วันเสาร์ที่ 7 เมษายน พ.ศ. 2561

Mechanics of Materials ในงานวิศวกรรมเคมี MO Memoir : Saturday 7 April 2561

เมื่อ ๓๐ กว่าปีที่แล้วตอนที่เรียนวิศวกรรมเคมี ต้องเรียนวิชาพื้นฐานทางด้านวิศวกรรมเครื่องกล ๔ วิชาด้วยกัน วิชาแรกที่ทุกคนต้องเรียนเหมือนกันหมดคือ Engineering Drawing หรือเขียนแบบวิศวกรรมที่เรียนในปี ๑ (วิชา ๔ หน่วยกิต) ตามด้วยวิชา Statics (สถิตศาสตร์) ที่เรียนในปี ๒ เทอมต้น ปี ๒ เทอมปลายจะเรียนวิชา Dynamics (จลนศาสตร์) และ Mechanics of Materials (กลศาสตร์วัสดุ) ๓ วิชาหลังนี้เป็นวิชา ๓ หน่วยกิต รวม ๆ กันก็เป็น ๑๓ หน่วยกิต ถ้าเป็นพวกที่เรียนทางด้านโยธา สิ่งแวดล้อม สำรวจ จะเรียนวิชา Strength of Materials (กำลังวัสดุ) ที่สอนโดยภาควิชาวิศวกรรมโยธาแทนวิชา Mechanics of Materials
 
วิชาเหล่านี้ตอนเรียนใครต่อใครก็บอกกันว่ามันไม่มีสูตรอะไรให้ต้องท่องจำเลย วิชา Statics ก็มีเพียงแค่สองสูตรคือผลรวมของแรงเท่ากับศูนย์ (∑F = 0) และผลรวมของโมเมนต์เท่ากับศูนย์ (∑M = 0) วิชา Dynamics ก็มีเพียงแค่สูตรเดียวคือแรงเท่ากับผลคูณระหว่างมวลกับความเร่ง (F = ma) ส่วนวิชา Mechanics of Materials ก็มีสูตรความเค้น (stress) และความเครียด (strain) เพิ่มขึ้นมาจากวิชา Statics
 
แต่สูตรเพียงแค่ไม่กี่สูตรเท่านี้แหละ นำไปประยุกต์ใช้ได้ไม่รู้กี่รูปแบบ ใครที่เรียนด้วยการทำโจทย์เยอะ ๆ โดยที่ไม่คิดที่จะทำความเข้าใจ จะอาศัยเพียงแค่จำเอาแต่ว่าโจทย์หน้าตาอย่างนี้ให้ทำอย่างนี้แม้ว่าอาจจะรอดตัวจากการสอบไปได้ แต่คงยากที่จะเอาความรู้นั้นไปใช้งานได้ เพราะในการทำงานจริงนั้นเป็นเรื่องปรกติที่เราต้องตั้งโจทย์ใหม่ขึ้นมาเอง และก็ไม่แปลกถ้ามันจะเป็นโจทย์ที่ไม่ปรากฏในตำราใด ๆ ให้เห็นมาก่อนด้วย
 
ด้วยที่วิชานี้ต้องสอนนิสิตเป็นจำนวนมาก จำนวนผู้สอนจึงมีมากกว่าจำนวนข้อสอบที่จะออก ตอนที่กลับมาสอนหนังสือใหม่ ๆ นั้นได้รับหน้าที่ให้เป็นกรรมการประจำห้องสอบไล่ คือทำหน้าที่รับ-ส่งข้อสอบและจัดการกับปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการสอบ มีอยู่ปีหนึ่ง ในช่วงระหว่างการสอบวิชาเครื่องกลวิชาหนึ่ง (จำไม่ได้ว่าเป็นวิชาไหน แต่เป็น ๑ ใน ๓ ตัวหลักที่กล่าวมาข้างต้น) ข้อสอบมีทั้งสิ้น ๖ ข้อ ให้เวลาทำ ๓ ชั่วโมง อาจารย์หัวหน้าวิชาก็กำหนดตัวผู้สอน ๖ คน แต่ละคนให้ออกข้อสอบ ๑ ข้อในหัวข้อที่สอนที่แตกต่างกันไป ช่วงระหว่างการสอบอาจารย์หัวหน้าวิชาก็แวะเข้ามาที่ห้องสอบไล่ ขอดูข้อสอบวิชานั้นหน่อยว่าข้อสอบเป็นอย่างไรบ้าง พอพลิกดูเสร็จแกก็บอกว่า "กูยังทำไม่ได้เลย"
 
พอได้ยินอย่างนั้น อาจารย์อาวุโสภาคเครื่องกลอีกท่านหนึ่งที่อยู่ในห้องนั้นด้วยก็เลยขอดูข้อสอบด้วย พอเห็นข้อสอบก็ยังบอกเลยว่า ๓ ชั่วโมงทำได้ ๒ ข้อก็เก่งแล้ว แถมยังบอกอาจารย์หัวหน้าวิชาด้วยว่า อาจารย์ก็เตรียมตัวชี้แจงกรรมการคณะก็แล้วกัน ว่าทำไมจึงตัดเกรด C ที่ ๓๐ (จาก ๑๐๐ คะแนนเต็ม)
เหตุมันเกิดจากพออาจารย์แต่ละท่านออกข้อสอบมาแล้ว ก็มีการแซวกันเล่น ๆ ว่าทำไมข้อสอบมันง่ายจัง ก็เลยมีการปรับเปลี่ยนข้อสอบแบบเรียกว่าแต่ละคนก็เลยคัดเอาโจทย์สุดยอดยากในเรื่องนั้นมาให้นิสิตสอบกัน นิสิตก็เลยระเนระนาดกันเป็นแถว แต่นี่เป็นเหตุการณ์เมื่อราว ๆ ๒๐ ปีที่แล้ว
 
สัปดาห์ที่แล้วได้พบกับอาจารย์รุ่นน้องภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลรายหนึ่ง แกเข้ามาทักว่าช่วยเขียนอะไรเกี่ยวกับวิชา Mechanics of Materials ที่เกี่ยวกับงานวิศวกรรมเคมีให้หน่อยได้ไหม คือวิชานี้พักหลัง ๆ นี้มีนิสิตถอนกันมาก และมีการตั้งคำถามทั้งจากตัวนิสิตและอาจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเคมีบางรายว่าเรียนไปทำไม และโดยส่วนตัวผมเองผมเห็นว่าวิชาเหล่านี้ยังมีความสำคัญอยู่เพราะมันมีการนำไปใช้งานจริง วันนี้ก็เลยพยายามหาตัวอย่างบางตัวอย่างที่ไม่ยากเกินไปที่คิดว่าเกี่ยวข้องกับวิชาเหล่านี้ โดยได้เลือกเอากรณีของอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นจริงที่มีการบันทึกไว้มาเป็นตัวอย่าง

. They did not know what they did not know

ท่อที่ร้อนก็จะมีการยืดตัวออก ถ้าการวางท่อนั้นไม่เปิดโอกาสให้ท่อได้มีการขยายตัวได้ ก็จะเกิดความเค้นกดตามแนวความยาวของท่อ ในกรณีที่แนววางท่อนั้นเป็นแนวยาว เราก็สามารถจัดให้มี expansion loop เพื่อให้ท่อมีความยืดหยุ่นสำหรับการขยายตัว แต่ถ้าเป็นท่อช่วงสั้น ๆ ก็คงต้องใช้วิธีอื่น
 
ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ไซโคลเฮกเซน (cyclohexane) ไปเป็นไซโคลเฮกซาโนน (cyclohexanone) ที่เป็นสารมัธยันต์ในการผลิตสารตั้งต้นสำหรับเส้นใยไนลอนเกิดขึ้นในถังปฏิกรณ์แบบปั่นกวนที่มีการฉีดอากาศให้ลอยขึ้นเป็นฟองจากทางด้านล่างของถัง เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดได้รวดเร็วจึงทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง แต่เพื่อให้ไซโคลเฮกเซนคงสภาพเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูงได้ก็ต้องมีการเพิ่มความดันให้กับระบบ และเนื่องจากเวลาสัมผัสระหว่างอากาศกับไซโคลเฮกเซนมีไม่มาก ทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้น้อย เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดได้มากขึ้นจึงต้องมีการติดตั้งถังปฏิกรณ์หลายใบต่ออนุกรมกัน โดยให้ไซโคลเฮกเซนในถังที่ 1 ไหลล้นลงสู่งถังที่ 2 ที่อยู่ถัดไปในตำแหน่งที่ต่ำกว่าเล็กน้อย และเป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งถึงถังใบที่ 6 (ตามรูปที่ ๑ ข้างล่าง) และเนื่องจากระยะห่างระหว่างถังแต่ละใบมีไม่มาก จึงใช้ข้อต่ออ่อนหรือ "Bellow" (ขนาด 28 นิ้ว) เป็นตัวเชื่อมต่อการไหลระหว่างถังแต่ละถัง (เพราะระยะห่างระหว่างถังที่สั้น ถ้าใช้ท่อเชื่อมต่อก็ต้องใช้ท่อตรง แต่เมื่อท่อขยายตัวเมื่อร้อนจะทำให้เกิดแรงกดกระทำที่ตัวถังปฏิกรณ์ การใช้ bellow จะไม่ทำให้เกิดปัญหาดังกล่าว)


รูปที่ ๑ เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการออกซิไดซ์ไซโคลเฮกเซนไปเป็นไซโคลเฮกซาโนน ในเหตุการณ์ก่อนการระเบิดของโรงงานที่เมือง Flixborough ประเทศอังกฤษนั้น ถังปฏิกรณ์หมายเลข 5 เกิดการแตกร้าว เลยต้องถอดออก และทำท่อชั่วคราวเชื่อมต่อระหว่างถังปฏิกรณ์ถังที่ 4 และ 6 เข้าด้วยกัน (ในกรอบสีแดง)
 
ในเหตุการณ์การระเบิดของโรงงานที่เมือง Flixborough ประเทศอังกฤษเมื่อเดือนมิถุนายน พ.ศง ๒๕๑๗ นั้น ก่อนเกิดเหตุการณ์ประมาณ ๒ เดือนมีการตรวจพบว่าถังปฏิกรณ์ใบที่ 5 มีรอยร้าว ทำให้ต้องถอดเอาถังปฏิกรณ์ใบที่ 5 ออกจากระบบ แต่การผลิตยังสามารถทำงานได้โดยใช้ถังปฏิกรณ์อีก 5 ถังที่ยังเหลืออยู่ แต่ทั้งนี้ต้องทำการเชื่อมต่อการไหลระหว่างทางออกของถังที่ 4 และทางเข้าของถังที่ 6 เข้าด้วยกัน แต่เนื่องจากระดับท่อทางออกของถังที่ 4 นั้นอยู่สูงกว่าระดับท่อทางเข้าถังที่ 6 จึงได้มีการออกแบบให้ท่อเชื่อมต่อ (ที่มีขนาด 20 นิ้ว) นั้นมีการเปลี่ยนระดับในรูปแบบที่เรียกว่า "dog leg" (ระดับท่อทางออกของถังที่ 4 จะอยู่ตรงกับระดับท่อทางเข้าของถังที่ 5 และระดับท่อทางออกของถังที่ 5 จะอยู่ต่ำกว่าระดับท่อทางเข้าของถังที่ 5 แต่จะอยู่ที่ระดับความสูงเดียวกันกับของท่อทางเข้าของถังที่ 6) พอสร้างเสร็จแล้วก็มีหน้าตาดังแสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง คนที่ออกแบบและสร้างท่อดังกล่าวก็เป็นเพียงแค่ช่างประกอบท่อ และการ "ออกแบบ" จะว่าไปแล้วก็คือทำกันใน workshop ด้วยการร่างขนาดท่อเท่าของจริงบนพื้นโรงงานโดยไม่ได้มีการคำนวณความสามารถในการรับแรงใด ๆ ทั้งสิ้น


รูปที่ ๒ การวางท่อเชื่อมต่อที่มีลักษณะเป็น "dog leg" โดยถังที่ 6 อยู่ทางด้านซ้ายและถังที่ 4 อยู่ทางด้านขวา

เพื่อที่จะทดสอบว่าท่อที่ประกอบเข้าไปแล้วนั้นสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยหรือไม่ จึงมีการทดสอบความสามารถในการรับความดัน โดยใช้ความดันที่ใช้ในการเดินเครื่อง (คือ operating pressure นั่นแหละ) เป็นความดันสูงสุดที่ใช้ในการทดสอบ ซึ่งก็พบว่าท่อดังกล่าวสามารถรองรับความดันที่ใช้ในการเดินเครื่องนั้นได้ กระบวนการผลิตก็เลยมีการเดินเครื่องต่อมาได้อีกราว ๆ ๒ เดือน
 
ในช่วงบ่ายของวันเสาร์ที่ ๑ มิถุนายน พ.ศ. ๒๕๑๗ เกิดการรั่วไหลของไซโคลเฮกเซนปริมาณมากออกจากระบบก่อนเกิดการระเบิดขนาดใหญ่ติดตามมา อุบัติเหตุนี้ถูกบรรจุเอาไว้ในวิชา Safety ของผู้ที่เรียนทางด้านวิศวกรรมเคมี (เป็นตัวอย่างการระเบิดแบบที่เรียกว่า Unconfined Vapour Colud Explosion โดยมีแรงระเบิดประมาณไว้ระหว่าง 2 - 40 ตัน TNT ขึ้นอยู่กับว่าใช้แบบจำลองไหน ในบ้านเราก็เคยมีการระเบิดแบบนี้เกิดขึ้น ๔ ครั้งแล้ว ครั้งแรกเป็นการรั่วไหลที่โรงงานผลิตพอลิเอทิลีนของ TPI ในปลายปีพ.ศ. ๒๕๓๑ และครั้งที่ ๔ คือกรณีของบริษัท BST เมื่อเดือนพฤษภาคม พ.ศ. ๒๕๕๕)

รูปที่ ๓ แผนผังแสดงการกระทำของแรงที่มีต่อท่อ dog leg และแผนภาพโมเมนต์ดัด

รูปที่ ๑ - ๓ นำมาจากรายงานการสอบสวน "The Flixborough disaster : Report of the Court of Inquiry" ที่ตีพิมพ์เผยแพร่ในปีพ.ศ. ๒๕๑๘ (หาดาวน์โหลดไฟล์ pdf ได้ทางอินเทอร์เน็ต) ในการวิเคราะห์หาสาเหตุการรั่วไหลนั้นมีการมุ่งไปที่สองตำแหน่งด้วยกัน คือท่อ dog leg ที่สร้างขึ้นมาชั่วคราวเพื่อเชื่อมต่อการไหลระหว่างถังปฏิกรณ์ใบที่ 4 และ 6 เข้าด้วยกัน และท่อขนาด 8 นิ้วที่อยู่ใกล้เคียงกัน แต่ผลสรุปสุดท้ายให้น้ำหนักไปที่ท่อ dog leg ว่าเป็นสาเหตุของการรั่วไหล
 
ท่อตรงที่ร้อนจะขยายตัว แต่ถ้าขยายตัวไม่ได้ก็จะเกิดความเค้นกดในแนวความยาว ถ้าท่อรับแรงกดนี้ไม่ได้ ในกรณีที่เป็นท่อสั้น ท่อก็จะโป่งออกทางด้านข้าง ในกรณีที่เป็นท่อยาว ท่อก็จะเกิดการโก่งหรือโค้งออกทางด้านข้าง แต่ในกรณีของท่อที่มีลักษณะเป็น dog leg ที่แนวแกนที่ปลายทั้งสองข้างนั้นไม่ตรงกัน มันจะมีโมเมนต์ดัดและแรงเฉือนเกิดขึ้นด้วย (ดูแผนผังในรูปที่ ๓) และที่สำคัญก็คือตัวข้อต่ออ่อนหรือ bellow นั้น ไม่สามารถรับโมเมนต์ดัดหรือแรงเฉือนได้ (กล่าวคือ bellow มันเหมาะสำหรับการยืดหดในทิศทางความยาวเท่านั้น การใช้ bellow เชื่อมต่อระหว่างทางออกของถังปฏิกรณ์ถังหนึ่งกับทางเข้าของถังปฏิกรณ์อีกถังหนึ่งที่ระดับทางออกและทางเข้านี้อยู่ที่ระดับเดียวกัน ไม่ทำให้เกิดปัญหาใด ๆ) เมื่อ bellow ไม่สามารถรับแรงได้ มันก็เลยฉีกขาดออก ทำให้เกิดไซโคลเฮกเซนหลายสิบตันที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน เมื่อรั่วไหลออกมาที่ความดันบรรยากาศจึงกลายเป็นไอระเหยผสมเข้ากับอากาศได้ดี (ทำนองเดียวกันกับแก๊สหุงต้มตามบ้านเรือน)
 
การสอบสวนยังพบว่าท่อ dog leg ที่ทำขึ้นใช้ชั่วคราวนี้ไม่มีการยึดกับนั่งร้านเพื่อป้องกันการเคลื่อนตัวทางด้านข้าง ผู้ติดตั้งทำเพียงแค่วางมันไว้บนนั่งร้านเฉย ๆ เท่านั้น (รูปที่ ๒) ซึ่งเป็นความผิดพลาดสำคัญอีกข้อหนึ่ง และผลการสอบสวนยังพบอีกด้วยว่า
 
- ช่างประกอบท่อก็เป็นเพียงแค่ช่าง ที่มีฝีมือในการประกอบท่อ ไม่ได้มีความรู้ว่าท่อที่ประกอบขึ้นนั้นจำเป็นต้องได้รับการคำนวณโดย "ผู้เชี่ยวชาญ" ว่าสามารถรับแรงได้หรือไม่ รู้แต่เพียงว่าทำตามงานที่ได้รับมอบหมายให้เสร็จก็พอ
 
- ในโรงงานเองก็ไม่มีใครรู้ว่า ท่อรูปร่าง dog leg ดังกล่าวควรได้รับการพิจารณาเป็นพิเศษเรื่องการรับแรง โดยเฉพาะแรงกดที่ปลายทั้งสองข้างของท่อที่ไม่ได้อยู่ในแนวเดียวกันและทำให้เกิดโมเมนต์ดัดเกิดขึ้น
 
- เมื่อไม่มีใครคิดว่าจะมีแรงเฉือนเกิดขึ้น ก็เลยไม่มีใครเฉลียวใจว่า bellow ไม่เหมาะกับการรับแรงเฉือน
 
- วิศวกรเครื่องกลที่มีความรู้เรื่องดังกล่าวเพิ่งจะออกจากงานไป ยังไม่มีคนใหม่เข้ามาทำหน้าที่แทน ส่วนคนที่อยู่ก็ไม่รู้ว่างานลักษณะนี้ควรต้องให้ผู้มีความรู้เป็นผู้ออกแบบ
 
- ในส่วนของผู้ที่เหลืออยู่ เพื่อให้มั่นใจว่าท่อสามารถใช้งานได้ จึงทำการทดสอบความสามารถในการรับความดัน แต่การทดสอบความสามารถในการรับความดันทำสูงสุดเพียงแค่ "Operating pressure" หรือความดันในระหว่างการใช้งาน เท่านั้น ซึ่งก็พบว่า "ผ่าน" การทดสอบ
 
- แต่การจำลองท่อดังกล่าวขึ้นมาใหม่และทำการทดสอบภายหลังพบว่า ท่อดังกล่าวจะได้รับความเสียหายถ้าหากเพิ่มความดันให้สูงกว่า Operating pressure เพียงเล็กน้อย (แต่ยังต่ำกว่าความดันที่กำหนดให้วาล์วระบายความดันหรือ safety valve เปิด) ประเด็นนี้จึงมีการตั้งข้อสังเกตไว้ว่า ถ้าหากมีใครสักคนรู้ว่าการทดสอบควรทำที่ความดันที่กำหนดให้ safety valve เปิด ก็คงจะพบว่าท่อดังกล่าวรับความดันไม่ได้ อุบัติเหตุก็ไม่น่าจะเกิด
 
Prof. Trevor A. Kletz เขียนไว้ในหน้า ๖๙ ของหนังสือ "Learning from accidents in industry" ในหัวข้อเรื่อง "Flixborough" เอาไว้ว่า
 
"At the time the pipe was constructed and installed there was no professionally qualified mechanical engineer on site, though there were many chemical engineers."
 
ถึงแม้ว่าตามข้อกำหนดนั้นจะไม่ได้กำหนดให้เป็นหน้าที่ของวิศวกรเคมีโดยตรง แต่คนที่ทำงานอยู่นั้นควรต้องรู้ว่างานประเภทไหนควรต้องให้ใครมาเป็นคนตรวจสอบรับรอง และในย่อหน้าก่อนข้อความข้างบนก็ได้กล่าวประโยคว่า "They did not know what they did not know." เอาไว้

หมายเหตุ : อ่านเรื่องเพิ่มเติมเกี่ยวกับเหตุการณ์นี้และการขยายตัวของท่อร้อนได้ใน Memoir ต่อไปนี้
ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๓ วันศุกร์ที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "Flixborough explosion" และ
ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๕๒๐ วันอาทิตย์ที่ ๒๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๑ เรื่อง "การเผื่อการขยายตัวของท่อร้อน"

. แรงปฏิกิริยาเท่ากับแรงกิริยา (Reaction = Action)

ในขณะที่ของไหลที่ไหลไปในทิศทางหนึ่ง จะมีแรงกระในทิศทางที่ตรงข้ามกัน (ตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม) ในกรณีของการไหลในท่อตรงนั้น แรงที่กระทำต่อตัวท่อจะไม่ปรากฎชัดเท่าใดนักเพราะมันอยู่ในแนวแกนท่อ แต่ในกรณีที่มีการเปลี่ยนทิศทางการไหล โดยเฉพาะการเลี้ยวเป็นมุมฉาก แรงกระทำดังกล่าวจะตั้งฉากกับแนวแกนท่อ ทำให้เกิดโมเมนต์ดัด (bending moment) มากที่สุด ในกรณีของท่อที่มีการเชื่อมต่อปลายสองข้างของท่อนั้นเข้ากับอุปกรณ์อื่น (เช่นจากปั๊มเข้าสู่ถังเก็บ) ผลของโมเมนต์ดัดนี้มักจะมองไม่เห็น (เพราะมันมีจุดยึดท่อที่ปลายด้านขาออกนั้นช่วยดึงเอาไว้) แต่ถ้าเป็นกรณีของท่อที่ระบายออกสู่บรรยากาศ (เช่นวาล์วระบายความดัน) ผลที่เกิดจากการที่ท่อไม่สามารถรับโมเมนต์ดัดดังกล่าวได้อาจนำมาซึ่งความสูญเสียที่อาจคาดไม่ถึง
 
รูปที่ ๔ นำมาจาก Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๓๒ วันเสาร์ที่ ๑๕ สิงหาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "พังเพราะข้องอเพียงตัวเดียว" ที่เล่าถึงความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการติดตั้งข้องอเพื่อเบี่ยงทิศทางการไหลของแก๊สที่พุ่งออกมาถ้าหากวาล์วระบายความดันเปิดออก และได้นำภาพตัวอย่างสิ่งที่ได้ไปพบเห็นจากการไปเดินเล่นที่โรงงานแห่งหนึ่งที่อยู่ระหว่างการเริ่มทดสอบอุปกรณ์ (ควบคุมการก่อสร้างโดยวิศวกรจากเกาหลีใต้) ส่วนรูปที่ ๕ นำมาจากหนังสือ "What Went Wrong? Case Histories of Process Plant Disasters" ฉบับพิมพ์ครั้งที่ ๒ บทที่ ๑๐ หน้า ๑๔๓ ที่เขียนโดย Prof. Trevor A. Kletz เป็นภาพความเสียหายจากโมเมนต์ดัดของท่อระบาย (tail pipe) ของวาล์วระบายความดันเมื่อวาล์วระบายความดันเปิด

รูปที่ ๔ ปลายด้านขาออกของวาล์วระบายความดัน เมื่อไม่มีการติดตั้งข้องอ (ซ้าย) และมีการติดตั้งข้องอ (ขวา) จะมีโมเมนต์ดัดกระทำต่อท่อด้วยขนาดที่แตกต่างกัน ต้องคำนึงถึงความสามารถของท่อในการรับโมเมนต์ดัดดังกล่าวด้วย

รูปที่ ๖ เห็นเหตุการณ์อุบัติเหตุในปีค.ศ. ๑๙๔๘ (พ.ศ. ๒๔๙๑ หรือเมื่อ ๗๐ ปีที่แล้ว) ที่มีผู้เสียชีวิตที่ Prof. Trevor A. Kletz เล่าไว้ในบทที่ ๒ ของหนังสือเรื่อง "Lessons from disaster : How organisations have no memory and accidents recur"
 
พันธะคู่ C=C ในน้ำมันพืชที่ได้จากธรรมชาติเป็นโครงสร้างแบบ cis เสมอ ความไม่อิ่มตัวของน้ำมันพืชแม้ว่าจะมีข้อดีในแง่ของสุขภาพแต่ก็มีข้อเสียคือทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศได้ง่ายเมื่อร้อน เกิดเป็นสารมีกลิ่นหรือเป็นพิษได้เมื่อนำไปประกอบอาหารที่ใช้อุณหภูมิสูง (กล่าวคือไม่เหมาะกับการทอด แต่ใช้ผัดอาหารได้ ว่าแต่บอกได้หรือเปล่าครับว่าทอดกับผัดต่างกันอย่างไร) ในกรณีของน้ำมันพืชที่มีความไม่อิ่มตัวสูงนั้นเพื่อที่จะลดปัญหาดังกล่าวก็จะทำการเติมไฮโดรเจน (ปฏิกิริยานี้มีชื่อว่า hydrogenation) เข้าไปที่พันธะคู่ C=C เพื่อลดความไม่อิ่มตัว กล่าวคือเปลี่ยนพันธะ C=C เป็น C-C แต่ก็อาจมีบางส่วนเปลี่ยนจากโครงสร้างแบบ cis ไปเป็นโครงสร้างแบบ trans ได้ (ที่เรียกว่าไขมันทรานส์หรือ trans fat ที่ว่ากันว่ามีอันตรายต่อสุขภาพมากกว่าไขมันอิ่มตัวอีก)
 
โครงสร้างแบบ cis นี้ทำให้โมเลกุลมีรูปร่างที่หักงอ การสัมผัสระหว่างโมเลกุลเกิดได้ไม่ดี แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจึงต่ำ ทำให้น้ำมันพืชพวกนี้มีจุดหลอมเหลวต่ำ ยิ่งน้ำมันพืชมีความไม่อิ่มตัวสูงมากขึ้น จุดหลอมเหลวก็ยิ่งลดต่ำลง แต่พอเปลี่ยนเป็นพันธะอิ่มตัว C-C โครงสร้างโมเลกุลจะตรงขึ้น การสัมผัสระหว่างโมเลกุลจะมากขึ้น ทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น จุดหลอมเหลวของน้ำมันพืชจะสูงขึ้น (เช่นอาจเปลี่ยนจากของเหลวที่อุณหภูมิห้องมาเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้องได้) ปฏิกิริยานี้จึงมีการนำมาใช้ในการสังเคราะห์เนยเทียม (มาการีน Margarine) จากน้ำมันพืชที่มีความไม่อิ่มตัวสูง (ราคาถูกกว่าเนยที่ได้จากผลิตภัณฑ์นม) ด้วยการเติมไฮโดรเจนเข้าไป จากนั้นจึงทำการแต่งสีและกลิ่น แต่ถ้าใช้น้ำมันพืชที่มีความอิ่มตัวสูง ก็ไม่ต้องใช้ปฏิกิริยานี้ช่วย

รูปที่ ๕ ท่อระบายแก๊ส (tail pipe) ของวาล์ระบายความดันที่พับงอเมื่อวาล์วระบายความดันเปิดออก

รูปที่ ๖ คนงานเสียชีวิตจากการถูกท่อที่พลิกมาฟาดที่ศีรษะ ที่เกิดจากการที่ฉีดพุ่งอย่างรวดเร็วของแก๊สที่ระบายออกทางท่อระบาย
 
โรงงานดังกล่าวทำการเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) ให้กับน้ำมันพืช โดยปฏิกิริยาเกิดที่อุณหภูมิ 270ºC ความดัน 270 bar เพื่อความปลอดภัยในการเก็บตัวอย่างจะไม่ทำการเก็บตัวอย่างจากถังปฏิกรณ์โดยตรง แต่จะเปิดให้ของเหลวในถังปฺฏิกรณ์ส่วนหนึ่งไหลผ่านท่อขนาดเล็ก (ท่อ 3/16 นิ้วในรูป) เข้าถูกถังเก็บตัวอย่างใบเล็กที่ติดตั้งอยู่เคียงข้าง (sample pot) 
  
ท่อที่ต่อเข้าถังเก็บตัวอย่างนี้จะมีวาล์วป้องกันอยู่สองตัว ตัวแรก (นับจากถังปฏิกรณ์) จะเป็นวาล์วปิด-เปิด (isolation valve) ที่สามารถปิดเปิดได้รวดเร็ว) ส่วนวาล์วตัวที่สองจะเป็นวาล์วที่ค่อย ๆ เปิด (fine adjustment valve) ในการเก็บตัวอย่างนั้นจะเปิด isolation valve ก่อน จากนั้นจึงค่อยเปิด fine adjustment valve เพื่อให้ของเหลวไหลเข้าสู่ sample pot อย่างช้า ๆ เมื่อของเหลวไหลเข้าถังเก็บแล้วก็จะปิดท่อที่มาจากเครื่องปฏิกรณ์และเก็บตัวอย่างทางท่อ drain ที่อยู่ทางด้านล่างของถังเก็บตัวอย่าง ส่วนท่อ vent นั้นมีไว้เพื่อให้แก๊สที่ละลายปนอยู่ในน้ำมันพืชนั้นระเหยออกไป ทั้งถังเก็บตัวอย่างและท่อ vent ไม่มีการยึดตรึงเอาไว้ ตัวถังเก็บตัวอย่างนั้นต่อเข้ากับท่อไหลเข้าด้วยหน้าแปลนชนิด "เกลียว"
 
สองสัปดาห์หลังติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าว พนักงานที่มาเก็บตัวอย่างพบว่าไม่สามารถเก็บตัวอย่างได้ จึงสงสัยว่าท่อคงจะเกิดการอุดตัน (จุดหลอมเหลวของผลิตภัณฑ์อยู่ที่ 20ºC) จึงตัดสินใจที่จะใช้ความดันจากถังปฏิกรณ์ดันให้ของแข็งที่อุดตันท่อนั้นหลุดออก วิธีการก็คือเปิด isolation valve แล้วค่อย ๆ เปิด fine adjustment valve แต่ในขณะที่กำลังปฏิบัติงานอยู่นั้น ท่อ vent มีการพลิกตัวฟาดลงบนศีรษะของพนักงานที่กำลังเปิดวาล์อยู่ (ผลจากการมีแก๊สฉีดพุ่งออกไปอย่างรวดเร็ว เกิดแรงในทิศทางที่ทำให้ตัวถังเก็บตัวอย่างนั้นหมุน "คลายตัว" จากตัวหน้าแปลนท่อทางเข้าได้ งานมีแม้ว่าในการออกแบบนั้นจะมีการออกแบบให้มีการยึดตรึงทั้งท่อ vent และตัวถังเก็บตัวอย่างแต่ในการติดตั้งสุดท้ายกลับถูกมองข้ามไป และท่อ vent นั้นไม่มีการให้ความร้อน ทำให้เกิดการอุดตันจากไอน้ำมันร้อนที่ระเหยและไปควบแน่นยังท่อดังกล่าวได้
 
วิชา Statics สอนให้เรารู้ว่าจะมีแรงกระทำขนาดเท่าใดที่ชิ้นส่วนแต่ละชิ้น
วิชา Mechanics of Materials สอนให้เรารู้ว่าด้วยแรงกระทำขนาดดังกล่าว ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นนั้นสามารถรองรับแรงนั้นได้โดยไม่เกิดความเสียหายหรือไม่
และท้ายสุดวิชา Dynamics สอนให้เรารู้ว่าเมื่อชิ้นส่วนมันรับแรงไม่ได้ มันจะเกิดอะไรขึ้นตามมาได้

. ผู้แข็งแกร่งกว่าคือผู้ชนะ

การติดตั้งนั้นต้องคำนึงถึงการเข้าถึงเพื่อการใช้งานหรือซ่อมบำรุงด้วย ในกรณีของท่อที่เดินบน pipe rack นั้น ถ้าจำเป็นต้องมีการติดตั้งวาล์วที่มีการใช้งานเป็นประจำ ก็จะทำการลดระดับท่อมายังระดับพื้นเพื่อติดตั้งวาล์วเพื่อให้สะดวกในการทำงาน ก่อนที่จะยกระดับท่อกลับขึ้นไปบน pipe rack ใหม่ เช่นตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ ๗ ข้างล่าง


รูปที่ ๗ การติดตั้งวาล์วควบคุมที่มีการยึดตรึง pipe support ไว้กับพื้นที่ปลายทั้งสองข้าง
 
รูปที่ ๗ และ ๘ นำมาจากหนังสือเรื่อง "Learning from accidents in industry" เขียนโดย Prof. Trevor A. Kletz ในบทที่ ๑๖ เรื่อง "Some pipe failures" ตัวอย่างในรูปที่ ๗ นั้นเป็นกรณีการติดตั้ง control valve ที่ต้องมี block valve ทางด้านหน้าและด้านหลัง control valve และมี valve สำหรับ bypass การไหล ซึ่งเรียกได้ว่าน้ำหนักวาล์วจำนวน 4 ตัวก็ไม่ใช่เล่นเหมือนกัน ดังนั้นต้องมี pipe support ช่วยในการรับน้ำหนัก แทนที่จะให้ท่อเป็นตัวรับน้ำหนักทั้งหมด
 
ในการติดตั้งนั้นตัว pipe support ถูกเชื่อมติดกับตัวท่อ และขาด้านล่างถูกยึดตรึงกับพื้นเอาไว้ทั้งสองขา ทีนี้ขอให้ลองนึกภาพเมื่อท่อร้อนขึ้นและเกิดการขยายตัวว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับ ตัวท่อ รอยเชื่อมระหว่างท่อกับ pipe support หรือขาของ pipe support ที่ถูกยึดตรึงเอาไว้กับพื้น ถ้าชิ้นส่วนทุกชิ้นสามารถรับแรงที่เกิดจากการขยายตัวดังกล่าวได้ก็คงไม่มีอะไรเกิดขึ้น แต่ถ้าหากแรงจากการขยายตัวดังกล่าวมีค่ามาก จุดที่แข็งแรงน้อยที่สุดก็จะเกิดความเสียหายก่อน
 
ปัญหานี้ป้องกันได้ด้วยการยึดตรึง pipe support ไว้กับพื้นเพียงข้างเดียว (หรือไม่ก็ไม่ยึดตรึงทั้งสองข้าง) ส่วนอีกข้างหนึ่งแค่วางแตะพื้นไว้เฉย ๆ เพื่อที่มันจะเคลื่อนตัวไปทางด้านข้างได้เมื่อท่อเกิดการขยายตัว
 
รูปที่ ๘ ข้างล่างเป็นตัวอย่างกรณีของท่อที่ว่างอยู่บน pipe rack และมีท่อแยกลงมาทางด้านล่าง โดยตำแหน่งท่อที่แยกนั้นอยู่ใกล้กับตำแหน่งของคาน คำถามก็คือเมื่อท่อร้อนและเกิดการขยายตัว ท่อแยกนั้นจะเคลื่อนไปทางซ้ายหรือทางขวา ถ้าเคลื่อนตัวไปทางซ้ายก็คงไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าเคลื่อนตัวมาทางขวาและชนเข้ากับคาน ที่น่าคิดก็คือจะเกิดอะไรขึ้น

รูปที่ ๘ เมื่อท่อร้อนและเกิดการขยายตัว ท่อจะเคลื่อนตัวไปทางซ้ายหรือทางขวา

ว่าแต่ว่าเราจะรู้ได้อย่างไรว่าท่อจะเคลื่อนตัวไปทางด้านไหน ผมว่าเรามาลองพิจารณากรณีสมมุติเล่น ๆ กันหน่อยดีกว่า ในรูปที่ ๙ ข้างล่างนั้นสมมุติว่าท่อสีแดงถูกตรึงไว้ที่ตำแหน่ง A และ B เมื่อท่อสีแดงร้อนและเกิดการขยายตัว ท่อสีเขียวที่แยกลงมาทางด้านจะเคลื่อนตัวไปทางซ้ายหรือทางขวา ลองพิจารณาดูนะครับว่าส่วนของท่อด้านไหนมีความยืดหยุ่นมากกว่ากัน ด้านไหนที่ยืดหยุ่นมากกว่ามันก็เคลื่อนที่ไปทางด้านนั้น

รูปที่ ๙ สมมุติว่าท่อถูกตรึงไว้ที่ตำแหน่ง A และ B เมื่อท่อร้อนและเกิดการขยายตัว ท่อสีเขียวที่แยกลงมาทางด้านล่างจะเคลื่อนตัวไปทางซ้ายหรือทางขวา
 
. ร้อนปะทะเย็น

ในสภาพที่เย็นจัดนั้น โลหะที่ใช้งานได้ดีในช่วงอุณหภูมิสูงอาจเปลี่ยนสภาพจากเดิมที่มีความเหนียว (คือรับแรงดึงได้ดี โดนแรงกระแทกก็ไม่มีปัญหาอะไร) มาเป็นแข็งและเปราะเหมือนแก้วได้ (คือถ้าโดนแรงกระแทกหรือมีความเค้นไม่ว่าจะเป็นการดึงหรือการกดมากระทำ ก็จะเกิดการแตกหักเหมือนแก้วได้) ดังนั้นการออกแบบอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่มีการเชื่อมต่อระหว่างด้านอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำของกระบวนการ จึงต้องหาทางป้องกันไม่ให้ process fluid ที่เย็นจัดนั้นไหลมายังด้านฝั่งอุณหภูมิสูงที่ใช้วัสดุที่ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่เย็นจัดนั้นได้
 
ในช่วงหลังเที่ยงเล็กน้อยของวันศุกร์ที่ ๒๕ กันยายน พ.ศ. ๒๕๔๑ เกิดการรั่วไหลของแก๊สไฮโดรคาร์บอนที่โรงแยกแก๊สของบริษัท Esso ที่เมือง Longford ในออสเตรเลีย ตามด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต ๒ รายและบาดเจ็บอีกเป็นจำนวนมาก รายละเอียดการสอบสวนเหตุการณ์ดังกล่าวอยู่ในรายงานเรื่อง "The Esso Longford Gas Plant Accident" ที่พอจะหาไฟล์ pdf ได้ทางอินเทอร์เน็ต (เนื้อหาในที่นี้ผมก็เอามาจากรายงานนี้) ต้นตอของการรั่วไหลพบว่าเกิดจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) ชนิด shell and tube เครื่องหนึ่งที่รูปแบบการไหลเป็นแบบ one pass ทั้งด้าน tube และด้าน shell ที่เชื่อมส่วน end cover ด้าน front end และ rear end เข้ากับตัว shell โดยตรง (รูปที่ ๑๐ และ ๑๑) โดยพบว่า end cover ด้านหนึ่งมีการแตกหลุดออกมาเป็นชิ้น (ไม่ได้ฉีกขาดเหมือนดังเช่นกรณีของโลหะที่มีความเหนียว) เหมือนกับความเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุที่เปราะเช่นแก้ว
 
ตรงนี้ถ้าใครยังไม่รู้จักว่า shell and tube heat exchanger คืออะไร สามารถอ่านได้ใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๑๕ วันพุธที่ ๑๕ กรกฎาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "ทำความรู้จัก Shell and Tube Heat Exchanger
  
จากการสอบสวนพบว่าช่วงเช้าของวันดังกล่าว โรงงานเกิดปัญหาในการเดินเครื่อง ทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ปรกติทำงานในช่วงอุณหภูมิ 60 - 230ºC นั้นมีอุณหภูมิลงต่ำลงเหลือ -48ºC ตั้งแต่ช่วงเช้า ทำให้เนื้อโลหะเปลี่ยนสภาพจากมีความเหนียวเป็นแข็งและเปราะ แต่จากการสอบสวนพบว่าแม้ว่าเนื้อโลหะจะมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ แต่ก็ยังสามารถรับแรงอยู่ได้เนื่องจากในช่วงเวลาดังกล่าวไปจนถึงช่วงเกิดการรั่วไหลนั้นไม่ได้มีแรงกระทำใด ๆ ที่จะทำให้โครงสร้างไม่ว่าจะเป็นส่วน end cover หรือตัว shell นั้นแตกหัก คำถามที่เกิดขึ้นก็คือ แรงกระทำให้เกิดการแตกหักมาจากไหน


รูปที่ ๑๐ โครงสร้างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นต้นตอของอุบัติเหตุ

รูปที่ ๑๑ โลหะตรงรอยเชื่อมที่เย็นจัดจะเปราะและแตกง่าย พอมีความเค้นที่เกิดจากการขยายตัวของส่วน shell ที่ร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว เลยทำให้โลหะตรงรอยเชื่อม (ที่ปรกติก็เป็นจุดอ่อนอยู่แล้ว และยังเป็นจุดสัมผัสด้วย) นั้นแตกร้าวและลามต่อไปยังตัว head ส่งผลให้ตัว end cover นั้นแตกออกเป็นชิ้น ๆ ทำให้มีแก๊สรั่วไหลออกมา

ผลการสอบสวนพบว่าในระหว่างการแก้ปัญหาการเดินเครื่องนั้น เกิดความผิดพลาดที่ทำให้มีของเหลวร้อนไหลเข้าส่วน shell โดยเร็ว ทำให้เนื้อโลหะส่วน shell ร้อนและขยายตัวอย่างรวดเร็วในขณะที่ส่วน end cover นั้น (โดยเฉพาะตรงรอยเชื่อม) ยังคงเย็นจัดอยู่ จากการคำนวณด้วยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์พบว่า ความเค้นที่เกิดขึ้นนั้นสูงเพียงพอที่จะทำให้เนื้อโลหะตรงบริเวณรอยเชื่อมและส่วน end cover ที่ยังคงเย็นจัดอยู่นั้นแตกหัก ตรงนี้ถ้านึกภาพไม่ออก ลองนึกภาพแก้วเย็น ๆ แล้วเติมน้ำเดือดลงไปโดยเร็ว บางทีเราจะเห็นแก้วนั้นแตกร้าว แต่ในกรณีของอุบัติเหตุนี้เนื่องจากในระบบมีความดันอยู่ด้วย เมื่อเกิดการแตกร้าว ชิ้นส่วนที่แตกหักนั้นก็เลยปลิวหลุดออกมา


รูปที่ ๑๒ รูปบนคือหน้าตาของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลังจากที่เพลิงสงบ เป็นภาพที่มองจากมุมด้านทิศตะวันออกเฉียงเหนือเข้ามา ส่วนรูปล่างคือแนวรอยแตกที่เกิดขึ้นกับส่วน end cover ทางด้าน east end ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ดูรูปที่ ๑๐) เมื่อมองจากด้านข้างทางด้านทิศเหนือและทิศใต้
 
ในขณะที่ระบบการศึกษานั้นมีการกล่าวถึงการพัฒนาไปทางด้านการเรียนรู้ข้ามศาสตร์ต่าง ๆ กันมากขึ้นเพื่อให้สอดคล้องกับสภาพการทำงานจริง แต่ในหลายกรณีกลับพบว่าทั้งผู้เรียนและผู้สอนมีความพยายามที่จะ (ตรงขอยืมคำพูดอาจารย์ท่านหนึ่งที่ได้ยินมาจากการทำประชาพิจารณ์เมื่อวันพฤหัสบดีที่ผ่านมานะครับ) "ขีดเส้นแบ่งสีดำหนา ๆ" ขอบเขตการเรียนรู้หรือเปล่า
 
ผมเองก็ไม่รู้ว่าตัวอย่างที่ยกมาในที่นี้พอจะทำให้เห็นความสำคัญของวิชา Mechanics of Materials สำหรับอาจารย์ที่สอนในภาควิชาวิศวกรรมเคมีและนิสิตเรียนทางด้านวิศวกรรมเคมีได้หรือไม่ (โดยเฉพาะกับตัวอาจารย์เองที่เป็นคนกำหนดเนื้อหาหลักสูตรการเรียน) แต่ส่วนตัวผมเองนั้นยังเห็นว่าสำคัญอยู่ โดยเฉพาะผู้ที่ต้องไปทำงานด้านที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบตัวอุปกรณ์และระบบท่อโดยตรง ส่วนผู้ที่ทำงานด้านการเดินเครื่องนั้น แม้ว่าจะไม่ได้เกี่ยวข้องกับการคำนวณโดยตรง แต่จำเป็นต้องรู้ขีดจำกัดและข้อควรระวังของอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ใช้อยู่ (เพราะเวลาเกิดอุบัติเหตุ คนที่ตายคือคนเดินเครื่อง ไม่ใช่คนออกแบบ)

ไม่มีความคิดเห็น: