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
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)
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)
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น