เมื่อท่อส่งแก๊สธรรมชาติระเบิดจาก Stress Corrosion Cracking MO Memoir : Sunday 15 November 2563

เวลาที่ชิ้นงานโลหะต้องรับแรง แม้ว่าแรงนั้นจะต่ำกว่า yield strength แต่ถ้าเป็นที่อุณหภูมิสูง ผู้ออกแบบก็พอจะคาดการณ์ได้ตั้งแต่ตอนเริ่มออกแบบแล้วว่าชิ้นงานนั้นมีโอกาสที่จะเสียหายจากการเกิด Creep (ความคืบ) หรือไม่ ในทำนองเดียวกันถ้าภาชนะรับความดันที่ทำงานแบบความดันมีการเปลี่ยนแปลงขึ้น-ลงเป็นวงรอบในระหว่างการใช้งาน ผู้ออกแบบก็พอจะคาดการณ์ได้ตั้งแต่ตอนเริ่มออกแบบเช่นกันว่าชิ้นงานนั้นมีโอกาสที่จะเกิดความเสียหายจากการเกิด Fatigue (ความล้า) หรือไม่ ในกรณีเหล่านี้ผู้ออกแบบก็พอจะกำหนดอายุการใช้งานไว้ล่วงหน้าได้ว่าชิ้นงานดังกล่าวควรใช้งานได้ไม่เกินเวลาเท่าใดก่อนจำเป็นต้องเปลี่ยน เพื่อที่จะไม่ให้เกิดความเสียหายในระหว่างการใช้งาน

ที่คาดการณ์ได้ยากกว่ามากเห็นจะได้แก่ความเสียหายที่เกิดจาก Stress Corrosion Cracking (SCC) เพราะมันขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม โดยสภาพแวดล้อมที่ทำให้เกิด SCC ได้นั้นอาจไม่ใช่สภาพแวดล้อมที่เกิดขึ้นเป็นประจำ แต่อาจเกิดจากความผิดปรกติหรือแปรปรวนในช่วงเวลาหนึ่ง แต่สิ่งที่ตกค้าง (เช่นสารเคมี รอยถลอกที่เกิดบนพื้นผิว) จากความผิดปรกติหรือแปรปรวนนั้น สามารถเหนี่ยวนำให้เกิด SCC ได้ เช่นในกรณีของถังปฏิกรณ์ที่เกิดรอยร้าวที่นำไปสู่การระเบิดครั้งใหญ่ของโรงงานที่เมือง Flixborough ประเทศอังกฤษเมื่อปีค.ศ. ๑๙๗๔ (พ.ศ. ๒๕๑๗) นั้น ก็เกิดจากการเอาน้ำไปฉีดรดไอไซโคลเฮกเซน (cyclohexane) ที่รั่วออกจากบริเวณ seal ของถังปฏิกรณ์ให้ควบแน่น และบังเอิญน้ำที่นำไปฉีดนั้นมีไนเทรตปนอยู่ และไนเทรตนั้นก็สามารถทำให้เกิด SCC ได้

การคาดเดาการเกิด (อาจรวมทั้งการตรวจสอบการเกิดด้วย) SCC ของท่อฝังดินจะทำได้ยากกว่า เพราะเราไม่รู้ว่าเมื่อเวลาผ่านไป สารเคมีในดินที่กลบท่อเอาไว้นั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรบ้าง หรือวัสดุหุ้มห่อผิวนอกของท่อนั้นได้รับความเสียหายในระหว่างการกลบฝังหรือจากแรงกระทำอื่น ๆ ที่เกิดขึ้นหลังการฝังกลบเรียบร้อยแล้วหรือไม่

ความเสียหายจาก SCC ของท่อฝังดินเริ่มเป็นที่รู้จักกันในปีค.ศ. ๑๙๖๕ (พ.ศ. ๒๕๐๘) เมื่อท่อส่งแก๊สธรรมชาติขนาด 24 นิ้วท่อหนึ่งที่ Natchitoches, Louisiana ประเทศสหรัฐอเมริกาเกิดระเบิด ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๑๗ ราย ทำให้เกิดความสนใจที่จะศึกษาสาเหตุการเกิดและวิธีการป้องกัน เรื่องที่จะนำมาเล่าในวันนี้ ๓ เหตุการณ์ก็เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในประเทศสหรัฐอเมริกาและแคนาดา โดยเป็นกรณีของท่อแก๊สธรรมชาติที่ระเบิดอันเกิดจาก SCC

การระเบิดของท่อส่งแก๊สธรรมชาติในประเทศแคนาดาเมื่อเดือนกันยายนปีค.ศ. ๑๙๘๕ (พ.ศ. ๒๕๒๘) ก็ได้รับการระบุว่าเกิดจาก SCC เช่นเดียวกัน แต่เมื่อตรวจสอบเนื้อโลหะอย่างละเอียดกลับพบว่ารูปแบบที่เกิดนั้นแตกต่างไปจากที่รู้จักกันก่อนหน้า ก็เลยมีการแบ่ง SCC ออกเป็น ๒ รูปแบบ รูปแบบแรกที่รู้จักกันมาก่อนเรียกว่า High pH SCC ซึ่งจะเกิดที่ค่า pH ที่สูง ส่วนรูปแบบที่สองที่รู้จักกันภายหลังนั้นเรียกว่า Near-Neutral pH SCC ที่เกิดขึ้นในช่วง pH ระหว่าง 5.5-7.5

ส่วนที่ว่าทั้งสองรูปแบบเกิดได้อย่างไรและรอยแตกมีหน้าตาอย่างไรนั้น ขออนุญาตไม่บรรยายในที่นี้ (เพราะไม่ได้เรียนทางด้านนี้เท่าใดนัก) แต่สำหรับผู้สนใจสามารถดาวน์โหลดเอกสาร "Stress Corrosion Cracking Study Final Report" ที่มีการจัดทำให้กับ Department of Transportation, Research and Special Programs Administration, Office of Pipeline Safety, January 2005 (ที่นำเนื้อหาบางส่วนมาแสดงในรูปที่ ๑ และ ๓) และ "Trends in Oil and Gas Corrosion Research and Technologies: Production and Transmission" Edited by A.M. El-Sherik Chapter 12 Stress corrosion cracking โดย John Beavers และ Thomas A. Bubenik (ที่นำรูปที่ ๒ และ ๔ มาแสดง) ได้ทางอินเทอร์เน็ต

รูปที่ ๑ การเกิด High pH SCC

รูปที่ ๒ ลักษณะรอยแตกร้าวที่เกิดจาก High pH SCC ที่เป็นรอยร้าวที่แตกไปตามเส้นขอบระหว่าง grain ของเนื้อโลหะ ที่เรียกว่าการแตกแบบ Intragranular

มาถึงตรงนี้อาจมีบางคนสงสัยว่าแล้วมันจะมี Low pH SCC หรือไม่ ตรงนี้ผมก็ไม่รู้เหมือนกัน แต่สำหรับเหล็กแล้วคิดว่ามันไม่น่าจะมี เพราะในสภาพแวดล้อมที่มีค่า pH ที่ต่ำนั้น แสดงว่ามันเป็นสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด และกรดมันก็กัดเหล็กได้อยู่แล้ว แต่ก็มีโลหะอยู่หลายตัวด้วยกันที่ทนต่อการกัดกร่อนของกรด แต่โลหะเหล่านั้นก็มีการใช้งานในงานที่จำกัดหรือใช้เป็นชั้นป้องกัน (ที่บางทีเรียกว่าชั้น Lining) ระหว่างสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนกับเนื้อเหล็ก

รูปที่ ๓ การเกิด Near-Neutral pH SCC

รูปที่ ๔ ลักษณะของรอยแตกร้าวที่เกิดจาก Near-Neutral pH SCC ที่เป็นรอยร้าวที่แตกผ่าน grain ของเนื้อโลหะ ที่เรียกว่าการแตกแบบ Transgranular

เหตุการณ์ท่อส่งแก๊สธรรมชาติระเบิดเนื่องจากการเกิด SCC เรื่องแรกนำมาจากรายงานการสอบสวนเหตุการณ์ท่อแก๊สระเบิดที่เมือง Unityvelle, Lycoming County รัฐ Pennsylvaniaประเทศสหรัฐอเมริกาเมื่อวันที่ ๙ มิถุนายน ค.ศ. ๒๐๑๕ (พ.ศ. ๒๕๕๘) ที่เกิดกับท่อ 24 นิ้ว (รูปที่ ๕) ในขณะเกิดเหตุนั้นความดันในท่ออยู่ที่ 1141 psig ซึ่งยังต่ำกว่าค่า Maximum Allowable Operating Pressure (MAOP) ที่ 1200 psig (psig คือ ปอนด์ต่อตารางนิ้วเกจ คือระบุว่าเป็นความดันที่วัดเทียบจากความดันบรรยากาศปรกติ โดยความดันปรกติจะเท่ากับ 0 psig)

รูปที่ ๕ ลักษณะของท่อส่งแก๊สที่ฉีกขาดเป็นแนวยาว 34 ฟุต (ประมาณ 10 เมตร) สังเกตว่าท่อฉีกขาดตามแนวความยาวของท่อ เนื่องจากในสภาพปรกตินั้น circumferential stress (หรือ hoop stressที่เป็นความเค้นในเนื้อโลหะตามแนวเส้นรอบวงที่ต้านทานกับความดันภายในที่พยายามทำให้ท่อพองตัวออก) นั้นจะสูงกว่า longitudinal stress (หรือความเค้นตามความยาวที่พยายามดึงให้ท่อยืดออก) แนวรอยแตกร้าวจาก SCC จึงเกิดขึ้นตามแนวยาว และเนื่องจากแนวฉีกขาดอยู่ทางด้านบน แรงพุ่งออกมาของแก๊สเลยดันกดท่อไว้กับพื้นดินด้านล่าง ทำให้ไม่มีชิ้นส่วนท่อปลิวออกมา

ตัวท่อได้รับการตรวจสอบครั้งสุดท้ายในเดือนกันยายนปีค.ศ. ๒๐๑๐ (พ.ศ. ๒๕๕๓ หรือประมาณ ๕ ปีก่อนเกิดเหตุ) แต่ไม่พบความผิดปรกติใด ๆ ในด้านความหนาของเนื้อโลหะหรือริ้วรอยใด ๆ การตรวจสอบความสามารถในการรับแรงของเนื้อโลหะของท่อที่เกิดเหตุก็ยังอยู่ที่ในเกณฑ์มาตรฐาน แต่การตรวจสอบบริเวณที่ฉีกขาดพบรอยร้าวเล็ก ๆ ที่เกิดจาก Near-Neutral pH SCC ที่มีความลึกไม่เกิน 10% ของความหนาของผนังท่อบนผิวท่อด้านนอก ทำให้คณะผู้ตรวจสอบสรุปว่าสาเหตุคงเกิดจากการที่ชั้นปกป้องผิวด้านนอกของท่อ (ชั้น coating) มีการหลุดจากการยึดเกาะติดกับผิวท่อในบางตำแหน่ง (คือไม่แนบชิดติดกับผิวท่อ) เปิดโอกาสให้น้ำ (ที่มีไอออนละลายอยู่) ซึมผ่านเข้าไปสะสมในบริเวณดังกล่าวได้ (ท่อเหล็กที่ฝังใต้ดินจะถูกเคลือบผิวนอกไว้ด้วยวัสดุบางชนิด (เปลี่ยนไปได้ตามยุคสมัยและตำแหน่ง) เพื่อป้องกันการกัดกร่อนจากสภาพแวดล้อมของดิน ตำแหน่งที่ต้องมาทำการ coating ผิวกันหน้างานก็คือบริเวณรอยเชื่อมต่อ ที่ต้องทำการเชื่อมต่อและตรวจความเรียบร้อยของรอยเชื่อมให้แล้วเสร็จก่อน จึงค่อยทำการปิดคลุมผิวท่อส่วนนั้นด้วยวัสดุ coating)

Cathodic protection เป็นวิธีหนึ่งในการป้องกันไม่ให้เหล็กผุกร่อน หลักการก็คือแทนที่จะให้เหล็กของโครงสร้างที่เราต้องการปกป้องนั้นจ่ายอิเล็กตรอน (ซึ่งจะทำให้มันเปลี่ยนจาก Fe⁰ กลายเป็น Fe²⁺) ก็ให้โลหะตัวอื่น (ที่เราเปลี่ยนชิ้นส่วนได้ง่ายกว่าเวลาที่มันผุกร่อน) เป็นตัวจ่ายอิเล็กตรอนแทน โลหะตัวอื่นอาจเป็นโลหะที่โดยธรรมชาติของมันนั้นผุกร่อนได้ดีกว่าเหล็กอยู่แล้ว (ที่ใช้กันทั่วไปก็คือแมกนีเซียม) การป้องกันแบบนี้เรียกว่า Galvanic Anaode System (รูปที่ ๖ (a)) หรือใช้โลหะเหล็กด้วยกัน (หรือโลหะอื่นที่เหมาะสม ที่โดยธรรมชาติของมันแล้วไม่ได้จ่ายอิเล็กตรอนได้ดีกว่าชิ้นงานที่เราต้องการปกป้องเท่าใดนัก) แต่ทำให้มันจ่ายอิเล็กตรอนได้ดีกว่าเหล็กของโครงสร้างที่ต้องการปกป้องด้วยการจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงช่วย โดยต่อขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟฟ้าเข้ากับชิ้นงานที่ต้องการปกป้อง และต่อขั้วบวกเข้ากับโลหะที่ต้องการให้ผุกร่อนแทน (รูปที่ ๖ (b)) การป้องกันแบบหลังนี้เรียกว่า Impress Current System แต่ไม่ว่าจะเป็นแบบไหนก็ตาม จะต้องมีการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างชิ้นงานที่เราต้องการปกป้อง (เช่นท่อที่ฝังใต้ดิน) และโลหะที่เราต้องการให้ผุกร่อนแทน

รูปที่ ๖ การป้องกันไม่ให้ท่อที่ฝังใต้ดินเกิดการผุกร่อนด้วยเทคนิค Cathodic Protection ที่อาจใช้โลหะที่จ่ายอิเล็กตรอนได้ดีกว่าเหล็กมากเป็นตัวผุกร่อน (รูป a) หรือให้เหล็กด้วยกัน (หรือโลหะอื่นที่เหมาะสม) เป็นตัวจ่ายอิเล็กตรอนแทน แต่ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงช่วยบังคับให้มันจ่ายอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าชิ้นงานที่ต้องการปกป้อง (จากเอกสาร "Introduction to Electrical Design for Cathodic Protection Systems", Course# EE410, EZ-pdh.com)

เรื่องที่สองนำมาจากรายงานการสอบสวนท่อแก๊สธรรมชาติขนาด 26 นิ้ว (ความหนา 0.281 นิ้ว) ระเบิดที่เมือง Farmerville, Union Parish, Louisiana ประเทศสหรัฐอเมริกาเมื่อวันที่ ๙ กันยายน ค.ศ. ๒๐๑๕ (พ.ศ. ๒๕๕๘) แรงระเบิดทำให้มีชิ้นส่วนท่อขาดออกมาเป็นทางยาวประมาณ 14 เมตร กระเด็นออกมาทางด้านข้าง

ตัวท่อดังกล่าว (ที่สร้างตั้งแต่ปีค.ศ. ๑๙๔๙ หรือพ.ศ. ๒๔๙๒) ได้รับการหุ้มผิวนอกไว้ด้วย coal tar-type coating และมีระบบ Impressed current cathodic protection ช่วยป้องกันการผุกร่อนที่เริ่มใช้งานตั้งแต่ปีค.ศ. ๑๙๔๙ ขณะเกิดเหตุนั้นความดันในท่ออยู่ที่ 766 psig ซึ่งต่ำกว่าความดันทำงานสูงสุดที่ 810 psig เพราะมีการซ่อมบำรุงระบบท่ออยู่ ณ บริเวณอื่น

รูปที่ ๗ บริเวณที่เกิดเหตุและชิ้นส่วนท่อที่ขาดปลิวออกมา

จากการตรวจสอบพบว่าจุดเริ่มต้นการฉีกขาดของท่ออยู่ที่ชิ้นส่วนที่ปลิวหลุดออกมา โดยท่อดังกล่าวพับเป็นรูปตัววี บริเวณรอยพับตรวจพบการเกิด Near-Neutral pH SCC ที่ตำแหน่ง ๖ นาฬิกาหรือผิวด้านล่างสุดของท่อ (รูปที่ ๘) ที่เป็นจุดสัมผัสกับพื้นรองรับด้านล่าง สาเหตุของการเกิด SCC ทางผู้สอบสวนสรุปว่าเกิดจากพื้นรองรับด้านล่างที่เป็นหินแข็ง ทำให้ชั้น coating นั้นอาจเกิดความเสียหายจนมีน้ำซึมผ่านชั้น coating และไปสัมผัสกับเนื้อโลหะได้ ประกอบกับชั้นรองรับนี้มีความต้านทานไฟฟ้าสูงกว่าบริเวณอื่นที่เป็นดินกลบ ทำให้บริเวณผิวด้านล่างของท่อไม่ได้รับการปกป้องจากระบบ Impressed current cathodic protection เพราะกระแสไหลไม่ครบวงจรระหว่างตัวท่อและขั้วแอโนด เพราะเมื่อมีไอออนมารับอิเล็กตรอนนั้น ตัวมันเองจะมีประจุลบเพิ่มขึ้น และต้องได้รับการชดเชยด้วยไอออนบวก เพื่อรักษาสมดุลประจุ แต่เนื่องจากไอออนบวกจากบริเวณอื่นไม่สามารถเคลื่อนที่มาชดเชยได้ ตัวเนื้อโลหะของท่อเลยต้องเป็นตัวจ่ายไอออนบวกให้แทน ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่าบางครั้งการเกิด SCC นั้น บางตำแหน่งบนเส้นรอบวงท่อมันมีโอกาสเกิดมากกว่าบริเวณอื่นได้

แก๊สที่พุ่งลงล่างทำให้เกิดแรงยกตัวท่อให้เคลื่อนขึ้นบน (เพราะดินมีความต้านทานต่ำกว่า) การที่ท่อมีการเคลื่อนตัวขึ้นบนนั้นทำให้ stress ของเนื้อโลหะในแนวความยาวท่อเพิ่มสูงขึ้น ทำให้ท่อเกิดการฉีกขาดเป็นชิ้นส่วนหลุดปลิวออกมา (พึงสังเกตว่าท่อที่ขาดในรูปที่ ๘ นั้นมีการฉีกขาดตามแนวความยาวก่อนที่จะเกิดการฉีกขาดที่ปลายทั้งสองด้าน) ซึ่งกรณีนี้แตกต่างจากกรณีแรกที่รอยแตกอยู่ทางด้านบน แรงดันแก๊สจึงกดในทิศทางลงล่างที่ท่อไม่สามารถเคลื่อนที่ได้

รูปที่ ๘ การตรวจสอบพบว่าจุดที่เริ่มเกิดการรั่วคือบริเวณจุดสีแดง (รูปขวา) ที่อยู่ทางด้านล่างของท่อ

เรื่องที่สามนำมาจากรายงานการสอบสวนเลขที่ P15H0088 เป็นเหตุการณ์เกิดที่เมือง Prince George, British Columbia ประเทศแคนาดา เมื่อวันที่ ๙ ตุลาคม ค.ศ. ๒๐๑๘ (พ.ศ. ๒๕๖๑) โดยท่อส่งแก๊สธรรมชาติขนาด 36 นิ้ว (ผนังหนา 9.91 mm) เกิดการระเบิดในขณะที่ทำงานที่ความดันใช้งานสูงสุดคือ 6453 kPa (รูปที่ ๙ และ ๑๐)

ในเหตุการณ์นี้ ศูนย์ควบคุมการส่งแก๊สตรวจพบการลดลงอย่างรวดเร็วของความดันแก๊สในท่อ "หลังจาก" ได้รับแจ้งว่ามีเสียงดังและไฟไหม้เกิดขึ้น และใช้เวลาอีกประมาณ 2 นาทีก่อนที่สัญญาณเตือนจะดัง

การตรวจสอบพบว่าสาเหตุที่ทำให้ท่อฉีกขาดคือการเกิด Near-Neutral pH SCC ที่อาจเกิดจากการที่ชั้น tape coating สูญเสียการยึดติดกันในบางตำแหน่ง ทำให้มีน้ำ (ที่มี CO₂ ละลายปนอยู่) แทรกเข้าไปสะสมภายในชั้น coating ได้ในบางฤดูกาล ชั้น coating นี้ทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันไม่ให้น้ำที่ขังอยู่ภายในมีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับดินภายนอก ทำให้เนื้อท่อในบริเวณดังกล่าวไม่ได้รับการป้องกันจาก Impressed current cathodic protection รอยแตกที่เกิดนั้นเกิดในทิศทางความยาว (เพราะมี circumferential stress ที่สูงดึงให้แยกออกจากกัน) และเมื่อรอยแตกเล็ก ๆ หลายรอยเชื่อมต่อกันก็กลายเป็นรอยแตกที่ใหญ่จนทำให้ความหนาของผนังท่อบริเวณดังกล่าวบางลงจนไม่สามารถรับความเค้นได้ ท่อจึงฉีกขาด

สำหรับวันนี้ก็คงขอจบลงเพียงแค่นี้

รูปที่ ๙ ภาพมุมกว้างบริเวณที่เกิดเหตุ

รูปที่ ๑๐ เศษชิ้นส่วนท่อที่ปลิวออกมา