ถัง (Tank) บรรจุเบนซีนได้รับความเสียหายจากความดันที่สูงเกิน MO Memoir : Saturday 23 December 2560

คำภาษาอังกฤษที่แปลเป็นไทยว่า "ถัง" นั้นมีอยู่ด้วยกันหลายคำ แต่คำว่า "ถัง" ที่จะใช้ต่อไปในบทความนี้จะตรงกับคำภาษาอังกฤษว่า "Tank" ที่เป็นภาชนะเก็บของเหลวขนาดใหญ่ตั้งอยู่บนพื้นดิน เก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ การสร้าง Tank นี้ก็ต้องเริ่มจากการสร้างฐานรากเพื่อรองรับน้ำหนัก (ทั้งของตัว Tank เองและของเหลวที่บรรจุ) จากนั้นจึงนำเอาแผ่นเหล็กมาเชื่อมติดกันเป็นทั้ง พื้น ลำตัว (ผนังด้านข้าง) และหลังคา
 

สำหรับของเหลวที่มีความดันไอต่ำก็สามารถใช้หลังคารูปกรวยหรือที่เรียกว่า cone roof ได้ แต่ถ้าเป็นของเหลวที่มีความดันไอสูง การใช้ tank ที่มีหลังคาแบบลอยอยู่บนพื้นผิวของเหลวหรือที่เรียกว่า floating roof นั้นจะช่วยลดการระเหยของของเหลวได้ดีกว่า 
  

Tank ทั่วไปนั้นจะทนต่อความดันภายในที่สูงกว่าความดันบรรยากาศหรือต่ำกว่าบรรยากาศภายนอกได้เพียงเล็กน้อย (เทียบเท่าความสูงของน้ำไม่กี่เซนติเมตร) ในกรณีของ floating roof tank นั้นมันไม่มีปัญหาเรื่องการรักษาความดันภายในถังเพราะมันไม่มีที่ว่างให้ของเหลวระเหย และหลังคายังเลื่อนขึ้นลงตามปริมาณของเหลวที่มีอยู่ในถัง แต่ในกรณีของ cone roof tank นั้น เวลาที่เราสูบของเหลวเข้าถัง ระดับของเหลวในถังจะเพิ่มสูงขึ้น ทำให้ความดันอากาศที่อยู่เหนือผิวของเหลวเพิ่มขึ้น ดังนั้นจำเป็นต้องมีวิธีการระบายความดันนี้ออกไปเพื่อไม่ให้ความดันเพิ่มสูงเกิน และในทางกลับกันถ้าเราสูบของเหลวออกจากถัง เมื่อระดับของเหลวในถังลดลง ความดันอากาศที่อยู่เหนือผิวของเหลวจะลดต่ำลง ก็ต้องมีวิธีการดึงเอาอากาศภายนอกเข้ามาชดเชยปริมาตรภายในของส่วนที่เป็นแก๊สที่เพิ่มขึ้น ไม่เช่นนั้นถ้าความดันภายในถังต่ำเกินไป ความดันอากาศข้างนอกก็จะบีบอัดให้ถังสูญเสียรูปร่างได้

รูปที่ ๑ ตัวอย่างระบบรักษาความดันภายในถัง (Tank) ที่ป้องกันไม่ให้ความดันในถังสูงหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศมากเกินไป ปรกติรอยเชื่อมตรงตำแหน่งระหว่างฝาถังกับลำตัวจะออกแบบให้มีความแข็งแรงต่ำกว่ารอยเชื่อมส่วนอื่น เพื่อที่ว่าถ้าหากเกิดการระเบิดขึ้นในถัง ฝาถังจะเปิดออกเพื่อระบายความดันให้ลดต่ำลงก่อนที่โครงสร้างลำตัวจะฉีกขาดและทำให้ของเหลวที่บรรจุภายในถังรั่วไหลออกมาในปริมาณมากได้
 

ในกรณีของของเหลวที่ไม่อันตราย (เช่นไม่ไวไฟ ไม่มีความเป็นพิษเฉียบพลัน) และมีความดันไอต่ำ (เช่นน้ำ น้ำมันดีเซล) การใช้ท่อ vent ที่เป็นท่องอคว่ำลงเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำฝนไหลเข้าไปในถัง (รูปที่ ๑) ก็จัดว่าเพียงพอ เพียงแค่คำนวณขนาดของท่อ vent ให้ใหญ่พอสำหรับการระบายอากาศเข้า-ออกเท่านั้น (ตรงนี้ขึ้นอยู่กับขนาดของปั๊มที่ป้อนหรือสูบของเหลวออกจากถัง และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในแต่ละวัน เช่นช่วงแดดจัด และฝนตกหนักกระทันหัน) ข้อดีของ vent แบบนี้ก็คือมันไม่มีอะไรให้ต้องดูแล (ระวังนกเข้าไปทำรังก็แล้วกัน) แต่ในกรณีที่เป็นสารเคมีที่มีความดันไอสูงขึ้นมาหน่อย (เช่น เบนซีน เอทานอล ที่มีจุดเดือดราว ๆ 80 องศาเซลเซียสและเป็นสารไวไฟ) อาจเกิดปัญหาเรื่องการรั่วไหลของสารเหล่านี้ออกมามากเกินไป หรือมีอากาศเข้าไปผสมกับไอระเหยของสารในถังนั้นมากเกินไป อันเป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือสภาพอากาศในแต่ละช่วงเวลาของวัน ในกรณีเช่นนี้ก็จะมีการติดตั้ง Breather valve หรือวาล์วหายใจเข้ากับช่องระบายอากาศ
 

Breather valve นั้นจะเปิดให้ไอระเหยข้างในระบายออกมาข้างนอกถ้าหากความดันในถังสูงเกินกว่าค่าที่กำหนดไว้ และจะเปิดให้อากาศภายนอกไหลเข้าไปในถังถ้าหากความดันในถังต่ำกว่าค่าที่กำหนดไว้ ทำให้ลดการสูญเสียของเหลวในถังเนื่องจากการระเหยออกและการปนเปื้อนของเหลวในถังเนื่องจากอากาศที่รั่วไหลเข้าไป และในกรณีของถังที่บรรจุของเหลวที่ไวไฟนั้น (เช่นเอทานอล) ก็อาจมีการติดตั้ง Flame arrester ไว้ข้างใต้ตัว Breather valve เพื่อป้องกันการระเบิดภายในถังอันเกิดจากไฟที่ลุกไหม้อยู่ภายนอกนั้น ทำให้ไอระเหยที่ระบายออกจากถังทาง Breather valve นั้นลุกติดไฟและเปลวไฟวิ่งย้อนกลับเข้าไปในถังได้ (ดูตัวอย่างได้ในรูปที่ ๒) รายละเอียดเกี่ยวกับ Breather valve เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๙๑๒ วันอาทิตย์ที่ ๓๑ ธันวาคม ๒๕๕๗ เรื่อง "Breather valve และ Flame arrester"
 

เรื่องที่นำมาเล่าสู่กันฟังในวันนี้นำมาจากวารสาร Loss Prevention Bulletin vol. 69 ปีค.ศ. 1986 (พ.ศ. ๒๕๒๙) ที่เป็นเหตุการณ์ถัง (Tank) เก็บเบนซีนเกิดความเสียหายเนื่องจากความดันในถังสูงเกิน บทความนี้บรรยายเนื้อหาเหตุการณ์ไว้เพียงครึ่งหน้า และส่วนความเห็นของบรรณาธิการอีกครึ่งหน้า (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๒ Flame arrester และ Breather valve ที่ติดตั้งบน pressure vessel ที่ใช้เก็บเอทานอล
 

ถังเก็บเบนซีนขนาดความจุ 4850 m³ ได้รับการเติมเบนซีน 900 m³ ที่อุณหภูมิ 20ºC ต่อมาในวันที่ ๑๖ มกราคม ปีค.ศ. ๑๙๘๕ (พ.ศ. ๒๕๒๘) มีการถ่ายเบนซีนจากเรือขนส่งเข้าไปในถังอีก 900 m³ ด้วยอัตรา 130 m³/hr โดยที่อุณหภูมิภายในถังคือ 24ºC ส่วนอุณหภูมิบรรยากาศภายนอกอยู่ที่ -10ºC บนหลังคาถังมีการติดตั้ง Breather valve (ในบทความใช้คำว่า PV valve หรือ pressure venting valve) ที่มี Flame arrester ติดตั้งอยู่ข้างใต้ จำนวน ๔ ชุดด้วยกัน
 

เมื่อพนักงานปฏิบัติงานเข้าไปเก็บตัวอย่างที่ถัง ก็พบการรั่วไหลออกมา จากการตรวจสอบพบว่าตัวถังได้รับความเสียหายที่หลายตำแหน่ง ไม่ว่าจะเป็นส่วนหลังคาที่ตัวหลังคาปูดบวมขึ้นมาและมีการฉีกขาดที่รอยเชื่อมต่อระหว่างฝาหลังคากับส่วนลำตัว ผนังลำตัวบางส่วนมีรอยฉีกและก้นถังปูดบวมขึ้นมา ทำให้ตัวถังนั้นยกเอียงจากฐานที่ตั้ง
 

สาเหตุเป็นเพราะไอระเหยของเบนซีนเกิดการแข็งตัวที่ Flame arrester ทั้ง ๔ ตัว ทำให้เมื่อสูบของเหลวเข้าไปในถัง ความดันเหนือผิวของเหลวจึงเพิ่มสูงขึ้นเนื่องจากปริมาตรของส่วนที่เป็นไอนั้นน้อยลง แต่ไอไม่สามารถระบายออกไปนอกตัวถังได้

รูปที่ ๓ ส่วนความเห็นของบรรณาธิการจากเหตุการณ์

บทความในวารสารนี้หลายบทความจะมีส่วนความเห็นของบรรณาธิการเพิ่มเติมเข้ามา ตัวอย่างเช่นในกรณีของเหตุการณ์ครั้งนี้ ส่วนความเห็นของบรรณาธิการแสดงให้เห็นถึงมาตรฐานความปลอดภัยที่แตกต่างกันไปตามประเทศต่าง ๆ เช่นการติดตั้ง Flame arrester ไว้ใต้ Breather valve ที่ถือว่าเป็นเรื่องปรกติของประเทศอื่นในยุโรป ยกเว้นแต่สหราชอาณาจักร (เวลาคนอังกฤษพูดถึงยุโรป เขามักจะไม่รวมอังกฤษเอาไว้) และมาตรฐาน API 2000 ก็ถือว่าไม่จำเป็น แต่ในมาตรฐาน NFPA 30-1981 นั้นกล่าวไว้แตกต่างกันออกไป (ทั้ง ๆ ที่ API และ NFPA ต่างอยู่ในอเมริกาทั้งคู่ โดย API ย่อมาจาก American Petroleum Institute และ NFPA ย่อมาจาก National Fire Protection Association) โดย NFPA มีการใช้คำว่า "may be omitted" นั่นแสดงว่า "ปรกติควรต้องติดตั้ง เว้นแต่ว่า ....." คือเมื่อพิจารณาแล้วว่าความเสี่ยงที่ Flame arrester จะเกิดการอุดตันและทำให้ถังบรรจุเกิดความเสียหายนั้นสูงกว่าความเสี่ยงที่จะเกิดเพลิงไหม้ 
  

ประเด็นนี้ชี้ให้เห็นว่าบางครั้งการที่จะตัดสินว่าการทำงานนั้นมีความปลอดภัยเพียงพอหรือไม่ คงต้องไปดูด้วยว่าใช้มาตรฐานของใครในการปฏิบัติงานอยู่
 

อีกเรื่องที่เห็นว่าน่าสนใจและขอนำมากล่าวในที่นี้คือ บทบาทรูปร่างของโมเลกุลที่มีต่ออุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ตรงนี้ขอให้ดูตัวอย่างในรูปที่ ๔ ก่อน

รูปที่ ๔ อุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุดเดือด (ºC) ของไฮโดรคาร์บอน C6 และ C7 บางตัว

ข้อมูลจาก https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound

แถวบนในรูปที่ ๔ นั้นเป็นกรณีของสารประกอบ C6 จำนวน ๓ สารด้วยกันคือ Hexane, Cyclohexane และ Benzene ส่วนแถวล่างนั้นเป็นกรณีของสารประกอบ C7 จำนวน ๓ สารด้วยกันคือ Heptane, Methylcyclohexane และ Toluene โดยเป็นการเปรียบเทียบระหว่างโครงสร้างชนิด Aliphatic (Hexane และ Heptane) Cycloaliphatic (Cyclohexane และ Methylcyclohexane) และ Aromatic (Benzene และ Toluene) 
  

เนื่องจากสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว แรงวาลเดอร์วาลส์จึงเป็นแรงยึดเหนี่ยวหลักระหว่างโมเลกุล ในกรณีของสารประกอบ C7 จะเห็นว่าไม่ว่าจะเป็นโครสร้างแบบไหน อุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุดเดือดไม่ได้แตกต่างกันมาก แต่พอเป็นกรณีของสารประกอบ C6 จะเห็นว่าแม้ว่าอุณหภูมิจุดเดือดนั้นจะไม่แตกต่างกันมาก แต่อุณหภูมิจุดหลอมเหลวของพวกโครงสร้างที่เป็นวงคือ Cyclohexane และ Benzene นั้นสูงกว่าของ Hexane (ที่มีจำนวนอะตอม C เท่ากัน) และสูงกว่าของ Methyclohexane และ Toluene (ที่มีจุดเดือดสูงกว่า และมีโครงสร้างลักษณะทำนองเดียวกัน) ประมาณ 100ºC 
  

การที่ Cyclohexane และ Benzene มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าสารอื่นก็เพราะการที่สองสารนี้มีรูปร่างโมเลกุลที่ค่อนข้างแบนและสมมาตร ทำให้โมเลกุลที่อยู่เคียงข้างกันสามารถเข้ามาแนบชิดกันได้มาก แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจึงสูง (ผลจากระยะทางที่ใกล้กัน) ทำให้จุดหลอมเหลวของสารสองตัวนี้สูงกว่าตัวอื่นมาก

ท้ายสุดนี้ขอฝากภาพงานก่อสร้างหลังคาคลุมทับหลังคาเดิมของอาคารข้าง ๆ เอาไว้หน่อย เพราะมันมีเรื่องที่แปลกอยู่เหมือนกันว่า ทำไมต้องทำเรื่องง่ายให้เป็นเรื่องยาก แล้ววันหลังจะมาเล่าให้ฟัง