ไฟไหม้โรงงานผลิตไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์ (๔) MO Memoir : Wednesday 30 October 2567

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Report on the overview of the high pressure gas accident : Explosion and fire at vinyl chloride monomer plant" (https://www.khk.or.jp/english/report.html) ที่เผยแพร่โดย The High Pressure Gas Safety Institute of Japan (KHK) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่ประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๑๓ พฤศจิกายน ค.ศ. ๒๐๑๑ (พ.ศ. ๒๕๕๔) ส่งผลให้มีผู้เสียขีวิต ๑ ราย

แต่ก่อนอื่นเรามาลองทำความรู้จักกระบวนการผลิตของโรงงานที่เกิดเหตุกันก่อน (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ผังกระบวนการผลิตไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์ของโรงงานที่เกิดเหตุ

ในอุตสาหกรรมผลิตไวนิลคลอไรด์ (vinyl chloride, H₂C=CHCl) ด้วยการนำเอาเอทิลีนไดคลอไรด์ (HClC-CHCl Ethylene dichloride ที่ย่อว่า EDC) มาให้ความร้อนจนโมเลกุลแตกออก จะได้ไวนิลคลอไรด์ร่วมกับไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl hydrogen chloride) ปัญหาของกระบวนการนี้ก็คือจะจัดการ HCl ที่เกิดขึ้นอย่างไรเพราะเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการ และวิธีการที่ใช้กันในปัจจุบันคือใช้กระบวนการที่เรียกว่า Oxychlorination process ที่ใช้ HCl ทำปฏิกิริยากับ O₂ ในบรรยากาศที่มีเอทิลีน (ethylene, H₂C=CH₂) ร่วมอยู่โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยในการทำปฏิกิริยา HCl จะทำปฏิกิริยากับ O₂ ได้ Cl₂ และ H₂O ออกมา โดย Cl₂ ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยากับเอทิลีนในระบบได้ EDC (ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงพอจะไม่เกิดการควบแน่นของน้ำ จะหลีกเลี่ยงปัญหาการกัดกร่อนจากการที่ HCl ละลายน้ำกลายเป็นกรดเกลือได้)

หมายเหตุ : Ethylene dichloride มีอยู่ด้วยกัน 2 ไอโซเมอร์คือ 1,1-dichloroethane (HCl₂C-CH₃) และ 1,2-dichlorethane (H₂ClC-CClH₂) แต่ถ้าพูดถึงกระบวนการผลิต VCM จะหมายถึง 1,2-dichlorethane

กระบวนการของโรงงานที่เกิดเหตุนั้น HCl ที่เกิดจากการผลิตไวนิลคลอไรด์จะถูกนำมารวมกับ HCl ใหม่ที่ป้อนเข้ามา และป้อนเข้าสู่ oxychlorination process ร่วมกับออกซิเจนและเอทิลีน โดยมี 2 สายการผลิตด้วยกันคือ A กับ ฺB ผลิตภัณฑ์ที่ได้จาก 2 สายการผลิตนี้จะถูกนำมารวมกันและป้อนเข้าสู่กระบวนการทำให้ EDC บริสุทธิ์ก่อนป้อนเข้าสู่ขั้นตอน cracking ที่เป็นการให้ความร้อนด้วย furnace (ซึ่งมีอยู่ 3 สายการผลิตคือ A, B และ C) เพื่อให้โมเลกุล EDC แตกออกเป็นไวนิลคลอไรด์และ HCl ผลิตภัณฑ์ที่ออกมาจากแต่ละ funace จะถูกป้อนเข้าสู่หน่วยกลั่นแยก HCl และ VCM ออกจากกัน

หมายเหตุ : กระบวนการ cracking ของเฟสแก๊สจะมีจำนวนโมลเพิ่มขึ้น ดังนั้นถ้าอยากให้ปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้าได้ดีขึ้นก็ควรทำปฏิกิริยาที่ความดันต่ำ (เช่นในกระบวนการผลิตเอทิลีนจากไฮโดรคาร์บอน) แต่ด้วยการที่ EDC สามารถควบแน่นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ภายใต้ความดันที่สูงมากพอ การ cracking EDC จึงทำที่ความดันที่จัดว่าสูง (ประมาณ 20 atm) เพื่อที่จะแยก EDC (ที่มีจุดเดือดสูง) ออกจาก HCl ได้ง่ายขึ้น

รูปที่ ๒ หน่วยแยก EDC, ไวนิลคลอไรด์และ HCl ออกจากกันด้วยการกลั่นแยก โดย HCl จะกลายเป็นไอออกทางยอดหอ ก่อนถูกนำกลับไปใช้ในปฏิกิริยา oxychlorination ส่วน EDC (ที่ทำปฏิกิริยาไม่หมด) และไวนิลคลอไรด์จะเป็นของเหลวออกที่ก้นหอและส่งต่อไปยังหอกลั่นแยกออกจากกันในขั้นตอนต่อไป

รูปที่ ๒ เป็นแผนผังของหน่วยกลั่นแยก EDC, ไวนิลคลอไรด์และ HCl ออกจากกัน HCl จะออกในรูปของไอที่ยอดหอและถูกควบแน่นด้วย propylene refrigerant ที่อุณหภูมิประมาณ -25ºC HCl ที่ควบแน่นจะไหลลงสู่ถังเก็บ (Reflux tank) ที่จะทำการดึงเอาของเหลวบางส่วนป้อนกลับสู่หอกลั่น (เรียกว่าสาย reflux) และส่วนที่เหลือส่งกลับไปยังกระบวนการ oxychlorination และในกรณีที่ระบบมีปัญหาก็สามารถส่ง HCl ไปยัง buffer tank แทนการป้อนทั้งหมดกลับไปยังหอกลั่น

รูปที่ ๓ แสดงสภาวะการทำงานของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับการระเบิดคือ หอกลั่นแยก (HCl removal column), reflux tank และ HCl buffer tank การควบคุมความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์อาศัยการควบคุมอัตราการไหลของสาย reflux และการให้ร้อนด้วยไอน้ำแก่ของเหลวที่ก้นหอ (ที่ตัว heater) อุณหภูมิการทำงานที่ก้นหอกลั่นอยู่ที่ประมาณ 120ºC

รูปที่ ๓ สภาวะการทำงานของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับการระเบิด

ต่อไปจะเป็นการไล่ลำดับเหตุการณ์

เวลา 3.39 น วาล์วระบายความดันฉุกเฉิน (ตัว emergency relief valve ในรูปที่ ๑) ที่ระบายแก๊สจาก oxychlorination process สายการผลิต A (ต่อไปจะเรียกว่าหน่วย "Oxy A") ไปยังอุปกรณ์ "detoxification" เกิดความเสียหายและเปิดกระทันหัน ทำให้ความดันในระบบลดลงอย่างรวดเร็ว

เวลากล่าวถึง "วาล์วระบายความดันฉุกเฉิน" หรือ emergency relief valve มักจะหมายถึงวาล์วระบายความดันที่ควบคุมการเปิด-ปิดด้วยโอเปอร์เรเตอร์ ไม่ใช่วาล์วระบายความดันที่ใช้ความดันในระบบเป็นตัวควบคุมการเปิด-ปิด การติดตั้งวาล์วฉุกเฉินตัวนี้จะทำกับอุปกรณ์ที่เห็นว่าอาจมีกรณีที่ทำให้ความดันในระบบเพิ่มสูงขึ้นมากจนวาล์วระบายความดันปรกตินั้นไม่สามารถระบายได้ทัน (เช่นกรณีที่ภาชนะถูกไฟครอก) ถ้าสารนั้นไม่เป็นสารพิษก็อาจปล่อยออกสู่บรรยากาศโดยตรง แต่ถ้าเป็นสารพิษก็ต้องเข้าสู่ระบบกำจัดสารพิษก่อนปล่อยออกสู่บรรยากาศ

เวลา 3.52 น หน่วย Oxy A หยุดการทำงานโดยอัตโนมัติจากการทำงานของระบบ interlock

เวลา 3.53 น cracking furnace series A และ B หยุดการทำงานฉุกเฉิน เพื่อปรับอัตราการผลิตให้รองรับกับการผลิตที่มาจากหน่วย Oxy B

EDC ผลิตจากหน่วย Oxy A และ Oxy B ดังนั้นเมื่อหน่วยอ Oxy A หยุดการทำงาน ปริมาณ EDC ที่ไหลเข้าสู่หน่วยถัดไปก็จะลดลง หน่วยการผลิตชนิดที่มีการไหลเวียนอยู่ภายใน (เช่นหอกลั่น) เมื่อสายป้อนเข้ามามีอัตราการไหลลดลง ก็อาจใช้การลดการดึงสารออกจากหน่วย โดยที่ยังคงการไหลเวียนภายในหน่วยนั้นเอาไว้ โดยไม่จำเป็นต้องหยุดเดินเครื่อง แต่สำหรับหน่วยที่อัตราการไหลนั้นสำคัญเช่น furnace ที่อัตราการไหลผ่านนั้นต้องสัมพันธ์กับปริมาณความร้อนที่ให้ (ถ้าสารที่มารับความร้อนนั้นมีปริมาณน้อยเกินไป ก็อาจทำให้ท่อมีอุณหภูมิสูงเกินไปได้) ก็จำเป็นต้องหยุดการทำงาน อย่างเช่นในเหตุการณ์นี้จึงต้องหยุดการทำงานของ cracking furnace series A และ B เพื่อไม่ให้เกิดผลกระทบต่อการไหลเข้า cracking furnace series C

เวลาประมาณ 4.10 น จากการหยุดทำงานของ cracking furnace series A และ B ทำให้ปริมาณ HCl, ไวนิลคลอไรด์ และ EDC ที่หลงเหลือจากการทำปฏิกิริยา ที่ไหลเข้าหอกลั่นแยก (hydrochloric acid removal column รูปที่ ๒) มีปริมาณลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้อุณหภูมิของ tray บริเวณตอนกลางของหอ (tray ที่ 18) ลดลงจากอุณหภูมิทำงานปรกติคือ 80ºC เหลือเพียง 57ºC โอเปอร์เรเตอร์จึงตัดสินใจเพิ่มไอน้ำที่ป้อนให้กับ heater และลดอัตราการไหลสาย reflux

การนับจำนวน tray ในหอกลั่นของบทความนี้ นับจากล่างขึ้นบน คือ tray ที่ 1 อยู่ล่างสุด

รูปแบบปรกติของอุณหภูมิในหอกลั่นคือตอนล่างจะสูงสุด (เพราะเป็นจุดให้ความร้อน) และตอนบนจะต่ำสุด (เพราะเป็นจุดดึงความร้อนออก) ของเหลวบนแต่ละ tray จะถูกต้มให้เดือดด้วยไอร้อนที่ระเหยขึ้นมาจาก tray ที่อยู่ถัดลงไป (เพื่อไล่สารที่มีจุดเดือดต่ำให้ระเหยออกมา) และไอที่ระเหยออกมาจะถูกทำให้ควบแน่นด้วยของเหลวที่ไหลลงมาจาก tray ที่อยู่ถัดขึ้นไป (เพื่อควบแน่นสารที่มีจุดเดือดสูงที่ระเหยออกมา)

สายสารผสมที่ป้อนเข้าหอกลั่นเป็นสายที่นำความร้อนเข้าระบบ เมื่ออัตราการไหลสายนี้ลดลงก็จะทำให้ปริมาณความร้อนที่ไหลเข้าหอกลั่นลดลง ถ้าในขณะนั้นอัตราการให้ความร้อนจากตัว heater ทางด้านล่างและอัตราการไหลของสาย reflux (สารที่มีอุณหภูมิต่ำสุด) ยังคงเดิม ก็จะทำให้อุณหภูมิภายในหอกลั่นลดลง ในกรณีเช่นนี้จะทำให้สายที่ออกด้านล่างหอกลั่นมีปริมาณสารที่มีจุดเดือดต่ำปนไปมากขึ้น การแก้ปัญหาทำได้ด้วยการเพิ่มความร้อนที่ให้และ/หรือลดปริมาณ reflux ที่ป้อนกลับเข้าหอ

เวลา 4.10 น อุณหภูมิยอดหอกลั่นแยก HCl (tray ที่ 50 ที่อยู่บนสุด) เพิ่มขึ้นเป็น 38ºC แทนที่จะเป็น -24ºC ซึ่งเป็นอุณหภูมิปรกติของการทำงาน และมีไวนิลคลอไรด์เข้าไปผสมกับ HCl ที่ส่วนบนของหอกลั่นแกย HCl และใน reflux tank

การสอบสวนพบว่าคู่มือการทำงานในสถานการณ์ฉุกเฉินกล่าวไว้ว่า "ให้ปรับปริมาณไอน้ำและอัตราการไหลของสาย reflux ที่ป้อนเข้าสู่หอกลั่นแยก HCl" โดยไม่มีการระบุค่าที่ชัดเจน ซึ่งในกรณีนี้เมื่อโอเปอร์เรเตอร์เพิ่มไอน้ำและลดการไหลของสาย reflux แล้ว อุณหภูมิที่ tray 18 ก็ค่อย ๆ สูงขึ้นเป็น 80ºC ซึ่งเมื่อโอเปอร์เรเตอร์เห็นว่าอุณหภูมิกลับเข้าสู่ค่าเดิมแล้วก็ย้ายไปทำงานอื่นต่อ กล่าวคือไม่มีการเฝ้ามองต่อว่าอุณหภูมิจะหยุดแค่ 80ºC หรือเพิ่มสูงขึ้นไปอีก (ซึ่งถ้าเห็นว่าอุณหภูมิยังเพิ่มสูงขึ้นไปอีกก็ต้องลดปริมาณไอน้ำและเพิ่มอัตราการไหลสาย reflux) จึงทำให้อุณหภูมิในหอกลั่นเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ จน VCM นั้นระเหยออกทางยอดหอออกไปพร้อมกับ HCl ได้

รูปที่ ๔ ภาพความเสียหายของที่เกิดเหตุ

เวลา 5.57 น จากการที่มีไวนิลคลอไรด์ปนเปื้อนเข้าไปใน HCl ใน reflux tank และด้วยการที่ HCl จาก reflux tank นี้จะถูกป้อนกลับไปยังกระบวนการ oxychlorination (ซึ่งในขณะนั้นมีเพียงหน่วย Oxy B เดินเครื่องอยู่) ทำให้ดุลมวลสารของระบบสูญเสียไป กระบวนการผลิตทั้งหมดซึ่งรวมทั้ง Oxy B จึงถูกหยุดการทำงาน

สิ่งที่ตามมาคือโอเปอร์เรเตอร์เริ่มทำการหยุดเดินเครื่องหอกลั่นแยก HCl และหยุดระบบทำความเย็น (propylene refrigerator ในรูปที่ ๒) เมื่อเวลา 8.40 น จากนั้นก็ตัดการเชื่อมต่อ reflux tank (ที่มีระดับของเหลวสูงเกินค่าปรกติ) ออกจากหอกลั่นแยก HCl

ส่วนหนึ่งของของเหลวใน reflux tank ถูกใช้เป็นสาย reflux ป้อนกลับหอกลั่น และส่วนที่เหลือส่งกลับไปทำปฏิกิริยาที่กระบวนการ oxychlorination เมื่อลดอัตราการไหลของสาย reflux และความต้องการที่กระบวนการ oxychlorination ลดลง ก็ทำให้ของเหลวสะสมใน reflux tank มากขึ้น ระดับของเหลวจึงเพิ่มสูงขึ้น

เนื่องจากระดับของเหลวใน reflux tank อยู่ใกล้ระดับ 100% เวลา 11.39 น จึงได้เริ่มทำการถ่ายของเหลวบางส่วนไปยัง HCl buffer tank (ดูรูปที่ ๒) จากนั้นอุณหภูมิและความดันใน reflux tank และ buffer tank ก็ค่อย ๆ เพิ่มขึ้น แต่อัตราการเพิ่มในช่วงแรกนั้นช้ามากจนโอเปอร์เรเตอร์สังเกตไม่เห็นการเปลี่ยนแปลง

เวลาประมาณ 15.00 น พบว่าความดันใน reflux tank และ buffer tank เพิ่มสูงขึ้น จึงได้เริ่มทำการลดความดัน

เวลาประมาณ 15.15 น มีเสียงดังผิดปรกติเกิดขึ้น และสังเกตเห็นกลุ่มควันขาวจากส่วนด้านบนของ HCl buffer tank ในระหว่างกระบวนการลดความดัน

เวลาประมาณ 15.23 น ความดันภายใน reflux tank สูงเกินกว่า 2.0 MPaG. (กว่า 20 bar.g)

เวลา 15.24 น reflux tank เกิดการระเบิด ตามด้วยการเกิดเพลิงไหม้เป็นบริเวณกว้างในหน่วผลิตไวนิลคลอไรด์

VCM ทำปฏิกิริยากับ HCl ได้ง่ายขึ้นถ้ามีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็น Lewis acid ร่วมอยู่ ซึ่งในเหตุการณ์นี้คือ FeCl₃ ที่เกาะอยู่บนผนัง reflux tank และ buffer tank ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 1,1-dichloroethane ปฏิกิริยานี้คายความร้อน

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเพิ่มสูงขึ้นแบบ expnential ในช่วงแรกนั้นอัตราการเพิ่มของปฏิกิริยาเป็นไปอย่างช้า ๆ โอเปอร์เรเตอร์จึงมองไม่เห็นการเปลี่ยนแปลง ในช่วงก่อนการระเบิดนั้นปฏิกิริยาเกิดเร็วมากจนทำให้ถังเก็บเกิดการระเบิดก่อนที่จะสามารถลดความดันลงไป

ไฟไหม้โรงงานผลิตไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์ (๓) MO Memoir : Wednesday 23 October 2567

ปริมาณคาร์บอนในเนื้อเหล็กส่งผลต่อคุณสมบัติของเหล็กกล้าที่ได้ เหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนสูงจะมีความแข็ง (hardness) แต่จะเปราะมากขึ้น (คือยืดตัวได้น้อยลงหรือไม่ก็แตกหักได้ง่ายขึ้น) การขึ้นรูปด้วยการหล่อจะทำได้ง่ายเพราะไหลเข้าไปในช่องว่างต่าง ๆ ได้ง่ายและยังมีความต้านทานการกัดกร่อนที่สูงกว่าเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนที่ต่ำกว่า สำหรับชิ้นงานที่ต้องการทั้งความเหนียวและความแข็ง เช่น เฟืองหรือดาบที่ต้องการให้บริเวณตอนกลางมีความเหนียว (จะไม่ได้แตกหักง่าย) และบริเวณพื้นผิวมีความแข็ง (จะได้ไม่สึกหรอง่าย) ก็จะทำการขึ้นรูปบริเวณตอนกลางด้วยเหล็กที่มีคาร์บอนต่ำ จากนั้นจึงค่อยเพิ่มคาร์บอนเข้าไปในเนื้อเหล็กบริเวณผิวด้านนอก (อ่านตัวอย่างเพิ่มเติมได้จากบทความใน blog เรื่อง "ตีดาบด้วยเตาถ่านตีดาบด้วยเตาแก๊ส" (วันศุกร์ที่ ๑๐ มีนาคม ๒๕๖๐)

ชิ้นงานที่ทำจาก "cast iron" คือชิ้นงานที่ทำจากเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนสูง (2% ขึ้นไป) เหล็กนี้หล่อขึ้นรูปได้ง่าย ชิ้นงานมีความแข็งแต่แตกหักได้ง่าย ส่วนชิ้นงานที่ทำจาก "cast steel" จะเป็นชิ้นงานที่ทำจากเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่า (คาร์บอนต่ำกว่า 2%) เหล็กชนิดนี้หล่อขึ้นรูปยากกว่า แต่ได้ชิ้นงานที่มีความเหนียวมากกว่า อย่างเช่น gate valve ที่แสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง ที่โครงสร้างลำตัววาล์วประกอบด้วย 3 ส่วนหลักคือ body, bonnet และ yoke ชิ้นส่วนเหล่านี้อาจขึ้นรูปจาก cast steel หรือ cast iron ก็ได้ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

รูปที่ ๑ โครงสร้างของ gate valve "Yoke" คือตัวที่ทำหน้าที่จับยึดกับเกลียวของ stem ถ้า yoke เสียหายจนไม่สามารถจับกับเกลียวของ stem ได้ ตัว stem ก็สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและความดันภายในสามารถดันให้วาล์วเปิดค้างได้ ตัว stem ชนิดนี้เรียกว่าชนิด rising stem คือตัว stem จะมีการเคลื่อนที่ขึ้น-ลงให้เห็นภายนอก ทำให้รู้ว่าวาล์วเปิดอยู่ที่ระดับไหน แต่มันก็มีวาล์วชนิด non-rising stem เช่นกัน ที่ไม่เห็นการเคลื่อนที่ของ stem จากภายนอก

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Leakage and explosion of a vinyl chloride monomer caused due to damage of a valve at distillation column feed piping at a manufacturing plant of vinyl chloride monomers" (https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000041.html) ที่เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่โรงงานผลิตไวนิลคลอไรด์แห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๒๘ ตุลาคม ค.ศ. ๑๙๗๓ (พ.ศ. ๒๕๑๖) รายละเอียดของเหตุการณ์อยู่ในรูปที่ ๒ และ ๓

รูปที่ ๒ ภาพรวมของเหตุการณ์

เหตุเกิดระหว่างการเปลี่ยนชิ้นส่วนไส้กรอง (filter sหรือบางทีก็เรียกว่า strainer ) ของตัวกรองของเส้นท่อที่ป้อนสาร vinyl chloride crude monmer เข้าหอกลั่น โดยผู้ปฏิบัติงานพบว่าเมื่อทำการเปิด filter ออกสู่บรรยากาศ มีแก๊สไวนิลคลอไรด์รั่วไหลรอดผ่านทาง block valve ขนาด 3 นิ้วด้านขาเข้าออกมา จึงได้พยายามปิดวาล์วด้วยการใช้ handle-turning shaft (handoru mawashi) ที่มีความยาวด้ามจับ 50 cm (วาล์วขนาด3 นิ้ว ตัว handwheel มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลายประมาณ 20 cm) แต่ด้วยการใช้แรงขันที่มากเกินไปจึงทำให้ส่วน "Yoke" ของวาล์ที่ทำจาก cast iron (และมีความเสียหายจากการกัดกร่อนเดิมอยู่ด้วย) เกิดความเสียหาย (ตรงนี้คงหมายถึงการแตกหัก) ทำให้เกิดการรั่วไหลของไวนิลคลอไรด์ปริมาณมากออกมาก่อนที่จะเกิดเพลิงไหม้และตามด้วยการระเบิด ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๑ รายคือตัวของหัวหน้างานที่หลังจากสั่งอพยพลูกน้องจนไปหมดแล้วก็กลับเข้าไปตรวจสอบว่าได้ปิดสวิตช์ทุกตัวหรือยัง ก็เป็นจังหวะที่เกิดระเบิดขึ้น

รูปที่ ๓ รายละเอียดของเหตุการณ์ที่เกิด

ตัวกรอง (filter หรือ strainer) ที่ติดตั้งในเส้นท่อของโรงงาน (เพื่อกรองเอาของแข็งออกจากของเหลวหรือแก๊สที่ไหลอยู่ในท่อ) มีอยู่สองแบบที่สามารถพบเห็นได้เป็นประจำคือ y-type และ bucket type (รูปที่ ๔) ชนิด y-type สามารถติดตั้งได้ทั้งต่อในแนวนอนและในแนวดิ่ง ในขณะที่ชนิด bucket type จะต้องติดตั้งกับท่อในแนวนอน แต่ทั้งสองแบบนี้ก็มีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกันก็คือ สามารถถอดเอาไส้กรองข้างในออกมาทำความสะอาดหรือเปลี่ยนอันใหม่โดยไม่ต้องถอดตัว strainer ออกจากเส้นท่อ

รูปที่ ๔ เส้นทางการไหลผ่านตัวกรองชนิด y-type (ซ้าย) และ bucket type (ขวา)

ตรงนี้ก็มีจุดที่น่าพิจารณาในการทำงานคือ ในการเปิดอุปกรณ์นั้นเราควรต้องมั่นใจว่าไม่มีความดันคงค้างอยู่ในระบบ ดังนั้นเวลาที่คลายน็อตเพื่อที่จะถอดไส้กรองออกมานั้น ก็ควรต้องรอให้ความดันภายในที่ค้างอยู่รั่วไหลออกมาจนหมดก่อน จากนั้นจึงค่อยเปิดส่วนฝา (หรือถอดหน้าแปลน) ที่ปิดกดตัวไส้กรองอยู่เพื่อเอาไส้กรองออกมา แต่ถ้า block valve ที่ปิดกั้นตัว strainer ปิดไม่สนิท ก็ควรที่จะเห็นว่ามีแก๊สรั่วไหลออกมาไม่หยุด ดังนั้นจึงไม่ควรเปิดฝาหรือถอดหน้าแปลน สิ่งที่เป็นคำถามตรงนี้ก็คือรู้ได้อย่างไรว่าวาล์วที่รั่วนั้นเป็นวาล์วด้านขาเข้าหรือด้านขาออก หรือมีการถอดเอาไส้กรองออกมาแล้วจึงสามารถมองเห็นว่าวาล์วตัวไหนปิดไม่สนิท จึงทำให้เกิดการรั่วไหลในปริมาณมากในเวลาอันสั้น

การหมุนเปิดวาล์วที่ติดแน่นนั้นสามารถใช้ handle-turning shaft หรือ wheel key จับตัว hand wheel เพื่อเพิ่มแรงบิดในการหมุนได้ อุปกรณ์ตัวนี้มีหลายรูปแบบดูตัวอย่างได้ในบทความเรื่อง "การเปิดวาล์วหัวถังแก๊สที่ปิดแน่น" (บทความบน blog วันพุธที่ ๒๒ มิถุนายน พ.ศ. ๒๕๕๔) และ "การเปิดวาล์วหัวถังแก๊สที่ปิดแน่น(วิธีที่๒)" (บทความบน blog วันจันทร์ที่ ๑๑ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๖) แต่การใช้อุปกรณ์ช่วยนี้ก็ต้องระมัดระวังว่าต้องไม่ใส่แรงบิดมากเกินไปจนกระทั่วตัว stem ถูกบิดจนขาดหรือตัว yoke ถึงกับเสียหายอย่างในเหตุการณ์นี้

งานนี้เรียกว่าทำตามแบบ Murphy's law (ฉบับประยุกต์ใช้งานจริง) ที่กล่าวว่า "If it jams - force it. If it breaks, it needed replacing anyway."

ไฟไหม้โรงงานผลิตไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์ (๒) MO Memoir : Tuesday 22 October 2567

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Fire caused due to a thunderbolt that struck piping at a vinyl chloride manufacturing plant" (จากเว็บ https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000071.html) ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อวันที่ ๑๑ กันยายน ค..ศ. ๑๙๘๗ (พ.ศ. ๒๕๓๐) ที่เมื่อ Kawasaki, Kanagawa ประเทศญี่ปุ่น รายละเอียดของเหตุการณ์ที่เขียนไว้ในบทความต้นเรื่องแสดงไว้ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ รายละเอียดของเหตุการณ์ที่เกิด

"เรื่องไฟไหม้โรงงานผลิตไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์" เคยเขียนไว้ครั้งหนึ่งใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๖๙ วันอาทิตย์ที่ ๑ พฤษภาคม ๒๕๕๙ หรือเมื่อกว่า ๘ ปีที่แล้ว ซึ่งตอนนั้นสาเหตุเกิดจาก erosion ที่ข้องอด้านขาออกของปั๊มไหลหมุนเวียนของเหลวป้อนกลับไปสู่ quench tower เนื่องจากของเหลวนี้มีของแข็ง (พวก coke ซึ่งก็คืออนุภาคคาร์บอน) ผสมอยู่ ซึ่งทำให้ erosion นั้นเกิดได้ง่ายขึ้น

ส่วนเหตุการณ์ที่นำมาเล่าในวันนี้อ่านแล้วก็ดูเหมือนว่าการรั่วนั้นเกิดขึ้นที่ท่อด้านขาออกของปั๊มไหลหมุนเวียนของเหลวป้อนกลับไปสู่ quench tower เช่นกัน (บทความไม่ได้ระบุว่าเป็นท่อส่วนไหน) โดยเป็นผลจาก erosion ที่เกิดจากการไหลปั่นป่วนด้านขาออกของวาล์วด้านขาออกของปั๊มที่เกิดจากการเปิดวาล์วเพียงแค่บางส่วน บทความไม่ได้ให้ process flow diagram (PFD) ของบริเวณที่เกิดเหตุ บอกว่าการรั่วไหลนั้นทำให้ vinyl chloride และ hydrogen chloride (HCl) รั่วไหลออกมา แสดงว่าของเหลวที่ทำการป้อนกลับสู่ quench tower นั้นน่าจะเกิดจากที่ออกทางยอดหอของ quench tower แล้วถูกลดอุณหภูมิลงอีกจนบางส่วนกลายเป็นของเหลว จากนั้นจึงนำเอาของเหลวที่ควบแน่นได้นี้ส่วนหนึ่งมาป้อนกลับไปยัง quench tower รูป PFD ที่พอหาได้และคิดว่าน่าจะใกล้เคียงกระบวนการที่เกิดอุบัติเหตุมากได้แสดงไว้ในรูปที่ ๒ (อันที่จริงก็สามารถนำบางส่วนของของเหลวที่ควบแน่นที่สะสมอยู่ด้านล่างของ quench tower มาฉีดพ่นกลับได้เช่นกัน แต่ของเหลวตรงนี้จะมี dichloroethane เป็นองค์ประกอบหลัก)

รูปที่ ๒ Quench tower ที่ทำหน้าที่ลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่มาจาก furnace ในรูปแบบนี้จะใช้การดึงเอาบางส่วนของของเหลวที่ควบแน่นที่ยอดหอมาฉีดกลับ (ด้วย circulation pump 53) เข้าไปใน quench tower เพื่อลดอุณหภูมิของแก๊สร้อน รูปนี้นำมาจากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 5,507,291 เรื่อง Method for quenching a gas stream in the production of vinyl chloride monomer

ในการผลิตไวนิลคลอไรด์ (H₂C=CHCl) จะนำเอา 1,2-Dichloroethane (1,2-ไดคลอโรอีเทน H₂ClC-C-ClH₂ ที่ย่อว่า DEC หรือบางทีก็เรียกว่าเอทิลีนไดคลอไรด์ Ethylene dichloride ที่ย่อว่า EDC) มาให้ความร้อนจนโมเลกุลแตกออกเป็นไวนิลคลอไรด์และแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) แก๊สร้อนจะถูกทำให้เย็นตัวลงโดยการสัมผัสกับของเหลวโดยตรงในอุปกรณ์ที่เรียกว่า Quench tower (ดูรูปที่ ๒)

ในการผลิตเอทิลีนนั้น ของเหลวที่ใช้ใน quench tower คือน้ำ เพราะในแก๊สนั้นมีองค์ประกอบที่เป็นกรดปนอยู่เพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับปริมาตรแก๊สที่ไหลเข้าระบบ และการแยกไฮโดรคาร์บอนกับน้ำทำได้ง่าย แต่ในกรณีของการผลิตไวนิลคลอไรด์ ผลิตภัณฑ์หลักที่เกิดร่วมคือ HCl ที่เมื่อละลายน้ำแล้วจะกลายเป็นกรดเกลือที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง ดังนั้นของเหลวที่ใช้ใน quench tower จึงต้องเป็นไวนิลคลอไรด์ที่มีอยู่แล้วในระบบ แต่เนื่องจากไวนิลคลอไรด์เป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ ดังนั้นการทำให้ไดคลอโรอีเทนแตกตัวเป็นไวนิลคลอไรด์จึงต้องทำที่ความดันสูงขึ้น เพื่อให้สามารถควบแน่นไวนิลคลอไรด์เป็นของเหลวได้ง่ายขึ้น (สามารถใช้น้ำหล่อเย็นระบายความร้อนได้)

ในเหตุการณ์ที่เกิดนี้ ในช่วงเวลานั้นเกิดฝนฟ้าคะนอง และมีฟ้าผ่าในบริเวณโรงงาน บทความบอกว่าฟ้าผ่าเกิดในบริเวณใกล้เคียงกับจุดที่เกิดการรั่วไหล แรงสั่นสะเทือนจากฟ้าผ่าทำให้ส่วนของท่อที่มีผนังบางเพราะ erosion เกิดความเสียหายทำให้ไวนิลคลอไรด์และไฮโดรเจนคลอไรด์รั่วไหลออก

สาเหตุที่ทำให้ท่อเกิด erosion เป็นเพราะการหรี่วาล์วด้านขาออกของ circulating pump เพื่อให้ได้อัตราการไหลที่ต้องการ แต่เนื่องจากวาล์วที่ใช้นั้นเป็น gate valve (บทความใช้คำว่า sluice valve) ซึ่งไม่เหมาะกับการควบคุมอัตราการไหล (มันเหมาะสำหรับการทำงานแบบเปิดเต็มที่และปิดเต็มที่) ทำให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วนทางด้าน downstream ของวาล์ว ซึ่งไปเร่งการเกิด erosion

ปั๊มที่ใช้ในโรงงานส่วนใหญ่เป็นปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) ปรกติการติดตั้งปั๊มชนิดนี้จะมี block valve (วาล์วปิดกั้นการไหล) ทางด้านขาเข้าและด้านขาออกของปั๊มด้านละหนึ่งตัว เอาไว้สำหรับเวลาที่ต้องการทำการซ่อมบำรุงปั๊มหรือในกรณีที่ทำหน้าที่เป็นปั๊มสำรอง (ปั๊มที่ทำงานต่อเนื่องมักจะติดตั้งแบบใช้งานหนึ่งตัวสำรองหนึ่งตัวคู่ขนานกัน)

สำหรับของเหลวที่สะอาด (ไม่มีของแข็งปะปน) แต่เป็นสารอันตราย (เช่นน้ำมัน) ตัว block valve ก็มักจะเป็นชนิด gate valve ถ้าต้องการทำการควบคุมอัตราการไหลก็จะติดตั้งวาล์วควบคุม (control valve) ไว้ทางด้าน downstream ของ block valve ด้านขาออก จะไม่ใช้การปรับ block valve ด้านขาออกเพื่อปรับอัตราการไหล (ถ้าของเหลวนั้นเป็น slurry คือของเหลวที่มีของแข็งแขวนลอย การใช้ ball valve จะเหมาะสมกว่า และถ้าเป็นของเหลวที่ไม่มีอันตราย เช่นน้ำ ก็สามารถใช้ butterfly valve ได้)

ตัว gate valve ถ้าเปิดไม่เต็มที่ ผลต่างความดันระหว่างด้านหน้าและด้านหลังของแผ่น disc (ตัวที่ทำหน้าที่ปิดกั้นการไหล) จะทำให้แผ่น disc สั่นสะเทือน และในกรณีที่เปิดไว้เพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิด cavitation ได้ คือของเหลวเมื่อไหลลอดตัวแผ่น disc ที่เปิดไว้เพียงเล็กน้อย ความเร็วในการไหลจะสูงขึ้นในขณะที่ความดันลดต่ำลง (ปรากฏการณ์เดียวกันกับเวลาที่มันไหลผ่านแผ่น orifice หรือท่อ ventury ที่ใช้วัดอัตราการไหล) แต่ถ้าของเหลวนั้นมีอุณหภูมิสูงใกล้จุดเดือด การที่ความดันลดลงก็อาจทำให้ของเหลวบางส่วนนั้นเดือดกลายเป็นไอได้ แต่เมื่อของเหลวไหลลอดผ่านแผ่น disc ไปแล้วความดันจะเพิ่มขึ้น ไอที่เกิดขึ้นนั้นก็จะยุบตัวลงทันที่ คือเกิด cavitation ซึ่งถ้าไปเกิดบนผิวโลหะ แรงที่เกิดจากการยุบตัวของฟองแก๊สนี้สามารถทำให้พื้นผิวโลหะสึกหรอได้

API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๑๔) MO Memoir : Sunday 20 October 2567

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

เว้นไป ๒ เดือนได้เวลากลับมาเขียนเรื่องนี้ต่อ คราวนี้เริ่มหัวข้อ 5. (รูปที่ ๑) ที่เกี่ยวข้องกับการทดสอบการทำงานของอุปกรณ์ระบายความดัน

หัวข้อ 5.1 เรื่องทั่วไป ในย่อหน้าแรกกล่าวว่า ให้ทำการทดสอบอัตราการไหลผ่านวาล์วระบายความดันและ/หรือสุญญากาศด้วยวิธีการใดวิธีการหนึ่งที่บรรยายไว้ในหัวข้อ 5.3 และให้เป็นไปตามกฎระเบียบข้อบังคับของประเทศ (มาตรฐานนี้เป็นของสหรัฐอเมริกา ดังนั้นเวลาที่ใช้ในประเทศอื่นก็คงต้องตีความตรงนี้ให้ดี) เช่น ASME PTC 25 วิธีการเหล่านี้ควรนำไปใช้กับวาล์วระบายความดันและ/หรือสุญญากาศด้วย (ทั้งวาล์วที่ติดตั้งอยู่ที่ปลายท่อ และวาล์วที่ติดตั้งอยู่ในเส้นท่อ) และวิธีการเหล่านี้ควรนำไปใช้กับช่องเปิดอิสระต่าง (เช่น ช่องเปิดที่มีตะแกรงป้องกันและ weather cap)

รูปที่ ๑ หัวข้อ 5.1 ข้อกำหนดทั่วไปในการทำการทดสอบ

วาล์วระบายความดันอาจติดตั้งเข้ากับหน้าแปลนของตัวภาชนะโดยตรง หรือในกรณีที่ต้องการยกระดับวาล์วระบายความดันให้สูงขึ้น ก็ต้องมีการต่อท่อจากหน้าแปลนของภาชนะนั้นออกมา ถ้าวาล์วระบายความดันที่ติดตั้งที่ปลายท่อนั้นปล่อยออกสูงบรรยากาศโดยตรง (เช่นการระบายความดันไอน้ำหรืออากาศที่สามารถปล่อยออกสู่อากาศได้โดยตรง แต่อาจต้องมีการยกระดับวาล์วเพื่อให้ปล่อยออกในตำแหน่งที่ปลอดภัย) วาล์วนั้นก็จะเป็นวาล์วที่ติดตั้งอยู่ที่ปลายท่อ แต่ถาเป็นการระบายเข้าสู่ระบบอื่น (เช่น scrubber, knock out drum หรือท่อระบบ flare) วาล์วนั้นก็จะเป็นวาล์วที่ติดตั้งอยู่ในเส้นท่อ

ย่อหน้าที่สองกล่าวว่ารายงานการทดสอบต้องบรรยายวิธีการติดตั้งอุปกรณ์และการทดสอบ รวมทั้งลักษณะของท่อด้านขาเข้าและท่อด้านขาออก (ส่งผลต่ออัตราการไหลเข้าและออกวาล์ว) ถ้ามีการใช้ของไหลอื่นที่ไม่ใช่อากาศในการทดสอบ จะต้องระบุชนิดของไหลนั้น รวมทั้งอุณหภูมิและค่าความถ่วงจำเพาะที่ "standard conditions" ไว้ในรายงานทดสอบด้วย (ตอนท้ายของข้อนี้มีข้อกำหนดสภาวะของ standard conditions อยู่)

ย่อหน้าที่สามกล่าวว่าถ้าอุปกรณ์ระบายความดันและ/หรือสุญญากาศนั้นมีการใช้งานร่วมกับ flame arrester ให้ทำการทดสอบโดยติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าวร่วมด้วย (เพราะ flame arrester เพิ่มความต้านทานการไหล)

ย่อหน้าที่สี่กล่าวว่าให้ทำการทดสอบด้วยอากาศหรือแก๊สอื่นที่เหมาะสม

ย่อหน้าที่ห้ากล่าวว่าให้แปลงผลการทดสอบที่ใช้ของไหลชนิดอื่นหรือที่สภาวะที่แตกต่างออกไป ให้เป็นค่าเทียบเท่าอัตราการไหลของอากาศที่สภาวะที่ระบุไว้ข้างล่าง (ย่อหน้าที่หก)

ย่อหน้าที่หกกล่าวว่าเส้นโค้งความสามารถในการระบายหรือสมการต่าง ๆ ควรอ้างอิงไปยังอัตราการไหลของอากาศที่สภาวะต่าง ๆ ที่ได้กำหนดไว้ ที่สภาวะใดสภาวะหนึ่งดังต่อไปนี้

- "normal conditions" อุณหภูมิ 0ºC (32ºF), ความดัน 101.3 kPa (ซึ่งก็คือ 1 atm หรือ 1.013 bar หรือ 14.69 psi แต่ในเอกสารตรงหน่วย bar ตกจุดทศนิยมไป), ความหนาแน่น 1.29 kg/m³ (0.080 lb/ft³) (ความหนาแน่นของอากาศแห้งที่อุณหภูมิ 0ºC ความดัน 1 atm)

- "standard conditions" อุณหภูมิ 15.6ºC (60ºF), ความดัน 101.3 kPa (ซึ่งก็คือ 1 atm หรือ 1.013 bar หรือ 14.69 psi แต่ในเอกสารตรงหน่วย bar ตกจุดทศนิยมไป), ความหนาแน่น 1.22 kg/m³ (0.076 lb/ft³) (ความหนาแน่นของอากาศแห้งที่อุณหภูมิ 15.6ºC ความดัน 1 atm)

- อุณหภูมิ 20ºC (68ºF), ความดัน 101.3 kPa ความหนาแน่น 1.20 kg/m³ (0.075 lb/ft³) (ความหนาแน่นของอากาศแห้งที่อุณหภูมิ 20ºC ความดัน 1 atm) (ย่อหน้านี้ความดันหน่วย bar ก็ตกจุดทศนิยมไปเช่นกัน)

พึงสังเกตว่า "standard conditions" และ "normal condition" เป็นคนละสภาวะกัน

ต่อไปเป็นหัวข้อ 5.2 (รูปที่ ๒) ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ใช้ทดสอบ

รูปที่ ๒ ห้วข้อ 5.2 ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ทดสอบอัตราการไหล

หัวข้อ 5.2.1 เรื่องทั่วไปกล่าวว่าอุปกรณ์ทดสอบที่แสดงใน Figure 1 (รูปที่ ๓) มีความเหมาะสมสำหรับ ช่องระบายอิสระ, อุปกรณ์ระบายความดันที่ติดตั้งที่ปลายท่อ และอุปกรณ์ระบายความดันที่ติดตั้งในแนวเส้นท่อ

หัวข้อ 5.2.2 เรื่องการป้อนสารตัวกลางที่ใช้ในการทดสอบกล่าวว่า (Figure 1, Key Item 1) ควรเป็น blower หรือ fan หรือแหล่งพลังงานอื่น (fan เน้นที่ให้อัตราการไหลที่สูงโดยไม่เน้นเรื่องการความดัน, blower ให้อัตราการไหลที่ต่ำกว่า fan แต่เพิ่มความดันได้สูงกว่า อุปกรณ์สองตัวนี้เน้นในเรื่องการไหลเวียนหรือการระบายอากาศ ถ้าเน้นที่การทำงานที่ความดันสูงก็ต้องใช้ compressor)

หัวข้อ 5.2.3 อุปกรณ์วัดอัตราการไหล (Figure 1, Key Item 2) การสอบเทียบความถูกต้องควรเป็นไปตามระบบคุณภาพของผู้ผลิต แต่อย่างน้อยต้องทำทุก ๆ 5 ปีและตามกฎระเบียบข้อบังคับของประเทศ

รูปที่ ๓ อุปกรณ์ทดสอบสำหรับทดสอบอัตราการไหลของอุปกรณ์ระบายความดัน

ต่อไปเป็นหัวข้อ 5.2.4 ถังทดสอบ (Test tank)

สำหรับถังทดสอบ (Figure 1, Key Item 3) ให้กระทำดังนี้

a) ความเร็วการไหลเฉลี่ยภายในถังทดสอบควรมีค่าไม่เกิน 2.0 m/s (6.6 ft/s) ควรจัดรูปแบบถังทดสอบโดยป้องกันไม่ให้ลำแก๊สความเร็วสูงพุ่งเข้าปะทะอุปกรณ์วัดความดัน (Figure 1, Key Item 4), หรืออุปกรณ์ระบายความดัน (Figure 1, Key Item 7) โดยตรง หรือก่อให้เกิดความแตกต่างความดันขึ้นภายในถัง

b) การไหลเป็นจังหวะที่อาจเกิดขึ้นได้จากอุปกรณ์ป้อนตัวกลางที่ใช้ในการทดสอบ ควรได้รับการหน่วงเพื่อหลีกเลี่ยงความคลาดเคลื่อนในการวัดอัตราการไหล (เช่นถ้าใช้ compressor แบบลูกสูบในการจ่ายแก็ส ก็ควรอัดแก๊สเข้าถังพัก และดึงแก๊สจากถังพักนั้นมาใช้งาน แทนที่จะให้แก๊สจาก compressor ไหลเข้าโดยตรง)

c) เพื่อที่จะลดผลของการสูญเสียด้านทางเข้าให้เหลือน้อยที่สุด ควรติดตั้งอุปกรณ์ระบายความดันที่ต้องการทดสอบ (Figure 1, Key Item 7) ไว้ทางด้านบนสุดของถังทดสอบ

d) ติดตั้งอุปกรณ์ระบายความดันบนท่อตรงที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ (nominal diameter) เท่ากับของอุปกรณ์ทดสอบ และมึความยาว (l_con) 1.5 เท่าของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ และควรวางในแนวดิ่งโดยมีปลายด้านใน "flush" (เรียบเสมอ) ไปกับผิวด้านในของถังทดสอบ ความโค้งมนของขอบด้านขาเข้าควรมีรัศมีความโค้งไม่เกิน 0.8 มิลลิเมตร (0.031 นิ้ว) (รูปร่างของปากทางเข้าส่งผลต่อความต้านทานการไหล - ตัวอย่างค่าสัมประสิทธิ์ความสูญเสียที่เพิ่มขึ้น K-value ของรูปแบบทางเข้าชนิดต่าง ๆ แสดงไว้ในรูปที่ ๕ พึงสังเกตว่ากรณีของ flush end และขอบทางเข้าโค้งมนด้วยรัศมีความโค้งที่เหมาะสม จะมีค่า K-value ต่ำสุด)

e) สำหรับการทดสอบวาล์วสุญญากาศ ให้ทำการกลับทิศทางการไหล (กล่าวคือให้ดึงอากาศผ่านอุปกรณ์ทดสอบเข้าไปในถังทดสอบ)

รูปที่ ๔ หัวข้อ 5.2.4 เรื่องของถังทดสอบ

รูปที่ ๕ การสูญเสียด้านขาเข้าจากช่องทางการไหลเข้ารูปร่างต่าง ๆ

รูปที่ ๖ แสดงหัวข้อ 5.2.5 - 5.2.7 ที่กล่าวถึงอุปกรณ์อื่นที่เหลือใน Figure 1 (รูปที่ ๓)

ข้อ 5.2.5 อุปกรณ์วัดความดัน/สุญญากาศ ควรทำการสอบเทียบอุปกรณ์วัดความดัน/สุญญากาศ (Figure 1, Key Item 4) ควรเป็นไปตามระบบคุณภาพของผู้ผลิตและและตามกฎระเบียบข้อบังคับของประเทศ

ข้อ 5.2.6 อุปกรณ์วัดอุณหภูมิ ควรทำการสอบเทียบอุปกรณ์วัดอุณหภูมิ (Figure 1, Key Item 9) ควรเป็นไปตามระบบคุณภาพของผู้ผลิตและและตามกฎระเบียบข้อบังคับของประเทศ

ข้อ 5.2.6 บาโรมิเตอร์ (เครื่องวัดความกดอากาศ) (Figure 1, Key Item 6) ใช้เพื่อความความกดอากาศของบรรยากาศรอบ ๆ

Atmospheric tank ไม่ได้ออกแบบมาให้รับผลต่างความดัน (ไม่ว่าความดันในถังสูงหรือต่ำกว่าบรรยากาศ) ที่มาก เช่นในกรณีของความดันในถังสูงกว่าความดันบรรยากาศภายนอก จะยอมให้สูงไม่เกิน 17 kPa หรือเท่ากับความสูงของน้ำ 1730 mm และในกรณีของความดันในถังต่ำกว่าความดันบรรยากาศภายนอก จะยอมให้ต่ำได้ไม่เกิน 0.25 kPa หรือเท่ากับความสูงของน้ำ 25 mm (API 650 Welded tank for oil storage) ในช่วงเวลาที่ฝนฟ้าคะนองนั้น ความกดอากาศอาจลดต่ำลงได้ถึงระดับ 200 mm H₂O หรือมากกว่า ด้วยเหตุนี้การวัดความดันบรรยากาศในระหว่างการทดสอบจึงจำเป็น เพราะอุปกรณ์ระบายความดันทำงานด้วยผลต่างความดันระหว่างด้านขาเข้าและด้านขาออก

รูปที่ ๖ หัวข้อ 5.2.5 ถึง 5.2.7

สำหรับตอนที่ ๑๔ คงจบเพียงแค่นี้

เห็นอะไรไม่เหมาะสมไหมครับ MO Memoir : Thursday 10 October 2567

บ่ายวันนี้พบผู้ช่วยสอนรายหนึ่ง ที่เขาทำหน้าที่ดูแลนิสิตทำการทดลองมาปรึกษาว่า controller ของปั๊มมีปัญหา ผมก็เลยไปช่วยดูให้

ตัว controller ตัวนี้เป็นตัวแปลงความถี่กระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับปั๊มหอยโข่งตัวหนึ่ง เพื่อให้นิสิตปี ๓ ทำการทดลองหาความสัมพันธ์ระหว่างความดัน อัตราการไหล พลังงานที่ใช้ ฯลฯ ของปั๊มหอยโข่ง ตัวอุปกรณ์ไม่มีอะไรซับซ้อน เป็นเพียงแค่สูบน้ำจากถังเก็บมาไหลผ่านท่อที่ประกอบด้วย เกจวัดความดันและวาล์วปรับอัตราการไหลดังแสดงในรูปข้างล่าง

ในการทดลองนั้นที่ความเร็วรอบการหมุนของปั๊มค่าหนึ่ง (ที่คุมด้วยการปรับความถี่กระแสไฟฟ้า) จะให้นิสิตทดลองปรับอัตราการไหลด้วยการหมุนวาล์ว (ที่วงล้อสีแดง) ให้เปิดปิดที่ระดับต่าง ๆ กัน แล้วก็บันทึก ความดัน อัตราการไหล และกระแสไฟที่มอเตอร์ใช้ (ไม่แน่ใจว่ามันวัด power factor ด้วยหรือเปล่า) ก็จะทำให้สามารถคำนวณพลังงานที่ใช้ได้

ว่าแต่ดูออกไหมครับว่าในรูปข้างล่าง มีอุปกรณ์ตัวไหนที่มันไม่เหมาะสมกับวิธีทดลองที่กำหนด :) :) :)

ส่วนเรื่องที่ว่า controller มีปัญหานั้นผมก็ให้ความเห็นไปว่าปัญหาอาจไม่ใช่ที่ตัว controller ก็ได้ เพราะก่อนหน้านั้นก็มีข้อมูลว่าก่อนที่จะมีปัญหา นิสิตกลุ่มก่อนหน้าได้ทำการทดลองที่อัตราการไหลต่ำต่อเนื่องเป็นเวลานาน จนมอเตอร์ร้อนจัด ดังนั้นควรต้องตรวจดูตัวมอเตอร์ด้วยว่าปัญหามันเกิดจากมอเตอร์เสียหรือเปล่า (เช่น thermal fuse ขาด ถ้ามันมีนะ แต่ถ้าขดลวดไหม้ก็หนักหน่อย)

คำถามขออนุญาตไม่เฉลยนะครับ แต่ผมบอกผู้ดูแลแลปและผู้ช่วยสอนไปแล้วครับ :) :) :)

เพลิงไหม้โรงกลั่นน้ำมันเพราะน็อตยึด impeller ปั๊มหอยโข่งหลุด MO Memoir : Wednesday 9 October 2567

เหตุการณ์นี้จะเรียกว่าพังเพราะน็อตหลุดเพียงตัวเดียวก็น่าจะได้

จะว่าไปเว็บ Oil Industry Safety Directorate ของอินเดียก็มีรายงานอุบัติเหตุที่น่าสนใจเยอะอยู่เหมือนกัน เหมาะสำหรับคนที่ไม่ค่อยชอบอ่านเนื้อหายาว ๆ แบบของอังกฤษ (รายงานของ CSB ของอเมริกานั้นสั้นกว่าของอังกฤษเยอะ) อย่างเช่นเรื่องที่เอามาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Case study on major fire incident due to failure of crude booster pump" ที่เป็นเหตุไฟไหม้ที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งที่มีสาเหตุจากความเสียหายของปั๊มหอยโข่งที่ใช้เพิ่มความดันให้กับน้ำมันดิบ บทความไม่ได้บอกว่าเกิดเรื่องเมื่อใด แต่ในรูปถ่ายรูปหนึ่งหลังเหตุการณ์สงบมีลงวันที่ 01 06 2013 ซึ่งถ้าอ่านแบบอังกฤษก็จะเป็นวันที่ ๑ เดือนมิถุนายน ค.ศ. ๒๐๑๓ (สายอังกฤษจะเขียน วัน เดือน ปี แต่ถ้าเป็นอเมริกาจะเป็น เดือน วัน ปี)

แต่ก่อนอื่นมาทบทวนโครงสร้างปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) กันก่อนดีกว่า (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ส่วนประกอบปั๊มหอยโข่ง

รูปที่ ๑ เป็นโครงสร้างปั๊มหอยโข่งแบบที่พบเห็นกันมากที่สุด โดยตัวปั๊มประกอบด้วยตัวเรือน (casing) และช่องทางให้ของเหลวไหลออก (discharge) ทางด้านหลังของตัวเรือน (ด้านซ้ายของภาพ) จะมีรูสำหรับสอดเพลา (shaft) ที่อาจเป็นเพลาของมอเตอร์ (ในกรณีของปั๊มขนาดเล็ก) หรือเป็นเพลาที่ต้องนำไปต่อ (coupling) เข้ากับเพลามอเตอร์อีกที (ในกรณีของปั๊มขนาดใหญ่) บนตัวเพลาจะมีการเซาะร่องสำหรับสอดลิ่ม (key) เพื่อใช้ยึดตัวใบพัด (impeller) ให้หมุนไปพร้อมกับเพลาเวลาที่เพลาหมุน ทางด้านหน้าของตัวเรือน (ด้านขวาของภาพ) จะมีช่องเปิดขนาดใหญ่ไว้สำหรับติดตั้งใบพัดที่จะสวมเข้าไปกับเพลา ช่องเปิดนี้จะถูกปิดด้วยฝาปิดตัวเรือน (casing cover) โดยของเหลวจะไหลเข้าทางด้านช่องทางไหลเข้า (inlet) ที่อยู่ตรงกลางของฝาปิดตัวเรือน เข้าสู่ตรงกลางใบพัด (eye) และถูกเหวี่ยงออกไปทางด้านของเหลวไหลออก

เพื่อให้การทำงานของปั๊มมีประสิทธิภาพ ช่องว่างระหว่างใบพัดกับตัวเรือนจะต้องไม่กว้างมาก เพราะถ้ากว้างเกินไปจะทำให้ของเหลวที่ถูกเหวี่ยงออกไปจากใบพัดนั้นสามารถไหลย้อนกลับเข้ามาทางด้านขาเข้าได้มาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำการยึดใบพัดให้อยู่นิ่งเมื่อเทียบกับเพลา แต่ต้องยึดตัวเพลาไม่ให้มีการเคลื่อนที่ตามแนวแกน ตรงนี้มันก็เหมือนกับพัดลมที่เราใช้กันตามบ้านเรือน ที่เราต้องมีน็อตยึดใบพัดเอาไว้ไม่ให้หลุดเวลาหมุน และมีสลักที่ยึดใบพัดไว้กับเพลาเพื่อให้ใบพัดหมุนเวลาที่มอเตอร์หมุน และตัวเพลาของมอเตอร์นั้นต้องไม่มีการขยับตัวในแนวแกน ไม่เช่นนั้นเวลาที่ใบพัดหมุนมันก็จะตีเข้ากับตะแกรงกันใบพัดได้

ทีนี้ลองมาไล่ลำดับเหตุการณ์ก่อนเกิดเหตุ

ปั๊มเพิ่มความดัน (booster pump) มีทั้งสิ้น ๓ ตัว ในขณะเกิดเหตุใช้งานอยู่ ๒ ตัว (อีกตัวหนึ่งน่าจะเป็นตัวสำรอง) ปั๊มแต่ละตัวมีขนาด 276 m³/hr โดยในขณะนั้นหน่วยกลั่นเดินเครื่องอยู่ที่ 350 m³/hr (ด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้ปั๊มสองตัว) อุณหภูมิของน้ำมันคือ 179ºC ที่ความดัน 31.5 kg/cm² (อุณหภูมิของน้ำมันจัดว่าสูงไม่ถึง autoignition temperature ซึ่งปรกติจะอยู่ราว ๆ 200ºC ขึ้นไป) อัตรากินกระแสไฟปรกติคือ 44-45 A (และ 65 A ที่ full load) ข่วงเวลาที่เกิดเหตุนั้นเป็นช่วงรอยต่อระหว่างการเปลี่ยนกะกลางคืนมาเป็นกะเช้า

ในช่วงท้ายของกะกลางคืน (ก่อนเช้า) มีเสียงระเบิดดังขึ้น โอเปอร์เรเตอร์จึงทำการหยุดเดินเครื่องโรงงานและทำการดับเพลิง ซึ่งใช้เวลากว่า ๔ ชั่วโมงเพลิงจึงสงบ

จากการเข้าไปตรวจสอบที่เกิดเหตุพบความเสียหายที่ crude oil booster pump (ที่เชื่อว่าเป็นจุดเริ่มต้นการรั่วไหลของน้ำมัน) โดยตัวฝาครอบด้านหน้านั้นหลุดออกมา และใบพัดก็หลุดออกจากเพลา (รูปที่ ๒) ความเสียหายของฝาครอบทำให้น้ำมันรั่วไหลออกมา ส่วนแหล่งพลังงานที่ทำให้เกิดการจุดระเบิดคาดว่าเป็นจากการเสียดสีระหว่างใบพัดกับฝาครอบตัวเรือน

รูปที่ ๒ ปั๊มหอยโข่งตัวที่ casing ถูกใบพัดเจียรจนขาด

ตำแหน่งฉีกขาดของฝาครอบนั้นไม่ใช่แนวรอยเชื่อมใด ๆ (ปรกติแล้วรอยเชื่อมจะเป็นจุดอ่อนในการรับแรง ในกรณีนี้จึงสามารถตัดประเด็นเรื่องความเสียหายที่เกิดจากความไม่แข็งแรงของรอยเชื่อมออกไปได้) และพบว่าเนื้อโลหะตรงบริเวณเส้นรอบวงที่ฉีกขาดนี้มีความหนาเหลือเพียงแค่ประมาณ 1 มิลลิเมตร (รูปที่ ๓)

จากความเสียหายของฝาครอบจึงระบุได้ว่าสาเหตุเกิดจากการที่ใบพัดเสียดสีเข้ากับฝาครอบ อันเป็นผลจากการที่ใบพัดสามารถเคลื่อนตัวได้ในแนวแกน ความดันทางด้านหลังใบพัดที่สูงกว่าด้านของเหลวไหลเข้า จึงดันให้ใบพัดนั้นเข้ามาเบียดกับตัวฝาครอบตัวเรือน บทความบอกว่าตัวเรือนปั๊มทำจาก carbon steel A-216 WCB. แต่ไม่บอกว่าใบพัดทำจากโลหะอะไร แต่ก็น่าจะมีความแข็งมากกว่าของตัวเรือน ตัวเรือนจึงพังก่อนตัวใบพัด (ที่ยังเห็นว่าอยู่ในสภาพดี - รูปที่ ๒)

สิ่งที่ทางผู้สอบสวนต้องหาสาเหตุให้ได้ก็คือ อะไรเป็นตัวการทำให้ใบพัดเคลื่อนตัวได้ในแนวแกน และทำไมเมื่อเกิดเหตุการณ์ใบพัดเสียดสีกับตัวเรือน (ซึ่งต้องใช้เวลากว่าที่ตัวเรือนจะพัง) จึงไม่มีใครรู้ว่าเกิดปัญหาขึ้นแล้ว

บันทึกการทำงานก่อนเกิดเหตุไม่ว่าจะเป็น อัตราการไหล, อุณหภูมิ และความดัน ถือว่าเป็นปรกติ

รูปที่ ๓ บริเวณ casing ที่ถูกเจียรจนขาด

ประวัติการใช้งานของปั๊มที่เกิดความเสียหายพบว่าก่อนเกิดเหตุนั้นพบการสั่นสะเทือนที่มาก และเพลามีการติดขัด จึงมีการถอดปั๊มออกไปซ่อมบำรุง และนำมาติดตั้งกลับคืน และก็ใช้งานปั๊มนั้นตลอดจนเกิดเหตุ

การที่ใบพัดสามารถเคลื่อนตัวเข้ามาเสียดสีกับตัวเรือนได้เป็นเพราะน็อตที่ยึดใบพัดให้อยู่กับที่นั้นเสียหาย ซึ่งเกิดจากปัจจัยต่อไปนี้รวมกันคือ

- การสั่นสะเทือนในแนวแกนที่รุนแรง (ตรงนี้รายงานว่าเป็นผลมาจากการสั่นของท่อด้านขาเข้า)

- ขัดน็อตไม่แน่นพอในการซ่อมบำรุงครั้งสุดท้าย และ

- ความเสียหายของแหวนยึดหรือความเสียหายที่เกลียว (ทำให้น็อตคลายตัว)

แต่เมื่อเกิดการเสียดสีแล้ว ควรที่จะมีเสียงดัง และทำให้มอเตอร์กินกระแสไฟมากขึ้น บทความไม่ได้กล่าวว่าทำไมจึงไม่มีใครสังเกตว่ามีเสียงดังผิดปรกติ แต่จะว่าไปในโรงงานเหล่านี้เสียงมันก็ดังอยู่แล้ว ถ้าไม่เคยชินกับเสียงหรือถ้ามันไม่ดังแปลก ๆ ขึ้นมา ก็คงไม่มีใครรู้ (มอเตอร์เหนี่ยวนำหมุนที่ความเร็วรอบคงที่ ปริมาณกระแสที่ใช้แปรผันตามปริมาณ load การเสียดสีทำให้เกิดความต้านทานการหมุน มอเตอร์ต้องดึงกระแสมากขึ้นเพื่อรักษาความเร็วรอบให้คงเดิม)

ส่วนตรงประเด็นที่ว่าทำไมเมื่อมอเตอร์กินกระแสไฟมากขึ้นต่อเนื่องเป็นเวลานาน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความผิดปรกติในการทำงาน ระบบป้องกันจึงไม่ทำงาน ตรงนี้ทางบทความกล่าวว่าเป็นเพราะการออกแบบ trip logic (ตรรกะที่บ่งชี้ว่ามีการทำงานผิดปรกติเกิดขึ้น) และ trip current setting (ปริมาณกระแสที่ทำให้ตัดการทำงาน) นั้นไม่เหมาะสม

เมื่อ erosion, thermal stress และ vibration มาอยู่รวมกัน MO Memoir : Monday 7 October 2567

แว่วมาว่าเหตุการณ์แก๊สรั่วไหลแล้วตามด้วยเพลิงไหม้ที่โรงงานแห่งหนึ่งเมื่อปลายเดือนที่แล้วเกิดจาก erosion ตรงข้องอ ที่ทำให้ผนังข้องอบางจนรับความดันภายในไม่ได้ มันก็เลยทะลุ ซึ่งเหตุการณ์นี้ก็คล้ายกับที่เกิดที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งเมื่อ ๑๐ ปีที่แล้ว ที่ได้ยินมาว่าการรั่วไหลเกิดที่ข้องอ เพราะเกิด erosion จนผนังข้องอบาง ซึ่งในกรณีนี้ก็ได้ยินมาว่ามีการตรวจพบปัญหานี้ก่อนหน้าแล้ว และเตรียมที่จะทำการเปลี่ยนเมื่อถึงกำหนดหยุดเดินเครื่อง แต่มันชิงพังเสียก่อน

ส่วนที่ว่าสาเหตุที่แท้จริงของสองเหตุการณ์นั้นเป็นอย่างไร ทางผมเองก็คงไม่สามารถยืนยันได้ คงต้องให้ผู้ที่ทำงานในสองโรงงานดังกล่าวตรวจสอบกันเอง

blog นี้ได้นำเอาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในยุโรป ญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา มานำเสนอหลายเหตุการณ์แล้ว มาคราวนี้ขอนำเอาเรื่องที่เกิดในอินเดียมาเล่าบ้าง อันที่จริงบทความต้นฉบับไม่มีการระบุว่าเกิดที่ไหนและเมื่อใด แต่เป็นเรื่องที่รวบรวมไว้โดย Oil Industry Safety Directorate ของประเทศอินเดีย (https://www.oisd.gov.in/archived-case-studies) ในหัวข้อเรื่อง "Case study on fire incident at VGO-HDT unit" ก็เลยคิดว่าน่าจะเป็นเหตุการณ์ที่เกิดในประเทศอินเดีย เนื้อหาในบทความกล่าวว่าหน่วยผลิตดังกล่าวเริ่มเดินเครื่องในปีค.ศ. ๒๐๑๒ แต่บทความนี้มีการ upload เข้า web site ในเดือนกันยายนปีค.ศ. ๒๐๑๔ แสดงว่าการพังนั้นมันเกิดขึ้นรวดเร็วเหมือนกัน โดยสาเหตุของการพังคาดว่าเป็นการผสมกันของ thermal stress, erosion และ vibration

แต่ก่อนอื่นเรามาลองทำความรู้จักกระบวนการผลิตเพื่อที่จะเข้าใจที่มาของศัพท์บางคำก่อนดีกว่า

รูปที่ ๑ แผนผังหน่วย Vacuum Gas Oil Hydrotreating (VGO-HDT) ภาพต้นฉบับในบทความชี้จุดเกิดเหตุ (Location of explosion) ว่าอยู่ก่อนจุดผสมระหว่างสายร้อนและสายเย็น (จุด A) แต่ในเนื้อหาบอกว่าอยู่ถัดจากจุดผสม ซึ่งเป็นตำแหน่ง B

การกลั่นน้ำมันดิบจะใช้หอกลั่น 2 หอ หอกลั่นหอแรกเป็นการกลั่นที่ความดันบรรยากาศ หอนี้จะกลั่นแยกเอาน้ำมันเบา (คือพวกมีจุดเดือดต่ำ) ออกมาก่อน น้ำมันส่วนที่เหลือที่ออกทางก้นหอกลั่น (พวกมีจุดเดือดสูง) จะเข้าสู่หอกลั่นหอที่สองที่ทำการกลั่นที่สุญญากาศ (ในความเป็นจริงคือความดันต่ำกว่าบรรยากาศ) การที่ลดความดันก็เพื่อให้น้ำมันนั้นเดือดได้ที่อุณหภูมิที่ต่ำลง และยังป้องกันไม่ให้โมเลกุลน้ำมันแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงถ้าใช้อุณหภูมิที่สูงในการกลั่น น้ำมันกลุ่มนี้จะอยู่ในส่วนของพวกส่วนที่มีจุดเดือดช่วงของน้ำมันดีเซลและพวกที่มีจุดเดือดสูงกว่า

ผลิตภัณฑ์น้ำมันที่ได้จากการกลั่นในหอกลั่นสุญญากาศนี้มีชื่อเรียกหลากหลาย เช่น gas oil, fuel oil, distillate โดยอาจมีคำนำหน้าชื่อพวก ligh, heavy ประกอบ คำว่า light หรือ heavy ตรงนี้มันไม่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่น แต่เป็นตัวบอกว่าเป็นน้ำมันส่วนมีจุดเดือดต่ำ (light) หรือน้ำมันที่มีจุดเดือดสูง (heavy) เนื่องจากหอกลั่นนั้นเป็นหอตั้งตรงในแนวดิ่ง พวกที่มีจุดเดือดต่ำจะลอยขึ้นบน (ที่มาของคำว่า light) ในขณะที่พวกที่มีจุดเดือดสูงจะอยู่ทางด้านล่างของหอ (ที่มาของคำว่า heavy)

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เกี่ยวข้องกับ Vacuum Gas Oil (VGO) ซึ่งก็คือน้ำมันที่ได้มาจากหอกลั่นสุญญากาศ น้ำมันในส่วนนี้จะมีขนาดโมเลกุลที่ใหญ่ มีโครงสร้างที่มีความไม่อิ่มตัว (C=C) อยู่มาก และมักมีสารประกอบกำมะถัน (S) ปะปนอยู่มาก ในการนำไปใช้งานนั้น ถ้าต้องการนำไปทำให้โมเลกุลแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง (เช่นเปลี่ยนเป็นน้ำมันเบนซิน) ก็ต้องกำจัดพันธะไม่อิ่มตัวทิ้งก่อน (เปลี่ยนพันธะ C=C เป็น C-C) ด้วยการเติมไฮโดรเจน เพื่อให้โมเลกุลแตกตัวได้ง่ายขึ้น หรือเพื่อลดปัญหามลพิษจากสารประกอบกำมะถัน ก็ต้องกำจัดอะตอมกำมะถันออกก่อนโดยใช้ไฮโดรเจนดึงออกมาในรูป H₂S เนื่องจากหน่วยเหล่านี้มีการใช้ไฮโดรเจนในการปรับสภาพ จึงมีชื่อเรียกรวม ๆ ว่า Hydrotreating (HDT)

รูปที่ ๑ เป็นแผนผังการทำงานของหน่วยที่เกิดเหตุ น้ำมันที่จะนำมาปรับสภาพจะไหลเข้ามายัง feed surge drum V-002 ก่อน ถังนี้ทำหน้าที่ลดความผันผวนของน้ำมันที่ไหลเข้าระบบ กล่าวคือปั๊ม P-001A/B จะทำงานที่สภาวะคงที่ ถ้าน้ำมันไหลเข้ามามากกว่าอัตราการสูบออกของปั๊ม น้ำมันนั้นก็จะสะสมไว้ใน V-002 และถ้าน้ำมันไหลเข้ามาน้อยกว่าอัตราการสูบออกของปั๊ม ปั๊มก็จะดึงเอาน้ำมันที่สะสมเอาไว้ไปใช้ ซึ่งเป็นการลดความผันผวนให้กับหน่วย HDT

ปฏิกิริยา hydrotreating ใช้อุณหภูมิที่สูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่ VGO ก่อนด้วยเตาเผา F-001 ก่อนส่งไปทำปฏิกิริยาที่ R-001 และ R-002 น้ำมันร้อนที่ออกจาก R-002 จะถูกทำให้เย็นตัวลง แต่เพื่อที่จะประหยัดการใช้พลังงานจึงนำเอาความร้อนของน้ำมันที่ออกมาก R-002 นี้ไปถ่ายเทให้กับน้ำมันที่จะไหลเข้าเตาเผา F-001 ด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจำนวน 7 เครื่อง โดยมีการผสม recycle gas (หลัก ๆ ก็คือไฮโดรเจนที่ต้องใช้ในการทำปฏิกิริยา) ให้กับน้ำมันที่จะเข้าสู่กระบวนการ HDT ก่อนที่น้ำมันนี้จะไหลเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตัวแรก E-001A

ปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนหรือกำจัดกำมะถันนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ซึ่งปฏิกิริยาคายความร้อนมีแนวโน้มที่จะเร่งตนเอง (อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มสูงขึ้น) ในกรณีเช่นนี้วิธีการหนึ่งในการควบคุมอุณหภูมิคือการลดอุณหภูมิด้านขาเข้า ซึ่งในกระบวนการนี้ทำโดยการ bypass น้ำมันส่วนหนึ่งไม่ให้ไหลเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยให้ไปผสมกับน้ำมันที่ไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า) ทางด้านขาออกของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตัวที่ 7 E-001G

การตรวจสอบหลังเกิดเหตุพบว่า ใน operating manual, process flow diagram (PFD) และ piping and instrumentation diagram (P&ID) แสดงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไว้ 6 ตัว โดยไม่มีหลักฐานปรากฏว่าตัวที่ 7 นั้นมีการติดตั้งเมื่อใด

ท่อที่ไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาด 20 นิ้ว ส่วนท่อ bypass มีขนาด 8 นิ้ว การผสมสายเย็นของท่อ bypass เข้ากับสายร้อนที่มาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า "Quill" (ดูรูปที่ ๒) ที่มีลักษณะเป็นท่องอฉีดของเหลวเข้าไปตรงกลางท่อใหญ่ ในทิศทางเดียวกับการไหลของของเหลวในท่อใหญ่ (ถ้าใช้ google หาความหมายของคำว่า quill จะไปลงที่ปากกาขนนก แต่ถ้าใช้ quill mixer จะหมายอุปกรณ์ฉีดสารเคมี)

รูปที่ ๒ การผสมสายเย็นจากท่อ bypass เข้ากับสายร้อนที่มาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และตำแหน่งท่อที่เสียหาย

ในช่วงตั้งแต่เริ่มเดินเครื่องจนถึงเวลาก่อนเกิดเหตุ หน่วยผลิตนี้มีการหยุดเดินเครื่องและเริ่มเดินเครื่องใหม่หลายครั้ง ทำให้เกิด thermal shock และ thermal stress หลายครั้งในหน่วยนี้ที่ทำงานที่ความดันและอุณหภูมิสูง ข้อมูลที่บันทึกไว้ก่อนเกิดเหตุแสดงว่าการทำงานเป็นปรกติ เว้นแต่อัตราการไหลของสาย bypass โดยก่อนเกิดเหตุนั้นหน่วยผลิตเดินเครื่องอยู่ที่ 453 m³/hr ในขณะที่ระบบออกแบบไว้ที่ 416 m³/hr (ประมาณ 109% ของค่าที่ออกแบบไว้) อัตราการไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอยู่ที่ประมาณ 265 m³/hr โดยที่เหลือนั้นไหลผ่านเส้น bypass (188 m³/hr หรือประมาณ 41.5% ของอัตราการไหลรวมซึ่งจัดว่าสูง) ด้วยอัตราการ bypass ที่สูงทำให้อุณหภูมิก่อนเข้าเตาเผาสูงเพียง 312ºC แทนที่จะเป็น 344ºC จึงส่งผลให้เตาเผาต้องมี heat load เพิ่มขึ้น

ข้องอแรกด้าน downstream ของ quill ถูกรองรับไว้ด้วยท่อเหล็กที่ปลายด้านหนึ่งถูกเชื่อมยึดเข้ากับข้องอ ส่วนปลายด้นพื้นถูกยึดตรึงไว้กับพื้นโดยไม่สามารถขยับได้

ท่อขนาดใหญ่จะมีตัว support รองรับน้ำหนักท่อถ่ายลงพื้น เพื่อไม่ให้ตัวเส้นท่อนั้นต้องแบบรับน้ำหนักท่อ ในกรณีของท่อที่ร้อนนั้น เมื่อท่อร้อนจะมีการขยายตัว ดังนั้นการติดตั้ง support รองรับท่อต้องยอมให้ท่อนั้นขยายตัวในแนวยาวได้ ถ้าปลาย support ด้านท่อถูกเชื่อมติดกับตัวท่อ ส่วนที่วางบนพื้นก็ต้องไม่ถูกยึดตรึง แต่จะถูกประคองไว้ไม่ให้เคลื่อนตัวออกทางด้านข้าง ให้เคลื่อนตัวได้เฉพาะในทิศทางการขยายตัวของท่อเท่านั้น อ่านเรื่องนี้เพิ่มเติมบน blog ได้ในเรื่อง "การเผื่อการขยายตัวของท่อร้อน" MO Memoir ฉบับวันอาทิตย์ที่ ๒๕ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๖๑: Sunday 25 February 2561"

จากการตรวจสอบการออกแบบ quill นั้นพบว่า ระยะทางระหว่าง quill ถึงข้องอหรือแยกตัว T ตัวแรกนั้นควรต้องมีระยะไม่ต่ำกว่า 10 เท่าของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ อย่างเช่นในกรณีนี้เป็นท่อขนาด 20 นิ้ว ดังนั้นระยะทางดังกล่าวควรมีค่าเท่ากับ 200 นิ้ว แต่ในความเห็นจริงนั้นระยะนี้ยาวเพียงแค่ 40 นิ้วเท่านั้น

สายร้อนที่มาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ที่มีการผสมแก๊สไฮโดรเจนเข้าไปแล้ว) ควรจะมีอุณหภูมิสูงพอที่จะทำให้น้ำมันนั้นกลายเป็นไอหมด แต่เมื่อผสมเข้ากับสาย bypass ที่เย็นกว่าในสัดส่วนที่สูง จึงทำให้น้ำมันที่เย็นกว่าที่ฉีดเข้ามาทาง quill นั้นใช้เวลาในการระเหยกลายเป็นไอ จึงทำให้เกิดการไหลแบบสองเฟส (ของเหลว + แก๊ส) แบบปั่นป่วนทางด้านขาออกของ quill ทำให้เกิด thermal stress ในท่อช่วงดังกล่าว (เนื้อโลหะสัมผัสของเหลวที่เย็นและไอที่ร้อนสลับไปมา)

การที่ต้องมีส่วนที่เป็นท่อตรงทางด้าน downstream ของ quill ก็เพื่อให้ของเหลวเย็นที่ฉีดเข้ามานั้นระเหยจนหมดกลายเป็นไอ ถ้าท่อช่วงนี้สั้นเกินไปก็จะมีของเหลวที่ยังไม่ระเหยพุ่งเข้าปะทะกับตัวข้องอ รูปแบบนี้น่าจะคล้ายกับการเกิด water hammer ในท่อไอน้ำที่มีน้ำที่ควบแน่นไหลอยู่ภายใน และการเข้าปะทะนี้จะทำให้ท่อเกิดการสั่น

ทางด้าน downstream ของ quill ก่อนถึงข้องอข้อแรกมีท่อ drain ขนาด 3/4 นิ้วติดตั้งอยู่ ซึ่งหลังเกิดเหตุพบว่าท่อนี้ฉีกขาดออกไป (ตำแหน่งในรูปที่ ๒) พึงสังเกตว่าท่อ drain ตรงนี้ใช้ระบบ double block valve ทั้งนี้เพราะเป็นท่อความดันสูงและอุณหภูมิสูง

จุดเริ่มต้นของการรั่วไหลมีการพิจารณาความเป็นไปได้อยู่ 2 สมมุติฐานด้วยกัน สมมุติฐานแรกคือท่อหลัก 20 นิ้วเกิดความเสียหายเนื่องจากการต้องรับทั้ง erosion (ผลของการไหลแบบสองเฟส), thermall stress (การที่ท่อไม่สามารถยืดตัวได้อย่างอิสระเพราะถูกยึดตรึงเอาไว้กับพื้น) และ vibration (ผลของการไหลแบบสองเฟส) ต่อเนื่องกันเป็นเวลานาน สมมุติฐานที่สองคือท่อ drain เกิดความเสียหายก่อน (ผลจาก thermal stress และ vibration) ทำให้เกิดการรั่วไหล จากนั้นจึงตามด้วยการระเบิดภายในท่อ สมมุติฐานอันหลังนี้ดูแปลก ๆ นิดนึง การระเบิดจะเกิดขึ้นภายในท่อได้ก็ต่อเมื่อในท่อนั้นมันมีอากาศอยู่ แต่ด้วยการที่ภายในท่อมีความดันสูง ดังนั้นน้ำมันและไฮโดรเจนจะฉีดพุ่งออกมาข้างนอกโดยที่อากาศไม่สามารถแพร่เข้าไปได้

(พวกน้ำมันดีเซล น้ำมันเตา เป็นพวกที่มี autoignition temperature ไม่สูง (ค่าประมาณ 200ºC ขึ้นไป) ดังนั้นเมื่อน้ำมันร้อนเหล่านี้รั่วไหลออกมาเจอกับอากาศ ก็จะลุกติดไฟได้เองทันที่โดยไม่ต้องมีความร้อน เปลวไฟ หรือประกายไฟช่วยให้เกิดการลุกไหม้)

รูปที่ ๓ บทความต้นฉบับไม่ได้ให้รายละเอียดใด ๆ กับรูปนี้ แต่ดูแล้วเห็นว่าตัวที่อยู่ด้านล่างขวาของรูปน่าจะคือ Quill