ขาดอากาศ แบบไม่ทันคาดคิด MO Memoir : Friday 12 June 2563

เรื่องการเสียชีวิตเนื่องจากการเข้าไปในที่อับอากาศ ที่อาจมีออกซิเจนไม่เพียงพอต่อการหายใจ หรือมีแก๊สพิษที่ความเข้มข้นที่สูงพอที่สามารถทำให้เสียชีวิตได้ ปรากฏเป็นข่าวบ่อยครั้งในบ้านเรา โดยมักเป็นข่าวเกี่ยวกับคนที่ลงไปซ่อมแซมบ่อน้ำต่าง ๆ และหลายครั้งก็มีผู้เสียชีวิตมากกว่า ๑ รายเนื่องจากผู้ที่มาพบเห็นรีบลงไปช่วยโดยไม่ฉุกคิดอะไร

  

แต่เรื่องแบบนี้ในกรณีที่เกิดกับชาวบ้านทั่วไป จะไปว่าเขาก็ไม่น่าจะได้ เพราะเขาไม่เคยเรียนรู้มาก่อนว่าการเข้าไปทำงานในสถานที่แบบนี้ต้องใช้ความระมัดระวัง ต่างจากผู้ที่ทำงานอยู่ตามโรงงานต่าง ๆ ที่มักจะได้รับการสอน การฝึกอบรม ให้ตระหนักถึงเรื่องเหล่านี้ แต่กระนั้นก็ตามก็มักจะมีเหตุเกิดให้เห็นอยู่ได้เรื่อย ๆ อาจเป็นเพราะไม่คาดคิดว่าสถานที่นั้นจะเป็นอันตราย หรือการที่ใจจดใจจ่อกับงานหนึ่งอยู่ แล้วบังเอิญมีสถานการณ์ที่เบี่ยงเบนสมาธิ ทำให้พาตัวเข้าไปในสถานที่อันตรายโดยไม่ทันคาดคิด ดังเช่นเรื่องที่จะนำมาเล่าสู่กันฟังในวันนี้ ๓ เรื่องด้วยกัน

เรื่องที่ ๑ ถังเก็บน้ำที่ทำจากเหล็ก

เรื่องแรกนี้นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับเดือนธันวาคม ค.ศ. ๑๙๗๑ (พ.ศ. ๒๕๑๔) ฉบับที่ ๓๕ เรื่องที่ ๔ เป็นกรณีของการเข้าไปตรวจในถังเก็บน้ำ และเนื่องจากถังเก็บน้ำนี้ไม่ได้มีการต่ออยู่กับถังอื่น ดังนั้นการเข้าไปในถังจึงไม่ได้มีการปฏิบัติตามขั้นตอนทั่วไปเวลาที่ต้องเข้าไปในพื้นที่ที่มีความเสี่ยงต่อการขาดอากาศ และไม่ได้มีการตรวจวัดสภาพอากาศที่อยู่ในถัง ๓ คนที่เข้าไปในถังนั้นหมดสติแต่กู้ชีพกลับมาได้ ๒ เสียชีวิต ๑ ราย การตรวจสอบสภาพอากาศในถังพบว่ามีความเข้มข้นออกซิเจนต่ำ

 

รูปที่ ๑ คน ๓ คนที่เข้าไปในถังเก็บน้ำ เสียชีวิต ๑ ราย เนื่องจากอากาศในถังเก็บน้ำมีออกซิเจนต่ำ

ทำไมออกซิเจนจึงหายไป Newsletter ฉบับที่ ๓๕ บอกแต่เพียงว่าไม่มีใครรู้ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร แต่อีก ๒ เดือนถัดมา ใน Newsletter ฉบับที่ ๓๗ ประจำเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. ๑๙๗๒ (พ.ศ. ๒๕๑๕) ผู้อ่านรายหนึ่งให้คำอธิบายว่าเป็นเพราะสนิมเหล็กที่เกิดขึ้นอาจเป็นตัวทำให้ออกซิเจนหายไป (รูปที่ ๒)

  

ตรงนี้เรามาลองคำนวณเล่น ๆ กันดีกว่า สมมุติว่าถังน้ำมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 m สูง 5 m ก็จะมีความจุประมาณ 63 m³ อากาศประกอบด้วยไนโตรเจน 79% และออกซิเจน 21% ดังนั้นปริมาตรส่วนที่เป็นแก๊สออกซิเจนในถังก็ประมาณ 13.2 m³ ถ้าออกซิเจนส่วนนี้ทำปฏิกิริยาเกิดสนิมเหล็กไป 2 ใน 3 คือหายไป 8.8 m³ ดังนั้นเพื่อไม่ให้ความดันในถังลดลง ก็ต้องมีอากาศปริมาตร 8.8 m³ นี้เข้ามาแทนที่ออกซิเจนที่หายไปนี้ในปริมาตรเดียวกัน

  

รูปที่ ๒ เหตุการณ์นี้มีผู้ให้คำอธิบายในอีก ๒ เดือนต่อมา ว่าอาจเป็นเพราะสนิมเหล็กทำให้ความเข้มข้นออกซิเจนลดลง

ถ้าให้อากาศในถังมีการผสมกันอย่างสม่ำเสมอ ความเข้มข้นออกซิเจนในถังหลังการเกิดสนิมก็จะเป็น ((13.2 - 8.8) + 0.21 x 8.8)/63 x 100 = 9.92% 

  

สมมุติว่าอุณหภูมิของอากาศคือ 25ºC ดังนั้นจำนวนโมลของแก๊สออกซิเจน (8.8 m³) ที่ทำปฏิกิริยาไปก็ประมาณ 360 โมล (คำนวณจากสูตร PV = nRT) ซึ่งออกซิเจนจำนวนนี้จะทำปฏิกิริยากับเหล็ก 720 mol ในการเกิดสารประกอบ FeO หรือคิดเป็นน้ำหนักอะตอมเหล็กประมาณ 40.32 kg 

  

ความหนาแน่นของ carbon steel ประมาณ 7.85 g/cm³ ดังนั้นเหล็กน้ำหนักดังกล่าวก็จะมีปริมาตร 5136 cm³ จากขนาดของถัง พื้นที่ผนังถังด้านในก็ประมาณ 63 m² หรือ 630000 cm² (ยังไม่รวมพื้นที่ส่วนที่เป็นพื้นและหลังคาอีก 25 m²) ดังนั้นเหล็กที่มีปริมาตร 5136 cm³ ก็ต้องมีความลึกลงไปจากพื้นผิว 5136/630000 = 0.0081 cm หรือ 0.81 mm

 

ออกซิเจนเข้มข้น 8-10% ไม่ได้ทำให้คนหมดสติทันที แต่สามารถหมดสติได้ในเวลาอันสั้น และถ้าไม่ได้รับการช่วยเหลือทันท่วงที ก็อาจเสียชีวิตได้ สนิมเหล็ก (สารประกอบเหล็กออกไซด์หรือ FeO) ที่เกิดขึ้นไม่ได้เกิดเป็นชั้นฟิล์มเคลือบผิวโลหะ ทำให้สนิมเหล็กเกิดลึกลงไปในเนื้อเหล็กได้ จากผลการคำนวณข้างต้นผมเห็นว่าเหตุผลที่มีผู้อธิบายว่าสนิมเหล็กเป็นตัวทำให้ความเข้มข้นออกซิเจนในถังลดต่ำลงนั้น ก็มีความสมเหตุสมผลอยู่

เรื่องที่ ๒ แค่เข้าไปครึ่งตัวคงไม่เป็นอะไร

เรื่องที่สองนี้นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับเดือนกรกฎาคม ค.ศ. ๑๙๗๙ (พ.ศ. ๒๕๒๒) ฉบับที่ ๑๒๕ เรื่องที่ 1(a) (รูปที่ ๓) เป็นกรณีของการยื่นตัวเพียงแค่ครึ่งตัวเพื่อเข้าไปเก็บของที่หล่นไปใน vessel

รูปที่ ๓ เหตุการณ์ที่ช่างประกอบท่อยื่นตัวเพียงแค่ครึ่งตัวเข้าเพื่อเข้าไปเก็บของที่ตกเข้าไปใน vessel โดยลืมนึกไปว่าใน vessel นั้นไม่มีอากาศ

 

ในการหยุดเดินเครื่องโรงงานนั้นจะมีการเปิดทั้งท่อและอุปกรณ์ต่าง ๆ ตรวจสอบ และเมื่อตรวจสอบและทำการซ่อมบำรุงเสร็จแล้วก็จะทำการประกอบกลับเข้าที่เดิม หลังการประกอบกลับก็ต้องทำการทดสอบว่าแต่ละจุดรอยต่อมีการรั่วไหลหรือไม่ (leak test) ปรกติโรงงานที่ทำงานเกี่ยวกับสารไวไฟหรือสารที่สัมผัสอากาศไม่ได้ ก่อนที่จะนำสารเข้าระบบก็ต้องทำการไล่อากาศในระบบออกก่อนด้วยการใช้แก๊สไนโตรเจน (บางกรณีอาจใช้ไอน้ำ ถ้าหากอุปกรณ์นั้นปรกติมีการใช้ไอน้ำอยู่แล้ว หรือมีขนาดใหญ่และรับอุณหภูมิไอน้ำ เช่นหอกลั่น แต่เมื่อไล่เสร็จก็ต้องเอาไนโตรเจนเข้าไปแทนที่อยู่ดีเพื่อรักษาความดัน เพราะเมื่อไอน้ำเย็นตัวลงมันจะเกิดสุญญากาศขึ้นภายใน) การไล่ด้วยไนโตรเจนนี้มีทั้งการให้ไนโตรเจนไหลผ่านตลอดเวลา หรือการอัดแก๊สไนโตรเจนเข้าไปจนระบบมีความดันระดับหนึ่ง จากนั้นจึงระบายแก๊สผสมออก ทำอย่างนี้ซ้ำกันหลายครั้งความเข้มข้นออกซิเจนก็จะลดลงเรื่อย ๆ วิธีการหลังนี้ก็มีข้อดีอย่างคือสามารถทำการตรวจสอบรอยรั่วไปพร้อมกัน

  

ในเหตุการณ์นี้มีการตรวจพบรอยรั่ว (บทความไม่ได้บอกชัดเจนว่าที่ไหน แต่มีการเปิด man-hole) จึงได้ให้ช่างประกอบท่อมาทำการประกอบใหม่ ในระหว่างทำงานนั้นชิ้นส่วนหนึ่งตกลงไปใน vessel ช่างประกอบท่อก็เลยมุดตัวท่อนบนเข้าทาง man-hole เพื่อจะเข้าไปก้มเก็บชิ้นส่วนที่ตก เพื่อนร่วมงานที่อยู่ด้วยเห็นช่างนั้นหยุดนิ่งไม่เคลื่อนไหวเลยรู้ว่าเกิดเรื่องแล้วก็รีบดึงเอาตัวช่างออกมา งานนี้เรียกว่าโชคดีที่ไม่ตาย

  

เป็นเรื่องปรกติที่เมื่อเรากำลังใจจดใจจ่อกับงานหนึ่ง แล้วมีเหตุทำให้งานที่เรากำลังใจจดใจจ่ออยู่นั้นหยุดชะงัก เราก็เลยรีบทำการแก้ปัญหาโดยลืมไปว่าสภาพแวดล้อมการทำงานนั้นเป็นอย่างไร อย่างเช่นในกรณีนี้อาจไม่ใช่เป็นเพราะว่าช่างไม่รู้ว่าภายใน vessel นั้นไม่มีอากาศ แต่อาจเป็นเพราะว่าเขากำลังใจจดใจจ่อกับงานซ่อมอยู่ก็ได้ จนเมื่อมีชิ้นส่วนหลุดเข้าไปใน vessel ก็เลยจะรีบเข้าไปเก็บ (เพื่อทำให้งานซ่อมมันเสร็จโดยไม่เสียเวลา) ก็เลยเกิดเหตุขึ้น

  

พฤติกรรมแบบนี้ผมสอนแลปเคมีนิสิตก็เคยเจอเหมือนกัน คือมีอยู่การทดลองหนึ่งต้องเอาถ้วยกระเบื้องไปเผาในเตาเผาที่อุณหภูมิ 800ºC เผาเสร็จก็ต้องคีมคีบออกจากเตาเผามาวางบนแผ่นกระเบื้อง บางครั้งนิสิตบางคนพลาดด้วยการทำถ้วยกระเบื้องหลุดจากคีมที่คีบอยู่ โดยสัณชาตญาณเขาก็พยายามเอามืออีกข้างไปคว้าถ้วยกระเบื้องที่กำลังตกลงพื้นนั้น (อันนี้ผมว่าเป็นเรื่องปรกติที่ไม่ว่าใครต่อใครก็เป็น) โชคดีที่คว้าไม่ทันไม่งั้นก็มือพองไปแล้ว

เรื่องที่ ๓ คาอยู่ในท่ายืน

เรื่องที่สามนี้นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับเดือนกรกฎาคม ค.ศ. ๑๙๗๙ (พ.ศ. ๒๕๒๒) ฉบับที่ ๑๒๕ เช่นกัน แต่เป็นเรื่องที่ 1(b) (รูปที่ ๔) เป็นกรณีของการยื่นตัวเพียงแค่ครึ่งตัวในท่ายืน เพื่อเข้าไปถอดชิ้นส่วนที่ติดตั้งไว้ในชิ้นส่วนท่อที่ทำการเชื่อม

  

ในระหว่างการเชื่อมโลหะด้วยไฟฟ้านั้นโลหะ ณ ตำแหน่งบริเวณรอยเชื่อมจะมีอุณหภูมิสูงจนหลอมเหลว สภาพเช่นนี้โลหะสามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนหรือแม้แต่ไนโตรเจนในอากาศได้ สารประกอบที่เกิดขึ้นจะทำให้ความแข็งแรงรอยเชื่อมต่ำ ดังนั้นเพื่อป้องกันปัญหาดังกล่าวจึงจำเป็นต้องปิดคลุมบริเวณรอยเชื่อมไม่ให้สัมผัสกับอากาศ การปิดคลุมนี้อาจทำโดยการใช้วัสดุที่เป็นของแข็งที่เรียกว่า flux ที่อาจหุ้มธูปเชื่อมอยู่ หรือเทลงไปตรงตำแหน่งที่ทำการเชื่อม (เช่นในกรณีของเครื่องเชื่อมอัตโนมัติ) ความร้อนจากการเชื่อมจะทำให้ตัว flux นี้หลอมละลายลอยและอยู่บนผิวโลหะหลอมเหลวและมีการเกิดแก๊สขึ้นด้วย สิ่งเหล่านี้ช่วยป้องกันไม่ให้โลหะหลอมเหลวนั้นสัมผัสกับอากาศ แต่ถ้าทำไม่ดี ตัว flux เองก็อาจฝังอยู่ในรอยเชื่อม ทำให้รอยเชื่อมมีปัญหาได้เช่นกัน

  

อีกวิธีการก็คือการใช้แก๊สที่เฉื่อยฉีดพ่นลงไปบริเวณตำแหน่งที่ทำการเชื่อมเพื่อไล่อากาศ การทำแบบนี้มันมีข้อดีคือไม่ต้องกังวลว่าจะรอยเชื่อมจะมีปัญหามีสิ่งปนเปื้อนฝังอยู่อย่างเช่นในกรณีของการใช้ flux แก๊สที่ใช้กันก็มักจะเป็นอาร์กอน (Ar) การเชื่อมแบบนี้บ้านเราเรียกเชื่อมอาร์กอน มีบางงานบ้างเหมือนกันที่ใช้คาร์บอนไดออกไซด์ แต่ที่เคยเห็นกรณีของอะลูมิเนียมหรือเหล็กสแตนเลสจะเห็นใช้แต่อาร์กอน

  

รูปที่ ๔ ช่างเชื่อมเสียชีวิตจากการมุดเข้าไปในท่อเพื่อถอดชิ้นส่วนที่อุดไว้เพื่อประหยัดแก๊สอาร์กอน

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นในโรงประกอบในขณะทำการประกอบชิ้นส่วนท่อ (ที่เรียกว่า spool piece) เพื่อที่จะประหยัดแก๊สอาร์กอนจึงได้ทำการอุดภายในท่อด้วย plug หลังเสร็จสิ้นการเชื่อมช่างจึงมุดเข้าไปในท่อเพื่อตรวจสอบรอยเชื่อมและดึงเอา plug ที่อุดไว้ออก เลยประสบเหตุขาดอากาศ (อาร์กอนแทนที่อากาศภายในท่อ) หมดสติอยู่คาท่อในตำแหน่งนั้น

  

เพื่อนร่วมงานคนหนึ่งเดินผ่านมาเห็นเพื่อนยืนคาอยู่ตรงนั้นก็เลยเข้าไปตบหลังเล่นทักทาย แต่สักพักพอเดินกลับมายังเห็นคนดังกล่าวยังอยู่ในท่าเดิม ก็เลยรู้ว่ามีอะไรผิดปรกติแล้ว

  

ปรกติในการเชื่อมต่อชิ้นส่วนท่อนั้นไม่ได้นำเอาปลายท่อทั้งสองด้านมาต่อชนกัน แต่จะมีการเจียรตรงบริเวณที่จะทำการเชื่อมให้พื้นผิวด้านบนเป็นร่องรูปตัว V โดยที่ยังคงบริเวณใกล้ผนังด้านในให้เป็นเป็นขอบที่ตั้งฉากกันอยู่ และจะนำมาจ่อเข้าใกล้กัน (ห่างกันประมาณไม่เกินขนาดลวดเชื่อมที่ใช้) ก่อนทำการเชื่อม การทำแบบนี้ทำให้มั่นใจว่ารอยเชื่อมจะซึมลึกตลอดทั้งความหนาของชิ้นงาน และช่องว่างนั้นก็เป็นช่องทางสำหรับให้แก๊สอาร์กอนที่พ่นลงจากทางด้านบนนั้นไหลไปทางด้านหลังของรอยเชื่อมเพื่อปกป้องรอยเชื่อมจากทางด้านหลังด้วย

ย่อหน้าสุดท้ายของกรณีนี้ (รูปที่ ๔) มีข้อความที่น่าสนใจคือ vessel ใหม่ที่ส่งมาจากผู้ผลิต ส่งมาโดยมีการอัดแก๊สไนโตรเจนไว้ภายในเพื่อป้องกันความชื้นจากอากาศภายนอก (อันที่จริงถ้าวัตถุประสงค์มีเพียงแค่จะป้องกันความชื้นเท่านั้นก็สามารถใช้อากาศแห้งได้) โดยไม่มีคำเตือนแจ้งมาด้วย งานนี้เรียกว่าโชคดีที่ตรวจพบก่อนก็ได้

อุบัติเหตุที่เกิดจากน้ำแข็งที่เกิดจากการระเหยของ LPG MO Memoir : Wednesday 10 June 2563

Prof. T.A. Kletz เคยเสนอแนะไว้ว่า เราควรที่จะทำการเผยแพร่อุบัติเหตุต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นและสาเหตุที่เกิด เพื่อที่ผู้อื่นจะได้ไม่ทำผิดแบบเดียวซ้ำเดิมอีก แนวความคิดนี้ก็มีบางประเทศนำไปใช้ (ที่เห็นก็มีสหราชอาณาจักรกับออสเตรเลีย) ในขณะที่ดูเหมือนว่าส่วนใหญ่นั้น จะเน้นหนักไปทางด้านการปกปิดด้วยซ้ำ แต่ถึงแม้ว่าจะมีความพยายามที่จะเผยแพร่ความผิดพลาดที่เคยเกิดขึ้นในอดีต แต่ก็มักพบว่าความผิดพลาดซ้ำแบบเดิมก็เกิดขึ้นอยู่เรื่อยเมื่อเวลาผ่านไป สาเหตุหนึ่งอาจเป็นเพราะการเผยแพร่นั้นอยู่ในวงจำกัด (ซึ่งในสมัยที่ยังไม่มีอินเทอร์เน็ตมันก็เป็นเช่นนั้น)

  

เรื่องที่นำมาเล่าให้ฟังในวันนี้เป็นเรื่องที่นำมาจาก ICI Safety Newsletter ๓ เรื่องด้วยกัน เกิดคนละที่ คนละเวลา แต่ด้วยสาเหตุแบบเดียวกัน แต่ก่อนอื่นจะขอทบทวนพื้นฐานความรู้บางเรื่องก่อน

เราสามารถใช้ความดันอัดให้แก๊สกลายเป็นของเหลวได้ก็ต่อเมื่อ อุณหภูมิของแก๊สที่ทำการอัดนั้นต้องต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤต (critital temperature) ของแก๊สนั้น แก๊สที่มีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง จึงสามารถเก็บในรูปของเหลวภายใต้ความดันได้ที่อุณหภูมิห้อง ตัวอย่างของแก๊สเหล่านี้ได้แก่ไฮโดรคาร์บอน C3 และ C4, แอมโมเนีย, คลอรีน และสารทำความเย็นต่าง ๆ ที่ใช้กับเครื่องปรับอากาศและตู้เย็น

  

เวลาที่แก๊สหรือของเหลวที่อยู่ภายใต้ความดันสูงเหล่านี้ รั่วไหลผ่านรูขนาดเล็ก ถ้าการรั่วไหลผ่านนั้นทำให้ค่า Z หรือ compressibility factor เพิ่มขึ้น (ขึ้นอยู่กับสภาวะด้านความดันสูงและด้านความดันต่ำ) ของเหลวหรือแก๊สทางด้านความดันสูงจะมีการดูดเอาความร้อนที่อยู่โดยรอบเข้ามาในตัวมัน ทำให้ด้านความดันสูงมีอุณหภูมิที่ลดต่ำลง ปรากกฏการณ์นี้เรียกว่า Joule-Thomson effect และนี่คือหลักการที่ใช้กับตู้เย็น (ที่เกิดขึ้นที่ช่องแช่แข็ง) หรือเครื่องปรับอากาศ (ที่เกิดขึ้นที่คอยล์เย็น) หรือบางครั้งอาจจะเห็นได้ที่ถังแก๊สหุงต้มที่ระหว่างเปิดแก๊สใช้ ถ้าเอามือจับก็อาจรู้สึกได้ว่าถังแก๊สนั้นเย็นลง หรือบางทีก็อาจเห็นมีหยดน้ำเกาะอันเป็นผลจากการควบแน่นของไอน้ำในอากาศที่อยู่รอบ ๆ ด้านนอกของถัง

เรื่องเกี่ยวกับ Joule-Thomson effec นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๒๒๔ วันอังคารที่ ๒๓ สิงหาคม ๒๕๕๙ เรื่อง "Compressibility factor กับ Joule-Thomson effect"

  

น้ำเป็นของเหลวที่แปลกอยู่อย่างหนึ่ง คือเมื่อมันกลายเป็นน้ำแข็ง โมเลกุลจะมีการเรียงตัวเป็นระเบียบมากขึ้น มีช่องว่างระหว่างโมเลกุลมากขึ้น ความหนาแน่นก็จะลดลง (เราก็เลยเห็นน้ำแข็งลอยบนน้ำได้) นั่นหมายถึงปริมาตรจะเพิ่มขึ้นด้วย สิ่งนี้แต่ก่อนจะเห็นได้ชัดในยุคสมัยที่เรายังกินน้ำอัดลมแบบขวดแก้วกันอยู่ น้ำอัดลมที่แช่เย็นจัดนั้นก่อนเปิดฝาจะเห็นมันเป็นของเหลว แต่เมื่อเปิดฝาขวดจะเห็นมันแข็งตัวกลายเป็นวุ้นขยายตัวขึ้นมา นั่นก็เป็นไปตามหลักของเลชาเตอลิเย (Le Chatelier's principle) เพราะเมื่อความดันของแก๊สเหนือผิวของเหลวในขวดแก้วลดลง ระบบ (ก็คือของเหลวในขวด) ก็จะพยายามปรับตัวด้วยการเพิ่มปริมาตรเพื่อชดเชยความดันที่หลายไป (คือหวังว่าปริมาตรที่เพิ่มขึ้นจะช่วยไปอัดแก๊สเหนือผิวของเหลวให้มีความดันเพิ่มมากขึ้น) ถ้าการเกิดน้ำแข็งนี้เกิดในเส้นท่อที่ปิด การขยายตัวที่เกิดขึ้นนั้นสามารถทำให้ท่อแตกได้ ในประเทศที่อากาศหนาวจัดจนน้ำกลายเป็นน้ำแข็งได้ เวลาวางท่อประปาจึงต้องทำการฝังท่อให้ลึกลงไปใต้ดินไม่น้อยกว่าระดับหนึ่งที่เรียกว่า Frost depth คือระดับความลึกที่ถ้าลึกมากกว่านี้ อุณหภูมิจะสูงกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำ (ซึ่งก็คือ 0ºC)

รูปที่ ๑ ท่อไอน้ำที่ใช้ให้ความร้อนแก่แก๊สปิโตรเลียมเหลวในถังเกิดแตกเนื่องจากไอน้ำที่ควบแน่นกลายเป็นน้ำแข็ง ของเหลวที่เกิดจากไอน้ำที่ควบแน่นนี้ถ้าจะเรียกแบบไม่ให้เข้าใจว่าเป็นอย่างอื่นได้ก็ต้องเรียกด้วยชื่อเต็มคือ steam condensate แต่ถ้ารู้อยู่แล้วว่ากำลังพูดถึงเรื่องไอน้ำอยู่ ก็เรียกว่า condensate เท่านั้นก็ได้

  

กรณีที่ ๑ ท่อไอน้ำแตกเนื่องจาก steam condensate กลายเป็นน้ำแข็ง

เรื่องนี้ (รูปที่ ๑) นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๓๘ เรื่องที่ ๕ เดือนมีนาคม ๑๙๗๒ (พ.ศ. ๒๕๑๕) ในเนื้อเรื่องไม่ได้ให้ภาพประกอบอะไรไว้ก็เลยขอวาดภาพประกอบขึ้นเอง (รูปที่ ๒ ข้างล่าง) เพื่อให้คนที่นึกภาพไม่ออกพอจะเห็นภาพ และคาดว่าถึงแม้ว่าจะแตกต่างจากของจริง แต่ก็น่าจะยังคงหลักการไว้

รูปที่ ๒ อุณหภูมิที่ลดต่ำลงทำให้ไอน้ำที่ควบแน่นในท่อไอน้ำ ขยายตัวจนท่อไอน้ำแตก แก๊ส LPG จึงรั่วไหลเข้าไปในท่อไอน้ำ ไหลผ่านวาล์วกันการไหลย้อนกลับ กระจายผ่านระบบท่อไอน้ำไปยังส่วนต่าง ๆ ของโรงงาน

ในสภาพอากาศที่ร้อนและไม่เย็นจัด และการใช้แก๊สนั้นมีไม่มาก ความร้อนของอากาศรอบ ๆ ถังก็เพียงพอที่จะทำให้แก๊ส LPG ในถังระเหยได้ทันกับความต้องการ แต่ในกรณีที่มีความต้องการใช้แก๊สมากหรือช่วงเวลาที่อากาศเย็นจัด อุณหภูมิของสภาพแวดล้อมไม่สามารถทำให้แก๊สระเหยได้ทันกับความต้องการ ดังนั้นเพื่อให้แก๊สระเหยได้ทันกับความต้องการก็ต้องมีการให้ความร้อนแก่แก๊สที่อยู่ในถัง การให้ความร้อนนี้อาจให้จากภายนอกเช่นในกรณีของถังแก๊สขนาดเล็กหรือถังแก๊สหุงต้มแบบที่ใช้กันตามบ้านเรือน วิธีการหนึ่งที่ปลอดภัยก็คือการใช้อากาศร้อนเป่าไปที่ถังแก๊ส (อุบัติเหตุที่เกิดจากการใช้ขดลวดให้ความร้อนเคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๙๘ วันพฤหัสบดีที่ ๑๑ มกราคม ๒๕๖๑ เรื่อง "ถัง LPG ระเบิดจากการได้รับความร้อนสูงเกิน" ) แต่ถ้าเป็นในระดับโรงงานอุตสาหกรรมแล้ว การให้ความร้อนผ่านผนังถังภายนอกคงไม่เหมาะสม การให้ความร้อนผ่านขดท่อไอน้ำน่าจะเหมาะสมกว่า

  

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับถังแก๊ส LPG ที่จ่ายให้กับ Furnace ต่าง ๆ ในโรงงาน ถังแก๊สนี้มีขดท่อไอน้ำอยู่ภายในเพื่อให้ความร้อนช่วยในการระเหยแก๊ส วันหนึ่งความต้องการแก๊สสูงมากจนทำให้ความดันด้านขาออกตกลงมาก แก๊สที่เป็นของเหลวในถังจึงระเหยมากขึ้น คาดว่าเหตุการณ์นี้คงทำให้การดึงความร้อนมีมากเกินกว่าที่ไอน้ำจะจ่ายให้ทัน เกิดไอน้ำที่ควบแน่นเป็นของเหลว (condensate) สะสมในท่อไอน้ำมาก (steam trap คงระบายไม่ทันด้วย) 

   

ปรกติการเกิดน้ำแข็งในท่อนั้น ถ้าเกิดเป็นช่วงสั้น ๆ ที่ปลายด้านทั้งสองด้านของก้อนน้ำแข็งนั้นเป็นปลายเปิดอยู่ น้ำแข็งก็ยังมีโอกาสขยายตัว แต่ถ้าเกิดน้ำแข็งเป็นช่วงต่อเนื่องในเส้นท่อที่ยาวนั้น โอกาสที่ท่อตอนกลางจะแตกจะมีสูง เพราะไม่มีที่ว่างให้น้ำแข็งนั้นขยายตัวออกไปได้ และอีกปัจจัยหนึ่งที่อาจมีส่วนร่วมด้วยก็คือ ถ้าท่อนั้นไม่ได้ออกแบบมาเผื่อกรณีของความเย็น โลหะที่ใช้นั้นเมื่อเย็นจัดก็จะเปลี่นจากเหนียวเป็นเปราะแทน ทำให้แตกหักได้ง่ายขึ้น

  

ในเหตุการณ์นี้ เมื่อท่อเย็นจัดจนน้ำแข็งในท่อนั้นดันให้ท่อแตก แก๊ส LPG ที่ความดันสูงกว่าไอน้ำก็ไหลเข้าระบบท่อไอน้ำ รั่วซึมผ่านวาล์วกันการไหลย้อนกลับ กระจายไปตามส่วนต่าง ๆ ของโรงงานผ่านทางท่อไอน้ำ ส่วนจะเกิดอะไรขึ้นตามมานั้นบทความไม่ได้บอกไว้

  

"วาล์วกันการไหลย้อนกลับ" นี้ถ้าเป็นภาษาอังกฤษแบบ UK จะใช้ "non-return valve" แต่ถ้าเป็นแบบ USA จะใช้ "check valve" วาล์วกันการไหลย้อนกลับนั้นมีไว้เพื่อป้องกันการไหลย้อนในปริมาณมาก แต่อย่าไว้ใจว่ามันสามารถป้องกันการรั่วซึมผ่านทีละน้อย ๆ ได้ ส่วนคำว่า "condensate" นั้นหมายถึงของเหลวที่เกิดจากไอที่ควบแน่น ส่วนของเหลวนั้นจะเป็นอะไรก็ขึ้นอยู่กับว่ากำลังพูดเรื่องอะไรอยู่ ถ้าเป็นเรื่องไอน้ำมันก็จะหมายถึง steam condensate หรือไอน้ำที่ควบแน่น ถ้าเป็นเรื่องการขุดเจาะแก๊สธรรมชาติมันจะหมายถึง natural gas condensate ซึ่งก็คือไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C5 ขึ้นไป

  

รูปที่ ๓ Bolt ที่ใช้ยึดส่วน floating head ของ shell and tube heat exchanger ฉีกขาด เนื่องจากน้ำที่อยู่ใน tube กลายเป็นน้ำแข็ง

กรณีที่ ๒ Bolt ที่ใช้ยึด floating head ขาด เมื่อน้ำใน tube กลายเป็นน้ำแข็ง

คำว่า "Bolt" ในภาษาอังกฤษ แปลเป็นไทยก็คือ "สลักเกลียว" หรือ "น็อตตัวผู้" และสิ่งที่มาคู่กันคือ "Nut" ที่ไม่ได้แปลว่าถั่ว แต่หมายถึง "แป้นเกลียว" หรือ "น็อตตัวเมีย" แต่คนไทยจะเรียกรวมไปเลยว่า "น็อต" สิ่งที่คล้ายน็อตตัวผู้แต่ปลายแหลมและไม่ต้องใช้น็อตตัวเมียช่วยในการยึดก็คือ "Screw" หรือที่แปลเป็นไทยว่า "ตะปูเกลียว" ตะปูเกลียวคือสิ่งที่เรามักจะเห็นกันในการประกอบชิ้นงานไม้ แต่ก็มีเหมือนกันที่ใช้สำหรับงานเหล็ก เช่นตะปูเกลียวที่ใช้ยึด metal sheet ที่ใช้ทำแผ่นหลังคา

  

เรื่องนี้ (รูปที่ ๓) นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๘๙ เรื่องที่ ๑ เดือนกรกฎาคม ๑๙๗๖ (พ.ศ. ๒๕๑๙) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นกับ shell and tube heat exchanger ชนิด floating head แม้ว่าในเนื้อเรื่องจะให้ภาพประกอบไว้แต่ก็ไม่ชัดเจนเท่าใด ยิ่งคนไม่รู้จัก shell and tube heat exchanger ชนิด floating head แล้ว จะมองภาพเหตุกาณ์ไม่ออกเลย ดังนั้นก็เลยจะขอเอารูปจากที่อื่นมาให้ดูเพื่อปูพื้นฐานให้ก่อน (รูปที่ ๔) 

  

รูปที่ ๔ ตัวอย่างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน Shell and tube heat exchanger ชนิด floating head ในรูปนี้ fluid ชนิดที่หนึ่งจะไหลตามเส้นสีน้ำเงิน โดยไหลเข้าทางด้าน stationary head ทางด้านซ้าย ไหลเข้าไปในท่อ (tube) ไปจนถึงส่วน floating head ที่อยู่ทางด้านขวา จากนั้นจะไหลวนกลับเข้า tube ใหม่ ไหลย้อนกลับมาทาง stationary head ที่อยู่ทางด้านซ้าย ก่อนจะไหลออกไป ส่วน fluid ชนิดที่สองจะไหลตามเส้นสีน้ำเงิน เรียกว่าไหลเข้าทางส่วน shell (ที่ห่อหุ้มส่วน tube เอาไว้) fluid ชนิดที่สองนี้จะอยู่ทางด้านนอกของ tube ระหว่างที่มันไหลผ่านไปใน shell มันก็จะแลกเปลี่ยนความร้อนกับ fluid ชนิดที่หนึ่งที่ไหลอยู่ใน tube ด้าน floating head cover (ด้านขาว) นั้นแค่วางอยู่ในส่วน shell cover ดังนั้นมันจะเลื่อนไปทางซ้ายหรือทางขวาได้ตามการยืดหรือหดตัวของ tube คือถ้า tube ยืดตัวมันก็จะขยับไปทางขวา ถ้า tube หดตัวมันก็จะขยับไปทางซ้าย การออกแบบเช่นนี้ก็เพื่อไม่ต้องการให้เกิด thermal stress เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนเพราะตัว tube กับตัว shell นั้นมีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน จึงมีอัตราการขยายตัวที่แตกต่างกัน ถ้าออกแบบให้ส่วน tube bundle กับ shell นั้นยึดติดกัน ก็อาจเกิดความเค้นที่สูงที่เกินกว่า tube หรือ shell จะรับได้ ส่วนตัวไหนจะพังก่อนก็ขึ้นอยู่กับว่าใครอ่อนแอกว่ากัน (รูปนี้นำมาจาก https://www.quora.com/What-is-a-floating-head-type-heat-exchanger-Mention-the-significance)

เหตุการณ์นี้เกิดกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ชนิด floating head ที่ใช้แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างน้ำหล่อเย็น (ที่ไหลใน tube) กับโพรพิลีนเหลว (ที่ไหลใน shell) ในระหว่างการหยุดเดินเครื่องโรงงานมีการปิดวาล์วน้ำหล่อเย็นเข้าและออก (มีน้ำขังอยู่เต็มทั้งในส่วน tube และ head) ตามด้วยการลดความดันในระบบด้วยการระบายโพรพิลีนเหลวที่ค้างอยู่ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนออก ในขณะที่โพรพิลีนระเหยออกไป อุณหภูมิภายในลดต่ำลงเรื่อย ๆ จนทำให้น้ำใน tube นั้นแข็งตัว การขยายตัวของน้ำแข็งทำให้สลักเกลียวที่ยึด floating head cover ไว้กับ floating tube sheet เอาไว้ขาดจำนวน ๗ ตัว และด้วยการที่ส่วนนี้มันถูกปิดซ่อนเอาไว้ภายใน โอเปอร์เรเตอร์จึงไม่รู้ว่าข้างในเกิดอะไรขึ้น เห็นแต่มีน้ำแข็งเกาะอยู่ที่ผิวด้านนอก แต่ไม่ทราบว่าความหมายคืออะไร ดังนั้นเมื่อโรงงานกลับมาเดินเครื่องอีกครั้ง โพรพิลีนจึงไหลย้อนเข้าไปในระบบท่อน้ำหล่อเย็นก่อนไปทำให้ท่อน้ำหล่อเย็นแตก ตามด้วยการระเบิดของโพรพิลีนที่รั่วออกมา

  

ข้อพึงปฏิบัติที่ได้จากบทเรียนนี้คือ ควรให้น้ำหล่อเย็น "ไหลผ่าน" ตลอดเวลาที่ทำการลดความดัน เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง (คือน้ำที่ไหลออกมาอาจจะเย็นลง แต่มันปลอดภัยกว่าการที่มันเป็นน้ำแข็งใน tube)

ถ้าการที่น้ำกลายเป็นน้ำแข็งมันก่อปัญหา ดังนั้นถ้าหากในท่อนั้นมันเป็นท่อเปล่าที่ไม่มีน้ำ ปัญหาก็ไม่น่าจะเกิด และก็มีคนคิดเช่นนี้และทำอย่างนี้จริง

  

แต่ก็ไม่วายที่ยังเกิดปัญหาได้อีก ซึ่งนี้ก็คือเรื่องต่อไปที่นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๑๓๐ เรื่องที่ ๓ เดือนธันวาคม ๑๙๗๙ (พ.ศ. ๒๕๒๒) 

   

กรณีที่ ๓ น้ำที่ค้างอยู่ใน tube ทำให้ tube แตกเมื่อน้ำใน tube กลายเป็นน้ำแข็ง

เรื่องสุดท้ายของ Memoir ฉบับนี้ (รูปที่ ๕) นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๑๓๐ เรื่องที่ ๓ เดือนธันวาคม ๑๙๗๙ (พ.ศ. ๒๕๒๒) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube เช่นกัน ที่มีน้ำไหลอยู่ทางด้าน tube และโพรเพนไหลทางด้าน shell

  

รูปที่ ๕ น้ำที่ค้างอยู่ใน tube ทำให้ tube แตกเมื่อมันกลายเป็นน้ำแข็ง

ในการหยุดเดินเครื่องเพื่อทำการซ่อมบำรุง ทางโรงงานได้ระบายน้ำออกจากส่วน tube ก่อน จากนั้นจึงค่อยลดความดันทางด้าน shell ด้วยการระบายโพรเพนออก แต่บังเอิญบาง tube นั้นมีสิ่งสกปรกอุดตัน ทำให้ยังคงมีน้ำค้างอยู่ในบาง tube (เรื่องนี้ยากที่จะตรวจสอบเว้นแต่จะทำการเปิด shell cover เพื่อตรวจ tube) และเมื่ออุณหภูมิเย็นลง (อันเป็นผลจากการระเหยของโพรเพน) จนน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง การขยายตัวของน้ำแข็งที่เกิดขึ้นก็ทำให้ tube เสียหายไปเป็นจำนวนถึง 22 tube (ที่ใช้คำว่า "tube" ก็เพื่อต้องการระบุว่ามันไม่ใช่ "pipe" สองคำนี้แปลเป็นไทยออกมาเป็นคำ ๆ เดียวกันคือ "ท่อ" แต่ความหมายในภาษาอังกฤษนั้นมันแตกต่างกันอยู่)

  

ตรงนี้อาจมีคนสงสัยว่าแม้ว่าจะใช้วิธีให้มีน้ำไหลผ่านตลอดในขณะที่ลดความดันทางด้านฝั่ง shell ในท่อที่อุดตัน (ที่น้ำที่ค้างอยู่ไม่มีการไหลออก) จะไม่กลายเป็นน้ำแข็งหรือ คำตอบก็คือการไหลผ่านของน้ำ (น้ำที่ไหลเข้ามาทำหน้าที่เหมือนกับนำความร้อนเข้ามา) จะช่วยป้องกันไม่ให้อุณหภูมิภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนลดต่ำลงจนทำให้น้ำที่อยู่ในท่อที่อุดตันกลายเป็นน้ำแข็งได้ เหตุการณ์แบบนี้ก็จะไม่เกิด

จะว่าไปแล้ว อุบัติเหตุที่รุนแรงที่สุดที่เกิดจากการที่น้ำเป็นน้ำแข็งในขณะที่แก๊ส LPG ลดความดันเมื่อไหลผ่านวาล์วนั้นน่าจะเป็นกรณีของการระเบิดของถังเก็บ LPG ที่เมื่อ Feyzin (ถามคนรู้ภาษาฝรั่งเศส เขาบอกว่าอ่านว่า "เฟแซง") ประเทศฝรั่งเศสเมื่อเดือนมกราคม ปีค.ศ. ๑๙๖๖ (พ.ศ. ๒๕๐๙) เหตุการณ์นี้เคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๖๔๐ วันอาทิตย์ที่ ๗ กรกฎาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "การระเบิดของถัง LPG ที่เมือง Feyzin ประเทศฝรั่งเศส" ที่ได้กลายเป็นกรณีศึกษาของวิศวกรรมเคมีเรื่องความปลอดภัยในการทำงานและออกแบบ