการเกิดการระเบิดขึ้นในท่อด้านขาออกของปั๊มหอยโข่งอันเกิดจากการมีอากาศตกค้างในท่อ และเดินเครื่องปั๊มโดยที่วาล์วด้านขาออกปิดอยู่ (รูปที่ ๑ และ ๒) ภาพเหตุการณ์โดยรวมคือปั๊มหอยโข่งเริ่มเดินเครื่องโดยที่วาล์วด้านขาออกนั้นปิดอยู่ จนกระทั่งอุณหภูมิของของเหลวในตัวปั๊มเพิ่มสูงขึ้น ระบบอัตโนมัติจึงหยุดการทำงานของปั๊ม แต่เมื่ออุณหภูมิของของเหลวในตัวปั๊มลดต่ำลง ระบบก็สั่งการให้ปั๊มเริ่มเดินเครื่องใหม่ด้วยตนเอง โดยที่วาล์วด้านขาออกยังปิดอยู่ และในการเริ่มเดินเครื่องใหม่ครั้งนี้ก็ทำให้เกิดการระเบิดขึ้นภายในท่อ ณ ตำแหน่งบริเวณด้านขาเข้าของวาล์วที่ปิดอยู่ ส่งผลให้ ท่อ วาล์ว และตัวใบพัดของปั๊มได้รับความเสียหาย นี่คือข้อมูลของเหตุการณ์ที่บทความได้ให้ไว้
 

บทความไม่ได้ให้รายละเอียดว่าของเหลวนั้นคือสารอะไร แต่การที่มันระเบิดได้ก็แสดงว่ามันควรเป็นสารที่ลุกติดไฟได้ และตำแหน่งของวาล์วที่อยู่ห่างจากปั๊มถึง 60 ฟุตหรือประมาณ 18 เมตรนั้น ทำให้สงสัยว่าวาล์วตัวดังกล่าวคงไม่ใช่ discharge valve ด้านขาออกของปั๊ม แต่อาจเป็น control valve ควบคุมการไหลก็ได้ (บทความไม่ได้มีการกล่าวถึงวาล์วกันการไหลย้อนกลับที่มักจะติดตั้งไว้ทางด้านขาออกของปั๊มหอยโข่ง แสดงว่าความดันจากจุดระเบิดนั้นส่งผ่านมาตามของเหลวมายังตัวใบพัด โดยที่วาล์วกันการไหลย้อนกลับนั้นยังเปิดอยู่) โดยการสอบสวนนั้นสัณนิฐานว่าการระเบิดเกิดจากการที่มีอากาศค้างอยู่ในระบบท่อด้านขาออก และเมื่อเดินเครื่องปั๊มโดยที่วาล์วด้านขาออกปิดอยู่ อากาศตกค้างดังกล่าวจึงถูกอัดให้มีอุณหภูมิสูงมากพอจนทำให้ของเหลวในปั๊มนั้นเกิดการลุกไหม้ได้
 

บทความยังได้กล่าวถึงการทดสอบสมมุติฐานของการเกิดอุบัติเหตุ โดยได้ทำการจำลองเหตุการณ์ด้วยการใช้ปั๊มที่มีลักษณะทำนองเดียวกัน พบว่าในช่วงแรกที่เริ่มเดินเครื่องปั๊มนั้นความดันด้านขาออกของปั๊มจะมีการแกว่งของความดันโดยระดับความดันที่เพิ่มขึ้นไปสูงสุดจะอยู่ที่ประมาณ 8 เท่าของความดันสมดุลของปั๊ม (ตรงนี้คงเป็นผลมาจากการที่เราต้องการให้มอเตอร์นั้นหมุนจนได้ความเร็วรอบการหมุนของมันโดยเร็วเพื่อลดกระแสที่ไหลเข้ามอเตอร์ จึงทำให้ให้ความดันในระบบท่อด้านขาออกเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว) ดังนั้นในกรณีของปั๊มที่เกิดการระเบิดนี้ที่ความดันด้านขาออกเมื่อวาล์วปิดอยู่ในสภาวะปรกติของปั๊มจะมีค่าประมาณ 30 เมตรน้ำหรือ 3 เท่าของความดันบรรยากาศ แต่ในช่วงที่ความดันมีการแกว่งนั้นความดันแก๊สที่ถูกอัดจึงมีสิทธิเพิ่มสูงถึง 24 เท่าของความดันบรรยากาศในช่วงเวลาสั้น ๆ (เรียกว่าอัตราส่วนการอัดอยู่ที่ระดับกว่า 20:1 หรือระดับเดียวกับของเครื่องยนต์ดีเซลก็ได้ถ้าพิจารณาว่าแก๊สเริ่มต้นก่อนการอัดมีความดันที่ 1 บรรยากาศ) และอุณหภูมิสูงสุดที่วัดได้อยู่ที่ระดับประมาณ 257ºC (autoignition temperature ของน้ำมันดีเซลจะอยู่ในช่วงประมาณ 180-260ºC และของน้ำมันเตาเองก็อยู่ในช่วงประมาณ 210-260ºC เช่นกัน) โดยค่าความดันสูงสุดที่วัดได้ยังขึ้นอยู่กับคุณลักษณะของปั๊มและการออกแบบระบบท่อ และยังพบว่าอุณหภูมินี้จะเพิ่มสูงขึ้นถ้าแก๊สที่ค้างอยู่ในระบบท่อนั้นมีความดันต่ำลง (ความดันเริ่มต้นของแก๊สที่ลดต่ำลง ทำให้อัตราส่วนการอัดเพิ่มสูงขึ้น)

วารสาร Loss prevention (ของ IChemE) ในยุคแรก ๆ นั้นจะเน้นไปที่การนำเอาประสบการณ์การเกิดอุบัติเหตุมาเล่าแบ่งปันกัน เพื่อไม่ต้องการให้คนอื่นผิดพลาดอย่างเดียวกันซ้ำอีก แต่ด้วยข้อจำกัดหลาย ๆ อย่างของกฎหมายและองค์กร ทำให้บทความต่าง ๆ ที่นำมาตีพิมพ์นั้นมักจะไม่ปรากฏชื่อผู้เขียนหรือหน่วยงานที่เกิดเหตุ (เว้นแต่ว่าจะเป็นเหตุการณ์ที่เป็นข่าวรับรู้กันทั่วไป) แต่สำหรับผู้ที่ทำงานในวงการแล้วก็พอที่จะ "read between the line" เพื่ออ่านสิ่งที่บทความไม่ได้กล่าวถึงเอาไว้ได้