Fire case 2 น้ำมันรั่วเพราะ safety valve chattering MO Memoir : Tuesday 11 June 2562

พจนานุกรม Oxford Advanced Learner's Dictionary ให้ความหมายของคำว่า "chatter" ที่เป็นคำกิริยาว่า "talk quckly, continuously or foolishly about unimportant matters" ถ้าจะแปลเป็นไทยก็คงหมายถึงการพูดเจื้อยแจ้ว ไม่มีสาระอะไร คำ ๆ นี้ (chattering) เมื่อนำมาใช้กับวาล์วจะหมายถึงการที่วาล์วมีการเปิด-ปิดอย่างรวดเร็วต่อเนื่องกัน เหมือนกับปากของคนที่คนที่พูดเจื้อยแจ้วไปเรื่อย ๆ วาล์วที่มีโอกาสเกิดพฤติกรรมแบบนี้ได้ก็มี วาล์วระบายความดัน (safety valve หรือ relief valve) วาล์วกันการไหลย้อนกลับ (check valve หรือ non-return valve) และวาล์วควบคุมการไหล (control valve) 
  

การเปิด-ปิดอย่างรวดเร็วของวาล์วต่อเนื่องกันไม่เพียงแต่จะทำให้เกิดเสียงดัง แต่ยังอาจก่อให้เกิดความเสียหายจากโครงสร้างวาล์ว (ที่เกิดจากการกระแทกระหว่างตัว disc หรือ plug กับลำตัววาล์ว) หรือจากการสั่นของระบบท่อที่อาจส่งผลให้ท่อได้รับความเสียหายหรือนอตบริเวณหน้าแปลนเกิดการคลายตัวจนทำให้เกิดการรั่วไหลได้ ซึ่งเรื่องที่จะเล่าในวันนี้ก็เป็นกรณีที่เกิดขึ้นกับวาล์วระบายความดัน ที่ทำให้นอตยึดหน้าแปลนคลายตัว เกิดการรั่วไหลของน้ำมันและเพลิงไหม้ตามมา 
 

แต่ก่อนอื่นมาทบทวนการทำงานของวาล์วระบายความดันก่อน เพื่อที่จะได้เข้าใจว่า chattering นั้นเกิดได้อย่างไร ดูรูปที่ ๑ ข้างล่างประกอบไปด้วยก็แล้วกัน

รูปที่ ๑ ภาพแสดงการทำงานของวาล์วระบายความดันในขณะที่ (ซ้าย) ปิด และ (ขวา) เปิด

แรงที่กระทำต่อแผ่น disc ที่ปิดกั้นการไหลประกอบด้วย (ก) แรงดันด้านขาเข้าที่พยายามยกตัวแผ่น disc ขึ้น แรงดันด้านขาเข้านี้มีค่าเท่ากับความดัน P1 คูณกับพื้นที่หน้าตัด A1 และ (ข) แรงกดลงล่างของสปริงและแรงดันด้านขาออก แรงดันด้านขาออกนี้มีค่าเท่ากับความดัน P2 คูณกับพื้นที่หน้าตัด A2 ในกรณีที่เป็นการระบายออกสู่บรรยากาศโดยตรง (คือไม่มีการไหลผ่านท่อระบายเป็นระยะทางยาว) ความดัน P2 นี้ถือได้ว่าเป็นศูนย์ (ความดันในที่นี้จะถือว่าเป็นความดันเกจทั้งหมด) ดังนั้นแรงกดลงล่างจะมีเฉพาะแรงของสปริงเพียงอย่างเดียว
 

สมมุติให้พื้นที่ A1 (พื้นที่แผ่น disc ด้านขาเข้าเมื่อวาล์วปิดอยู่) เท่ากับ 10 cm² และพื้นที่ A2 (พื้นที่แผ่น disc ด้านขาเข้าเมื่อวาล์วยกตัวขึ้นและพื้นที่ด้านที่มีสปริงกด) เท่ากับ 10.5 cm² และตั้งแรงกดของสปริงไว้ที่ 20 kg และเป็นการระบายออกสู่บรรยากาศโดยตรง (ความดัน P2 คือ 0 kg/cm²) เมื่อความดันด้านขาเข้าสูงกว่า 2 kg/cm² เพียงเล็กน้อย แผ่น disc ก็จะยกตัวขึ้น แรงที่กระทำจากทางด้านล่างของแผ่น disc ก็จะเพิ่มจาก 20 kg (คือ 2 kg/cm² คูณกับพื้นที่ 10 cm²) กลายเป็น 21 kg (คือ 2 kg/cm² คูณกับพื้นที่ 10.5 cm²) ทันที แผ่น disc ก็จะยกตัวเปิดอย่างรวดเร็ว และแผ่น disc จะไม่ปิดจนกว่าความดันด้านขาเข้าจะลดลงเหลือ 1.9 kg/cm² ซึ่งจะทำให้แรงดันจากทางด้านล่างคือ 19.95 kg (ได้จากความดัน 1.9 kg/cm² คูณกับพื้นที่ 10.5 cm²) น้อยกว่าแรงกดของสปริง
 

การเลือกขนาดของวาล์วระบายความดันนั้นต้องเหมาะสมกับอัตราการเพิ่มความดันภายในระบบ เพราะถ้าใช้วาล์วขนาดเล็กเกินไปก็จะไม่สามารถป้องกันระบบจากความดันที่สูงเกินได้ ในทางกลับกันถ้าเลือกใช้วาล์วระบายความดันที่มีขนาดใหญ่เกินไป ทันทีที่วาล์วเปิดก็จะทำให้ความดันภายในระบบตกลงอย่างรวดเร็ว วาล์วก็จะปิดทันที และถ้าในช่วงเวลานี้ปัจจัยที่ทำให้ความดันในระบบสูงขึ้นนั้นยังไม่หมดไป พอความดันในระบบสูงขึ้นอีก วาล์วระบายความดันก็จะเปิดอีก ความดันในระบบก็จะตกลงทันที เกิดการเปิด-ปิดของวาล์วแบบนี้ไปได้เรื่อย ๆ การใช้วาล์วระบายความดันที่มีขนาดใหญ่เกินไปก็เป็นสาเหตุหนึ่งของการเกิด valve chattering

รูปที่ ๒ (ซ้าย) ถ้าท่อเชื่อมต่อระหว่าง vessel และวาล์วระบายความดันมีขนาดเล็กเกินไปหรือยาวเกินไป ก็จะทำให้ความดัน P2 ลดต่ำลงกว่า P1 มากจนทำให้เกิด valve chattering ได้เช่นกัน (ขวา) ถ้าด้านขาออกนั้นมี back pressure สูง ก็อาจทำให้เกิด valve chattering ได้เช่นกัน

สาเหตุที่สองที่ทำให้เกิด valve chattering ได้ก็คือเกิดความดันลด (pressure drop) สูงเกินไปในท่อด้านขาเข้าวาล์วระบายความดันในขณะที่มีการระบายความดัน การติดตั้งวาล์วระบายความดันให้กับตัว vessel นั้นอาจทำการติดตั้งโดยต่อเข้ากับหน้าแปลนของตัว vessel โดยตรง แต่ในกรณีที่ไม่สามารถทำได้ (เช่นตำแหน่งที่จะระบายออกนั้นไม่เหมาะสม หรือต้องให้วาล์วระบายความดันอยู่ในตำแหน่งที่สูงกว่าท่อของระบบ flare) ก็จำเป็นต้องมีการใช้ท่อเชื่อมต่อระหว่างตัว vessel กับวาล์วระบายความดัน (ดูรูปที่ ๒ ซ้ายประกอบ) ในขณะที่วาล์วระบายความดันปิดอยู่นั้น ความดันที่ปลายท่อด้าน vessel (P1) กับความดันที่ปลายท่อด้านวาล์วระบายความดัน (P2) จะเท่ากัน (P1 = P2) แต่เมื่อวาล์วระบายความดันเปิด จะเกิดการไหลขึ้นในท่อเส้นนั้น ความดันที่ปลายท่อด้านมีวาล์วระบายความดันจะลดต่ำลง (P2 < P1) ส่วนจะลดต่ำลงแค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลและขนาดของท่อ (อัตราการไหลสูงและท่อเล็ก ก็จะมีความดันลดที่สูง) ถ้าค่าความดันลดนี้สูงมากพอก็จะทำให้ความดันที่กระทำต่อวาล์วระบายความดันลดต่ำลงจนวาล์วปิดตัว พอวาล์วปิด การไหลก็หยุด ความดันในท่อด้านวาล์วก็เพิ่มขึ้นอีก ทำให้วาล์วเปิด พอวาล์วเปิดก็มีการไหล ความดันก็ลดต่ำลงอีก วาล์วระบายความดันก็ปิดใหม่ ทำให้เกิดการเปิด-ปิดของวาล์วแบบนี้ไปได้เรื่อย ๆ เช่นกัน
 

อีกสาเหตุที่ทำให้เกิด valve chattering ได้ก็คือการที่ความดันต้านด้านขาออก (back pressure) เพิ่มสูงเกินไป ซึ่งเหตุการณ์นี้เกิดได้ในกรณีที่ไม่ได้เป็นการระบายความดันออกสู่บรรยากาศ แต่เป็นการระบายเข้าสู่ระบบอื่นที่มีความดันต่ำกว่า หรือเข้าสู่ท่อระบายร่วม (เช่นท่อ flare ดังเช่นในรูปที่ ๒ ซ้าย ที่รองรับการระบายจากวาล์วระบายความดันตัวอื่นด้วย) ที่ความดันในท่อระบายร่วมนั้นไม่แน่นอน ขึ้นอยู่กับว่ามีการระบายความดันจากระบบอื่นในเวลาเดียวกันด้วยหรือไม่
 

เพื่อให้เห็นภาพขอให้กลับมาพิจารณารูปที่ ๑ ใหม่ แต่คราวนี้สมมุติว่าเป็นการระบายเข้าสู่ท่อระบายร่วม สมมุติว่าในช่วงแรกนั้นความดันในท่อระบายร่วมคือ 0 kg/cm² ดังนั้นแรงที่พยายามกดให้วาล์วปิดจึงมีแค่แรงของสปริง (20 kg) เท่านั้น แต่ถ้าหากว่าความดันด้านขาออกสูงขึ้น (เช่นอาจเกิดจากแก๊สที่ไหลผ่านวาล์วเกิดการสะสมในท่อระบายร่วมเพราะระบายออกไม่ทัน) จนทำให้ความดันในท่อระบายร่วมเพิ่มขึ้นเป็น 0.1 kg/cm² แรงที่พยายามกดให้วาล์วปิดก็จะเพิ่มเป็น 21.05 kg/cm² (ตัวเลขนี้มาจาก แรงกดของสปริง 20 kg + (ความดันด้านขาออก 0.1 kg/cm² x พื้นที่ A2 10.5 cm²)) ซึ่งมากกว่าแรงที่พยายามยกแผ่น disc ขี้น วาล์วก็จะปิดตัว พอวาล์วปิด ความดันด้านขาออกก็จะลดลง วาล์วก็จะเปิดใหม่ พอวาล์วเปิดใหม่ความดันด้านขาออกก็จะเพิ่มขึ้นอีก ทำให้เกิดการเปิด-ปิดของวาล์วแบบนี้ไปได้เรื่อย ๆ
 

ปูพื้นเรื่องการเกิด valve chattering มามากพอแล้ว คราวนี้ก็ได้เวลาเล่าเหตุการณ์ที่เกิดเสียที

รูปที่ ๓ แผนผังของระบบ desalter ของโรงกลั่นที่เกิดเพลิงไหม้

น้ำมันดิบที่นำมากลั่นนั้นไม่ได้มีแต่ไฮโดรคาร์บอน แต่ยังมีแร่ธาตุที่ละลายอยู่ (ที่เรียกรวมว่าเกลือหรือ salt) และน้ำปนอยู่ด้วย ดังนั้นก่อนที่จะนำน้ำมันดิบมากลั่นจึงต้องทำการกำจัดสิ่งปนเปื้อนเหล่านี้ออกเสียก่อน วิธีการกำจัดก็คือทำการผสมน้ำกับน้ำมันดิบเข้าด้วยกัน เพื่อให้เกลือแร่และน้ำที่ละลายปนอยู่ในน้ำมันดิบนั้นละลายเข้ามาอยู่ในเฟสน้ำแทน กระบวนการในรูปที่ ๓ นั้นใช้การผสมน้ำเข้ากับน้ำมันดิบในระบบท่อ จากนั้นให้ของเหลวผสมไหลผ่านวาล์วช่วยในการผสม (เพราะในขณะที่ของเหลวผสมไหลผ่านวาล์วจะเกิดการไหลแบบปั่นป่วน) จากนั้นของเหลวผสมจะไหลเข้าสู่ถังพักที่เรียกว่า desalter ที่ถังนี้น้ำกับน้ำมันจะแยกชั้นกัน โดยน้ำมันจะลอยขึ้นบนในขณะที่น้ำตกลงด้านล่างและถูกระบายออกไป น้ำมันที่ความดันประมาณ 22 kg/cm² อุณหภูมิประมาณ 150ºC จะไหลล้นออกทางด้านบนผ่านวาล์วลดความดันให้เหลือ 4.5 kg/cm² ซึ่งจะทำให้น้ำมันเกิดการ flash เป็นไอส่วนหนึ่ง ไอน้ำมันและของเหลวที่เหลืออยู่จะถูกส่งเข้าสู่หอกลั่นที่ทำงานที่ความดัน 3 kg/cm²

  
(หมายเหตุ : ปรกติน้ำมันดิบมีความหนืดสูงที่อุณหภูมิห้อง (บางทีอาจแข็งตัวด้วยซ้ำ) จำเป็นต้องอุ่นให้ร้อนก่อนจึงจะสามารถปั๊มส่งไปตามระบบท่อได้ ดังนั้นเพื่อให้การชะล้างด้วยน้ำทำได้ที่อุณหภูมิสูง น้ำที่ป้อนเข้าไปจึงต้องเป็นน้ำความดันที่สูงพอที่จะไม่เดือดเป็นไอ ณ อุณหภูมิที่ทำการชะล้าง)
 

การดึงน้ำออกจากภายใน desalter ใช้การดึงน้ำผ่านท่อรูปตัว T ที่มีรูอยู่ข้างใต้แขนในแนวนอน (เส้นสีส้มในรูปที่ ๓) โดยแขนรูปตัว T นี้จะยกขึ้นสูงจากก้นถัง (เพื่อไม่ให้มีตะกอนไหลเข้าไปในระบบท่อ) เมื่อใช้งานไปนาน ๆ รูรับน้ำก็จะอุดตัน จำเป็นต้องมีการกำจัดสิ่งอุดตัน วิธีการที่ใช้กันก็คือการอัดน้ำย้อนทางท่อน้ำออก (เรียกว่า back wash ระบบนี้ไม่ได้แสดงไว้ในรูป)
 

เหตุการณ์เกิดขึ้นในขณะที่ทำการ backwash โดยโอเปอร์เรเตอร์พบว่าความดันใน flash drum เพิ่มสูงขึ้น ซึ่งส่อให้เห็นว่าอาจมีน้ำหลุดติดไปกับน้ำมันที่ไหลออกทางด้านบนของ desalter และเนื่องจากน้ำนั้นมีจุดเดือดต่ำกว่าน้ำมันมาก เมื่อความดันลดต่ำลง น้ำก็กลายเป็นไอ ทำให้ความดันด้าน downstream เพิ่มขึ้น ด้วยเกรงว่าความดันที่เพิ่มขึ้นนี้จะก่อให้เกิดอันตรายกับหอกลั่น (ที่ทำงานที่ความดันต่ำกว่า desalter มาก) โอเปอร์เรเตอร์จึงตัดสินใจปิดวาล์วลดความดัน (ที่ส่งน้ำมันจาก desalter ไปยัง flash drum) แต่ไม่ได้ทำการปิดปั๊มน้ำที่ป้อนน้ำเพื่อทำการ back wash ส่งผลให้ความดันใน desalter เพิ่มขึ้นเป็น 30 kg/cm² ซึ่งทำให้วาล์วระบายความดันทำงาน ด้านขาออกของวาล์วระบายความดันตัวนี้ต่อเข้าสู่ flash drum ซึ่งถ้าวาล์วระบายความดันทำงาน ก็จะมีของเหลวเกิดการ flash กลายเป็นไอใน flas drum เพิ่มมากขึ้น และถ้าไอที่เกิดขึ้นนั้นไม่สามารถระบายเข้าสู่หอกลั่นได้ทัน ก็จะทำให้ back pressure ด้านขาออกของวาล์วระบายความดันเพิ่มสูงขึ้น
 

จากนั้นไม่นานโอเปอร์เรเตอร์ก็พบว่ามีน้ำมันรั่วไหลออกจากหน้าแปลนของวาล์วระบายความดัน และก่อนก่อให้เกิดเพลิงลุกไหม้ในเวลาทันมา แต่ก็สามารถดับเพลิงลงได้อย่างรวดเร็ว
 

จากการตรวจสอบหน้าแปลนพบว่า นอตที่ใข้ยึดวาล์วระบายความดันนั้นคลายออกทุกตัว ซึ่งคาดว่าหน้าจะเกิดจาก valve chattering และเมื่อตรวจสอบข้อมูลของวาล์วระบายความดันตัวดังกล่าวก็พบว่าวาล์วมีขนาดใหญ่เกินไป จึงได้ทำการปรับลดขนาดของวาล์วให้เหมาะสม
 

ประเด็นคำถามที่เกิดขึ้นก็คือในกรณีนี้ แทนที่จะไปปิดการไหลด้านขาเข้า แต่เปลี่ยนเป็นไปเพิ่มอัตราการระบายออกแทนจะดีกว่าไหม ซึ่งได้ยินมาว่าในการสอบสวนก็มีการพูดถึงประเด็นนี้ แต่ทั้งนี้ก็ต้องไปพิจารณาด้วยว่าระบบด้าน downstream นั้นรองรับความดันได้มากเท่าใด เพราะถ้ามันรองรับไม่ได้และเกิดระเบิดขึ้นมา ก็จะกลายเป็นเหมือนกรณีการระเบิดที่หน่วย hydrocraker ของโรงกลั่นน้ำมัน BP Oil (Grangemouth) เมื่อปีพ.ศ. ๒๕๓๐ ซึ่งเรื่องนี้เคยเล่าไว้ในบทความชุด "เพลิงไหม้และการระเบิดที่ BP Oil (Grangemouth) Refinery 2530(1987) Case 2 การระเบิดที่หน่วย Hydrocracker" ที่มีด้วยกัน ๕ ตอน

เรื่องที่เล่ามานี้ไม่ได้เล่าตามเหตุการณ์ต้นฉบับที่ได้รับฟังมา 100% มีการตัดข้อมูลบางส่วนออกไปเล็กน้อยที่เห็นว่าไม่เกี่ยวข้องกับ valve chattering ส่วนที่ว่าโรงกลั่นนี้อยู่ที่ไหนหรือครับ เอาเป็นว่าอยู่ในเมืองไทยก็แล้วกัน แต่ไม่ได้อยู่ในกรุงเทพ ส่วนเหตุการณ์เกิดขึ้นเมื่อใดนั้น ไม่ทราบเหมือนกัน แต่ดูเหมือนว่าไม่น่าจะนานกว่าปีที่แล้ว เผลอ ๆ คนที่เล่าให้ผมฟังอาจจะอยู่ในเหตุการณ์นี้ด้วยซ้ำ