วันพุธที่ 30 ตุลาคม พ.ศ. 2562

การเลือกวัสดุสำหรับ F2 และ HF MO Memoir : Wednesday 30 October 2562


วันที่ ๑ กรกฎาคม ๒๕๖๒ รัฐมนตรีกระทรวบเศรษฐกิจ การค้า และอุตสาหกรรม ของญี่ปุ่น ประกาศว่าทางญี่ปุ่นจะเข้มงวดการส่งออกสินค้าสำคัญ ๓ ตัวไปยังเกาหลีใต้คือ Fluorinated polyimide ที่ใช้ในการผลิตจอแสดงภาพโทรศัพท์มือถือและชิ้นส่วนต่าง ๆ, Photoresist (สารไวแสง) ที่ใช้ในการผลิตซับเทรตสารกึ่งตัวนำ และ Hydrogen fluoride (HF) ที่ใช้ในการล้างสารกึ่งตัวนำ ประกาศดังกล่าวส่งผลกระเทือนอย่างรุนแรงต่อทั้งรัฐบาลและภาคอุตสาหกรรมของเกาหลีใต้ เพราะสารสองตัวแรก (Fluorinated polyimide และ Photoresist) ญี่ปุ่นเป็นผู้ผลิตเกือบ 100% ของตลาดโลก ส่วน (HF) นั้นญี่ปุ่นก็มีส่วนแบ่งของผู้ผลิตในตลาดโลกถึง 70% (รูปที่ ๑)
  
ข่าวไม่มีการให้รายละเอียดว่า HF นั้นเป็นเกรดใด แต่ HF ที่ใช้ในการล้างสารกึ่งตัวนำน่าจะเป็นเกรดที่เรียกว่า 12N (อ่านว่า twelve nine) คือเกรดที่มีความบริสุทธิ์ 99.9999999999 (99 จุด 9 อีก 10 ตัว)

แม้ว่าแก๊ส Hydrogen fluoride (HF) หรือกรด Hydrofluoric ที่เป็นสารละลายในน้ำของ HF จะเป็นที่รู้จักกันมานาน แต่การศึกษาเพื่อหาประโยชน์ในการใช้งานก็ต้องล่าช้าเป็นเวลานาน นั่นก็เป็นเพราะฤทธิ์กัดกร่อนที่สูงของกรด HF ที่สามารถกัดได้แม้แต่แก้ว (ที่ถือว่าเป็นวัสดุที่มีความเฉื่อยสูงมากตัวหนึ่งในห้องปฏิบัติการเคมี) ด้วยเหตุนี้กว่าที่จะมีการผลิต HF และ F2 ได้ในปริมาณมากเพื่อที่จะนำมาใช้ในภาคอุตสาหกรรม ก็ต้องรอจนล่วงพ้นต้นศตวรรษที่ ๒๐ มาพักใหญ่จนกระทั่งมีการพัฒนาทางด้านวัสดุศาสตร์ที่สามารถหาวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อนของสารทั้งสองได้
  
เหตุการณ์สองเหตุการณ์สำคัญที่เกิดในเวลาไล่เลี่ยกันที่น่าจะเป็นตัวที่ทำให้มีการผลิต HF และ F2 เพื่อการใช้งานในระดับอุตสาหกรรมในปริมาณมากเห็นจะได้แก่ การค้นพบพอลิเมอร์ตระกูล fluorocarbon โดยเฉพาะตัว Polytetra-fluoroethylene (PTFE) ที่มีชื่อทางการค้าว่า TEFLON ในปีค.ศ. ๑๙๓๘ (พ.ศ. ๒๔๘๑) และการเกิดสงครามโลกครั้งที่ ๒ ที่นำไปสู่ Manhattan Project ที่เป็นโครงการผลิตระเบิดนิวเคลียร์ลูกแรกของโลก การค้นพบพอลิเมอร์ตระกูลฟลูออโรคาร์บอนทำให้มีวัสดุสำหรับเคลือบผิวอุปกรณ์ต่าง ๆ ให้ทนต่อการกัดก่อนของ HF และ F2 ที่จำเป็นสำหรับสังเคราะห์สารประกอบ UF6 ที่ต้องใช้ในการแยกไอโซโทป U-235 ออกจาก U-238
  
ข้อมูลจาก Wikipedia บอกว่า Uranium tetrafluoride (UF4) หลอมเหลวที่ 1036ºC และเดือดที่ 1417ºC แต่พอเป็น Uranium hexafluoride (UF4) อุณหภูมิจุดหลอมเหลวกลับลดลงเหลือ 64.05ºC และเดือดที่ 56.5ºC ซึ่งจะว่าไปแล้ว UF6 มันสามารถระเหยกลายเป็นไอได้ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้องไม่มากด้วยซ้ำ
  
ด้วยการที่ UF6 กลายเป็นไอได้ที่อุณหภูมิไม่สูง การแยกเอาไอโซโทป U-235 ออกจาก U-238 จึงอาศัยการเปลี่ยนสารประกอบยูเรเนียมให้กลายเป็น UF6 ก่อน โดยกระบวนการเริ่มจากการนำเอา UO2 (Uranium dioxide) มาทำปฏิกิริยากับ Anhydrous HF ก็จะได้ UF4 ที่เป็นของแข็งและไอน้ำเป็นผลพลอยได้ จากนั้นจึงค่อยนำเอา UF4 มาทำปฏิกิริยาต่อกับแก๊สฟลูออรีนอีกที ก็จะได้สารประกอบ UF6 รูปที่ ๒ เป็นแผงผังกระบวนการเปลี่ยน UO2 ให้กลายเป็น UF4 ที่เกิดขึ้นในฟลูอิไดซ์เบด
  
เอกสาร "Nickel-containing alloys in hydrofluoric acids, hydrogen fluoride, and fluorine" (รูปที่ ๓) กล่าวว่าปฏิกิริยาของ UO2 กับ HF เพื่อเปลี่ยนเป็น UF4 นั้นกระทำในถังปฏิกรณ์ที่ทำจาก Alloy 600 (N06600) ที่อุณหภูมิ 600ºC (มีน้ำเกิดขึ้นด้วย) ส่วนการเปลี่ยน UF4 เป็น UF6 นั้นอาศัยการทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 500ºC ในถังปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์ที่ทำจาก Alloy 400 กรด HF ที่เหลือจากการทำปฏิกิริยาจะถูกควบแน่นในเครื่องควบแน่นที่ทำจาก Alloy 400
     
รูปที่ ๑ ข่าวจาก The Yomiuri Shimbun กล่าวถึงการควบคุมการส่งออกวัสดุสำคัญ ๓ ตัวไปยังเกาหลีใต้ของประเทศญี่ปุ่น

แม้ว่าในอุตสาหกรรมกลั่นน้ำมันเองก็มีการใช้กรด HF ในปฏิกิริยา alkylation ที่เป็นการนำเอาโมเลกุลขนาดเล็กสองโมเลกุลมาต่อเข้าด้วยกันกลายเป็นโมเลกุลกิ่งก้านที่มีขนาดใหญ่ขึ้น เพื่อให้ใช้การเพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันเบนซิน แต่ด้วยการที่ทั้ง HF (ในรูป anhydrous หรือปราศจากน้ำที่ย่อว่า AHF) และแก๊ส F2 นอกจากจะมีฤทธิ์กัดกร่อนที่รุนแล้วแล้วก็มีความสัมพันธ์ที่แนบแน่นกับการเพิ่มความเข้มข้น U-235 เพื่อนำไปผลิตเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หรือระเบิดนิวเคลียร์ จึงอาจเป็นด้วยสาเหตุที่ทำให้ความรู้เกี่ยวกับการผลิต การใช้งาน และการทำงานกับ HF และ F2 (โดยเฉพาะพวกที่มีความเข้มข้นสูง) นั้นไม่ค่อยมีการเปิดเผยกันอย่างแพร่หลาย ตัวอุปกรณ์กระบวนการผลิตต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง (ไม่ว่าจะเป็นการผลิต HF และ F2 หรือการนำเอาสารทั้งสองไปใช้งาน) จึงได้รับการควบคุมที่เข้มงวดมากด้วยเมื่อเทียบกับกรณีของคลอรีน
  
รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการผลิต Uranium tetrafluoride (UF4) จากบทความเรื่อง "The Design of Plants for Handling Hydrofluoric Acid" โดย K.M. Hill, Symposium on Process Hazards (1960: Instn Chem. Engrs)

เนื้อหาการเลือกวัสดุสำหรับฟลูออรีน ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ และกรดไฮโดรฟลูออริก ที่นำมาเขียนบทความนี้นำมาจากเอกสารคู่มือการเลือกใช้โลหะผสมที่จัดทำโดย Nickel Development Institute ที่แสดงในรูปที่ ๓ ซึ่งจะเรียกว่าเป็นตอนต่อจากฉบับที่แล้วที่เป็นเรื่องของ คลอรีน ไฮโดรเจนคลอไรด์ และกรดไฮโดรคลอรีน ก็ได้
    
รูปที่ ๓ เอกสาร Nickel-containing alloys in hydrofluoric acids, hydrogen fluoride, and fluorine ดาวน์โหลดได้ที่ https://www.nickelinstitute.org/media/1828/thecorrosionresistanceofnickel_containingalloysinhydrofluoricacid_hydrogenfluoride_andfluorine_10074_.pdf ที่ใช้เป็นต้นเรื่องในการเขียนบทความนี้
   
รูปที่ ๔ ตารางชื่อโลหะผสม (อิงตาม Unified Numbering System - UNS ซึ่งจะแตกต่างไปจากชื่อการค้าที่เรียกกันในท้องตลาดอยู่) และอัตราส่วนผสม รูปที่ ๓ - ๘ ต่างก็นำมาจากเอกสารฉบับนี้

ความแตกต่างอย่างหนึ่งของการได้มาซึ่งแก๊สฟลูออรีนที่แตกต่างไปจากคลอรีนคือ ในขณะที่เราสามารถผลิตแก๊สคลอรีนได้โดยตรงจากปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิส NaCl นั้น (แล้วจึงค่อยเอา Cl2 ที่ได้ไปผลิตเป็น HCl หรือจะไม่ผลิตก็ได้) ฟลูออรีนกลับได้มาจากปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิแอนไฮดรัสไฮโดรเจนฟลูออไรด์ในสารละลายเกลือหลอมเหลว KF.HF (โพแตสเซียมฟลูออไรด์กับไฮโดรเจนฟลูออไรด์) กล่าวคือต้องผลิตกรด HF ก่อนแล้วจึงค่อยได้ F2 ดังนั้นโรงงานผลิต F2 จึงต้องใช้วัสดุที่ต้องทนได้ตั้งแต่กรด HF เจือจางไปจนถึงแก๊ส F2 บริสุทธิ์
   
ในเอกสารที่นำมาเป็นต้นเรื่องนั้นยังกล่าวไว้ด้วยว่ารายละเอียดของกระบวนการผลิตไฮโดรเจนฟลูออไรด์นั้นถูกปกปิดเอาไว้มาก ที่เปิดเผยออกสู่สาธารณะนั้นมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น รูปที่ ๕ เป็นแผนผังอย่างง่ายกระบวนการผลิต โดยเริ่มจากการนำเอาสินแร่ Fluorospar (calcium fluoride CaF2) มาทำปฏิกิริยากับกรดกำมะถันเข้มข้น (Oleum - H2SO4.SO3) ใน Kiln reactor (6) ที่อุณหภูมิ 150ºC ปฏิกิริยาระหว่างกรดกำมะถันและ Fluorospar จะเปลี่ยน CaF2 เป็น CaSO4 พร้อมกับเกิดแก๊ส HF แก๊ส HF ที่เกิดขึ้นจะเข้าสู่หอชะ (2) ที่จะผ่านการชะด้วยกรดกำมะถันอีกครั้งก่อนจะถูกนำไปเก็บเป็น crude HF ที่ความเข้มข้นประมาณ 80% ก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการกลั่นเพื่อให้ได้ HF บริสุทธิ์ 99.9%
   
พึงสังเกตว่าส่วนที่เกี่ยวข้องกับกรดที่ไม่มีความชื้นนั้น (เช่น (1), (2) และ (10)) สามารถใช้ carbon steel มาขึ้นรูปอุปกรณ์ได้ (รวมทั้งระบบท่อด้วย)
   
รูปที่ ๕ แผนผังกระบวนการผลิตไฮโดรเจนฟลูออไรด์โดยเริ่มจากสินแร่ Fluorospar และชนิดโลหะที่ใช้ในการขึ้นรูปอุปกรณ์ต่าง ๆ คำว่า "line" คือการบุผนังด้านในที่สัมผัสกับสาร ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุที่ทนการกัดกร่อนขึ้นรูปอุปกรณ์ทั้งชิ้น สามารถใช้วัสดุธรรมดาขึ้นรูปอุปกรณ์ได้ เพียงแต่เคลือบหรือบุผนังด้านที่สัมผัสกับสารด้วยวัสดุที่ทนการกัดกร่อน

รูปที่ ๖ และ ๗ ให้รายละเอียดชนิดโลหะที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานกับสารละลายกรด HF ที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิต่างๆ เอกสารที่นำมาเป็นต้นเรื่องนั้นยังกล่าวไว้ด้วยว่า Alloy 400 จัดว่าเป็นโลหะผสมที่เหมาะสมเพราะทนต่อกรดในช่วงอุณหภูมิและความเข้มข้นที่กว้าง (จะเป็นรองก็แค่ พลาทินัม ทองคำ และเงิน ซึ่งก็คงไม่มีใครเอามาทำเป็นอุปกรณ์การผลิต) แต่ทั้งนี้อาจเกิด stress-corrosion cracking (SCC) ได้ในสภาวะที่มีความชื้นร่วมกับออกซิเจน (คือมีความชื้นอย่างเดียวไม่เป็นไร แต่ถ้ามี O2 ปนด้วยจะมีปัญหา) วัสดุพวกสแตนเลสสตีล (เช่น 304, 316) นั้นแม้ว่าจะทนต่อ Anhydrous HF (AHF) แต่ไม่สามารถนำมาใช้งานได้อย่างไว้วางใจได้กับกรดเจือจาง แม้ว่าจะมีบางกรณีที่สามารถนำมาใช้กับกรด HF เจือจางที่อุณหภูมิห้องได้ โลหะนิเกิลผสมสูง (เช่น Alloy 200) ทนต่อ HF ความเข้มข้นต่ำกว่า 20% และถูกนำมาใช้ทำ rupture disk สำหรับ AHF แต่ก็มีราคาสูง ในขณะที่ Alloy 600 นั้นจะใช้ในกระบวนการผลิตได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 600ºC หรือใช้แทน Alloy 400 ในวาล์ว เพราะ Alloy 400 มีความเสี่ยงที่จะเกิด stress-corrosion cracking ได้
    
รูปที่ ๖ การเลือกชนิดโลหะให้เหมาะสมกับช่วงการทำงาน (ดูรูปที่ ๗ ประกอบ)
   
Carbon steel นั้นเหมาะสำหรับใช้ทำภาชนะเก็บ HF ที่ความเข้มข้นสูงเกินกว่า 64% เพราะถ้าความเข้มข้นของกรดนั้นลดต่ำกว่า 60% ตัวโลหะจะถูกกัดกร่อนอย่างรวดเร็ว แต่ทั้งนี้อุณหภูมิไม่ควรจะสูงเกินกว่า 32ºC สำหรับสารละลายกรด HF และไม่ควรสูงเกินกว่า 65ºC สำหรับ AHF การที่ carbon steel ทนต่อ HF ได้นั้นเป็นเพราะเมื่อแรกเริ่มที่มันสัมผัสกับ HF เนื้อโลหะที่สัมผัสกับกรดจะกลายเป็นสารประกอบ FeF3 ปิดคลุมผิวเป็นชั้นฟิล์มป้องกันเอาไว้ ทำให้การทำปฏิกิริยายุติ ด้วยเหตุนี้ก่อนใช้งาน vessel จึงควรทำการ pre-passivated ด้วย AHF ประมาณ ๑ วันก่อนการใช้งาน และในระหว่างการใช้งานไม่ควรให้อัตราการไหลสูงเกินกว่า 0.5 m/s เพื่อไม่ให้ชั้นฟิล์มป้องกันถูกชะออกไป
   
รูปที่ ๗ รายละเอียดโลหะที่เหมาะสมสำหรับแต่ละโซนในรูปที่ ๖
    
รูปที่ ๘ ตารางแสดงอัตราการกัดกร่อนของ Alloy 400 ในกรด HF ที่อุณหภูมิและสภาพแวดล้อมต่าง ๆ
     
ความเร็วในการไหลนั้นขึ้นอยู่กับพื้นที่หน้าตัด และในระบบท่อนั้นพื้นที่หน้าตัดของตัวอุปกรณ์บางตัวที่อยู่ในระบบท่อ เช่น globe valve จะมีขนาดเล็กกว่าของท่อ หรือในกรณีของปั๊มหอยโข่งนั้นที่อาศัยการเหวี่ยงของเหลวให้มีความเร็วสูงขึ้นเพื่อเปลี่ยนพลังงานจลน์เป็นพลังงานศักย์ หรือในกรณีของใบพัดกวนที่ของเหลวบริเวณใบพัดจะมีความเร็วที่สูง หรือความเร็วของของเหลวที่ไหลผ่านท่อของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หรือความเร็วของแก๊สที่ไหลผ่าน bubble cap ของหอกลั่น ความเร็วของของเหลวที่สัมผัสกับตัวอุปกรณ์เหล่านี้มีโอกาสที่จะสูงเกินกว่า 0.5 m/s ได้ วัสดุที่อาศัยการเกิดชั้นฟิล์มป้องกันทำหน้าที่ป้องกันการกัดกร่อนจึงไม่เหมาะที่จะนำมาใช้ทำชิ้นส่วนอุปกรณ์เหล่านี้ก็เพราะความเร็วการไหลที่สูงจะคอยชะชั้นฟิล์มป้องกันออกไป
    
แก้วและวัสดุที่มีซิลิกาเป็นองค์ประกอบนั้น แม้ว่าจะทนกรดต่าง ๆ ได้ดี (ไม่ว่าจะเจือจางหรือเข้มข้น) แต่ไม่เหมาะสมกับ HF ที่ได้ชื่อว่าเป็น "กรดกัดแก้ว"
    
แก๊สฟลูออรีนมีคุณสมบัติคล้ายคลอรีนตรงที่ในสภาพที่แห้งนั้นไม่ค่อยมีฤทธิ์กัดกร่อนทั้งโลหะและโลหะผสม carbon steel และเหล็กกล้าไร้สนิม 18-8 สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 300ºC แต่ถ้าเมื่อใดที่มีความชื้น ฟลูออรีนจะมีฤทธิ์กัดกร่อนที่รุนแรง และควรใช้โลหะผสมในกลุ่ม Alloy 400 และนิเกิล 200 ที่สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 500ºC

ที่มาของบทความชุด "การเลือกวัสดุสำหรับ Cl2 และ HCl" (ฉบับที่แล้ว) และ "การเลือกวัสดุสำหรับ F2 และ HF" (ฉบับนี้) เกิดจากการที่ได้เข้ารับการอบรมเรื่องการประเมินผู้ใช้งานสินค้าที่ใช้ได้สองทางเมื่อช่วงกลางเดือนที่ผ่านมา โดยในการอบรมดังกล่าวมีแบบฝึกหัดหนึ่งที่หน่วยงานเทศบาลแห่งหนึ่งของซื้อวาล์วขนาด 1/2 นิ้วที่มีโลหะ Monel เป็นองค์ประกอบตรงส่วนที่เป็น bellow (ที่ป้องกันการรั่วไหลตรงบริเวณ stem ของวาล์ว โดย Monel นี้เป็นวัสดุควบคุม) โดยอ้างว่าเป็นวาล์วใช้สำหรับแก๊สคลอรีนที่ใช้เพื่อการบำบัดน้ำเสีย ว่าคำขอซื้อดังกล่าวสมเหตุสมผลหรือไม่
   
แต่ก่อนอื่นเราลองทำความรู้จัก bellow seal valve กันก่อนดีไหมครับ ขอให้ดูรูปที่ ๙ ในหน้าถัดไปประกอบ
   
เวลาที่เราหมุน hand wheel (ตัวสีน้ำเงินบนสุด) นั้น ตัว stem (สีฟ้า) จะเคลื่อนตัวขึ้นหรือลงขึ้นกับทิศทางการหมุน hand wheel ของเรา ซึ่งการเคลื่อนตัวขึ้น-ลงของตัว stem นี้จะไปทำให้ตัว plug (สีเขียว) ที่ใช้อุดรูการไหลนั้นยกตัวขึ้น-ลงตามไปด้วย เพื่อที่จะให้ตัว stem นั้นเคลื่อนที่ขึ้นลงได้สะดวกโดยมีความเสียดทานต่ำแต่ในขณะเดียวกันก็ต้องสามารถป้องกันการรั่วไหลของ process fluid ออกทางช่องทางการเคลื่อนที่ของตัว stem จึงจำเป็นต้องมี packing (ซึ่งก็คือปะเก็นที่เห็นเป็นสีน้ำเงินอยู่ตรงกลางรูป) อัดเอาไว้เพื่อป้องกันการรั่วไหล ซึ่งในความเป็นจริงนั้นก็อาจมีการรั่วไหลได้บ้างในปริมาณเล็กน้อยที่ยากจะสังเกตหรือรู้สึกได้ ซึ่งถ้าสารนั้นไม่ใช่สารที่เป็นพิษอะไร ก็อาจจะยอมปล่อยให้มันฟุ้งกระจายหายไป
   
แต่ในกรณีที่ process fluid นั้นเป็นสารที่มีความเป็นพิษสูง การรั่วไหลตรงตำแหน่งนี้แม้ว่าจะมีปริมาณน้อยมากก็อาจทำอันตรายแก่ผู้ปฏิบัติงานได้ จึงจำเป็นต้องหาวิธีการปิดกั้นการรั่วไหลตรงบริเวณนี้ วิธีการหนึ่งที่ทำได้ก็คือการติดตั้ง bellow (ตัวสีชมพูที่มีลักษณะเป็นท่อที่ยืดหยุ่นได้) โดยปลายด้านหนึ่งของ bellow จะยึดตรึงเข้ากับส่วน bonnet วาล์ว (ลำตัวครึ่งบน) และปลายอีกด้านหนึ่งนั้นจะยึดตรึงอยู่กับส่วน plug
   
ด้วยการที่มันต้องยืดหยุ่นได้ ผนังของตัว bellow เองจึงไม่ได้หนาอะไร แต่ในขณะเดียวกันมันยังต้องทนต่อความดันและอุณหภูมิของ process fluidได้ด้วย วัสดุที่ใช้ทำ bellow จึงต้องมีความพิเศษหน่อย เรียกว่าอาจเป็นคนละชนิดกับที่ใช้ทำลำตัววาล์วและ plug เลยก็ได้
  
ในแบบฝึกหัดดังกล่าวมีหลายประเด็นที่ขอให้ทำการพิจารณาเช่น
  
- กระบวนการบำบัดน้ำเสียนั้นมีความจำเป็นต้องใช้คลอรีนเหลวหรือไม่
- ผู้ที่ขอซื้อวาล์วนั้นมีตัวตนจริงทำงานเกี่ยวข้องกับการบำบัดน้ำเสียหรือไม่
- จำนวนและขนาดของวาล์วนั้นสมเหตุสมผลกับงานดังกล่าวหรือไม่
- ราคาต่อหน่วยของวาล์วนั้นสมเหตุสมผลหรือไม่
   
รูปที่ ๙ ตัวอย่าง Bellow seal valve (รูปจาก http://bellowseal.com/products.html)

การพิจารณาตามประเด็นต่าง ๆ นั้นพบว่า การบำบัดน้ำเสียก็อาจมีการใช้คลอรีนช่วยฆ่าเชื้อโรคก่อนปล่อยออกสู่แหล่งธรรมชาติ หากน้ำเสียนั้นมีเชื้อโรคที่เป็นอันตรายปะปนอยู่ ผู้ที่ขอซื้อนั้นมีตัวตนจริงและมีการทำงานที่เกี่ยวข้องกับการบำบัดน้ำเสีย ขนาดและจำนวนของวาล์วที่ขอซื้อเพื่อนำไปเปลี่ยนทดแทนนั้นก็เหมาะสมกับขนาดกระบวนการ และราคาต่อหน่วยของวาล์วก็สมเหตุสมผล (คือถ้าพบว่าราคามันแพงเกินควรก็อาจสงสัยว่าเป็นการซื้อของคุณภาพสูงแต่อ้างเป็นของคุณสมบัติต่ำ จะได้ไม่โดนตรวจสอบ) ซึ่งก็ผ่านทุกประเด็น
  
แต่สิ่งหนึ่งที่ผมได้ตั้งประเด็นถามเอาไว้คือ ผมรู้สึกว่าวาล์วนั้นมันดีเกินไป จริงอยู่ที่ว่ามันใช้กับคลอรีนเหลวได้ แต่ในขณะเดียวกันมันก็ใช้กับฟลูออรีนได้ และอาจใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงด้วย (ที่ไม่ใช่อุณหภูมิการทำงานของระบบฆ่าเชื้อโรคในน้ำ) และเพื่อที่จะคลี่คลายข้อสงสัย ก็เลยต้องมีการส่งข้อความไปถามวิศวกรท่านหนึ่งที่ทำงานอยู่ในโรงงานที่มีการผลิตแก๊สคลอรีนเพื่อนำไปผลิตเป็นไวนิลคลอไรด์ คำถามที่ผมถามเขาไปก็คือ
  
๑. สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิห้อง (เช่นระบบน้ำประปา หรือฆ่าเชื้อโรคในน้ำทิ้ง) สามารถใช้ diaphragm valve ได้หรือไม่ครับ
๒. ในกรณีของวาล์วโลหะ จำเป็นไหมครับที่ต้องใช้โลหะพวก Monel (หรือ Alloy 400)
  
ส่วนคำตอบที่ได้รับกลับมาก็คือ
  
ข้อ ๑ สำหรับที่โรงงานมีใช้เป็น ball valve กับ globe valve สำหรับ line liquid ครับ ถ้า diaphragm จะใช้กับ gas phase
ข้อ ๒ โลหะที่โรงงานส่วนใหญ่เป็น carbon steel ธรรมดาเลยครับ
ถ้าพวก special model จะเป็นพวก line ที่มีความเสี่ยง กับความชื้น

 ........ จบ

วันอาทิตย์ที่ 27 ตุลาคม พ.ศ. 2562

การเลือกวัสดุสำหรับ Cl2 และ HCl MO Memoir : Sunday 27 October 2562

ช่วงกลางเดือนตุลาคมที่ผ่านมา มีโอกาสได้เข้ารับการอบรมที่ทางสถานฑูตสหรัฐอเมริกาประจำประเทศไทยจัดให้กับเจ้าหน้าที่ของกรมการค้าต่างประเทศ กระทรวงพาณิชย์ และบุคคลากรจากทางมหาวิทยาลัย เกี่ยวกับการพิจารณาสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-used item หรือ DUI) โดยการอบรมครั้งนี้จะเน้นไปที่การพิจารณาตัวผู้รับสินค้าเป็นหลักเสียเป็นส่วนใหญ่ โดยมีเรื่องเกี่ยวกับความสมเหตุสมผลของสินค้า (เช่นราคาต่อหน่วย คุณภาพสินค้ากับงานที่จะนำไปใช้) รวมอยู่บ้าง
    
ในการอบรมดังกล่าวมีสินค้าตัวอย่างชิ้นหนึ่งซึ่งก็คือ "วาล์ว" ที่ถูกยกขึ้นมาเป็นโจทย์ประกอบการพิจารณาว่าเหตุผลที่ทางผู้ซื้อของซื้อนั้นดูสมเหตุสมผลหรือไม่ โดยผู้ซื้ออ้างว่าจะนำไปใช้กับระบบแก๊สคลอรีนที่ใช้ในการปรับปรุงคุณภาพน้ำเสีย 
    
ตัวคลอรีนเองนั้นไม่ได้ปรากฏในรายชื่อสินค้าที่ใช้ได้สองทางที่กระทรวงพาณิชย์เป็นผู้รับผิดชอบ กฎหมายของบ้านเราเองนั้นมันไปปรากฏอยู่ในรายชื่อสารเคมีที่ใช้ในการสงครามเคมีที่กระทรวงกลาโหมเป็นผู้รับผิดชอบ ตามประกาศกระทรวงกลาโหม เรื่อง "กำหนดยุทธภัณฑ์ที่ต้องขออนุญาต ตามพระราชบัญญัติควบคุมยุทธภัณฑ์ พ.ศ. ๒๕๓๐" ลงวันที่ ๓๐ พฤศจิกายน ๒๕๕๐ (ไม่ทราบเหมือนกันว่าขณะนี้มันมีฉบับที่ใหม่กว่านี้หรือเปล่า) โดยที่ตัวแก๊สคลอรีนเองก็เป็นที่รู้กันทั่วไปว่ามันเป็นอาวุธเคมีตัวแรกที่ถูกนำมาใช้ โดยใช้ครั้งแรกในสงครามโลกครั้งที่ ๑
   
รูปที่ ๑ คู่มือการเลือกใช้โลหะผสมในงานที่เกี่ยวข้องกับ แก๊สคลอรีน (Chlorine - Cl2) แก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (Hydrogen chloride - HCl) และกรดไฮโดรคลอริก (Hydrochloric acid - HClaq) ที่จัดทำโดย Nickel institute เอกสารฉบับนี้ดาวน์โหลดได้ที่ https://www.nickelinstitute.org/media/3795/nickelpub10020_12pgdec03final.pdf
   
แม้ว่าคลอรีนจะเป็นแก๊สพิษตัวแรกที่ถูกนำมาใช้ แต่มันก็ถูกแทนที่อย่างรวดเร็วด้วยตัวอื่นที่มีพิษรุนแรงกว่า แต่ในตัวอย่างที่เขายกมานั้นคงต้องการสื่อถึงการนำเอาสิ่งของที่ใช้กับคลอรีนไปผลิตเป็นอาวุธทำลายล้างสูงตัวอื่น ดังนั้นก่อนที่จะเข้าใจว่าสิ่งของนั้นมันเกี่ยวข้องกับการนำไปผลิตเป็นอาวุธทำลายล้างสูง (ส่วนที่ไม่ใช่อาวุธเคมี) ได้อย่างไร ก็เลยต้องขอทบทวนความรู้ (ของตัวเอง) เกี่ยวกับการผลิตแก๊สคลอรีนและการนำไปใช้งานก่อนเสียหน่อย
    
รูปที่ ๒ ตารางส่วนผสมของโลหะผสมรหัสต่าง ๆ ที่นำมาจากเอกสารในรูปที่ ๑   
     
รูปที่ ๓ ตารางส่วนผสมของโลหะผสมรหัสต่าง ๆ (ต่อจากรูปที่ ๒)
     
คลอรีน (Chlorine - Cl2) เป็นแก๊สที่เป็นผลพลอยได้จากการผลิตโซดาไฟ (Caustic soda หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ Sodium hydroxide - NaOH) ในกระบวนการผลิตโซดาไฟจะนำเกลือแกง (โซเดียมคลอไรด์ Sodium chloride - NaCl) มาละลายน้ำ (เกลือสินเธาว์จะดีกว่าเกลือทะเลตรงที่เกลือสินเธาว์มีความบริสุทธิ์สูงกว่า) แล้วนำสารละลายที่ได้ไปแยกด้วยไฟฟ้ากระแสตรง จะเกิดแก๊สคลอรีนที่ขั้วบวกและแก๊สไฮโดรเจนที่ขั้วลบ แก๊สที่ออกมาจากขั้วไฟฟ้านี้จะเป็นแก๊สที่มีความชื้นปะปนอยู่อันเป็นผลจากการระเหยของน้ำและอุณหภูมิที่สูงขึ้นของสารละลาย
     
สารที่มีฤทธิ์เป็นกรดที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้โปรตอน H+ กลายเป็น H3O+ (Hydronium ion) นั้น ตัวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเหล็กก็คือ H3O+ ตัวนี้ ดังนั้นถ้าสารนั้นไม่มีน้ำที่เป็นของเหลวปนอยู่ (คือเป็นของเหลวที่ไม่มีน้ำปนอยู่เลยหรือแก๊สที่ไม่มีโอกาสที่ไอน้ำจะเกิดการควบแน่นเป็นของเหลวได้ในระบบ) มันก็จะไม่กัดกร่อนเหล็ก ตัวอย่างของสารเหล่านี้ได้แก่ กรดกำมะถันเข้มข้น (Sulphuric acid - H2SO4) แก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (Hydrogen chloride - HCl) เป็นต้น แต่ทั้งนี้ก็ต้องระวังเหมือนกันถ้าหากสารนั้นเกิดปฏิกิริยา Autoprotolysis ได้ ปฏิกิริยานี้คือปฏิกิริยาที่โมเลกุลหนึ่งแตกตัวให้ H+ ออกมาโดยมีอีกโมเลกุลหนึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับ H+ ตัวนั้น ตัวอย่างของสารนี้ได้แก่กรดอะซีติก (Acetic acid - CH3COOH หรือกรดน้ำส้มสายชู) เพราะกรดตัวนี้แม้ว่าจะเป็นกรดเข้มข้นที่ไม่มีน้ำปนก็ยังสามารถกัดกร่อน carbon steel ได้ง่าย
    
รูปที่ ๔ ขอบเขตอุณหภูมิการใช้งานสำหรับโลหะบางชนิดกับแก๊สคลอรีนที่แห้ง

คลอรีนและฟลูออรีน (Fluorine - F2) มีการทำปฏิกิริยากับโลหะที่แตกต่างไปจากรูป HX คือแก๊สเหล่านี้เมื่อละลายน้ำแล้วก็จะได้สารละลายกรดที่กัดกร่อนโลหะได้ แต่ในสภาพที่ไม่มีน้ำปนเลยนั้นนั้นก็ใช่ว่ามันจะไม่กัดกร่อน เพราะมันสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะบางชนิดกลายเป็นสารประกอบเฮไลด์ของโลหะตัวนั้นได้โดยตรง เช่นกรณีของโลหะไทเทเนียม (Titanium - Ti) ที่เกิดการลุกไหม้ได้เมื่อสัมผัสกับคลอรีนเหลวที่แห้งแม้ว่าจะเป็นที่อุณหภูมิต่ำถึง -18ºC แต่ถ้าเป็นคลอรีนที่มีความชื้นอยู่จะไม่เป็นอะไร เพราะจะเกิดปฏิกิริยาทำให้เกิดชั้นฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวโลหะที่หยุดยั้งการกัดกร่อนลึกลงไป ในขณะที่ carbon steel นั้นไม่มีปัญหากับคลอรีนที่แห้ง แต่ถูกกัดกร่อนรุนแรงเมื่อสัมผัสกับคลอรีนที่มีความชื้น
    
แก๊สคลอรีนที่เกิดที่ขั้วไฟฟ้าในระหว่างกระบวนการผลิตโซดาไฟนั้นเป็นแก๊สที่มีความชื้น ดังนั้นระบบท่อตรงนี้ต้องใช้วัสดุที่ทนต่อคลอรีนที่ชื้นได้ แต่เมื่อผ่านกระบวนการกำจัดความชื้นออกไปแล้วก็สามารถเปลี่ยนไปใช้วัสดุที่ไม่ถูกกัดกร่อนด้วยคลอรีนแห้ง ตัวที่มีปัญหาก็คือระบบกำจัดความชื้นออกจากคลอรีน เพราะต้องทนทั้งคลอรีนที่ชื้นและคลอรีนที่แห้ง
   
รูปที่ ๕ ขอบเขตอุณหภูมิการใช้งานสำหรับโลหะบางชนิดกับแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ที่แห้ง

แก๊สคลอรีนที่ได้จากกระบวนการผลิตอาจถูกนำไปใช้ต่อในรูปของคลอรีนเหลวบรรจุถัง (แบบถังแก๊สหุงต้ม) เพื่อไปใช้ในการฆ่าเชื้อโรคในกระบวนการผลิตน้ำประปาและการบำบัดน้ำเสีย (ฆ่าเชื้อโรคที่เป็นอันตรายก่อนปล่อยน้ำทิ้ง) หรือนำไปใช้ในการผลิตไวนิลคลอไรด์ (Vinyl chloride H2C=CHCl) ที่เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิไวนิลคลอไรด์ (Polyvinylchloride - PVC) หรือนำไปผลิตเป็นโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (Sodium hypochlorite - NaOCl) ที่ใช้เป็นผลิตภัณฑ์ฟอกขาว (Bleaching agent เช่นน้ำยาซักผ้าขาว) และฆ่าเชื้อโรค หรือนำไปทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดจากขั้วไฟฟ้าอีกขั้วหนึ่งเพื่อผลิตแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (Hydrogen chloride - HCl) ก่อนนำไปละลายน้ำให้กลายเป็นกรดเกลือหรือกรดไฮโดรคลอริก (Hydrochloric acid - HCl) อีกทีที่มีการนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์หลายอย่าง (เช่นน้ำยาล้างห้องน้ำ)
   
สำหรับคนที่มีความรู้เรื่องเคมีอยู่บ้างอาจรู้สึกเบื่อที่เห็นว่าทำไปต้องวงเล็บชื่อสารเคมีเอาไว้ทั้ง ๆ ที่มันก็เป็นที่รู้จักกันทั่วไป เหตุผลก็เพราะบทความนี้เขียนเผื่อคนที่ไม่ได้มีพื้นฐานเรื่องเคมีเข้ามาอ่านด้วย เพื่อที่พวกเขาจะได้ทำความเข้าใจได้บ้างว่ากำลังพูดถึงเรื่องอะไรอยู่
   
เนื้อหาการเลือกวัสดุสำหรับคลอรีน ไฮโดรเจนคลอไรด์ และกรดไฮโดรคลอริก ที่นำมาเขียนบทความนี้นำมาจากเอกสารคู่มือการเลือกใช้โลหะผสมที่จัดทำโดย Nickel Institute ที่แสดงในรูปที่ ๑ รูปที่ ๒ และ ๓ เป็นตารางชื่อโลหะผสม (อิงตาม Unified Numbering System - UNS ซึ่งจะแตกต่างไปจากชื่อการค้าที่เรียกกันในท้องตลาดอยู่) และอัตราส่วนผสม อัตราการกัดกร่อนของโลหะนั้นจะใช้หน่วยเป็น mm/yr (มิลลิเมตรต่อปี) หรือ in./yr (นิ้วต่อปี) หรือ mil/yr (หน่วย mil ในที่นี้คือ 1/1000 นิ้ว)
   
รูปที่ ๖ กราฟแนะนำการเลือกชนิดโลหะสำหรับใช้กับสารละลายกรดไฮโดรคลอริก

Carbon steel ทนต่อคลอรีนที่แห้งได้ดี (รูปที่ ๔) แต่ทั้งนี้ต้องอยู่ในรูปแบบที่เหมาะสมและอุณหภูมิจะต้องไม่สูงเกินไป ไม่เช่นนั้นจะเกิดการลุกไหม้ได้ (พวกที่เป็นฝอยจะลุกไหม้ได้ง่าย) ด้วยเหตุนี้คลอรีนเหลวที่แห้งจึงสามารถเก็บในถังเหล็กกล้าที่อุณหภูมิห้องได้
    
ความทนทานต่อการกัดกร่อนยังขึ้นอยู่กับความเค้นที่มีอยู่ในเนื้อโลหะด้วย โลหะบางตัวนั้นทนต่อการกัดกร่อนถ้าหากอยู่ในสภาพที่ไม่มีความเค้น (stress) เช่นในสภาพที่แช่อยู่ หรือไม่ได้มีความเค้นสูง ผลของความเค้นที่ทำให้โลหะถูกกัดกร่อนได้ง่ายขึ้นนั้นเรียกว่า stress corrossion cracking อุปกรณ์บางชนิดจะมีบางชิ้นส่วนที่มีความเค้นมากกว่าชิ้นส่วนอื่นในขณะใช้งาน จึงจำเป็นต้องใช้โลหะที่แตกต่างออกไป เช่นในกรณีของ globe valve ตัว disk ที่ใช้ในการปิดช่องทางการไหลด้วยการกดอัดปิดรูที่ตัว seat ตัว stem ที่ใช้ในการเคลื่อนตัว disk ขึ้นลงและทำหน้าที่กดอัดตัว disk ให้ปิดแน่น รวมทั้งตัวสลักเกลียวที่ใช้ยึดส่วน Bonnet และ Body ของวาล์วเข้าด้วยกัน (ซึ่งต้องมีการขันตึงในระดับหนึ่ง และอาจสัมผัสกับ fluid ภายในที่ซึมออกมา) จะมีความเค้นในตัวที่สูงกว่าส่วนอื่น ๆ แม้ว่าจะทำงานที่ความดันเดียวกัน
     
รูปที่ ๕ เป็นกรณีของแก๊ส HCl ที่แห้ง พึงสังเกตว่าเมื่อเทียบกับรูปที่ ๔ แล้ว Carbon steel และ 18-8 Stainless steel ทนต่อ HCl ที่แห้งได้ดีกว่า Cl2 ที่แห้ง (พิจารณาจากอุณหภูมิใช้งานที่ใช้ได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น) ในขณะที่ Alloy 400 (UNS no. N04400 ในรูปที่ ๒) ทนต่อ Cl2 ที่แห้งได้ดีกว่า HCl ที่แห้ง
     
หลายคน (รวมทั้งผมด้วย) คงไม่คุ้นกับชื่อ Alloy 400 แต่จะคุ้นกับชือ Monel เสียมากกว่า Monel เป็นชื่อทางการค้าของโลหะผสม Ni-Cu ที่มีสัดส่วนของ Ni อยู่ประมาณ 60% ขึ้นไป ซึ่งถ้าเทียบกับชื่อระบบ UNS แล้วก็จะตรงกับพวก Alloy 400
    
Inconel ก็เป็นชื่อของโลหะผสมของ Ni-Cr-Fe (โดยอาจมี Mo ร่ว
    
สารละลายกรด HCl เป็นตัวที่มีปัญหาในการกัดกร่อนมากกว่าทั้งคลอรีนและแก๊ส HCl ที่แห้ง เรียกว่าไม่สามารถใช้ได้ทั้ง carbon steel และ stainless steel เบอร์ 304 และ 316 (ที่เป็นที่ใช้งานกันทั่วไป) อันที่จริงในกรณีที่ไม่ได้ทำงานที่อุณหภูมิสูง ก็อาจใช้พวกท่อพลาสติกหรือท่อเหล็กที่บุผิวในไว้ด้วยพลาสติกที่เหมาะสมที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารละลาย HCl ก็ได้ โดยไม่จำเป็นต้องเลือกใช้โลหะที่ทนการกัดกร่อนได้ (ที่มักจะมีราคาสูงตามไปด้วย) เช่นท่อ PVC สามารถใช้กับสารละลาย HCl เข้มข้นได้ถึง 30 wt% ที่อุณหภูมิไม่เกิน 60ºC แต่ทั้งนี้การต่อท่อต้องไม่ใช่ต่อด้วยกาวนะ คงต้องใช้การเชื่อม
   
รูปที่ ๗ กราฟแสดงช่วงใช้งานของโลหะกับสารละลายกรด HCl ที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิต่าง ๆ (ดูรูปที่ ๘ ประกอบ) 
    
รูปที่ ๘ รายชื่อโลหะที่ใช้งานได้สำหรับแต่ละ Zone ในรูปที่ ๗

ตัววาล์วก็เช่นกัน ในกรณีที่ไม่ได้รับความดันและอุณหภูมิสูง (และไม่คาดคิดว่าจะมีปัญหาไฟไหม้ลุกครอกตัววาล์ว) ก็อาจเลือกใช้พวก diaphragm valve ในการควบคุมการปิดเปิดก็ได้ โดยไม่จำเป็นต้องหันไปใช้วาล์วที่ทำจากโลหะที่ทนการกัดกร่อนสูง

ฉบับนี้คงพอเพียงแค่นี้ก่อน ตอนต่อไปจะเป็นกรณีของฟลูออรีนและไฮโดรเจนฟลูออไรด์บ้าง

วันศุกร์ที่ 18 ตุลาคม พ.ศ. 2562

ผลจากสลักเกลียวหลุดเพราะไม่มีแหวนรอง MO Memoir : Friday 18 October 2562

รูปข้างล่างนี้ผมเคยโพสไว้เมื่อ ๕ ปีที่แล้วใน facebook พร้อมกับตั้งคำถามว่าเห็นอะไรผิดปรกติไหมครับ ลองสังเกตที่ขนาดหัวของสลักเกลียว (หรือน็อตตัวเมียที่เห็นอยู่ข้างหลังก็ได้) กับขนาดของรูหน้าแปลนซิครับ จะเห็นว่ามันค้างอยู่ได้ด้วยเพียงแค่ที่มุมเท่านั้นเอง
      
รูปที่ ๑ โปรดสังเกตที่ขนาดของหัวสลักเกลียวกับรูที่หน้าแปลน

ปัญหานี้บางคนอาจคิดว่าแก้ได้ง่าย ๆ ด้วยการใส่แหวนรอง (washer) เข้าไป (คือใช้แหวนรองที่รูของแหวนรองนั้นเล็กกว่ารูของหน้าแปลนและหัวสลักเกลียว) แต่ในความเป็นจริงมันยังมีปัจจัยอื่นที่ต้องนำมาพิจารณาอีก แต่ก่อนอื่นขอทำความเข้าใจเรื่องศัพท์กันนิดนึงก่อน
    
คำว่า "น็อต" ที่เรียกกันในภาษาไทยที่เป็นคำที่ไปยืมมาจากคำภาษาอังกฤษนั้นเป็นคำที่คนไทยใช้กำกวมอยู่หน่อย คือภาษาอังกฤษจะแยกออกเป็น "bolt" ที่แปลเป็นไทยว่า "สลักเกลียว" หรือเรียกเป็นภาษาพูดว่า "น็อตตัวผู้" ส่วน "nut" ที่คนไทยมาเรียกเป็นน็อตนั้นแปลเป็นทางการก็คือ "แป้นเกลียว" หรือที่ภาษาพูดเรียกว่า "น็อตตัวเมีย" ตัวสลักเกลียวนั้นยังมีแบ่งออกเป็น "machine bolt" คือน็อตตัวผู้ที่มีหัวอยู่ที่ปลายข้างหนึ่งและทำเกลียวไว้สำหรับสวมน็อตตัวเมียไว้ที่ปลายอีกข้างหนึ่ง และ "stud bolt" คือน็อตตัวผู้ที่ไม่มีหัวแต่มีการทำเกลียวที่ปลายทั้งสองข้าง ต้องใช้น็อตตัวเมียสวมทั้งสองข้าง 
      
คำว่า "น็อต" ที่เราเรียกกันนั้นบางทีก็หมายถึงน็อตตัวผู้บ้างน็อตตัวเมียบ้าง หรือทั้งชุดเลย ดังนั้นเพื่อไม่ให้สับสน ในที่นี้จะขอใช้คำว่าสลักเกลียวเมื่อกล่าวถึง bolt และแป้นเกลียวเมื่อกล่าวถึง nut
     
การรับแรงของสลักเกลียวนั้นอาจเป็นการรับแรงดึง (การรับแรงในทิศทางความยาวของสลักเกลียว) เช่นในกรณีของสลักเกลียวที่ใช้ยึดหน้าแปลนในรูปที่ ๑ เวลาที่เราขันตึงแป้นเกลียวเข้าไป ส่วนหัวของสลักเกลียวและแป้นเกลียวจะกดเข้ากับตัวหน้าแปลนในขณะที่ตัวสลักเกลียวจะยืดตัวออก ในกรณีที่หัวของสลักเกลียวหรือขนาดของแป้นเกลียวนั้นเล็กกว่ารูที่ร้อยสลักเกลียว แม้ว่าเราจะใช้แหวนรองช่วยก็ตาม แต่การที่เราไปขันตึงสลักเกลียวจะทำให้ตัวแหวนรองยุบเข้าไปในรูได้ และสลักเกลียวที่มีขนาดเล็กจะไม่สามารถให้แรงกดที่มากเท่ากับสลักเกลียวที่มีขนาดใหญ่ได้
     
การรับแรงอีกแบบหนึ่งของสลักเกลียวคือการรับแรงเฉือน (การรับแรงในทิศทางตั้งฉากกับความยาวของสลักเกลียว) การรับแรงในแนวนี้ความตึงในการขันนั้นไม่ค่อยสำคัญเท่าใดนัก หน้าที่ของส่วนหัวหรือแป้นเกลียวมีเพียงแค่ทำให้สลักเกลียวไม่หลุดออกจากตำแหน่งที่มันร้อยในระหว่างใช้งาน (ที่อาจเป็นผลจากการสั่นสะเทือนหรือด้วยสาเหตุใดก็ตาม)
    
เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เกี่ยวกับอุบัติเหตุที่เกิดจากการที่หัวของสลักเกลียวนั้นมีขนาดเล็กว่ารูที่มันร้อยเข้าไป ผลที่เกิดขึ้นตามมาก็ดังแสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง ซึ่งนำมาจากรายงานฉบับแปลเป็นภาษาอังกฤษ (ต้นฉบับรายงานการสอบสวนเป็นภาษาญี่ปุ่น) เรื่อง "AIRCRAFT ACCIDENT INVESTIGATION REPORT, CHINA AIRLINES (TAIWAN), BOEING 737-800, B18616, SPOT 41 AT NAHA AIRPORT, AUGUST 20, 2007, AT ABOUT 10:33 JST" ที่จัดทำโดย Japan Transport Safety Board เผยแพร่เมื่อวันที่ ๒๘ สิงหาคม ปีค.ศ. ๒๐๐๙ (พ.ศ. ๒๕๕๒) หรือถ้าใครขี้เกียจอ่านรายงานก็ลองค้นดูสารคดี Air crash investigation ตอน "Deadly detail" ดูก็ได้ครับ
    
รูปที่ ๒ เครื่องบิน Boeing 737-800 ของสายการบิน China Airlines flight 120 หลังเกิดเพลิงไหม้ที่ Naha airport เมื่อวันที่ ๒๐ สิงหาคม ปีค.ศ. ๒๐๐๗ (พ.ศ. ๒๕๕๐)

เหตุการณ์เกิดในวันที่ ๒๐ สิงหาคม ปีค.ศ. ๒๐๐๗ (พ.ศ. ๒๕๕๐) เมื่อเครื่องบิน Boeing 737-800 ของสายการบิน China Airlines flight (ของไต้หวัน) เที่ยวบินที่ 120 ลงจอดที่สนามบิน Naha ที่เกาะโอกินาวาของประเทศญี่ปุ่น โดยในขณะที่เครื่องกำลังร่อนลงจอดและวิ่งไปตามทางวิ่งนั้นก็ไม่มีปัญหาอะไร แต่เมื่อเครื่องลดความเร็วลงเพื่อจะเข้าช่องจอดก็พบว่ามีไฟไหม้เกิดขึ้นบริเวณเครื่องยนต์ที่ปีกขวา ทำให้ต้องรีบอพยพผู้โดยสารและลูกเรือทั้งหมดออกจากเครื่อง อุบัติเหตุครั้งนี้ไม่มีผู้เสียชีวิตหรือได้รับบาดเจ็บ แต่เครื่องบินเสียหายหนักดังแสดงในรูปที่ ๒
     
รูปที่ ๓ ภาพถ่ายจากภายในถังน้ำมันแสดงให้เห็นว่ามีชิ้นส่วนที่เหมือนสลักเกลียวแทงทะลุถังน้ำมัน

การเกิดไฟไหม้นั้นต้องประกอบด้วยสามส่วนด้วยกันคือ สารออกซิไดซ์ (ซึ่งในกรณีนี้ก็คืออากาศที่มีอยู่รอบตัวเครื่องอยู่แล้ว) เชื้อเพลิง และแหล่งพลังงานที่จะทำให้เชื้อเพลิงลุกไหม้ได้ ตำแหน่งที่เกิดเพลิงไหม้นั้นคือบริเวณของเครื่องยนต์ที่เป็นแหล่งความร้อนอยู่แล้ว ส่วนปีกเครื่องบินนั้นก็เป็นที่ตั้งของถังน้ำมันและท่อน้ำมันไฮดรอลิกต่าง ๆ คำถามก็คือน้ำนั้นตัวไหนที่รั่วออกมา และรั่วออกมาได้อย่างไร
    
ผลการสอบสวนนำไปสู่การรั่วไหลที่น่าจะมาจากถังน้ำมัน ซึ่งเมื่อทำการตรวจสอบก็พบว่าถังน้ำมันถูกเจาะทะลุเป็นรูจริงด้วยชิ้นส่วนที่เป็นเหมือนกับสลักเกลียวที่ทำหน้าที่ยึดอะไรสักอย่าง คำถามก็คือชิ้นส่วนนั้นมาจากไหน และถังน้ำมันถูกเจาะทะลุเมื่อใด ได้อย่างไร
    
สำหรับผู้ที่เคยโดยสารเครื่องบินและเคยนั่งใกล้กับตำแหน่งปีกของเครื่องบิน เคยสังเกตที่ปีกเวลาที่เครื่องบินจะบินขึ้นหรือลงไหมครับ คือมันจะมีชิ้นส่วนบางชิ้นที่เวลาบินขึ้นมันจะยื่นออกมา (Slat ที่อยู่ทางด้านหน้าและ Flap ที่อยู่ทางด้านหลัง - ดูรูปที่ ๔) และพอบินขึ้นได้แล้วก็จะถอยกลับเข้าไป ในทางกลับกันเวลาที่เครื่องบินลดความเร็วเพื่อที่จะร่อนลง มันก็จะยื่นออกมา และพอเครื่องลงแตะพื้นแล้วมันก็จะถอยกลับเข้าไป การยืดออกมาของชิ้นส่วนนี้จะเป็นเสมือนการเพิ่มพื้นที่ปีกให้กับเครื่องบิน ทำให้สามารถบินด้วยความเร็วต่ำได้ ซึ่งเหมาะสำหรับการบินขึ้นหรือลง แต่จะไม่ค่อยเหมาะกับการบินด้วยความเร็วสูง
    
ตำแหน่งของถังน้ำมันที่ถูกสลักเกลียวเจาะทะลุคือบริเวณที่เรียกว่า Track can ที่มีลักษณะเป็นกระเปาะยื่นเข้ามาในตัวถังน้ำมัน Track can นี้เป็นช่องสำหรับให้แขน (Main track) ที่ทำหน้าที่ดัน/ดึงส่วน Slat เคลื่อนตัวไปข้างหน้าและถอยกลับได้ และขนาดช่องว่างของมันก็ไม่ได้ใหญ่มากมายอะไรนักเมื่อเทียบกับขนาดของ Main track
    
รูปที่ ๔ ตำแหน่งติดตั้งและการทำงานของ Downstop fitting ส่วน Track can เป็นช่องว่างที่เว้าเข้าไปในถังน้ำนัน
      
รูปที่ ๕ ชุดสลักเกลียวที่ทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันไม่ให้ตัว slat เคลื่อนตัวออกไปข้างหน้ามากเกินไป (Downstop fitting) พึงสังเกตขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Nut ทางด้านซ้ายและของ Sleeve
    
จากการตรวจเทียบชิ้นส่วนพบว่า ชิ้นส่วนที่แทงทะลุถังน้ำมันคือสลักเกลียวที่ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้ตัว Main track ของ Slat นั้นยื่นเลยออกไปข้างหน้ามากเกินไป (จนอาจหลุดออกไปได้) ตัวสลักเกลียวนี้ (รูปที่ ๕) มีส่วนของแหวนรองทางด้านหัว ตัว Downstop และ Sleeve ที่ไม่สามารถถอดแยกออกจากตัวสลักเกลียวได้ โดยตัวมันจะร้อยอยู่ในรูที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของ Main track ที่นี้ลองเปรียบเทียบชิ้นส่วนที่ได้จากถังน้ำมัน (รูปที่ ๕) กับที่มันควรเป็น (รูปที่ ๖) ว่ามันมีอะไรขาดหายไป
    
รูปที่ ๖ รูปแบบการประกอบที่ถูกต้อง ที่ต้องมีแหวน (washer) รองแป้นเกลียว (nut) ตัวด้านซ้ายเอาไว้

การออกแบบชิ้นส่วนตัวนี้แปลกตรงที่หัวของ Bolt นั้นมีขนาดใหญ่กว่ารูที่มันร้อย แต่ส่วนของแป้นเกลียว (Nut) นั้นมีขนาดเล็กกว่ารูที่ร้อย จึงจำเป็นต้องมีแหวนรอง (washer) เพื่อให้เมื่อขันแป้นเกลียวแล้วจะทำให้สลักเกลียวคงอยู่ในรูได้โดยไม่หลุด การตรวจสอบประวัติการซ่อมบำรุงพบว่าในการซ่อมบำรุงครั้งสุดท้ายมีการทำงานตรงบริเวณ Main track ตัวนี้ ทำให้คณะกรรมการสอบสวนคาดว่าในการซ่อมบำรุงครั้งสุดท้าย แหวนรองแป้นเกลียวนั้นหลุดร่วงในขณะที่ช่างซ่อมทำการขันแป้นเกลียวโดยที่ช่างไม่รู้ (พบแหวนตกค้างอยู่ในปีก - รูปที่ ๗) ทำให้ตัวสลักเกลียวเพียงแค่ร้อยไว้ในรูเท่านั้น และเมื่อเครื่องบินมีการขึ้นลงหลายครั้ง ตัวสลักเกลียวก็ค่อย ๆ เคลื่อนตัวจนหลุดออกมาจากรูที่ร้อยนั้นโดยตกค้างอยู่ใน Track can ในการลงจอดครั้งสุดท้าย พอเครื่องลงแตะพื้นตัว Main track ก็เคลื่อนตัวถอยหลังกลับ ประกอบกับการที่ Track can ไม่ได้มีที่ว่างมาก ตัว Main track จึงไปดันให้สลักเกลียวที่ตกค้างอยู่นั้นแทงทะลุถังน้ำมัน (คือถ้า Track can มีขนาดใหญ่หน่อย เหตุการณ์นี้อาจไม่เกิดขึ้นก็ได้ เพราะมันสามารถดิ้นหลุดออกไปทางด้านข้างได้เมื่อถูกดัน) ในช่วงแรกที่ยังไม่เกิดไฟลุกไหม้นั้นเป็นเพราะเครื่องบินยังมีความเร็ว น้ำมันที่รั่วออกมาจึงปลิวออกไปพ้นจากบริเวณปลายท่อของตัวเครื่องยนต์ แต่พอเครื่องบินลดความเร็วลงเพื่อเข้าจอด น้ำมันที่รั่วออกมาจึงหยดลงไปตรงบริเวณตัวเครื่องยนต์ ทำให้เกิดเพลิงลุกไหม้ขึ้น
     
รูปที่ ๗ ถังน้ำมันทะลุเนื่องจาก downstop ถูก main track ที่เคลื่อนถอยหลัง ดันให้แทงทะลุถังน้ำมัน
 
เหตุการณ์นี้จัดว่าเป็นความผิดพลาดของการออกแบบ กล่าวคือถ้าใช้แป้นเกลียวที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่ารูที่ร้อยสลักเกลียว หรือใช้แป้นเกลียวที่มีการเชื่อมแหวนติดรวมเป็นชิ้นเดียว (เพื่อให้มันลอดผ่านรูร้อยสลักเกลียวไม่ได้) โอกาสที่จะเกิดความผิดพลาดแบบนี้ก็จะไม่มี

จะสรุปว่าเพราะขาดแหวนรองตัวเล็ก ๆ เพียงตัวเดียว จึงต้องจ่ายด้วยเครื่องบินทั้งลำก็ไม่น่าจะผิด