อุบัติเหตุจากโครงสร้างวาล์ว (๒) MO Memoir : Tuesday 26 December 2560

"ถ้าเราไม่เรียนรู้ความผิดพลาดที่เคยเกิดขึ้นในอดีต เราก็มีสิทธิที่จะทำผิดแบบเดียวกันนั้นซ้ำอีก"

รูปที่ ๗ ตัวอย่างโครงสร้างวาล์วเหล็กหล่อที่เกิดอุบัติเหตุ (ภาพจากบทความ)
 

ฉบับนี้ยังคงเป็นเรื่องเล่าวารสาร Loss Prevention Bulletin โดยเป็นฉบับ vol. 31 ปีค.ศ. 1980 (พ.ศ. ๒๕๒๓) ในหัวข้อ "Valve limitations" ที่ไม่ปรากฏชื่อผู้เขียนบทความ และเพื่อให้เรื่องต่อเนื่องจากฉบับที่แล้ว (ที่มีอยู่ ๓ เรื่อง) ก็จะขอนับลำดับเรื่องและรูปภาพต่อจากฉบับที่แล้ว

เรื่องที่ ๔ เปิดแต่ไม่เปิด

กรดกำมะถัน (H₂SO₄) เข้มข้นเป็นกรดตัวหนึ่งที่มีการใช้กันมากในอุตสาหกรรม โดยปรกตินั้นเหล็กจะไม่ทนต่อกรด แต่ในกรณีของกรดกำมะถันเข้มข้น (ที่ไม่ได้มีอุณหภูมิสูงเกินไปและในระบบที่อัตราการไหลไม่สูง) สามารถใช้โลหะเหล็กในระบบท่อและวาล์วที่ใช้ในการลำเลียงและเก็บรักษากรดกำมะถันได้ (กรดเข้มข้นมันไม่ค่อยจะมี H₃O⁺ ที่จะไปดึงอิเล็กตรอนจาก Fe ที่ทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจนและไอออน Fe²⁺) และโลหะตัวหนึ่งที่นำมาใช้กันก็คือเหล็กหล่อ (cast iron) ที่ใช้ในการหล่อขึ้นรูป valve body และ bonnet
 

วาล์วชนิด rising-stem นั้น (รูปที่ ๗ และ ๙) ปลายข้างหนึ่งของตัว stem จะยึดอยู่กับแผ่น gate หรือ wedge (ในกรณีของ gate valve) หรือ plug (ในกรณีของ globe valve) และปลายอีกข้างหนึ่งนั้นจะมีการทำเกลียวที่ขันร้อยผ่านกับ hand wheel เวลาที่หมุน hand wheel เพื่อเปิดหรือปิดวาล์ว ตัว hand wheel จะไม่มีการเลื่อนระดับขึ้นลง จะมีเฉพาะตัว stem (ที่เห็นเป็นสกรูในรูปที่ ๙) ที่เลื่อนขึ้น (เวลาเปิดวาล์ว) หรือลง (เวลาปิดวาล์ว) ให้เห็น
 

เหตุเกิดระหว่างการซ่อมบำรุงที่ต้องมีการระบายกรดกำมะถันที่ตกค้างอยู่ในระบบออก ในการนี้ผู้ปฏิบัติงานได้ทำการเปิดวาล์วระบาย (ที่เป็นชนิด rising-stem gate valve ที่มีโครงสร้างแบบที่แสดงในรูปที่ ๗) โดยไม่พบว่ามีกรดกำมะถันไหลออกมาทางรูระบาย ทำให้ผู้ปฏิบัติงานเข้าใจว่าในระบบไม่มีกรดกำมะถันตกค้างอยู่ แต่เมื่อทำการถอดระบบท่อกลับพบว่ามีกรดกำมะถันรั่วไหลออกมา
 

จากการตรวจสอบพบว่าตัวสลัก (pin) ที่ใช้ในการยึดตัวแผ่น gate นั้นหลุดออกจากตำแหน่ง ทำให้เมื่อทำการหมุน hand wheel นั้นจึงมีเพียงเฉพาะตัว stem ที่เลื่อนขึ้น โดยที่ตัวแผ่น gate ยังคงอยู่ในตำแหน่งปิดเหมือนเดิม ทำให้ผู้ปฏิบัติงานเมื่อไม่เห็นมีกรดในระบบไหลออกมาจึงเข้าใจว่าในระบบนั้นไม่มีกรดค้างอยู่แล้ว วิธีการที่เหมาะสมกว่าในการยึดตัว stem เข้ากับแผ่น gate คือการทำเป็นเหมือนสลักยึดเข้าด้วยกันดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ ๘ ข้างล่าง

รูปที่ ๘ ตัวอย่างการยึด stem เข้ากับแผ่น gate โดยไม่ต้องใช้หมุดหรือการขันเกลียว แต่ทำเป็นสลักที่สวมเข้าด้วยกัน  (ภาพจาก http://www.williamsvalve.com/images/drawingbmgatev.jpg)

รูปที่ ๙ Gate valve ชนิด rising-stem คือตัว hand wheel จะอยู่กับที่โดยที่ตัว stem หรือสกรูที่เห็นในภาพจะเลื่อนขึ้นเมื่อเปิดวาล์ว และเลื่อนต่ำลงเมื่อปิดวาล์ว ตัว bonnet ของวาล์วยึดเข้ากับ valve body ด้วยการใช้นอตหลายตัวยึด ซึ่งความตึงของนอตแต่ละตัวนั้นควรที่จะเท่ากัน
 

เรื่องที่ ๕ ขันนอตตึงไม่เท่ากัน

คาร์บอนที่ผสมอยู่ในเนื้อเหล็กส่งผลต่อทั้งความแข็งและจุดหลอมเหลวของเหล็ก เหล็กที่มีคาร์บอนผสมอยู่สูงจะมีความแข็งเพิ่มขึ้น แต่ความเหนียวจะลดลง (คือแตกหักได้ง่ายขึ้นแทนที่จะยืดตัวออก) และในขณะเดียวกันจะมีจุดหลอมเหลวที่ลดต่ำลง ทำให้เหมาะแก่การขึ้นรูปด้วยการหล่อ (เพราะไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูงมากในการหลอมเหลวและไหลเข้าเติมเต็มช่องว่างในแม่แบบได้ง่าย)
 

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับระบบท่อกรดกำมะถันเข้มข้นเช่นเดิม โดยเป็นวาล์วแบบเดียวกับในเรื่องที่ ๔ (วาล์วที่ทำจากเหล็กหล่อหรือที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า cast iron) ก่อนหน้าที่จะเกิดอุบัติเหตุ ๓ วันได้มีการซ่อมบำรุงวาล์ว โดยในการซ่อมบำรุงนั้นมีการถอด bonnet ออกจาก valve body (ดูตัวอย่างวาล์วได้ในรูปที่ ๙ ที่คิดว่าน่าจะมีหน้าตาใกล้เคียงกับในรูปที่ ๘) และเมื่อซ่อมบำรุงเสร็จแล้วก็ทำการประกอบ bonnet เข้าที่เดิม ๓ วันหลังจากซ่อมบำรุง ตัว bonnet เกิดการแตก ทำให้กรดกำมะถันรั่วไหลออกมา
  

ผลการตรวจสอบพบว่านอตที่ใช้ในการยึด bonnet เข้ากับ valve body นั้นถูกขันตึงไม่เท่ากัน ทำให้เกิดความเค้นตรงบริเวณส่วนที่หน้าแปลนของ bonnet ที่นำไปสู่การแตกร้าว
 

โดยหลักแล้วในการขันนอตหน้าแปลน (หรือการขันนอตหลายตัวที่ยึดกันเป็นวงเช่นนอตยึดล้อรถยนต์) จะค่อย ๆ ทำการขันนอตให้พอแค่ตึงมือแล้วก็เปลี่ยนไปขันนอตตัวที่อยู่ฝั่งตรงข้าม ทำอย่างนี้ซ้ำไปเรื่อย ๆ จนขับครบทุกตัวก่อน จากนั้นก็มาเริ่มขันแต่ละตัวให้ตึงมือเพิ่มขึ้นอีกทีละนิด (ต้องไม่ลืมขันตอนสลับกันระหว่างสองตัวที่อยู่ตรงข้ามกันด้วย) ถ้าจะให้ดีก็ควรมีประแจทอร์ค (torque wrench) ช่วยในการขันเพื่อจะได้มั่นใจว่านอตทุกตัวได้รับการขันตึงเท่ากัน 
  

ความเค้นเป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้วัสดุ (ไม่ว่าจะเป็นโลหะหรือพอลิเมอร์) ทำปฏิกิริยากับสารเคมีตัวอื่นได้ง่ายขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "stress corrosion cracking" ตัวอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดคือเหล็กเส้นที่ใช้ในงานก่อสร้างที่จะผลิตมาเป็นเส้นยาว (มาตรฐานก็อยู่ที่ ๑๐ หรือ ๑๒ เมตร) แต่เพื่อให้สะดวกในการขนส่งก็จะมีการงอครึ่ง ตรงบริเวณที่งอจะเกิดสนิมได้ง่ายกว่าบริเวณอื่น การขันนอตหน้าแปลนที่ขันตึงไม่เท่ากันก็ส่งผลในตำแหน่งที่ขันตึงมากเกินไปมีความเค้นสูงเป็นพิเศษ ความเค้นนี้ยังอาจเกิดได้จากความดันที่อาจเกิดจากความดันแก๊สและ/หรือน้ำหนักของเหลวที่บรรจุอยู่ภายในภาชนะบรรจุ การออกแบบถังพลาสติกขนาดใหญ่ที่ใช้บรรจุสารเคมีก็ต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วย โดยเฉพาะตรงบริเวณก้นถัง
 

การระเบิดที่ Flixborough ในปีค.ศ. ๑๙๗๔ ที่ประเทศอังกฤษ ก็เริ่มจากการที่ถังปฏิกรณ์ลูกหนึ่งเกิดการแตกร้าวอันเป็นผลจาก stress corrosion cracking รายละเอียดเรื่องนี้อ่านเพิ่มเติมได้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๓ วันศุกร์ที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "Flixborough explosion"

เรื่องที่ ๖ ของแถมที่ติดมา

ในกรณีของ gate valve (หรือ globe valve) นั้น เวลาที่แผ่น gate ยกตัวขึ้น process fluid จะสามารถไหลเข้าไปในส่วนของ bonnet ได้ (ดูรูปที่ ๗) และถ้าเราทำการถอดวาล์วตัวนั้นออกจากระบบท่อโดยที่วาล์วอยู่ในตำแหน่งเปิด process fluid ที่ค้างอยู่ตัว bonnet ก็จะระบายออกมาได้

แต่ในกรณีของ ball valve นั้นแตกต่างออก
 

ตัว ball valve นั้นจะมีปะเก็นที่เป็นรูปวงแหวนทำหน้าที่ป้องกันการรั่วไหลผ่านช่องว่างระหว่างตัว valve body กับตัวลูกบอล (ที่ลูกศรสีแดงชึ้นในรูปที่ ๑๐) เมื่อวาล์วอยู่ในตำแหน่งปิด และเมื่อเปิดวาล์วนั้น process fluid จะไหลผ่านรูที่ตัวลูกบอลโดยไม่มีการไหลผ่านช่องว่างระหว่างตัว valve body กับตัวลูกบอล แต่เมื่อทำการปิดวาล์ว process fluid ที่ค้างอยู่ในรูของลูกบอลจะรั่วไหลเข้าไปค้างอยู่ในช่องว่างระหว่างตัว valve body กับตัวลูกบอลได้
 

ดังนั้นในกรณีที่มีการซ่อมบำรุง ball valve ที่ใช้กับ process fluid ที่สามารถสร้างความดันได้ด้วยตนเอง (เช่นเป็นของเหลวอันเป็นผลจากความดันที่สูงในระบบ หรือเป็นของเหลวอันเป็นผลจากอุณหภูมิทำงานที่ต่ำ แต่เมื่อมาอยู่ในสภาวะความดันบรรยากาศหรืออุณหภูมิห้อง ก็จะกลายเป็นแก๊ส) หรือเป็นสารที่อันตราย (เช่นคลอรีน) ผู้ปฏิบัติงานซ่อมบำรุงจึงควรต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษในการถอดแยกชิ้นส่วน ball valve ดังกล่าว

รูปที่ ๑๐ ช่องว่างระหว่างตัว ball กับ valve body ตรงลูกศรสีแดงชี้คือบริเวณที่ proces fluid นั้นเข้ามาค้างอยู่ได้เมื่อทำการปิดวาล์ว โดยเมื่อปิดวาล์ว process fluid ที่อยู่ในรูเจาะทะลุผ่านตัว ball จะไหลเข้ามาค้างในช่องว่างเหล่านี้ได้ แม้ว่าจะทำการถอดวาล์วออกจากระบบท่อแล้วก็ตาม (รูปจาก http://copelandvalve.com)