บางปัญหาเกี่ยวกับท่อที่ต่อเข้าด้านบนของ Fixed-roof tank MO Memoir : Wednesday 27 May 2563

สิ่งที่ทำงานได้ดี ที่ผ่านมาก็ไม่เคยมีปัญหาอะไร แต่เมื่ออะไรต่อมิอะไรมันมาประจวบเหมาะในเวลาที่เหมาะสม มันก็เกิดเรื่องได้เช่นกัน ดังเช่นกรณีตัวอย่างที่นำมาจาก ICI Safety Newsletter สองกรณีนี้

เรื่องที่ ๑ น้ำมันควบแน่นในท่อไนโตรเจน

เรื่องนี้นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๒๑ เรื่องที่ ๔ เดือนสิงหาคม ๑๙๗๐ (พ.ศ. ๒๕๑๓)

 

ถัง (Tank) ชนิด fixed roof tank นั้นจะต้องมีรูระบายอากาศอยู่ที่ฝาถังด้านบน เพื่อให้อากาศเหนือผิวของเหลวนั้นไหลออกได้เวลาที่เติมของเหลวเข้าถังหรือเมื่ออากาศร้อน และให้อากาศภายนอกไหลเข้าไปในถังได้เวลาที่สูบของเหลวออกจากถังหรือเมื่ออากาศเย็น ทั้งนี้เพื่อรักษาความดันภายในถังไม่ให้สูงหรือต่ำเกินไป

 

แต่ถ้าของเหลวที่เก็บในถังนั้นเป็นของสารไวไฟที่มีจุดวาบไฟต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง การให้อากาศไหลเข้า-ออกก็อาจทำให้ส่วนที่เป็นไอเหนือผิวของเหลวภายในถัง มีความเข้มข้นอยู่ในช่วง explosive mixture ได้ ดังนั้นถ้าไอที่มีความเข้มข้นในช่วง explosive mixture นี้ระบายออกมาจากรูระบายและพบกับแหล่งพลังงาน (เช่นความร้อน เปลวไฟ ประกายไฟ) ก็จะเกิดไฟลุกไหม้ย้อนกลับเข้าไปในถังและทำให้เกิดการระเบิดขึ้นในถังได้ การป้องกันการเกิดเหตุเช่นนี้ทำได้ด้วยการติดตั้ง flame arrestor เพิ่มเข้าไปที่ช่องระบายไอ (ที่อาจเป็นเพียงแค่ vent หรือ breather valve) แต่การติดตั้ง flame arrestor นี้ไม่สามารถป้องกันการระเบิดภายในถังที่เกิดจากการจุดระเบิดภายในถังได้ (เช่นจากไฟฟ้าสถิตย์) ในกรณีเช่นนี้การใช้แก๊สเฉื่อย (ปรกติก็ไนโตรเจน) ช่วยในการรักษาความดันภายในถังแทนการปล่อยให้อากาศไหลเข้าออกก็สามารถช่วยได้

 

อีกวิธีหนึ่งก็คือการไปใช้ถังเก็บแบบ floating roof tank ที่ฝาบนนั้นลอยอยู่บนผิวของเหลว ในกรณีนี้ถ้าเป็นบ้านเรามันก็ไม่มีปัญหา เพราะมันมีแค่ฝนตก แต่สำหรับประเทศอากาศหนาวที่มีหิมะตก แม้แต่ถัง floating roof ก็ยังต้องมี fixed roof ครอบทับอีกที เพื่อป้องกันไม่ให้หิมะสะสมบน floating roof จนมีน้ำหนักมากเกินกว่าตัว roof จะลอยได้ ทำให้มีที่ว่างระหว่างตัว floating roof และ fixed roof ที่ไอเชื้อเพลิงที่ระเหยรอดออกมาตรงรอยต่อต่าง ๆ สามารถสะสมได้

  

รูปที่ ๑ ไอน้ำมันควบแน่นทางท่อด้านขาออกของท่อไนโตรเจน ทำให้ไนโตรเจนไม่สามารถไหลเข้าถังได้

รูปที่ ๑ เป็นกรณีของการใช้แก๊สไนโตรเจนเข้าไปแทนที่อากาศ กล่าวคือเวลาที่ความดันภายในถังลดลง แก๊สไนโตรเจนก็จะไหลเข้าไป ป้องกันไม่ให้อากาศไหลเข้า และเวลาที่ความดันในถังสูงขึ้น ไอผสมของเชื้อเพลิงกับไนโตรเจนก็จะไหลออกผ่านทางช่องระบาย

  

แก๊สไนโตรเจนความดันสูงจะต้องผ่านวาล์วลดความดันก่อนจะไหลเข้าถัง ตำแหน่งที่ติดตั้งวาล์ว (ไม่ว่าแบบไหนก็ตาม) ก็เป็นประเด็นหนึ่งที่น่าพิจารณา คือต้องพิจารณาถึงเรื่อง ความถี่ในการใช้ การซ่อมบำรุง และการป้องกันไม่ให้ใครไปยุ่งเกี่ยวโดยไม่ได้รับอนุญาต กล่าวคือถ้าวาล์วตัวไหนต้องใช้งานบ่อยก็ควรให้เข้าถึงได้ง่าย (เช่นอยู่ระดับพื้นดินหรือมีทางเดินถาวรเข้าถึง) หรือถ้าจำเป็นก็อาจต้องใช้ระบบรอกโซ่ช่วยดึงในการหมุนเปิด-ปิด ตัวไหนที่นาน ๆ ต้องเข้าไปยุ่งทีก็อาจใช้การก่อนั่งร้านแทนเมื่อต้องเข้าไปยุ่ง และตัวไหนที่ไม่อยากให้ใครเข้าไปยุ่งปรับเปลี่ยนเล่น ก็อาจต้องติดตั้งในตำแหน่งที่เข้าถึงได้ยาก (เช่นต้องสร้างนั่งร้านถึงจะเข้าถึงได้) หรือติดตั้งระบบล็อกเอาไว้ไม่ให้ปรับเปลี่ยนได้ง่าย

ในเหตุการณ์นี้วาล์วลดความดันอยู่ที่ระดับต่ำ โดยท่อด้านขาออกถูกยกสูงขึ้นไปและต่อเข้า tank ณ ตำแหน่งที่สูงกว่าระดับสูงสุดของของเหลวใน tank

  

สิ่งที่เกิดขึ้นคือ เมื่ออากาศร้อน ความดันไอของน้ำมันจะสูงขึ้น ไนโตรเจนจะหยุดไหล ไอน้ำมันบางส่วนจะไหลย้อนเข้ามาในท่อไนโตรเจนได้ และเมื่อกาศเย็นลง ไอน้ำมันที่แพร่เข้ามาในท่อไนโตรเจนจะควบแน่นกลายเป็นของเหลวลงมาสะสมอยู่ทางด้านขาออกของวาล์วลดความดัน และถ้าปริมาณของเหลวที่สะสมนั้นมากพอ ความดันที่เกิดจากความสูงของของเหลวด้านขาออกของวาล์วลดความดันก็จะปิดกั้นไม่ให้ไนโตรเจนไหลเข้าถังได้ ดังนั้นเพื่อแก้ไขปัญหานี้ วาล์วลดความดันจึงควรติดตั้งที่ตำแหน่งระดับความสูงของหลังคาถัง และไม่ควรเปิดโอกาสให้มีของเหลวสะสมในท่อด้านขาออกได้ (เช่นด้วยการวางท่อลาดเอียงลงไปในถัง)

เรื่องที่ ๒ ไฮโดนเจนจากถังเก็บกรด

 

เรื่องนี้นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๕๙ เรื่องที่ ๖ เดือนธันวาคม ๑๙๗๓ (พ.ศ. ๒๕๑๖)

  

โปรตอน (H⁺) ที่เกิดจากการแตกตัวของกรด สามารถดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมเหล็กได้ โดยตัวมันเองจะเปลี่ยนเป็นแก๊สไฮโดรเจน (H₂) ในขณะที่อะตอมเหล็กจะกลายเป็นไอออน (Fe²⁺) เข้ามาอยู่ในสารละลายกรดแทนโปรตอน แต่การแตกตัวของกรดให้โปรตอนได้นี้ จำเป็นต้องมีสารอื่นมารับโปรตอนจากโมเลกุลกรดก่อน เช่นน้ำ (H₂O) ที่เมื่อรับโปรตอนแล้วก็จะกลายเป็นไฮโดรเนียมไอออน (H₃O⁺) แล้วเจ้าตัวไฮโดรเนียมไอออนนี้จึงไปดึงอิเล็กตรอนจากเหล็กอีกที

  

แต่สำหรับกรดที่เข้มข้นมาก ๆ มันจะไม่มีการแตกตัว (หรือมีการแตกตัวน้อยมาก) เพราะไม่มีตัวรับโปรตอน ดังนั้นกรดที่เข้มข้นมาก ๆ จึงสามารถเก็บในถังเหล็กได้ แต่ตรงนี้ใช่ว่าเหล็กจะไม่สึกกร่อนนะ เอาเป็นว่าเรียกว่าอัตราการสึกกร่อนนั้นต่ำมากจนอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ (กล่าวคือไม่กระทบต่อความแข็งแรงของถังเก็บแม้ว่าจะใช้งานผ่านไปหลายปี)

  

ด้วยเหตุนี้เมื่อใช้ถังเหล็กเก็บสารละลายกรดเข้มข้น ก็ยังควรต้องคำนึงถึงการระบายแก๊สไฮโดรเจนที่อาจเกิดขึ้นจากการที่กรดนั้นไปกัดถังเหล็กเอาไว้ด้วย

รูปที่ ๒ (ซ้าย) เมื่อท่อ vent อยู่ต่ำกว่าระดับความสูงสูงสุดของ tank แก๊สไฮโดรเจนจะสามารถสะสมใช้ roof ได้ (ขวา) แต่ถ้าติดตั้ง vent ที่ตำแหน่งสูงสุดของ roof แก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นจะระบายออกและฟุ้งกระจายออกไปได้ง่าย

  

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับถังเหล็กที่ใช้เก็บกรดฟอสฟอริก (H₃PO₄) ของโรงงานผลิตปุ๋ยแห่งหนึ่ง (กรดนี้เป็นตัวให้ธาตฟอสฟอรัส) ท่อระบายแก๊สไฮโดรเจนที่ฝาถังนั้นไม่ได้อยู่ที่ตำแหน่งสูงสุดของฝาถัง แต่อยู่ต่ำลงมาและยื่นออกมาทางด้านข้าง และเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำฝนไหลเข้าไปในท่อได้ จึงออกแบบปลายท่อให้หันลงล่าง (รูปที่ ๒)

  

วันหนึ่ง มีคนงานไปทำงานเชื่อมโลหะในบริเวณดังกล่าว เปลวไฟจากการเชื่อมโลหะไปจุดระเบิดแก๊สไฮโดรเจนที่ไหลออกมาทางปลายท่อระบายแก๊สไฮโดรเจน เปลวไฟเดินทางย้อนเข้าไปในท่อและไปจุดระเบิดแก๊สไฮโดรเจนที่สะสมอยู่ใต้หลังคา ทำให้ฝาถังปลิวออกมา (จดหมายข่าวไม่ได้บอกว่าการเชื่อมเกิดขึ้นที่ไหน อาจจะเกิดจากบริเวณที่สูงกว่าแล้วมีสะเก็ดไฟที่กระเด็นตกลงล่างก็ได้ หรือเกิดจากบริเวณข้างเคียงที่อยู่ใกล้กับท่อระบายแก๊สไฮโดรเจนก็ได้) 

  

วิธีการที่ดีกว่าคือการย้ายท่อระบายแก๊สมาอยู่ ณ ตำแหน่งสูงสุดของฝาถัง และถ้ากลัวน้ำฝนเข้าไปก็อาจใช้การติดตั้งข้องอที่ปลายท่อให้โค้งเป็นตัว U ลงมาข้างล่าง หรือไม่ก็ติดตั้งข้อต่อรูปตัว T ให้แก๊สระบายออกทางซ้ายและขวา

  

ตรงนี้ก็อาจมีคนมองว่า ถ้าเขาติด flame arrestor ตั้งแต่แรก เหตุการณ์นี้ก็คงไม่เกิด แต่ถ้าเรามองย้อนกลับไปตอนที่เขาออกแบบถังเก็บ ว่าไว้สำหรับเก็บกรดฟอสฟอริก ซึ่งไม่ติดไฟ คนออกแบบก็คงจะมองไม่เห็นความจำเป็นที่ต้องติดตั้ง flame arrestor ไว้ที่ท่อระบายแก๊ส (กรดอนินทรีย์มันไม่ติดไฟ แต่หลายตัวเป็นตัวจ่ายออกซิเจน (เช่นกรดไนตริก HNO₃) ทำให้สารอินทรีย์เกิดปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ได้ดีขึ้น แต่พวกกรดอินทรีย์มันติดไฟได้นะ โดยเฉพาะพวกกรดไขมัน)

  

และที่ต้องคำนึงก็คือ คนออกแบบมักจะเป็นผู้เชี่ยวชาญงานทางด้านการก่อสร้างไม่ก็เครื่องกล การออกแบบของเขาก็จะเน้นไปที่ความสามารถในการรับแรงเป็นหลัก ข้อกำหนดเพิ่มเติมที่ต้องมีเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างการใช้งานนั้น จำเป็นที่นักเคมี (หรือผู้ที่มีความรู้ทางด้านเคมี) แจ้งให้ผู้ออกแบบทราบก่อนเริ่มการออกแบบ เพื่อที่เขาจะได้รู้เงื่อนไขเฉพาะที่สำคัญบางข้อก่อนเริ่มงาน