อุบัติเหตุจากโครงสร้างวาล์ว MO Memoir : Sunday 24 December 2560

การที่ไม่ทราบหรือไม่ได้สังเกตว่าสิ่งที่ใช้งานอยู่นั้นประกอบเข้าด้วยกันอย่างไร ก็นำไปสู่การเกิดอุบัติเหตุได้เช่นกัน

รูปที่ ๑ นอตในวงรีสีเขียวถูกถอดออก แทนที่จะเป็นนอตในวงสี่เหลี่ยมสีส้ม ทำให้ปลั๊กหลุดออกจากตัววาล์ว
 

วารสาร Loss Prevention Bulletinที่จัดทำโดย IChemE นั้น ฉบับแรก ๆ ล้วนเต็มไปด้วยเรื่องราวของอุบัติเหตุต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นจากการทำงานที่เขียนโดยผู้ที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์นั้น เพียงแต่ไม่ค่อยจะมีการนำเสนอชื่อผู้เขียนและสถานที่เกิด (เพื่อป้องกันปัญหาที่อาจเกิดขึ้นกับตัวผู้เขียนหรือหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง) การที่เขาเหล่านั้นต่างนำเรื่องราวความผิดพลาดมาเผยแพร่ก็เพื่อที่จะป้องกันไม่ให้ผู้อื่นทำผิดเช่นเดียวกันซ้ำเดิมอีก 
  

วารสารนี้ใช้ภาษาอังกฤษที่เรียบง่าย (แตกต่างจากวารสารวิชาการวิจัยทั่วไป ที่ต้องเขียนให้อ่านยากและสับสนง่ายเอาไว้ก่อน และถ้าคิดคำศัพท์ใหม่ ๆ ขึ้นมาได้ก็ต้องพยายามใส่เข้าไป) แต่เป็นภาษาที่เรียกว่าสำหรับคนที่ไม่เคยทำงานหรือพบกับของจริงแล้วมีสิทธิที่จะอ่านไม่รู้เรื่องได้ง่ายเช่นกัน เพราะไม่รู้ว่าอุปกรณ์แต่ละชิ้นที่เอ่ยถึงนั้นคืออะไร
 

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากวารสาร Loss Prevention Bulletin vol. 69 ปีค.ศ. 1976 (พ.ศ. 2519) เขียนโดย Dr. J. Bond ในหัวข้อเรื่อง "Some problems with valves" ในบทความนี้มีกรณีอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นจากวาล์วอยู่เกือบ ๒๐ เรื่อง แต่วันนี้จะขอยกมาเพียง ๓ เรื่อง โดยจะพยายามขยายความเพื่อให้ผู้อ่านที่กำลังศึกษาอยู่นั้นพอมองภาพออก

เรื่องที่ ๑ ขันนอตผิดตัว

สิ่งที่ภาษาไทยเรียกว่า "นอต" หรือ "นอตตัวผู้" ภาษาอังกฤษเรียกว่า "bolt" ส่วน "นอตตัวเมีย" นั้นภาษาอังกฤษเรียกว่า "nut" ดังนั้นคำว่า "นอต" ที่กล่าวถึงในที่นี้ถ้าไม่มีการระบุว่าเป็นตัวผู้หรือตัวเมีย จะหมายถึงนอตตัวผู้หรือ bolt
 

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อมีความพยายามที่จะถอด "acutator" ที่ใช้ในการควบคุมการเปิด-ปิดของวาล์วออกจาก plug valve (รูปที่ ๑) "acutator" คืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่หมุนหรือยกขึ้น-ลงแกน (spindle) ของกลไกที่ใช้ในการควบคุมการเปิด-ปิดช่องว่างในตัววาล์ว กล่าวคือถ้าเป็นวาล์วชนิด plug, ball หรือ butterfly ตัว acutator ก็จะทำหน้าที่หมุนแกนที่ไปทำให้ตัว plug, ball หรือ disc ในตัววาล์วนั้นหมุนตามเพื่อการเปิดหรือปิดวาล์ว แต่ถ้าเป็นชนิด globe ก็มักจะใช้แรงดันลมกระทำต้านกับแรงดันสปริงเพื่อควบคุมระดับการยกตัวของ disc เพื่อควบคุมระดับการเปิดของวาล์ว การทำงานของ acutator นั้นจะใช้แรงดันลมหรือไฟฟ้าก็ได้ แต่ถ้าเป็นใน hazadous area (คือพื้นที่ที่มีความเสี่ยงต่อการมีสารไวไฟรั่วไหล) ก็มักจะเป็นชนิดที่ใช้แรงดันลม โดยแรงดันลมนี้จะไปดันลูกสูบที่ไปหมุนแกนของตัว plug, ball หรือ disc หรือออกแรงกระทำต่อตัวแกนตัว disc (ในกรณีของ globe valve) โดยผ่านแผ่น diaphragm (ถ้านึกภาพนี้ไม่ออกขอแนะนำให้ย้อนไปดู Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๓๒๗ วันอาทิตย์ที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๖๐ เรื่อง "วาล์วควบคุมอัตราการไหล (Control valve)")
 

วาล์วที่เกิดเหตุนั้นเป็น plug valve ที่มีโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ ๑ (รูปนี้นำมาจากบทความดังกล่าว) ที่ใช้ควบคุมการไหลของโพรพิลีนที่ความดัน 10 bar ช่างต้องการถอดตัว acutator (ที่เขียนว่า air motor ในรูป) ออก ซึ่งควรต้องถอดนอตที่อยู่ในกรอบสี่เหลี่ยมสีส้มออก แต่ปรากฏว่าช่างไปถอดนอตตัวที่อยู่ในวงรีสีเขียวออก ผลที่เกิดขึ้นตามมาก็คือพอถอดนอตออกมาหมด ตัว plug ก็ปลิวหลุดออกมา ทำให้โพรพิลีนเกิดการรั่วไหลออกมา ตามด้วยการระเบิดที่มีผู้เสียชีวิตถึง ๖ รายและความเสียหายที่มากตามมา
 

ประเด็นที่น่าสนใจอยู่ตรงที่ทำไมจึงไม่เห็นการรั่วไหลของโพรพิลีนเมื่อเริ่มคลายนอต
 

บทความให้รายละเอียดเหตุการณ์ทั้งหมดไว้เพียงแค่ ๗ บรรทัดพร้อมกับรูปประกอบ ๑ รูป ซึ่งรวมกันแล้วก็เพียงแค่ครึ่งหน้ากระดาษ แต่ดูจากลักษณะของวาล์วที่นำมาแสดงแล้วทำให้เห็นว่าตัว acutator ควรถูกยึดเอาไว้ด้วยนอตสัก ๔ ตัว และปรกติแล้วในการถอดนอตออกจากหน้าแปลนหรืออุปกรณ์ใด ๆ ก็ตามที่เราคิดว่ามีความดันอยู่ภายใน เรามักจะไม่ถอดนอตตัวเมียออกทันที แต่จะใช้การค่อย ๆ คลายนอตตัวเมียออกทีละตัว ทำสลับกับไปเรื่อย ๆ เพื่อที่ว่าถ้าหากพบการรั่วไหลจะได้ขันนอตตัวเมียให้แน่นกลับคืนเดิมได้ หรือถ้าแรงดันภายในนั้นดันให้ชิ้นส่วนที่โดนนอตตัวเมียกดเอาไว้นั้นเคลื่อนตัวออกมา ชิ้นส่วนนั้นก็จะไม่ปลิวออกมาเนื่องจากยังมีนอตตัวเมียที่ยังไม่ถอดออกมานั้นขวางอยู่ แต่ในกรณีนี้ดูเหมือนว่ามีการถอดนอตออกทั้งหมดก่อน แล้วจึงเกิดเหตุการณ์ตัว plug ปลิวหลุดออกมาจากตัววาล์ว
 

สาเหตุที่สามารถถอดนอตยึดตัว plug ได้หมดก่อนที่ตัว plug จะปลิวออกมานั้นน่าจะเป็นเพราะโครงสร้างของตัว plug valve เองที่ใช้การประกอบตัว plug เข้ากับลำตัววาล์วด้วยการสอดเข้าจากทางด้านบนในทิศทางที่ตั้งฉากกับแนวท่อ และเพื่อให้การติดตั้งสามารถทำได้ง่ายและให้มั่นใจว่าผนังตัว plug จะแนบชิดกับผนังของส่วนลำตัวได้ดี (เพื่อป้องกันการรั่วซึมตรงผิวสัมผัส) ก็เลยทำให้ตัว plug มีลักษณะที่เรียวสอบไปทางด้านปลายเล็กน้อย ด้วยเหตุนี้จึงทำให้แรงดันที่จะดันให้ตัว plug ปลิวขึ้นมีค่าไม่มาก (แรงส่วนใหญ่กระทำในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวตัว plug มีเพียงแรงส่วนน้อยเท่านั้นที่กระทำในแนวแกน) ในช่วงแรกนั้นแรงเสียดทานยังพอจะต้านแรงดันขึ้นเอาไว้ได้ แต่เมื่อตัว plug เริ่มขยับตัวขึ้น แรงเสียดทานก็จะหมดไป (เพราะพื้นผิวตัว plug แยกออกจากพื้นผิวส่วนลำตัวตัวของตัววาล์ว)

เรื่องที่ ๒ ใช้แรงเปิดมากไปหน่อย

วาล์วพวก plug, gate และ globe นั้นมักจะประกอบด้วยชิ้นส่วนหลัก ๆ สองส่วนคือส่วน valve body ที่ส่วนที่เชื่อมต่อกับระบบท่อและเป็นส่วนที่มีช่องทางการไหล ส่วนที่สองคือ bonnet ที่เป็นส่วนที่ทำหน้าที่ติดตั้งกลไกควบคุมการปิดเปิด โดยส่วน bonnet นี้จะครอบลงไปบนตัว valve body อีกที

ในกรณีของวาล์วตัวเล็กหรือใช้ในระบบที่ไม่อันตราย จะทำการยึด bonnet เข้ากับ valve body ด้วยการขันเกลียว (รูปที่ ๒-๔) แต่ถ้าเป็นวาล์วตัวใหญ่หรือใช้กับระบบที่อันตราย มักจะใช้นอตยึดตัว bonnetเข้ากับ valve body (เหมือนกับการประกบหน้าแปลนเข้าด้วยกันดังรูปที่ ๕)

รูปที่ ๒ วาล์วที่ตัว bonnet นั้นยึดติดกับส่วนลำตัวด้วยการใช้เกลียวขัน ในกรณีที่ hand wheel ติดแน่นนั้น ถ้าใช้แรงหมุน hand wheel มากเกินไปเพื่อเปิดวาล์ว จะเป็นการคลายตัว bonnet ออกจากส่วนลำตัววาล์วแทน

รูปที่ ๓ ตัวซ้ายคือ globe valve ส่วนตัวขวาคือ gate valve วาล์วสองตัวนี้ใช้การยึด bonnet เข้ากับ body ด้วยการขับเกลียว (ตรงลูกศรสีเหลืองชี้)

รูปที่ ๔ วาล์วตัวเดียวกับในรูปที่ ๓ พอถอด bonnet ออกมาแล้วก็จะเป็นอย่างนี้ การหมุนเกลียวเพื่อที่จะถอด bonnet ออกจาก valve body นั้นหมุนในทิศทางเดียวกับการหมุน hand wheel เพื่อเปิดวาล์ว ในกรณีเช่นนี้ถ้าตัว hand wheel ยึดติดแน่นแล้วใช้แรงพยายามหมุน hand wheel จะกลายเป็นว่าเป็นการถอด bonnet ออกจาก valve body แทน

รูปที่ ๕ globe valve ตัวนี้ใช้นอตในการยึด bonnet เข้ากับ valve body วาล์วแบบนี้ถ้าต้องการติดตั้ง acutator (แบบเรื่องที่ ๑) ก็จะถอดเอา hand wheel ออก แล้วก็เปลี่ยนนอตที่ใช้ยึด bonnet ให้ยาวขึ้นหน่อย จากนั้นจึงค่อยสวม acutator ลงไป แต่ต้องหามาตรการป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์เรื่องที่ ๑

เกลียวส่วนใหญ่ที่เราพบกันจะเป็นเกลียวเวียนขวา เวลาที่เราขัน bonnet เข้ากับ valve body เราก็จะหมุนในทิศทางตามเข็มนาฬิกา (เมื่อมองจากทางด้านบน) แบบเดียวกับกับเวลาที่เราหมุนก๊อกน้ำเพื่อปิด ถ้าเราจะถอดเอา bonnet ออกจาก valve body เราก็ต้องหมุนในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา (เมื่อมองจากทางด้านบน) แบบเดียวกับเวลาที่เราหมุนก๊อกน้ำเพื่อเปิด แต่ปรกติแล้วตัวแกนหมุน (spindle) ของ hand wheel นั้นจะหมุนได้ง่ายกว่า ทำให้เมื่อเราหมุน hand wheel เราก็จะหมุนเฉพาะตัวแกนหมุนของตัว plug โดยไม่ไปยุ่งอะไรกับเกลียวของ bonnet
 

แต่ถ้าเกลียวของแกนหมุนติดขัด ทำให้ต้องใช้แรงหมุนมากขึ้นหรือใช้ประแจช่วยจับ hand wheel ก็อาจเกิดปัญหาว่ากลายเป็นว่าเป็นการถอด bonnet ออกจาก valve body แทน ในกรณีเช่นนี้ต้องหาประแจอีกตัวมาจับตัว bonnet ไว้ไม่ให้หมุนคลายตัว

เรื่องที่ ๓ โลหะขยายตัวเมื่อร้อน

butterfly valve และวาล์วกันการไหลย้อนกลับที่ใช้แผ่น disc แบบ butterfly valve นั้นมีข้อดีตรงที่ตัวมันไม่ใหญ่ (คือความยาวของตัววาล์วในทิศทางการไหลนั้นสั้นหรือจะเรียกว่า "แบน" ก็ได้) เวลาที่วาล์วพวกนี้อยู่ในตำแหน่งเปิด ตัวแผ่น disc นั้นจะโผล่พ้นออกมานอกตัววาล์ว ด้วยเหตุนี้ท่อทางด้านขาเข้าและขาออกของตัววาล์วจึงมีขนาดที่ไม่เล็กกว่าขนาดวาล์ว
 

และด้วยการที่วาล์วมีลักษณะแบน ทำให้สามารถสอดเข้าไว้ระหว่างหน้าแปลนสองชิ้นได้โดยที่ตัววาล์วไม่จำเป็นต้องมีหน้าแปลน ทำให้สามารถลดน้ำหนักและราคาลงไปได้ ในกรณีเฃ่นนี้การป้องกันการรั่วซึมตรงพื้นผิวสัมผัสระหว่างตัววาล์วกับหน้าแปลนจะใช้แรงกดจากนอตที่ร้อยผ่านรูหน้าแปลนทั้งสองด้านที่บีบวาล์วเอาไว้ตรงกลางดังแสดงในรูปที่ ๖ (แน่นอนว่าต้องมีการสอดปะเก็นเอาไว้ระหว่างพื้นผิวหน้าแปลนและตัววาล์วด้วย)

รูปที่ ๖ วาล์วปีกผีเสื้อหรือ butterfly valve ชนิดที่ไม่มีหน้าแปลน (flangeless) หรือบางทีเรียกว่า wafer type ตัววาล์วถูกกดเอาไว้ระหว่างหน้าแปลนสองตัวที่มีนอตยาวร้อยผ่าน ส่วนรูที่เห็นที่มีนอตร้อยผ่านที่ตัววาล์วนั้นเป็นเพียงแค่รูจัดตำแหน่งเพื่อไม่ให้วาล์วหมุนไปมาได้แค่นั้นเอง ไม่ได้มีส่วนช่วยอะไรในการป้องกันการรั่วซึมตรงพื้นผิวสัมผัสระหว่างหน้าแปลนกับตัววาล์ว

การยืดตัวของแท่งโลหะความยาวเริ่มต้น L₀ คำนวณได้จากสมการ dL = a.L₀.dT เมื่อ dL คือความยาวโลหะที่เปลี่ยนไป a คือค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของโลหะ (ขึ้นอยู่กับชนิดโลหะ) และ dT คือผลต่างอุณหภูมิ (อุณหภูมิที่โลหะมีความยาว L₀ และอุณหภูมิใหม่) จากสมการนี้จะเห็นว่าสำหรับแท่งโลหะชนิดเดียวกันสองชิ้นที่มีความยาวไม่เท่ากัน เมื่อแท่งโลหะดังกล่าวมีอุณหภูมิสูงขึ้น แท่งโลหะที่ยาวมากกว่าจะมีการยืดตัวที่มากกว่า และการยืดตัวนี้ส่งผลถึงความตึงของนอตที่ใช้ขันยึดหน้าแปลน เพราะทำให้แรงตึงของนอตนั้นลดลง
 

ตอนจบทำงานใหม่ ๆ ก็มีวิศวกรรุ่นพี่เคยเล่าประสบการณ์เรื่องนี้เอาไว้ โดยได้ยกตัวอย่างกรณีของท่อไอน้ำที่ว่า ตอนที่ประกอบท่อเสร็จและทำการทดสอบการรั่วซึมที่หน้าแปลนต่าง ๆ นั้น แม้ว่าจะไม่พบการรั่วซึม แต่เมื่อป้อนไอน้ำเข้าสู่ระบบก็ควรต้องมาตรวจสอบกันใหม่ว่ามีการรั่วซึมหรือไม่ อันเป็นผลจากการที่นอตนั้นยืดตัว ทำให้แรงกดที่หน้าแปลนลดลง
 

บทความในวารสาร Loss Prevention กล่าวถึงการรั่วไหลของไฮโดรคาร์บอนที่วาล์วชนิด flangeless อันเป็นผลจากการยืดตัวของนอตที่ใช้ยึดวาล์ว ทำให้เกิดไฟไหม้ตามมา คำแนะนำที่ใด้จากเหตุการณ์ครั้งนั้นคือให้หลีกเลี่ยงการใช้วาล์วชนิดดังกล่าวกับระบบที่มีความเสี่ยงจากเพลิงไหม้สูง เว้นแต่จะได้รับการพิสูจน์ว่ามีมาตรการที่ให้ความปลอดภัยเพียงพอ
 

วาล์วที่มีหน้าแปลนสองด้านนั้นแม้ว่าจะใช้นอตร้อยมากกว่าเท่าตัวเมื่อเทียบกับชนิด flangeless แต่ด้วยการที่นอตแต่ละตัวนั้นสั้นกว่า การยืดตัวของนอตแต่ละตัวจึงต่ำกว่า การคลายตัวของหน้าแปลนจึงน้อยกว่ากรณีของวาล์วชนิด flangeless ที่ใช้นอตที่ยาวกว่ามาก

ฉบับนี้คงจบเพียงแค่นี้