API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๙) MO Memoir : Sunday 22 October 2566

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

ถังบรรจุของเหลวที่โดนไฟลน ผนังโลหะส่วนที่อยู่ต่ำกว่าระดับผิวของเหลวประมาณได้ว่าจะมีอุณหภูมิที่จุดเดือดของของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง (ถ้าเป็นถังความดันบรรยากาศ ก็เป็นจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ ถ้าเป็นถังความดัน ก็จะเป็นจุดเดือดที่ความดันนั้น) ทั้งนี้เป็นเพราะโลหะนำความร้อนได้ดี จึงพอประมาณได้ว่าอุณหภูมิทั้งสองฝั่งของผนังโลหะ (คือด้านนอกที่โดนไฟลน และด้านในที่สัมผัสของเหลว) มีค่าเท่ากันแม้ว่าถังจะมีความหนาก็ตาม ความร้อนที่ส่งผ่านผนังโลหะจะถ่ายเทให้กับของเหลวในถัง ทำให้ของเหลวในถังเดือดกลายเป็นไอ แต่ถ้าไฟนั้นลามสูงกว่าระดับของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง ผิวโลหะที่อยู่สูงกว่าระดับของเหลวในถังจะร้อนจัด และเมื่อโลหะมีอุณหภูมิสูงขึ้นก็จะสูญเสียความแข็งแรง ผนังก็จะยุบตัวลงเนื่องจากรับน้ำหนักตัวมันเองไม่ได้ และถ้าเป็นกรณีของถังความดัน ลำตัวถังก็จะฉีกขาดออก

ถังความดันบรรยากาศจะอยู่ในบริเวณที่มีกำแพงหรือผนังกั้น (dike หรือ bund) ล้อมรอบ ผนังกั้นนี้ทำหน้าที่ป้องกันในกรณีที่ถังได้รับความเสียหายจนไม่สามารถกักเก็บของเหลวที่อยู่ภายในได้ โดยป้องกันไม่ให้ของเหลวที่รั่วออกมานั้นแผ่กระจายออกไปเป็นบริเวณกว้าง แต่ในกรณีที่ของเหลวนั้นเป็นเชื้อเพลิงและเกิดการลุกไหม้ ก็จะทำให้เกิดเปลวไฟลนผนังถังใบอื่นที่อยู่ในบริเวณกักเก็บเดียวกันได้

หัวข้อ 3.3.3 นี้ (เริ่มด้วยรูปที่ ๑) เกี่ยวข้องกับการระบายความดันอันเป็นผลจากการที่ถังโดนไฟลน ความร้อนจากเปลวไฟจะทำให้ของเหลวในถังระเหยกลายเป็นไอด้วยอัตราที่สูงเกินกว่าระบบระบายความดันที่ออกแบบมาเพื่อการทำงานในสภาวะปรกตินั้นจะระบายได้ทัน ในกรณีของถังที่ออกแบบมาให้รอยเชื่อมต่อระหว่างลำตัวกับหลังคานั้นเป็นจุดอ่อน (หัวข้อ 3.3.3.2) ความดันที่เพิ่มขึ้นจะทำให้หลังคาปลิวหลุดออกไป (ส่วนจะไปตกลงที่ไหนและทำความเสียหายอะไรอีกนั้นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง ดังนั้นการออกแบบตามหัวข้อนี้จึงอาจไม่จำเป็น

รูปที่ ๑ เริ่มหัวข้อ 3.3.3 ที่เป็นกรณีของการระบายความดันฉุกเฉินในกรณีที่ถังโดนไฟลน

แต่ตอนท้ายของหัวข้อ 3.3.3.2 เองก็กล่าวไว้ว่า อาจออกแบบให้มีระบบระบายความดันฉุกเฉินในกรณีนี้ด้วยก็ได้ (คือลดโอกาสที่ฝาถังจะปลิวหลุดไปทำความเสียหายที่อื่นในกรณีที่เพลิงไหม้นั้นไม่รุนแรงเกินไป) แต่ทั้งนั้นต้องมั่นใจว่าการออกแบบ (ซึ่งควรรวมถึงการก่อสร้างด้วย) ให้ฝาถังปลิวหลุดออกไปได้นั้นเป็นไปตามข้อกำหนด โดยเฉพาะอย่างยิ่งถังที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 15 เมตร (หรือ 50 ฟุต)

รูปทรงลำตัวถังที่เป็นทรงกระบอกนั้น เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลง อัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรจะเพิ่มขึ้น อัตราการเดือดของของเหลวในถังเมื่อเทียบกับปริมาตรของเหลวทั้งหมดในถังก็จะเพิ่มสูงขึ้นด้วย แรงที่กระทำต่อฝาถัง (F) เพื่อให้ฝาถังปลิวนั้นมีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างความดัน (P) ภายในถังและพื้นที่หน้าตัด (A) ของหลังคาถัง (F = PA) สำหรับถังสองใบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันเท่าตัว ถังใบเล็กจะมีพื้นที่หน้าตัดเพียง 1 ใน 4 ของถังใบใหญ่ ดังนั้นถ้าถังสองใบนั้นมีรอยเชื่อมระหว่างลำตัวกับฝาถังที่แข็งแรงเท่ากัน ถังใบเล็กต้องใช้ความดันมากกว่าถังใบใหญ่ถึง 4 เท่าเพื่อทำให้ฝาถังปลิวหลุดออกไป และนี่คือสาเหตุว่าทำไปจึงไปให้ความสำคัญในเรื่องนี้กับถังใบเล็กมากกว่าถังใบใหญ่

รูปที่ ๒ หัวข้อ 3.3.3.3 เป็นการเริ่มกรณีของถังที่ไม่ได้ออกแบบให้ฝาถังปลิวหลุดออกไปได้ โดยหัวข้อ 3.3.3.3.2 เป็นสมการสำหรับหน่วย SI

ในกรณีของถังที่ไม่ได้ออกแบบให้มีจุดอ่อนตรงรอยต่อระหว่างลำตัวกับฝาถังนั้น หัวข้อ 3.3.3.3.1 กล่าวว่าให้ใช้วิธีที่ให้ไว้ในหัวข้อ 3.3.3.3.2 - 3.3.3.3.7 ในการประเมินค่าความสามารถในการระบายที่ต้องมี (รูปที่ ๒ และ ๓) สมการที่ (14) เป็นกรณีที่ใช้หน่วย SI และสมการที่ (15) เป็นกรณีที่ใช้หน่วย USC โดยค่าอัตราการไหล (q คิดในรูปอัตราการไหลของ "อากาศ") นั้นขึ้นกับปริมาณความร้อนที่เปลวไฟป้อนให้ (Q), ปัจจัยสภาพแวดล้อม (F), อุณหภูมิ (T) ของไอที่ระบายออก, ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (L) ของของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง และมวลโมเลกุล (M) ของไอ

ค่า Q นั้นดูได้จากตารางที่ 3 (หน่วย SI) หรือตารางที่ 4 (หน่วย USC) โดยค่านี้ขึ้นอยู่กับ "Wetted Surface Area" หรือพื้นที่ของผนังถังที่อยู่ต่ำกว่าระดับของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง (ตัวที่ทำให้เกิดไอได้มากที่ทำให้ความดันในถังเพิ่มขึ้นได้เร็วก็คือตัวของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง) ค่า F นั้นขึ้นอยู่กับว่าเป็น ถังหุ้มฉนวนหรือไม่หุ้มฉนวน, ถังอยู่บนดิน ฝังดินบางส่วน หรือฝังดินทั้งหมด ซึ่งต้องไปดูค่าดังกล่าวในตารางที่ 9 (รูปที่ ๘) ค่า L นั้นเป็นตัวบอกให้รู้ว่าของเหลวนั้นเดือดง่ายเพียงใด ในกรณีของการได้รับความร้อนในปริมาณที่เท่ากัน ของเหลวที่มีค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอต่ำจะเดือดกลายเป็นไอในปริมาณที่สูงกว่าของเหลวที่มีค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอที่สูงกว่า

 

รูปที่ ๓ เหมือนรูปที่ ๒ แต่เป็นกรณีของหน่วย USC

T คืออุณหภูมิของไอ ในกรณีที่เป็นของเหลวบริสุทธิ์จะถือว่ามีอุณหภูมิเดียวกับของเหลวที่เดือด แต่ในกรณีของของเหลวที่เป็นสารผสม (เช่นน้ำมันปิโตรเลียมต่าง ๆ) จะสมมุติว่าเท่ากับอุณหภูมิจุด "bubble point" ของของเหลวนั้น

ของเหลวที่เป็นสารผสมนั้น เวลาที่ได้รับความร้อน แต่ละองค์ประกอบจะกลายเป็นไอ องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำจะระเหยออกมาเป็นไอมากกว่าองค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูง และเมื่ออุณหภูมิสูงพอจนทำให้ความดันไอของทุกองค์ประกอบรวมกันเท่ากับความดันภายในถัง ของเหลวนั้นก็จะเริ่มเดือด (คือเกิดฟองหรือ bubble นั่นเอง) ซึ่งอุณหภูมินี้ไม่จำเป็นต้องตรงกับจุดเดือดขององค์ประกอบใดเลยในของเหลวนั้น

ค่าของ M ในมาตราฐานปีค.ศ. ๒๐๑๔ ใช้คำว่า "relative molecular mass" แต่ในมาตรฐานปีค.ศ. ๑๙๙๒ (รูปที่ ๔) ใช้คำว่า "molecular weight" ถ้านำคำว่า "relative molecular mass" ไปสืบค้นในอินเทอร์เน็ตก็จะพบว่าชื่อเดิมของคำนี้คือ "molecular weight"

สมการที่ (14) และ (15) ได้จากการแปลงอัตราจริงของการเกิดไอมาเป็นอัตราการไหลเทียบเท่าของอากาศที่สภาวะ "normal" หรือ "standard" (หน่วย SI และ USC นิยามที่อุณหภูมิและความดันที่แตกต่างกัน) รายละเอียดเพิ่มเติมตรงนี้ให้ไปอ่านเพิ่มเติมในภาคผนวก D.9

รูปที่ ๔ จากมาตรฐานฉบับปีค.ศ. ๑๙๙๒ สมการที่ (4) ในรูปนี้เป็นสมการเดียวกับสมการที่ (15) ในรูปที่ ๓ พึงสังเกตว่านิยามของค่า M ในฉบับนี้ใช้คำว่า "molecular weight" ไม่ได้มีคำว่า "relative" เหมือนสมการที่ (15) ในรูปที่ ๓

ต่อไปเป็นหัวข้อ 3.3.3.3.3 ที่เป็นกรณีของของเหลวที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงเฮกเซน (hexane C₆H₁₄) โดยบอกว่าให้ไปดูค่าได้เลยในตารางที่ 5 (หน่วย SI รูปที่ ๕) หรือตารางที่ 6 (หน่วย USC รูปที่ ๖) ซึ่งจะส่งต่อไปยังตารางที่ 7 (หน่วย SI ในรูปที่ ๘) หรือตารางที่ 8 (หน่วย USC ในรูปที่ ๙) โดยขึ้นกับ wetted surface area ของถัง

สาเหตุที่เลือกเฮกเซนน่าจะเป็นเพราะมันมีคุณสมบัติ (ในแง่จุดเดือดและความดันไอ) อยู่ในช่วงค่าเฉลี่ยของน้ำมันเบนซิน (gasoline) คือคุณสมบัติของน้ำมันเบนซินมันมีการกำหนดไว้เป็นช่วงกว้าง ๆ ดังนั้นการใช้น้ำมันเบนซินมาเป็นตัวมาตรฐานก็ก่อปัญหาเรื่องการทำซ้ำผลการทดลองได้

ในกรณีของถังที่มี wetted are ตั้งแต่ 260 ตารางเมตร (หรือ 2,800 ตารางฟุต) การคำนวณความสามารถในการระบายความดันให้นำเอาความดันที่ใช้ในการออกแบบถังมาพิจารณาด้วย กล่าวคือถ้าความดันออกแบบไม่เกิน 7 kPa (หรือ 1 psig) ให้ใช้ค่าที่กำหนดไว้ในตาราง และถ้าความดันสูงเกินกว่าค่าดังกล่าวแต่ไม่เกิน 103.4 kPa (หรือ 15 psig) ให้คำนวณโดยใช้สมการที่ (16) ในกรณีของหน่วย SI หรือสมการที่ (17) ในกรณีของหน่วย USC

รูปที่ ๕ ความสามารถในการระบาย (หน่วย SI) ถ้าของเหลวนั้นมีคุณสมบัติใกล้เคียงเฮกเซน

ในหัวข้อนี้ยังมีหมายเหตุต่าง ๆ เพิ่มเติมดังนี้

ในกรณีของถังทรงกลม (หรือที่เราเรียกถังลูกโลก spherical tank) หรือถังทรงรี (spheriod tank ซึ่งถังรูปแบบนี้ไม่รู้ว่าในบ้านเรามีใช้ที่ไหนบ้าง ปรกติจะเห็นแต่ถังทรงกลม) ให้คิด wetted area เป็น 55% ของพื้นที่ผิวทั้งหมดหรือพื้นที่ผิวจนสูงถึงระดับ 9.14 เมตร (มาจาก 30 ฟุต) จากพื้น ขึ้นอยู่กับว่าตัวเลขไหนมากกว่าก็ใช้ตัวเลขนั้น

ถ้านึกไม่ออกว่าถัง spheroid หน้าตาเป็นอย่างไร ดูได้ในรูปที่ ๗

ในกรณีของถังวางนอน (horizontal tank คือถังทรงกระบอกวางนอน) ให้คิด wetted area เป็น 75% ของพื้นที่ผิวทั้งหมดหรือพื้นที่ผิวจนสูงถึงระดับ 9.14 เมตร (มาจาก 30 ฟุต) จากพื้น ขึ้นอยู่กับว่าตัวเลขไหนมากกว่าก็ใช้ตัวเลขนั้น

ในกรณีของถังที่วางในแนวตั้ง (vertical tank) ถ้าถังนั้นตั้งอยู่บนพื้น ให้คิดเฉพาะพื้นที่ผนังรอบถัง พื้นที่ส่วนพื้น (ground plate) ไม่ต้องนำมาคิด (เพราะมันไม่มีไฟเข้าไปลนก้นถัง) แต่ถ้าเป็นถังที่วางเหนือพื้น ให้นำพื้นที่ส่วนที่เป็นก้นถังมาคิดเป็น wetted area ด้วย (เพราะไฟมันลนก้นถังได้)

จากที่สืบค้นดู เข้าใจว่าตัวเลข 9.14 เมตรหรือ 30 ฟุตนั้นมาจากความสูงของเปลวไฟ (คงเป็นข้อมูลจากประสบการณ์ที่ผ่านมา) ในกรณีที่เชื้อเพลิงแผ่กระจายออกเป็นบริเวณกว้างและเกิดการลุกไหม้แบบที่เรียกว่า pool fire โดยความสูงของเปลวไฟนั้นจะเพิ่มขึ้นตามขนาดการแผ่กว้างของเชื้อเพลิงและปริมาณความร้อนที่ปลดปล่อยออกมา (ขึ้นอยู่กับชนิดเชื้อเพลิงและอัตราการเผาไหม้) 

รูปที่ ๖ ความสามารถในการระบาย (หน่วย USC) ถ้าของเหลวนั้นมีคุณสมบัติใกล้เคียงเฮกเซน

รูปที่ ๗ ถังใบซ้ายและขวาคือ spheroid tank ส่วนอีก ๓ ใบตรงกลางภาพนั้นคือ spherical tank
(รูปจาก https://www.spicoatings-me.com/clients-new/lng-tank-flare-reduction)

รูปที่ ๘ ค่าความสามารถในการระบายความดัน (หน่วย SI) ในกรณีที่ wettted area ไม่เกิน 2800 ตารางฟุต

รูปที่ ๙ ค่าความสามารถในการระบายความดัน (หน่วย USC) ในกรณีที่ wettted area ไม่เกิน 260 ตารางเมตร

รูปที่ ๑๐ Environmental factor สำหรับปรับลดค่าความสามารถในการระบาย ในกรณีที่ผนังของถังนั้นได้รับการป้องกันจากเปลวไฟ

รูปที่ ๑๐ เป็นตารางค่า environmental factor สำหรับปรับลดค่าความสามารถในการระบาย ในกรณีที่ผนังของถังนั้นได้รับการป้องกันจากเปลวไฟ เช่น มีการหุ้มฉนวน ฝังดิน ปิดคลุมด้วยดิน แต่ค่า F ในตารางนี้อิงจากฉนวนความร้อนที่มีคุณสมบัติตามหมายเหตุ a ด้านล่างของตาราง โดยในหมายเหตุ a นี้กล่าวไว้ด้วยว่าถ้าฉนวนที่ใช้นั้นมีคุณสมบัติไม่ถึงเกณฑ์ที่กำหนดนี้ ก็ให้ถือว่าเป็นถังที่ไม่มีฉนวนหุ้ม

ในหมายเหตุ b ก็กล่าวไว้ว่าค่า F ที่ให้นี้อิงจากค่าผลต่างอุณหภูมิและอัตราการป้อนความร้อนที่เป็นไปตามมาตรฐาน ISO 23251 ถ้าสภาพการใช้งานนั้นไม่เป็นไปตามเงื่อนไขนี้ ให้ใช้การตัดสินใจโดยอิงจากความรู้ทางวิศวกรรมที่เหมาะสมในการเลือกค่า F (คืออย่าหยิบเอาค่า F ในตารางไปใช้โดยไม่อ่านหมายเหตุและพิจารณาสภาพความเป็นจริงที่อาจเกิดขึ้น)

หมายเหตุ d บอกว่าแม้ว่าชั้นน้ำที่ไหลลงมาตามผนังถังจะช่วยดูดซับความร้อนได้ แต่ชั้นฟิล์มที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างทำให้เกิดความไม่แน่นอนว่าจะเกิดได้สมบูรณ์มากน้อยเพียงใด ดังนั้นจึงไม่ควรนำเอาการมีน้ำหล่อเย็นผนังถังมาใช้ปรับให้ค่า F ลดต่ำลง

ในหมายเหตุ f ยังกล่าวถึงเงื่อนไขต่าง ๆ ที่เป็นเป็นตามในการเลือกค่า F ที่ให้มา เงื่อนไขหนึ่งก็คือพื้นผิวรอบถังต้องมีความลาดเอียงออกจากถังอย่างน้อย 1% (ลดลง 1 เมตรในระยะ 100 เมตร) ไปยังบริเวณกักเก็บของเหลวที่รั่วออกมา (impounding area) ทั้งนี้เพื่อให้ของเหลวที่รั่วออกจากถังนั้นไหลห่างออกไปจากถัง

รูปที่ ๑๑ ๓ หัวข้อสุดท้ายของการระบายความดันเนื่องจากถังโดนไฟคลอก

รูปที่ ๑๑ เป็น ๓ หัวข้อสุดท้ายของการระบายความดันเนื่องจากถังโดนไฟคลอก หัวข้อ 3.3.3.3.5 กล่าวว่าสามารถนำเอาระบบระบายความดันที่ออกแบบไว้สำหรับการระบายความดันตามปรกติมาใช้ร่วมเป็นส่วนหนึ่งของระบบระบายความดันเมื่อถังโดนไฟคลอกได้

หัวข้อ 3.3.3.3.6 กล่าวว่า ถ้าหากระบบระบายความดันตามปรกตินั้นมีความสามารถในการระบายความดันฉุกเฉินไม่เพียงพอ ก็สามารถติดตั้งระบบระบายความดันฉุกเฉินชนิดที่บรรยายไว้ในหัวข้อ 3.4.2 เพิ่มเติมเพื่อให้ความสามารถในการระบายความดันมีค่าอย่างน้อยเท่ากับค่าที่ให้ไว้ในตารางที่ 5 หรือ 6 หรือตามสมการที่ (14) หรือ (15)

หัวข้อ 3.3.3.3.7 กล่าวว่า ความสามารถรวมในการระบายความดันควรอิงจากค่าความดันที่ให้ไว้ในหัวข้อ 3.6.2

จะเห็นว่าการคำนวณไม่ได้จบในหัวข้อนี้ ยังมีอิงไปยังหัวข้อถัดออกไปอีก