อุบัติเหตุจากการปรากฏของแก๊สไฮโดรเจนที่ไม่คาดคิด MO Memoir : Sunday 2 August 2563

ไฮโดรเจน (Hydrogen H₂) เป็นแก๊สที่ติดไฟได้ แต่ด้วยการที่การเผาไหม้ไฮโดรเจนนั้นมี Flame speed สูงกว่าไฮโดรคาร์บอนประมาณ ๓ เท่า (ประมาณ 16 m/s ต่อ 48 m/s) แต่ถ้ามีปริมาณไม่มากและเกิดผสมอยู่กับไฮโดรคาร์บอนด้วยแล้วก็จะส่งออกระบบ flare ทั่วไป แต่ถ้าจำเป็นต้องทำการไฮโดรเจนปล่อยทิ้งในปริมาณมากก็ต้องแยกระบบเผาไฮโดรเจนออกจากระบบ flare ที่ใช้เผาแก๊สทั่วไป ในกรณีที่มันเกิดอย่างอิสระในอย่างช้า ๆ ในปริมาณไม่มากก็จะปล่อยออกสู่บรรยากาศโดยตรง (แต่ควรเป็นตำแหน่งที่อยู่สูงหน่อยและอากาศระบายได้ดี) เพราะมันเป็นแก๊สที่เบากว่าอากาศและฟุ้งกระจายได้ง่าย โอกาสที่จะสะสมจนมีความเข้มข้นสูงจนระเบิดได้จึงต่ำมาก

  

รูปที่ ๑ หลายเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดและสะสมในระบบโดยไม่คาดคิด (จาก ICI Safety Newsletters เดือนธันวาคม ๑๙๗๓ (พ.ศ. ๒๕๑๖)) 

   

Flame speed คือความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลวไฟ เช่นถ้าเราเอา เชื้อเพลิง + อากาศ ฉีดออกจากหัวฉีดให้แก๊สผสมที่พุ่งออกมานั้นมีความเร็วแตกต่างกัน (ผสมอากาศเข้าไปตรงบริเวณใกล้ทางออกของหัวฉีดนะ แบบเตาแก๊สที่ใช้ตามบ้าน) แล้วจุดไฟแก๊สผสมที่ออกมาจากหัวฉีดนั้น ถ้าความเร็วของแก๊สนั้นต่ำกว่าความเร็วของเปลวไฟ เปลวไฟจะวิ่งย้อนเข้ามาในหัวฉีด ถ้าความเร็วของแก๊สที่พุ่งออกมานั้นพอดีกับความเร็วของเปลวไฟ เปลวไฟก็จะลอยอยู่กับที่ตรงหัวฉีด แต่ถ้าความเร็วของแก๊สผสมนั้นเร็วเกินไป เปลวไฟก็จะถูกผลักห่างออกไปจากหัวฉีดและก็ดับได้

อุบัติเหตุที่เกี่ยวข้องกับการปรากฏของแก๊สไฮโดรเจนที่ไม่คาดคิด ๓ เรื่องในวันนี้นำมาจาก ICI Safety Newsletters ฉบับที่ ๕๙ เดือนธันวาคม ๑๙๗๓ (พ.ศ. ๒๕๑๖) 

  

เรื่องแรกเป็นกรณีของถังเก็บกรดฟอสฟอริก (Phosphoric acid - H₃PO₄) กรดเจือจางที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายนั้นสามารถแตกตัวให้โปรตอน (H⁺) ออกมา และเจ้าโปรตอนตัวนี้สามารถไปดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมเหล็ก ทำให้อะตอมเหล็กกลายเป็นไอออนละลายออกมา แล้วตัวมันเองก็กลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนระเหยออกมา แต่ในกรณีที่เป็นกรดเข้มข้นมาก การแตกตัวให้โปรตอนออกมาจะลดลงเพราะมันไม่มีตัวรับโปรตอน ดังนั้นเหล็กที่ถูกกรดเจือจางกัดกร่อนได้ง่าย กลับกลายเป็นว่าไม่มีปัญหากับกรดความเข้มข้นสูง

รูปที่ ๒ Chloride ion (Cl^-) ที่ปนเปื้อนเข้าไปในกรดฟอสฟอริก จะทำให้เกิดกรด HCl ขึ้น ซึ่งกรด HCl นี้กัดเหล็กกล้าไร้สนิมได้ดีด้วย และยังทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจนขึ้นด้วยดังข้อมูลที่แสดงใน Table 4 ในรูป (จากเอกสาร Corrosion Resistance of Nickel-Containing Alloys in Phophoric Acid, Publication No. 415, โดย Nickel Development Institute)

 

แต่แม้ว่าเป็นกรดเข้มข้นก็ไม่ใช่ว่าเหล็กมันไม่ถูกกัดกร่อนเลย เอาเป็นว่าอัตราการถูกกัดกร่อนมันต่ำลงมากจนสามารถใช้งานได้นานกว่าจะหมดอายุใช้งาน ดังนั้นด้วยเหตุนี้การออกแบบถังเก็บกรดจึงมีการคำนึงถึงแก๊สไฮโดรเจนที่อาจเกิดขึ้นในระบบ (ไม่ว่าจะเกิดขึ้นในถังหรือระบบท่อที่ลำเลียงกรดเข้าถัง) และต้องมีการระบายแก๊สไฮโดรเจนนี้ออกไป ซึ่งโดยปรกติก็สามารถใช้ช่อง vent (ที่ใช้ยอมให้อากาศไหลออกหรือไหลเข้าถังเมื่อระดับของเหลวในถังเปลี่ยนไป) ได้อยู่แล้ว

  

ในเหตุการณ์แรกนี้ท่อ vent ไม่ได้อยู่ ณ ตำแหน่งส่วนบนสุดของฝาถัง แต่อยู่ต่ำกว่า  จึงทำให้มีแก๊สไฮโดรเจนสะสมอยู่ในถังได้  แถมท่อทางออกยังถูกต่อออกทางมาทางด้านข้าง และหันปลายท่อลงล่าง (ก็คงเพื่อกันน้ำฝนเข้า) โดยปลายท่อนั้นอยู่ใกล้กับทางเดิน (น่าจะเป็นทางเดินยกระดับจึงได้อยู่สูงขนาดนั้น)

 

วันหนึ่ง เปลวไฟที่เกิดจากการเชื่อมโลหะ (ที่น่าจะมีการทำงานอยู่บริเวณนั้น) จุดระเบิดแก๊สไฮโดรเจนที่รั่วออกมา เปลวไฟเดินทางย้อนกลับเข้าไปในถัง ทำให้ฝาถังปลิวออก

บทความไม่ได้เอ่ยว่าเกิดแก๊สไฮโดรเจนได้อย่างไร และจุดกำเนิดอยู่ที่ไหน แต่ไปเห็นข้อมูลหนึ่งที่น่าสนใจที่จัดทำโดย Nickel Development Institute (รูปที่ ๒) ที่กล่าวว่า แม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิม (หรือที่เราเรียกกันติดปากว่าเหล็กสแตนเลส) SS-304 หรือ SS-316 จะทนต่อกรดฟอสฟอริกได้ดี แต่ถ้ามีChloride ion (Cl^-) ปนเปื้อนเข้าไปในระบบ จะทำให้เกิดกรดเกลือ (HCl) ขึ้น และกรดเกลือตัวนี้ก็สามารถกัดเหล็กกล้าไร้สนิมทั้งสองตัวได้ดีซะด้วย ร่วมกับการทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจน ดังข้อมูลที่แสดงใน Table 4 ในรูปที่ ๒  ในเหตุการณ์นี้แม้ว่าจะมีการย้ายท่อ vent ไปที่ส่วนบนสุดของถัง  แต่ปลายท่อ vent ก็ยังควรต้องโค้งลงล่างอยู่ดี เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำฝนเข้าไปในถัง

เหตุการณ์ที่สองเกิดขึ้นในขณะที่ช่างกำลังเจาะรูลูกสูบ (piston) ของเครื่องจักรไอน้ำ เมื่อหัวสว่านเจาะทะลุชั้นผนังด้านนอกก็มีเปลวไฟยาว ๓ ฟุตพุ่งออกมา ทำให้ช่างที่ทำการเจาะนั้นได้รับบาดเจ็บ ผลการวิเคราะห์แก๊สภายหลังพบว่าแก๊สนั้นคือแก๊สไฮโดรเจน (น่าจะเป็นการนำแก๊สที่ปรากฏในส่วนอื่นมาวิเคราะห์) แต่บทความไม่ได้ให้รายละเอียดว่าแก๊สไฮโดรเจนเกิดจากไหนและมาอยู่ตรงนี้ได้อย่างไร

เหตุการณ์สุดท้ายเป็นกรณีที่จะว่าไปแล้วก็คงไม่มีใครคาดคิด เพราะเกิดจากการที่แก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นทางฝั่งหนึ่งของผนัง vessel นั้น สามารถซึมผ่านเนื้อโลหะของผนัง vessel และไปโผล่ทางอีกฟากหนึ่งของผนังได้

  

แก้วเป็นวัสดุที่ทนการกัดกร่อนได้ดี แต่แตกหักง่ายและไม่เหมาะสำหรับใช้ทำภาชนะรับความดัน ดังนั้นในกรณีที่ต้องทำงานกับสารที่กัดกร่อน ทางเลือกที่มีก็คือการเลือกโลหะใช้ที่ทนต่อการกัดกร่อนของสารนั้นได้ (ซึ่งแน่นอนว่ามีราคาสูง) มาทำเป็นตัว vessel การเคลือบผิวด้านในของ vessel ที่ต้องสัมผัสกับสารกัดกร่อนนั้นด้วยวัสดุที่เหมาะสม เช่นพอลิเมอร์หรือแก้ว พอลิเมอร์มันก็ดีตรงที่ไม่ต้องกลัวว่ามันจะแตก แต่แก้วมันจะดีกว่าตรงที่มันทนอุณหภูมิได้สูงมากกว่า

รูปที่ ๓ ผนังด้านในของ vessel เป็นผนังแก้วเพื่อป้องกันการกัดกร่อนโลหะที่ใช้ทำตัว vessel ส่วนผนังด้านนอกนั้นมีตัว jacket หุ้มอยู่เพื่อเป็นช่องทางสำหรับให้น้ำระบายความร้อนไหลเข้าออก

  

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับ vessel ที่มีเคลือบผนังด้านในไว้ด้วยแก้ว ในขณะที่ผนังด้านนอกนั้นมี jacket หุ้มอยู่เพื่อเป็นช่องทางให้น้ำหล่อเย็นไหลผ่าน (รูปที่ ๓) ช่องทางน้ำไหลภายใน jacket นี้ไม่สามารถใช้เครื่องมือเข้าไปขัดผิวทำความสะอาดได้ ดังนั้นเวลาที่มีคราบสกปรกเกาะติด ก็ต้องใช้สารเคมีเข้าไปละลาย และคราบตัวหนึ่งที่เกิดขึ้นได้เมื่อใช้น้ำหล่อเย็นก็คือตะกรัน (ซึ่งจะเกิดมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับน้ำที่นำมาใช้) ตะกรันนี้ละลายได้ในกรด ดังนั้นการล้างตะกรันออกจึงต้องใช้กรดเข้าไปละลาย (แบบเดียวกับเวลาที่เราจะล้างกระติกน้ำร้อนไฟฟ้าที่มีตะกรันเกาะติด เราก็จะใช้น้ำส้มสายชูละลายตะกรัน)

การล้างตะกรันในระบบท่อหรือระบบปิดใด ๆ ด้วยการใช้กรดเข้าไปละลายเป็นเรื่องปรกติที่ทำกัน ส่วนที่ว่าล้างตะกรันได้หมดหรือยังนั้นก็ดูได้จากสารละลายกรดที่ไหลออกมา ถ้าเห็นว่าสารละลายกรดที่ไหลออกมามันเข้มข้นมากขึ้นหรือเริ่มมีไอออนโลหะละลายออกมามากขึ้น นั่นก็แสดงว่าล้างตะกรันได้หมดแล้ว ก็ยุติการล้างได้

  

และในจังหวะที่กรดที่ป้อนเข้าไปนั้นเริ่มกัดเนื้อโลหะ ก็จะมีแก๊สไฮโดรเจนเกิดขึ้น

  

โมเลกุลแก๊สไฮโดรเจน H-H สามารถถูกดูดซับไว้ด้วยอะตอมโลหะหลายชนิด โดยอะตอมโลหะจะดูดซับแก๊สไฮโดรเจนในรูปของอะตอม H (คือใช้ ๒ อะตอมโลหะจับอะตอม H ๒ อะตอม) และเนื่องจากอะตอม H มีขนาดเล็กมาก อาจเล็กกว่าช่องว่างระหว่างอะตอมของโลหะอีก ทำให้อะตอม H สามารถแพร่ซึมเข้าไปในเนื้อโลหะและไปโผล่ในที่ว่างในเนื้อโลหะ (ถ้ามี) หรือไปยังอีกฟากหนึ่งของเนื้อโลหะได้ และเมื่อมันไปถึงอีกฝั่งหนึ่งก็จะรวมตัวกลับเป็นแก๊สไฮโดรเจนใหม่ เหล็กกล้า carbon steel จะมีปัญหากับปรากฏการณ์นี้มากที่อุณหภูมิสูงและความดันไฮโดรเจนสูง ซึ่งการละลายของอะตอมไฮโดรเจนในเนื้อโลหะอาจทำให้คุณสมบัติความแข็งแรงของเนื้อโลหะเปลี่ยนไป (เช่นจากเหนียวกลายเป็นแข็งและเปราะ) หรือไปรวมตัวกันในที่ว่างในเนื้อโลหะจนทำให้เนื้อโลหะปูดบวมออกมา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Hydrogen Attack หรือ Hydrogen damage ไม่เพียงแต่ไฮโดรเจน ไฮโดรคาร์บอนเช่นมีเทน (CH₄) ที่อะตอมโลหะสามารถดูดซับเอาไว้โดยมีการแตกพันธะให้เกิดเป็น H₃C· และอะตอม H ออกมา (การดูดซับแบบ dissociative adsorption) ก็อาจเกิดปรากฏการณ์นี้ได้เช่นกัน

  

แต่ก็มีการนำเอาปรากฏการณ์นี้ไปใช้ประโยชน์ คือใช้แยกไฮโดรเจนออกจากแก๊สอื่น วิธีการทำโดยการเคลือบโลหะที่เหมาะสม (ที่สามารถดูดซับไฮโดรเจนได้ที่อุณหภูมิต่ำ) ลงบนพื้นผิวที่มีรูพรุน แก๊สไฮโดรเจนในแก๊สผสมจะสามารถแพร่ผ่านโลหะนั้นได้ในขณะที่แก๊สตัวอื่นแพร่ผ่านไม่ได้

เหตุการณ์ที่สามนี้เกิดจากแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นระหว่างการล้าง jacket ด้วยกรด แพร่ผ่านผนังของ vessel ไปยังฝั่งผนังด้านในที่มีแก้วเคลือบเอาไว้ แก๊สไฮโดรเจนสะสมในช่องว่างระหว่างผนังโลหะด้านของ vessel กับผนังด้านนอกของชั้นแก้วที่เคลือบเอาไว้ จนมีความดันสูงพอจนทำให้ผนังแก้วนั้นแตกร้าว เหตุการณ์นี้แม้ว่าจะไม่มีการระเบิดหรือเพลิงไหม้ แต่ต้นตอของความเสียหายก็ยากที่จะคาดถึง 

  

ที่แปลกก็คือตัว vessel นั้นทำจากโลหะอะไร เพราะถ้าเป็น carbon steel ธรรมดามันก็ไม่น่าจะเกิดเพราะอุณหภูมิการล้างก็ไม่น่าจะสูงอะไรและแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นก็ไม่น่าจะมีมากอะไร แต่ทำไมจึงเกิดการแพร่ผ่านเนื้อโลหะที่ใช้ทำ vessel ได้ เพราะถ้าแก๊สไฮโดรเจนแพร่ผ่านเนื้อเหล็กได้ง่าย เราก็คงไม่สามารถเก็บแก๊สไฮโดรเจนไว้ในท่อเหล็กอย่างที่ทำกันอยู่ในปัจจุบันได้

เรื่องเล่าในวันนี้ก็คงจบลงเพียงแค่นี้