ท่อชั่วคราว (Temporary piping) MO Memoir : Saturday 28 December 2562

เมื่อ ๘ ปีที่แล้วมีนิสิตป.เอกคนหนึ่งมาปรึกษาผมเรื่องที่ saturator ที่เขาใช้ในการระเหยสารตั้งต้นที่เป็นของเหลวเพื่อนำไปทำปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส (ใน fixed-bed ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้อง) นั้นเกิดระเบิด ผมก็เลยถามว่าระเหยอะไร ใช้แก๊สอะไรเป็น carrier gas เขาก็ตอบกลับมาว่าเขาระเหยเอทานอลบริสุทธิ์โดยใช้แก๊สออกซิเจน 100% เป็น carrier gas พอผมถามกลับไปว่าทำไมถึงใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์เป็น carrier gas เขาก็ตอบกลับมาว่า "ผมก็ทำแบบที่อาจารย์ทำ" ("อาจารย์" ในที่นี้ก็คือตัวผมเอง) ผมก็เลยต้องอธิบายให้เขาเข้าใจว่ามันไม่เหมือนกัน เพราะของเหลวที่ผมระเหยนั้นมันคือน้ำ และที่ผมใช้ออกซิเจนเป็น carrier gas นั้นก็ด้วยข้อจำกัดด้านอุปกรณ์และอัตราการไหล เหตุการณ์นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๖๓ วันศุกร์ที่ ๑๔ ตุลาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "อุบัติเหตุจาก Saturator"
  

ที่ยกเรื่องนี้ขึ้นมาก่อนก็เพราะอยากจะบอกว่าเวลาที่เราไปเห็นคนอื่นทำอะไรบางอย่างและอยากทำแบบเข้าบ้าง สิ่งสำคัญที่ต้องรู้ก็คือ "หลักการ" เพราะหลักการเป็นตัวกำหนดรายละเอียดต่าง ๆ ของ "วิธีการทำงาน" ดังนั้นด้วยงานแบบเดียวกันถ้าเราเข้าใจหลักการแล้วเราก็อาจจะปรับวิธีการทำงานให้เหมาะสมกับบริบทของเราก็ได้โดยไม่ต้องทำทุกอย่างตามตัวอย่างที่ไปเห็นมา แม้แต่งานวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการเช่นการวัดพื้นที่ผิววัสดุมีรูพรุนด้วยเทคนิค single point BET ที่หลายคนวัดแล้วมีปัญหาว่าค่าที่ได้นั้นมักจะต่ำกว่าค่าที่ควรเป็น นั่นก็เป็นเพราะเขาไปยึดติดกับ "วิธีการ" ที่ว่าต้องทำการไล่แก๊สที่อุณหภูมินั้นเป็นเวลานานเท่านี้ชั่วโมง ทั้ง ๆ ที่ควรจะยึดติดกับ "หลักการ" ก็คือต้องกำจัดแก๊สที่ไม่ใช่ He ออกจากรูพรุนให้หมด ส่วนจะต้องใช้อุณหภูมิสูงแค่ไหนและเวลานานเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับขนาดและปริมาตรรูพรุนของตัวอย่าง ซึ่งตรงนี้ต้องทำการทดลองเพื่อหาเอาเอง
  

อุปกรณ์การผลิตพวก pressure vessel มักจะมีขนาดใหญ่และไม่มีการติดตั้งตัวสำรองที่เผื่อไว้เวลาที่ตัวหลักมีปัญหา (การติดตั้งตัวสำรองนี้เป็นเรื่องปรกติสำหรับปั๊มที่ทำงานตลอด ๒๔ ชั่วโมง) อาจมียกเว้นบางกรณีที่รู้ว่ากระบวนการผลิตนั้นก่อให้เกิดปัญหาเป็นประจำ เช่นกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่อาจมีการอุดตันบ่อยครั้งที่ต้องมีการถอดล้างทำความสะอาด ในกรณีเช่นนี้ก็จะออกแบบให้มีระบบสำรองเพื่อใช้งานเวลาที่ต้องทำความสะอาดตัวหลัก หรือเบดสารดูดซับที่เมื่อดูดซับจนอิ่มตัวแล้วก็ต้องมีการ regenerate เพื่อให้สามารถใช้งานได้ใหม่ ก็จะมีการติดตั้งเบดสำรองเพื่อไว้ใช้งานในระหว่างการ regenerate ตัวเบดหลัก 
   

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เป็นเรื่องของการทำงานแบบเดียวกัน แต่ผลออกมาไม่เหมือนกัน คือการติดตั้งท่อชั่วคราว (temporary piping) เข้าแทน pressure vessel ที่ต้องนำออกไปซ่อม ซึ่งผลออกมาที่มีทั้งกรณีที่ทำงานได้ดี กรณีที่ตรวจพบปัญหาก่อนเริ่มใช้งาน และกรณีที่กลายเป็น case study

กรณีที่ ๑ : Reactor ที่ต่ออนุกรมกันอยู่

การรั่วไหลของ cyclohexane ที่เกิดจากการพังของ temporary pipe ที่ใช้เชื่อมต่อระหว่าง reactor สองตัวเข้าด้วยกันกลายเป็น case study ของวิศวกรรมเคมี ในกระบวนการนี้ cylcohexane ที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูง (คือที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยามันเป็นของเหลวเพราะอยู่ภายใต้ความดัน แต่จะกลายเดือดเป็นไอถ้ารั่วออกมาที่ความดันบรรยากาศ) จะไหลเข้าสู่ reactor ตัวที่ ๑ และไหลล้นลงสู่ตัวที่ ๒ ต่อไปเรื่อย ๆ จนไปถึงตัวที่ ๖ ก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการเพื่อแยกเอาผลิตภัณฑ์ออกจากสารตั้งต้น
    

รูปที่ ๑ ลักษณะการต่อท่อชั่วคราวขนาด ๒๐ นิ้วเข้าแทน reactor ตัวที่ ๕ เนื่องจากท่อด้านขาออกจากตัวที่ ๔ และด้านขาเข้าของตัวที่ ๖ นั้นอยู่ต่างระดับและไม่ตรงแนว ท่อชั่วคราวจึงต้องมีการงอสองครั้ง ตรงนี้เนื่องจากระดับที่แตกต่างกันนั้นไม่มาก จึงไม่สามารถใช้ข้องอ (elbow 90 องศา) ได้ ต้องใช้วิธีนำท่อตรงมาแต่งมุมแล้วเชื่อมต่อกัน และด้วยแนวที่แรงกระทำที่ปลายทั้งสองด้านของท่อนั้นไม่อยู่ในแนวเดียวกัน จึงทำให้เกิดโมเมนต์ดัด (bending moment) และส่งผลให้เกิดแรงเฉือน (shear force) กระทำกับ bellow ที่ปลายทั้งสองข้างของท่อ (ภาพนี้นำมาจากรายงานการสอบสวน)

 

ปฏิกิริยาที่เกิดคือการออกซิไดซ์ cyclohexane ไปเป็นcyclohexanol และ cyclohexanone ด้วยการใช้อากาศฉีดอัดเข้าไปใต้ผิว cyclohexane ออกซิเจนในอากาศก็จะทำปฏิกิริยากับ cyclohexane เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ เหตุผลที่ต้องใช้ reactor หลายตัวต่ออนุกรมกันก็เพราะช่วงเวลาทำปฏิกิริยามีเพียงแค่ระยะเวลาที่ฟองอากาศที่ฉีดเข้าไปที่ด้านล่างของ reactor ลอยผ่าน cyclohexane เท่านั้น ซึ่งเป็นระยะเวลาไม่นาน ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ไม่มาก ดังนั้นเมื่อต้องการให้เกิดผลิตภัณฑ์มากพอก็ต้องทำให้ระยะเวลาที่ฟองอากาศสัมผัสกับ cyclohexane นั้นยาวนานขึ้น ซึ่งทำได้ด้วยการเพิ่มความสูงของ reactor (ก็คือการเพิ่มระดับความสูงของของเหลวใน reactor) และ/หรือนำเอา reactor หลายตัวมาต่ออนุกรมกัน
  

เหตุการณ์เริ่มจากการพบว่า reactor ตัวที่ ๕ มีรอยร้าว จึงทำการยกออกจากระบบและเดินท่อชั่วคราวเชื่อมต่อระหว่าง reactor ตัวที่ ๔ และตัวที่ ๖ (รูปที่ ๑) และเพื่อเผื่อการขยายตัวของท่อจึงมีการติดตั้ง bellow เข้าที่ปลายทั้งสองข้าง หลังการประกอบแล้วมีการทดสอบความสามารถในการรับความดันที่ "operating pressure" ก็พบว่าสามารถทำงานได้ จึงเริ่มเดินเครื่องโรงงานต่อไป ต่อจากนั้นไม่กี่สัปดาห์ก็เกิดการรั่วไหลของ cyclohexane ตามด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง ผลการสอบสวนพบว่าเกิดจากการที่ท่อชั่วคราวที่สร้างเชื่อมต่อ reactor ตัวที่ ๔ และตัวที่ ๖ นั้นพังลงเนื่องจากไม่สามารถรับความดันที่เพิ่มขึ้นสูงกว่า operating pressure ได้ (การทดสอบภายหลังอุบัติเหตุพบว่าถ้าทดสอบท่อดังกล่าวที่ "design pressure" จะพบว่ามันไม่สามารถรับความดันได้) รวมทั้งการที่ท่อดังกล่าวไม่ได้มีการติดตั้งที่แข็งแรงพอ (แค่วางไว้บนนั่งร้านชั่วคราวเท่านั้น ไม่มีการควบคุมการขยับตัวทั้งทางด้านข้างและด้านยาว) เหตุการณ์นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๓ วันศุกร์ที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "Flixborough explosion" และปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๕๔๑ วันเสาร์ที่ ๗ เมษายน ๒๕๖๑ เรื่อง "Mechanics of Materials ในงานวิศวกรรมเคมี"
  

กรณีที่ ๒ : Cyclone

กรณีนี้นำมาจาก ICI Safety newsletter ฉบับที่ ๘๓ เดือนมกราคม ๑๙๗๖ (พ.ศ. ๒๕๑๙) หัวข้อ D1 (รูปที่ ๒) โดยในเหตุการณ์นี้พบการรั่วของแก๊สออกมาจากใต้ฉนวนความร้อนที่หุ้ม cyclone ที่ใช้แยกอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากแก๊สที่ติดไฟได้ และเมื่อทำการตรวจสอบก็พบว่า cylcone มีการรั่วเนื่องจากการสึกหรอ จึงจำเป็นต้องนำเอา cyclone ออกไปซ่อมและติดตั้งท่อชั่วคราวแทน เหตุการณ์นี้เกิดก่อนเหตุการณ์ที่ Flixborough ๒ ปี
  

ข้อมูลไม่ได้บอกว่า cyclone ดังกล่าวเป็นของระบบของอะไร แต่ถ้าดูจากอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาแล้วก็เดาว่าน่าจะเป็นระบบ Fluidised-bed Catalytic Cracking (ที่ย่อว่า FCC) ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งที่ใช้ใน fluidised-bed นั้นต้องทนต่อการกระแทก ไม่ว่าจะเป็นการกระแทกระหว่างกันหรือกับผนังของอุปกรณ์ ไม่เช่นนั้นมันจะแตกเป็นผงเล็กลงและหลุดลอยออกไปกับแก๊สที่ไหลออกทางด้านบนของเบดได้ และแม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจะทนต่อสภาวะการกระแทกดังกล่าวได้ ก็ต้องมีระบบดักเอาส่วนที่อาจแตกเป็นชิ้นเล็กออกจากแก๊สด้วย (ดังนั้นอย่าแปลกใจว่าทำไมระบบ fluidised-bed จึงมีการใช้งานที่จำกัดกว่าระบบ fixed-bed นั่นก็เป็นเพราะมีตัวเร่งปฏิกิริยาไม่มากชนิดที่มีคุณสมบัติดังกล่าว) ในขณะเดียวกันก็ต้องคำนึงถึงการที่อนุภาคของแข็งนั้นพุ่งกระทบหรือเสียดสีเข้ากับผนังท่อและอุปกรณ์ ซึ่งส่งผลให้ระบบท่อและตัวอุปกรณ์สึกหรอได้เช่นกัน (เรียกว่า erosion) อย่างเช่นในเหตุการณ์นี้พบว่ามีการสึกหรอจนผนังทะลุที่ตัว cyclone ในขณะที่ระบบท่อนั้นยังคงดีอยู่ ตรงนี้คงเป็นเพราะเมื่อของแข็งที่ไหลตามท่อมากับแก๊สนั้นพอไหลเข้าตัว cyclone ของแข็งที่มีความหนาแน่นสูงกว่าจะวิ่งเข้ากระทบกับผนังขอตัว cyclone และเคลื่อนตัวไต่ผนังลงล่าง ในขณะที่แก๊สนั้นจะไหลวกออกทางด้านบนได้ง่ายกว่า

   

รูปที่ ๒ รายละเอียดเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นของกรณีที่ ๒

รูปที่ ๓ เป็นภาพร่างเส้นทางการไหลเข้า-ออกของ cylclone (เผื่อบางคนจะนึกภาพไม่ออก) ในจดหมายข่าวนั้นไม่ได้ให้รายละเอียดใด ๆ นอกจากบอกเพียงแค่ท่อชั่วคราวนั้นมีข้องอ ๒ ตำแหน่ง ก็เลยเดาว่าคงจะเป็นการเชื่อมต่อท่อแก๊สเข้ากับท่อแก๊สออก ความแตกต่างของเหตุการณ์นี้กับเหตุการณ์ที่ Flixborough คือในกรณีนี้ท่อได้รับการออกแบบโดยผู้ที่มีความรู้และได้รับการติดตั้งอย่างเหมาะสม ทำให้สามารถใช้งานได้โดยไม่เกิดปัญหาใด ๆ
   

รูปที่ ๓ รูปซ้ายและกลางแสดงให้เห็นทิศทางการไหลเข้าออกของ cyclone ที่แนวการไหลเข้านั้นจะตั้งฉากกับแนวการไหลออกและอยู่ไม่ตรงกัน ส่วนภาพขวาเป็นภาพของท่อชั่วคราวที่เชื่อมต่อท่อแก๊สเข้ากับท่อแก๊สออกเพื่อให้โรงงานทำงานได้ในช่วงที่ถอด cyclone ออกไปซ่อม บทความไม่ได้ให้รายละเอียดว่าท่อชั่วคราวนั้นมีรูปร่างหน้าตาอย่างไร บอกแต่เพียงว่ามีข้องอสองตำแหน่ง ก็เลยเดาว่าน่าจะเป็นดังในรูป

กรณีที่ ๓ : Heat exchanger

กรณีนี้นำมาจาก ICI Safety newsletter ฉบับที่ ๘๓ เช่นกัน (รูปที่ ๔) แต่ไม่ได้ระบุปีที่เกิด แต่ดูจากเนื้อหาในบทความแล้วสงสัยว่าอาจเกิดหลังกรณีของ Flixborough ครั้งนี้เป็นกรณีของ heat exchanger ที่สกปรกและจำเป็นต้องถอดไปล้างทำความสะอาด จึงจำเป็นต้องมีการติดตั้งท่อชั่วคราว ๒ ท่อด้วยกัน โดยท่อหนึ่งเป็นส่วนการไหลผ่าน shell และอีกท่อหนึ่งเป็นส่วนการไหลผ่าน tube ตัวที่เป็นปัญหาคือท่อเชื่อมส่วนที่ไหลผ่าน tube ที่ใช้ท่อตรง 20 นิ้วเชื่อมต่อระหว่างท่อ 30 นิ้ว (รูปที่ ๕) โดยมีการติดตั้ง bellow และเนื่องจากท่อชั่วคราวเส้นนี้ไม่ได้มีการสร้าง pipe support รองรับ น้ำหนักของท่อจึงมีการถ่ายสู่ bellow โดยแรงที่เกิดจากน้ำหนักท่อกระทำในแนวตั้งฉากกับความยาวของ bellow ซึ่งปรกติแล้วตัว bellow จะออกแบบมาเพื่อรองรับการยืดหดในแนวความยาวของมันเท่านั้น

   

รูปที่ ๔ รายละเอียดเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นของกรณีที่ ๓
   

ตัว heat exchanger นั้นตั้งอยู่บน support ที่รองรับน้ำหนักตัวมัน และตัว heat exchanger เองก็ทำหน้าที่รองรับน้ำหนักของท่อที่เชื่อมต่อกับตัวมันด้วย แต่พอแทนที่ตัว heat exchanger ด้วยท่อชั่วคราวแทน ท่อชั่วคราวก็เลยลอยอยู่โดยไม่มีอะไรมารองรับน้ำหนัก (มันอาจจะอยู่ได้ในขณะที่ยังไม่มีของเหลวไหลเข้า) และด้วยการที่ท่อชั่วคราวด้าน tube side นั้นเป็นท่อตรง ไม่เหมือนกรณีของ Flixborough ที่จุดเข้าออกเยื้องกันอยู่ plant engineer จึงคิดว่าไม่จำเป็นต้องปรึกษาผู้เชี่ยวชาญการออกแบบท่อ แม้ว่าแนวเส้นท่อดังกล่าวจะมี bellow อยู่ด้วยก็ตาม
   

โชคดีที่ก่อนเริ่มเดินเครื่องไม่กี่วัน senior engineering มาพบเห็นเข้า ก็เลยมีการตรวจสอบการออกแบบ ทำให้ต้องมีการติดตั้ง support รองรับท่อชั่วคราวนั้นเพิ่มเติม

  

รูปที่ ๕ ภาพระบบท่อของ heat exchanger ที่มีการถอดออกและติดตั้งท่อชั่วคราวแทน (ภาพเฉพาะส่วน tube side)

ท่อชั่วคราวในกรณีที่ ๒ (cyclone) แตกต่างจากกรณีอื่นตรงที่แนวทิศทางการไหลเข้าและออกนั้นไม่อยู่ในระนาบเดียวกัน ทำให้ท่อมีทั้งการงอทั้งในแนวราบและแนวดิ่ง ซึ่งท่อลักษณะเช่นนี้จะมีความยืดหยุ่นในการขยายตัว (ถ้ามันยาวมากพอ โดยต้องคำนึงถึงระบบ piping ที่เชื่อมต่อด้านเข้าออกด้วย) มากกว่าท่อสั้นที่การไหลอยู่ในระนาบเดียวกัน (แม้ว่าจะอยู่ที่ระดับเดียวกัน (กรณีที่ ๓) หรือต่างระดับกัน (กรณีที่ ๑) ทำให้ต้องแก้ปัญหาการขยายตัวของท่อด้วยการติดตั้ง bellow
   

อีกประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจก็คือ ผู้ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างท่อชั่วคราวนั้นทราบหรือไม่ว่างานที่ดูเหมือนว่าเป็นงานธรรมดานั้นแท้จริงแล้วต้องใช้ผู้ที่มีความรู้ด้านใดเข้ามาเกี่ยวข้อง แต่ในการทำงานจริงนั้นยังมีอีกหลายปัจจัยให้ต้องพิจารณา เช่นในหน่วยงานนั้นมีผู้ที่มีความรู้ในด้านดังกล่าวอยู่หรือไม่ และผู้ที่ปฏิบัติงานอยู่ในหน่วยงานนั้นรู้หรือไม่ว่างานประเภทใดที่ควรต้องให้ผู้ที่มีความรู้ทางด้านนั้นเป็นผู้ออกแบบและตรวจสอบ