ไฟไหม้โรงงานผลิตไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์ MO Memoir : Sunday 1 May 2559

เนื้อหาในบทความนี้นำมาจากบทความเรื่องที่ ๖ ในวารสาร Loss Prevention Bulletin ฉบับที่ ๐๙๗ ปีค.ศ. ๑๙๙๑ เรื่อง "Pipe rupture and fire in a vinyl chloride monomer (VCM) plant" บทความไม่ปรากฏชื่อผู้เขียน ไม่ปรากฏสถานที่และวันเวลาที่เกิดเหตุ (อันที่จริงมันก็ไม่ใช่สาระสำคัญ) แต่ได้ให้ภาพเหตุการณ์ที่เกิดดังนี้

ในเช้าวันหนึ่ง ข้องอ 90 องศาขนาด 100 มิลลิเมตรฉีกขาดออก ทำให้มีไวนิลคลอไรด์ (vinyl chloride) และเอทิลีนไดคลอไรด์ (EDC - ethylene dichloride) (บางทีก็เรียกว่าไดคลอโรอีเทน 1,2-dichloroethane) รั่วไหลออกมาประมาณ 6 - 10 ตัน ข้องอนี้เป็นส่วนหนึ่งของระบบ reflux ที่ใช้ในการลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่มาจาก EDC cracker โดยท่อนี้ทำงานที่อุณหภูมิ 140ºC ความดัน 33 bar
 

บทความต้นฉบับไม่ได้แสดงแผนภาพกระบวนการ แต่คิดว่ารูปที่ ๑ น่าจะใกล้เคียงกับกระบวนการที่เกิดเหตุมากที่สุด โดยข้องอที่เกิดเหตุน่าจะอยู่ในเส้นท่อจาก circulation pump 53 กลับไปยัง quench tower 50
  

รูปที่ ๑ Process Flow Sheet ของ Quench column section รูปแบบดั้งเดิมรูปแบบหนึ่งที่ใช้ในการผลิตไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์ รูปนี้นำมาจากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 5,558,746 ที่เลือกรูปนี้มาก็เพราะน่าจะเป็นรูปแบบที่ใกล้เคียงกับโรงงานที่เกิดเหตุที่บทความกล่าวถึง คือมีการนำเอาส่วนหนึ่งของของเหลวยอดหอที่ควบแน่นนั้นมาใช้ลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่มาจาก pyrolysis furnace
 

ภายในเวลาไม่ถึง 1 นาที กลุ่มหมอกแก๊สที่รั่วออกมานั้นถูกจุดระเบิดด้วย cracker burner ก่อให้เกิด flash fire/explosion ที่ทำให้เกิดความดันสูงกว่าบรรยากาศ (overpressure) น้อยกว่า 0.1 bar
 

แก๊สที่หนักกว่าอากาศที่รั่วออกมาจากระบบที่มีอุณหภูมิและความดันที่พอเหมาะ จะก่อตัวเป็นเสมือนกลุ่มหมอกที่เป็นสารผสมระหว่างสารนั้นกับอากาศที่มีสัดส่วนการผสมที่เหมาะสม เมื่อกลุ่มหมอกนี้พบเจอกับแหล่งพลังงานที่ทำให้มันลุกติดไฟได้ (อาจเป็นเปลวไฟ ประกายไฟ หรือพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูงพอ เช่นท่อไอน้ำ) ก็จะเกิดการลุกไหม้ออกจากจุดนั้นออกมา (เป็นหน้าคลื่นการเผาไหม้เคลื่อนที่แผ่ออกมาจากจุดกำเนิด)
 

ปฏิกิริยาการเผาไหม้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน และเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็เร็วมากขึ้นตามไปด้วย ดังนั้นความเร็วในการเคลื่อนที่ของหน้าคลื่นจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในขณะที่มันเคลื่อนที่แผ่ออกมา ถ้าความเร็วยังไม่สูงมากนักก็จะเป็น flash fire ถ้าเร็วขึ้นมาอีกแต่ยังต่ำกว่าความเร็วเสียงก็จะเป็น deflagration แต่ถ้าขึ้นไปทะลุความเร็วเสียงก็จะเป็น detonation ระดับความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศ (overpressure) ที่เกิดจากการระเบิดนี้ก็จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วของการเผาไหม้นี้ไปด้วย
 

ความดัน overpressure 0.1 bar อาจจะทำให้เกิดความรู้สึกว่าไม่มาก แต่ถ้าลองมองเป็น 0.1 kg/cm² (ก็คือ 0.1 bar นั่นแหละ) ก็น่าจะเห็นภาพความรุนแรงของมันได้ดีขึ้น ถ้าตีเสียว่าประตูห้องแต่ละบานมีขนาดสูง 180 cm กว้าง 90 cm พื้นที่หน้าตัดของประตูนี้ก็คือ 16200 cm² ดังนั้นถ้ามีความดันขนาด 0.1 kg/cm² กระแทกลงบนประตู จะเทียบเท่ากับน้ำหนัก 1620 kg กระแทกลงบนประตูบานดังกล่าว (รถยนต์นั่งส่วนบุคคลทั่วไปน้ำหนักรถอยู่ประมาณ 1000-1500 kg)

เกิดเพลิงลุกไหม้อย่างกว้างขวางในบริเวณข้องอที่เกิดการฉีกขาด ความร้อนจากเปลวเพลิงยังทำให้ท่อเส้นอื่นเกิดความเสียหายตามมาอีก โดยรวมแล้วมีเอทิลีนไดคลอไรด์และไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์เผาไหม้ไปประมาณ 90 ตัน
 

นอกจากนี้ความร้อนยังทำให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างคลอรีน (ใช้ในการผลิตเอทิลีนไดคลอไรด์ด้วยการทำปฏิกิริยากับเอทิลีน) และเหล็กกล้า ทำให้เกิดการรรั่วไหลของแก๊สคลอรีนเพิ่มเติมอีกประมาณ 5 ตัน แต่ส่วนใหญ่ของแก๊สคลอรีนที่รั่วออกมานั้นถูกเผาไปในเปลวไฟและกระจายตัวออกไป
 

ตรงนี้ทางกองบรรณาธิการของวารสารได้ให้ข้อมูลเพิ่มเติมว่า เหล็กกล้าจะเริ่มเกิดการลุกไหม้ได้อย่างอิสระในแก๊สคลอรีนที่อุณหภูมิ 400ºC (ตรงนี้ลองนึกภาพโลหะแมกนีเซียมที่จุดไฟให้ลุกไหม้ได้ในอากาศ) อันที่จริงปฏิกิริยาการเผาไหม้ก็เป็นปฏิกิริยาการออกซิไดซ์รูปแบบหนึ่งที่คายความร้อนออกมา ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ของโลหะก็เช่นเดียวกัน เพียงแต่การลุกไหม้ของชิ้นโลหะกับออกซิเจนนั้นมันเกิดช้า แต่ถ้าเป็นผงโลหะเล็ก ๆ ที่ฟุ้งกระจายออกมา ก็จะเกิดการระเบิดได้ เช่นในกรณีของผงโลหะอะลูมิเนียมที่นำมาใช้ทำเป็นส่วนประกอบของวัตถุระเบิด

การตอบสนองที่รวดเร็วของหน่วยดับเพลิง และการใช้น้ำจำนวนมาก ทำให้สามารถป้องกันความเสียหายให้กับอุปกรณ์ตัวอื่นได้ (เช่น ปั๊ม drum เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน) โครงสร้างคอนกรีตสามารถทนความร้อนจากเพลิงไหม้ได้ ไม่เกิดการยุบตัวลงมา แต่จำเป็นต้องมีการซ่อมแซมขนานใหญ่
 

โครงสร้างเหล็ก (เสาหรือคาน) นั้นจำเป็นต้องมีการหุ้มวัสดุทนไฟรอบ ๆ เพื่อให้ทนต่อเพลิงไหม้ได้ในระดับหนึ่ง เพราะถ้าเหล็กมีอุณหภูมิสูงขึ้น เหล็กจะอ่อนตัวลง ความสามารถในการรับแรงจะลดลง โครงสร้างจะยุบตัวลงมา ในกรณีเช่นนี้โครงสร้างคอนกรีตจะทนไฟได้ดีกว่า (แต่ถ้าโดนเผาต่อเนื่องเป็นเวลานานก็พังได้เหมือนกัน) ในตัวของเสาเหล็กนั้นต้องมีการหุ้มคอนกรีตทนไฟสูงจากพื้นขึ้นมาระดับหนึ่ง (ไม่จำเป็นต้องหุ้มทั้งต้น) โดยอิงจากความสูงของเปลวไฟเกิดจากเชื้อเพลิงเหลวที่ราดนองพื้นแล้วเกิดการลุกไหม้ (ความสูงนี้ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของเชื้อเพลิงเหลวเท่าใดนัก) โครงสร้างเหล็กที่เป็นคานเช่นโครงหลังคาของอาคารเก็บสินค้าหรือห้างขนาดใหญ่ จะต้องหุ้มตลอด เพราะอากาศร้อนลอยตัวสูงขึ้นและไปสะสมอยู่ใต้หลังคาได้ ถ้าปล่อยไว้เป็นเวลานานความสามารถในการรับแรงของโครงหลังคาจะลดต่ำลงจนกระทั่งหลังคายุบตัวลงมาได้ 

รูปที่ ๒ รูปนี้เป็นภาพเหตุการณ์เพลิงไหม้หลังการระเบิดที่โรงงานของบริษัท BST ที่ระยองในวันที่ ๕ พฤษภาคม ๒๕๕๕ (ภาพต้นฉบับแหล่งที่มาไม่ทราบ เพราะมีการนำไปแชร์กันมากจนหาต้นตอจริงไม่ได้) ในรูปนี้จะเห็นว่าโครงสร้างเสาจากพื้นมาจนถึงชั้น ๑ นั้นเป็นคอนกรีต (ส่วนจะเป็นเหล็กหุ้มคอนกรีตหรือเป็นคอนกรีตเสริมเหล็กทั้งต้นก็ไม่รู้เหมือนกัน) แต่เสาในส่วนของชั้น ๑ นั้นเป็นเสาเหล็ก ในกรณีนี้คงเป็นการมองว่าถ้ามีของเหลวรั่วไหล บริเวณที่จะมีการสะสมของของเหลวที่รั่วไหลคือระดับพื้นดิน (ถ้ารั่วจากชั้นบน ก็คงจะไหลลงสู่พื้นล่างอยู่ดี) จึงจำเป็นต้องป้องกันโครงสร้างเสาจากระดับพื้นดินขึ้นมา ภาพนี้เคยนำมาลงไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๕๑ วันอังคารที่ ๑๕ พฤษภาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "ระเบิดในที่โล่ง-ระเบิดในที่ปิด" และใน Memoir ฉบับนั้นยังมีภาพความเสียหายจากแรงระเบิดของอาคารที่อยู่ห่างจากจุดระเบิด 1300 m ด้วย

ไม่มีผู้เสียชีวิตหรือบาดเจ็บจากเหตุการณ์นี้ แต่ในขณะที่เกิดการรั่วไหลนั้นมีพนักงานผู้หนึ่งกำลังทำงานอยู่ข้างใต้ข้องอที่เกิดการฉีกขาดนั้น พนักงานผู้นี้สามารถหลบเข้าไปใน control room ที่อยู่ห่างไป 50 m ได้ทันเวลาก่อนที่กลุ่มหมอกแก๊สที่รั่วออกมานั้นจะเกิดการระเบิด

- สาเหตุของการรั่วไหล

แก๊สร้อนจาก EDC cracker จะเข้าสู่ quench tower ด้วยการให้แก๊สร้อนนั้นสัมผัสโดยตรงกับกับส่วนหนึ่งของของเหลวที่ได้จากการควบแน่นของแก๊สที่ออกทางด้านบนของ quench tower
 

กระบวนการตรงนี้ในบทความไม่ได้ให้รูปอะไรไว้ แต่ผมคิดว่ารูปในสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 5,558,746 ที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑ นั้นน่าจะเป็นระบบที่ใกล้เคียงกับระบบที่เกิดเหตุมาก คือแก๊สเย็นร้อน (ที่เย็นตัวลงหลัการสัมผัสกับของเหลว) ที่ออกทางด้านบนของ quench tower (50) จะถูกควบแน่นเป็นของเหลวที่เครื่องควบแน่น condenser (54) ของเหลวที่ได้จะไหลลงมาอยู่ในถังเก็บรวบรวมที่เรียกว่า reflux drum (60) ของเหลวส่วนหนึ่งจาก reflux drum (60) จะถูกนำไปฉีดพ่นใน quench tower (50) ใหม่

ตัว quench tower นี้ยังทำหน้าที่เป็นตัวดักจับอนุภาค coke ที่ติดมากับแก๊สร้อนที่มาจาก EDC cracker แต่ผลจากการสึกหรอและการเสื่อมประสิทธิภาพของระบบหัวฉีดพ่นของเหลว ทำให้มีอนุภาค coke ที่เป็นของแข็งหลุดรอดออกไปทางด้านบนของ quench tower เพิ่มมากขึ้น coke เหล่านี้เข้าไปสะสมอยู่ใน reflux drum และทำให้เกิด erosion ในระบบ piping เมื่อของเหลวถูกสูบจาก reflux drum เพื่อฉีดพ่นกลับเข้าไปใน quench tower
 

coke เป็นสารประกอบคาร์บอนโมเลกุลใหญ่พวก polyaromatic ring ที่เกิดจากปฏิกิริยา over cracking ของ dichloroethane ใน EDC cracker โดยในระหว่างการผลิตจะมี coke บางส่วนหลุดติดมากับแก๊สร้อนที่ไหลมายัง quench tower

ก่อนเกิดเหตุ มีการตรวจพบว่าข้องอตัวดังกล่าวมีผนังบางและมีกำหนดการที่จะทำการเปลี่ยนระบบท่อดังกล่าวในการซ่อมบำรุงครั้งถัดไป แต่ก็มาเกิดอุบัติเหตุขึ้นเสียก่อน
 

ตรงนี้ทำให้นึกถึงเหตุการณ์ไฟไหม้โรงกลั่นน้ำมันเมื่อเดือนมิถุนายน ๒๕๕๗ ที่ได้ยินมาจากเพื่อนฝูงที่อยู่ในวงการว่าเกิดจากผนังท่อบางจนฉีกขาด โดยปัญหาดังกล่าวถูกตรวจพบก่อนหน้านั้นและท่อเส้นนั้นก็มีแผนการณ์ที่จะเปลี่ยนอยู่แล้ว แต่มาเกิดอุบัติเหตุขึ้นเสียก่อน
 

กระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีที่เป็นการเดินเครื่องอย่างต่อเนื่องนั้น การที่จะเปลี่ยนชิ้นส่วนท่อเพียงชิ้นส่วนเดียวอาจต้องทำการหยุดการทำงานของโรงงานทั้งโรงงาน (ถ้าหากท่อนั้นเป็นท่อสำคัญและไม่มีเส้นทาง bypass) และรอบการหยุดเดินเครื่องครั้งใหญ่มักจะประมาณปีละครั้ง
 

สิ่งที่น่าพิจารณาก็คือถ้าหากพบว่าชิ้นส่วนในระบบท่อบางชิ้นมีการสึกหรอจนผนังบางลงไปมาก (แต่ในขณะนั้นยังทำงานได้อยู่) จะมีอะไรบ้างไหมที่จะใช้พิจารณาว่าอัตราการสึกหรอนั้นจะไม่สูงจนกระทั่งทำให้ชิ้นส่วนนั้นมีผนังบางมากเกินไปจนเกิดการเสียหายก่อนที่จะถึงกำหนดการหยุดเดินเครื่องเพื่อซ่อมบำรุง ในกรณีของเหตุการณ์นี้อาจเป็นไปได้ว่าอัตราการสึกหรอของข้องอนั้นสูงผิดปรกติเนื่องจากมี coke สะสมไว้มากผิดปรกติ ทำให้การคาดการณ์นั้นผิดพลาดไป

ผู้เขียนบทความยังได้ให้ข้อมูลบทเรียนที่ได้จากอุบัติเหตุครั้งนั้นไว้ดังนี้
 

- สำหรับระบบที่มีความเสี่ยงที่จะเกิดการขัดสีจากอนุภาคที่ปนเปื้อนอยู่ ในการออกแบบควรต้องคำนึงถึงการป้องกัน/ลดการเกิด erosion เอาไว้ด้วย (ซึ่งสามารถทำได้หลายวิธี เช่น การออกแบบระบบท่อให้มีความเร็ว (linear velocity) ในการไหลที่ต่ำ การออกแบบให้มีเส้นทางการไหลที่ราบเรียบ (ไม่มีการหักงอกระทันหัน) การกรองเอาอนุภาคของแข็งออกจากระบบ เป็นต้น)

- ระบบประเภทนี้ (เข้าใจว่าผู้เขียนหมายถึงระบบที่ไม่ได้คาดหวังว่าจะมีอนุภาคของแข็งหลุดรอดไปถึง) ควรได้รับการตรวจสอบว่ามีอนุภาคของแข็งอยู่หรือไม่

- การกำหนดแผนการการตรวจสอบความหนาของผนังท่อ ต้องมีการระบุเอาไว้อย่างชัดเจนว่าควรต้องทำเมื่อใด และต้องทำตรงไหน

- มีเกณฑ์ที่ชัดเจนว่าความหนาต่ำสุดของผนังที่ยอมรับได้นั้นมีค่าเท่าใด

- กองบรรณาธิการของวารสารยังได้ให้ความเห็นเพิ่มเติมว่า ในกรณีเช่นนี้ตัวระบบ spray ของเหลวใน quench tower ควรได้รับพิจารณาว่าเป็น "safety critical device" ตัวหนึ่ง

เรื่องปฏิกิริยาการผลิตไวนิลคลอไรด์นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๘๖๗ วันศุกร์ที่ ๒๖ กันยายน ๒๕๕๗ เรื่อง "ปฏิกิริยาการผลิต Vinyl chloride"