Tube furnace ระเบิดจากการฉีกขาดของท่อน้ำมัน MO Memoir : Wednesday 8 October 2568

ในหนังสือ "Myths of the Chemical Industry, or 44 Things a Chemical Engineer Ought NOT to Know" ที่เขียนโดย Prof. T.A. Kletz มีเรื่องหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับ Tube furnace โดยมีรูปและข้อความประกอบว่า "An elephant has a good memory ... But a furnace tube has a better one" (รูปที่ ๑) ถ้าแปลเป็นไทยก็คงออกมาทำนองว่า "ช้างมีความจำที่ดี แต่ท่อของเตาเผามีความจำที่ดีกว่า" เนื้อหาในเรื่องดังกล่าวเกี่ยวกับอายุการใช้งานของท่อโลหะที่ได้รับความร้อนสูงเกินกว่าที่ออกแบบไว้ แม้ว่าจะเป็นช่วงระยะเวลาสั้น ๆ ก็ตาม

รูปที่ ๑ รูปประกอบนี้นำมาจากฉบับพิมพ์ครั้งที่ ๓ ที่มีการเปลี่ยนชื่อหนังสือเป็น "Dispelling chemical engineering myths, Third Edition" เนื่องจากมีการเพิ่มเนื้อหาต่าง ๆ เพิ่มเติมเข้ามา และมีการแก้ไขภาษา โดยฉบับพิมพ์ครั้งแรก (ผมซื้อเก็บไว้แต่หายไปไหนก็ไม่รู้ เข้าใจว่าถูกยืมไปแล้วหายไปเลย) เป็นการใช้ภาษาการเรียกอุปกรณ์ต่าง ๆ แบบ British English แต่ฉบับพิมพ์ครั้งต่อมามีการปรับแก้ไขภาษาการเรียกอุปกรณ์ต่าง ๆ เป็นแบบ Ameirican English

ในหนังสือดังกล่าวได้ยกตัวอย่างว่าถ้าท่อของ tube furnace ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานที่อุณหภูมิ 500ºC เป็นเวลา 100,000 ชั่วโมง (หรือ 11 ปี)

ถ้าถูกใช้งานที่อุณหภูมิ 506ºC อายุการใช้งานจะลดเหลือ 6 ปี

ถ้าถูกใช้งานที่อุณหภูมิ 550ºC อายุการใช้งานจะลดเหลือ 3 เดือน

ถ้าถูกใช้งานที่อุณหภูมิ 635ºC อายุการใช้งานจะลดเหลือ 20 ชั่วโมง

กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือถ้ามีช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งท่อนั้นถูกใช้งานที่อุณหภูมิสูงเกินกว่าที่ออกแบบไว้ แม้ว่าหลังจากนั้นจะมีการกลับมาใช้งานงานที่อุณหภูมิเดิมหรือต่ำกว่าเดิม ความเสียหายที่เกิดขึ้นตอนที่ถูกใช้งานที่อุณหภูมิสูงเกินนั้นไม่ได้หายไปด้วย มันยังคงอยู่ ทำให้อายุการใช้งานของท่อลดลงได้มาก

ตรงนี้ขออธิบายเพิ่มเติมนิดนึง กล่าวคือการออกแบบเผื่อ (ว่าจะมีการทำงานสูงเกินภาวะปรกติ) ในเรื่องของอุณหภูมินั้นแตกต่างไปจากความดัน การเผื่อการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเกินนั้นทำได้ด้วยการเพิ่มความหนาของวัสดุที่ใช้ทำ แต่ในเรื่องของอุณหภูมินั้นต้องเปลี่ยนแปลงชนิดวัสดุที่ใช้ทำ

เหตุการณ์ที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากรายงานการสอบสวนเรื่อง "Accident Investigation Report on the Explosion and Fire at the Irving Oil Refinery, Saint John, New Brunswick" รายงานไม่ระบุประเทศแต่ค้นดูแล้วน่าจะเป็นแคนาดา โดยเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อเวลาประมาษ ๙.๓๐ น ของวันอังคารที่ ๙ มิถุนายน ค.ศ ๑๙๙๘ (พ.ศ. ๒๕๔๑) ซึ่งเป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับท่อ (tube) ของเตาเผา (Furnace) โดยท่อดังกล่าวได้รับความร้อนสูงเกินเนื่องจากเปลวไฟนั้นพุ่งไปกระทบกับผิวท่อโดยตรง ทำให้ท่อเกิดการฉีกขาด น้ำมันความดันสูงที่อยู่ในท่อก็เลยพุ่งออกมาทำให้เกิดการระเบิดตามมา

เตาเผาดังกล่าวเป็นของหน่วย Hydrotreater - Hydrocraker โดยทำหน้าที่ให้ความร้อนแก่น้ำมันดิบก่อนเข้ากระบวนการ Hydrocracker (กำจัดสิ่งปนเปื้อนด้วยการใช้แก๊สไฮโดรเจนดึงสารเหล่านั้นออกมาในรูปสารประกอบไฮโดรเจน) และ Hydrocraker (ทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนขนาดใหญ่ที่มีความไม่อิ่มตัวสูง (มีพันธะ C=C อยู่มาก) กลายเป็นโมเลกุลที่มีความอิ่มตัวเพิ่มขึ้นด้วยการเติมไฮโดรเจน (เปลี่ยนพันธะ C=C เป็น C-C) และแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง) ปฏิกิริยานี้เกิดที่อุณหภูมิและความดันสูง น้ำมันดิบที่มีความดันสูงจะถูกแยกเป็นสองสายเท่า ๆ กันไหลผ่านเตาเผา ๒ เตา (เตาด้านทิศตะวันออกและเตามด้านทิศตะวันตก) เพื่อรับความร้อนจากเปลวไฟที่อยู่ภายในเตาเผา ก่อนจะไหลออกมารวมกันและต่อไปยังหน่วย Hydrotreater - Hydrocraker เตาเผาที่ใช้เป็นชนิด cabin type โดยท่อในเตาเผานั้นวางในแนวนอน (รูปที่ ๒) ท่อนั้นเป็นท่อขนาด 8 นิ้วทำจากโลหะสแตนเลสสตีล 347

รูปที่ ๒ การวัดวางท่อในตัว furnace โดยท่อนั้นวางในแนวนอน (แถวล่างสุดคือแถวที่ ๑ และแถวบนสุดคือแถวที่ ๘) ตัวหัวเตาที่ให้ความร้อนนั้นอยู่ที่ระดับพื้นด้านล่างทั้งทางด้านซ้ายและขวาของท่อ

ท่อที่ใช้ในเตาเผานั้นมีทั้งแบบใช้ท่อตรงและท่อที่เป็นขดเกลียว ถ้าใช้ท่อที่เป็นขดเกลียวรูปทรงเตาก็จะเป็นทรงกระบอก แต่ถ้าใช้ท่อที่เป็นท่อตรงรูปทรงเตาก็มักจะเป็นสี่เหลี่ยม ตรงนี้บางรายจะแยกออกว่า "Cabin type" จะเป็นชนิดที่วางท่อในแนวนอน ถ้าเป็น "Box type" ก็จะเป็นชนิดที่วางท่อในแนวตั้ง แต่บางรายก็จะใช้เรียกรวมกัน แต่ในรายงานฉบับท่นำมาเล่านี้จะแยกระหว่า งcabin type และ box type

ตัวท่อได้รับความร้อนจากหัวเตาที่ขนาบอยู่ทางด้านซ้ายและขวาด้านละ 22 หัวเตา ตำแหน่งติดตั้งหัวเตานั้นอยู่ที่ระดับพื้นด้านล่างของเตา โดยอยู่ในร่องอิฐทนไฟที่บังคับให้เปลวไฟที่พุ่งออกมาจากหัวเตานั้นเปลี่ยนทิศทางพุ่งขึ้นด้านบน การทำเช่นนี้เพื่อป้องกันไม่ให้เปลวไฟพุ่งไปกระทบผิวท่อโดยตรง เพราะจะทำให้บริเวณที่เปลวไฟพุ่งกระทบนั้นร้อนจัดกว่าบริเวณอื่น (โลหะเมื่อร้อน ความแข็งแรงจะลดลง ตรงไหนร้อนมากกว่าบริเวณอื่น จุดนั้นความแข็งแรงก็จะต่ำลงไปอีก)

รูปที่ ๓ มุมมองจากทางด้านบน ตัวบนคือเตาด้านทิศตะวันตก ตัวล่างคือเตาด้านทิศตะวันออก หัวเตาที่มีเปลวไฟให้ความร้อนจะอยู่ขนาบทั้งสองข้างของขดท่อที่วางอยู่ตรงกลาง แก๊สร้อนที่เกิดขึ้นจะลอยออกทางปล่องที่อยู่ทางด้านบน

เวลาประมาณ ๘.๕๐ น ของเช้าวันที่เกิดนั้น โอเปอร์เรเตอร์ของหน่วยข้างเคียงพบเห็นมีกลุ่มควันพวยพุ่งออกมาจากปล่องของเตาเผา จึงได้แจ้งไปยังหน่วยที่รับผิดชอบ และประมาณเวลาใกล้เคียงกัน โอเปอร์เรเตอร์ที่เฝ้าตรวจการทำงานของเตาเผาในห้องควบคุมพบเห็นค่าออกซิเจนส่วนเกินในแก๊สที่ระบายออกทางปล่องของเตาเผานั้นลดต่ำลง จึงได้แจ้งให้โอเปอร์เรเตอร์เข้าไปเพิ่มอัตราการไหลให้กับอากาศ ซึ่งต้องไปทำการปรับที่ตัวเตาเผา

ในทางทฤษฎีนั้น อุณหภูมิแก๊สร้อนสูงสุดที่จะได้จากการเผาเชื้อเพลิงจะเกิดที่อากาศ "พอดี" สำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิงได้สมบูรณ์ หรือที่ทางเคมีเรียกว่า "stoichiometric ratio" ถ้าอากาศน้อยเกินไป เชื้อเพลิงเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ไม่สามารถดึงเอาพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงออกมาได้หมด อุณหภูมิแก๊สที่ได้ก็จะไม่สูงสุด ถ้าอากาศมากเกินไป ความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิง (ขึ้นกับปริมาณเชื้อเพลิง) จะต้องเฉลี่ยไปยังอากาศส่วนเกินเพื่อทำให้อากาศส่วนเกินนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้นไปด้วย ยิ่งอากาศเกินมามาก ความร้อนที่ได้เท่าเดิมก็ต้องเฉลี่ยออกไปมาก อุณหภูมิแก๊สร้อนเฉลี่ยก็จะลดลง โดยในทางปฏิบัตินั้น การเผาไหม้เชื้อเพลิงจะทำได้สมบูรณ์เมื่อมีอากาศมากเกินพอเล็กน้อย (มันมีเรื่องรูปแบบการผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศ และระยะเวลาการเผาไหม้เข้ามายุ่ง) ในอุบัติเหตุครั้งนี้โอเปอร์เรเตอร์เข้าใจว่าที่เห็นปริมาณอากาศส่วนเกินลดต่ำลงเป็นเพราะป้อนอากาศให้ไม่พอ แต่ในความเป็นจริงน่าจะเกิดจากท่อในเตาเผาเริ่มฉีกขาด ทำให้น้ำมันในท่อรั่วออกมาลุกติดไฟ อากาศส่วนเกินก็เลยลดลง และเป็นเปลวไฟสีเหลืองเกิดขึ้นในเตาเผา

เหตุการณ์ในช่วงเวลาก่อนเกิดเหตุนั้นมีโอเปอร์เรเตอร์จากหน่วยอื่นเข้ามาร่วมงาน แต่ในขณะที่โอเปอร์เรเตอร์จากหน่วยอี่นกำลังเดินออกไปโดยมีเพียงโอเปอร์เรเตอร์หลักที่ดูแลเตาเผานั้นอยู่ในบริเวณดังกล่าวเพียงรายเดียว ก็เกิดการระเบิดขึ้น ทำให้โอเปอร์เรเตอร์หลักที่อยู่ตรงเตาเผานั้นเสียชีวิต

การตรวจสอบเตาเผาด้านตะวันออกที่เกิดการระเบิดนั้นพบว่า ท่อแถวที่สอง (นับจากด้านล่าง) หลุดจากตำแหน่งที่ควรอยู่ตรงกึ่งกลางของเตามากระแทกผนังด้านทิศตะวันออก แรงกระแทกรุนแรงถึงขึ้นทำให้ผนังเตาด้านทิศตะวันออกเกิดความเสียหาย ท่อบริเวณดังกล่าวมีรอยฉีกขาดยาว 4 ฟุต 8 นิ้วโดยอยู่ห่างจากปลายด้านทิศใต้ประมาณ 18ฟุต (นั่นแสดงว่ารอยฉีกขาดอยู่ทางทิศตะวันตก น้ำมันภายใต้ความดันสูงที่ฉีดพ่นออกมาจึงดันให้ท่อเคลื่อนตัวไปทางทิศตะวันออก)

การตรวจสอบเนื้อโลหะของท่อพบว่ารอยแตกเกิดจาก "การคืบ (creep)" เนื่องจากเนื้อโลหะของท่อบริเวณดังกล่าว (ตรงกับหัวเตาหมายเลข 58) ถูกเปลวไฟพุ่งกระทบโดยตรง การสอบสวนไม่สามรถระบุสาเหตุที่เป็นต้นตอได้ แต่กล่าวไว้ว่าสามารถเกิดได้จากหลายสาเหตุเช่น เศษอิฐทนไฟเข้าไปติดหรือไปสะสมบริเวณหัวเตา, การเปลี่ยนทิศทางของเปลวไฟหรือเปลวไฟถูกทำให้เบี่ยงทิศทาง, การสะสมของโค้ก (coke คือคราบคาร์บอน) บนรูของหัวเตา หรือการเสื่อมสภาพของอิฐทนไฟที่เป็นที่ติดตั้งหัวเตา (คือเปลวไฟที่พุ่งออกมาจากหัวเตาจะถูกอิฐทนไฟเบียงทิศทางให้พุ่งขึ้นบนแทนที่จะพุ่งเข้าหาท่อโดยตรง)

สัญญาณเตือนอุณหภูมิผิวท่อสูงเกินนั้นเดิมถูกตั้งไว้ที่ 970ºF (ประมาณ 521ºC) แต่ต่อมาได้ถูกปรับขึ้นเป็น 990ºF (ประมาณ 532ºC) จากการตรวจสอบเนื้อโลหะ (สแตนเลสสตีลเบอร์ 347) พบการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่จะเกิดในช่วงอุณหภูมิ 1300-1500ºF (ผิวท่อบริเวณดังกล่าวไม่มีตัวตรวจวัดอุณหภูมิติดตั้งไว้) ผู้เชี่ยวชาญประมาณไว้ว่าที่อุณหภูมิ 1300ºF อายุการใช้งานของท่อจะเหลือเพียง 1000 ชั่วโมง และที่อุณหภูมิ 1500ºF อายุการใช้งานจะเหลือเพียงแค่ 8 ชั่วโมง

"การล้า" หรือ "ความล้า" หรือที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า "creep" นั้นเกิดเมื่อวัสดุนั้นมีแรงกระทำที่ไม่สูงถึงขึ้น yield strength (ความเค้นสูงสุดที่วัสดุรับได้ก่อนเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างถาวร) แต่แรงกระทำนั้นมากพอและกระทำต่อเนื่องเป็นเวลานาน ในที่นี้แรงกระทำคือความดันภายในท่อที่พยายามดันให้ท่อบวมออก ถ้าท่อมีความแข็งแรงเพียงพอท่อก็จะไม่เกิดความเสียหายใด ๆ แต่ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ความแข็งแรงของท่อจะลดลง (ค่า yield strength ลดต่ำลง) ในขณะที่แรงกระทำที่เกิดจากความดันภายในท่อยังคงเท่าเดิม ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไปนานพอท่อก็จะเกิดการฉีกขาดได้

รายงานต้นฉบับดาวน์โหลดได้ที่ https://ncsp.tamu.edu/reports/WHSCC/irvingreport.pdf