พังเพราะปิดวาล์วผิดลำดับ MO Memoir : Tuesday 21 January 2568

เมื่อเหตุเกิดที่อุปกรณ์ตัวเดียวกัน ทำผิดพลาดแบบเดียวกัน แต่ความเสียหายออกมาแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

เป็นมาตรฐานที่บังคับใช้กันทั่วไปที่ภาชนะรับความดัน (ที่อยู่ภายใน) ต้องได้รับการป้องกันจากความดันภายในที่สูงเกิน และวิธีการที่บังคับใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดคือการติดตั้งอุปกรณ์ระบายความดัน โดยในระหว่างการทำงานนั้น เส้นทางระหว่างตัวภาชนะและด้านขาเข้าของอุปกรณ์ระบายความดัน และเส้นทางระหว่างด้านขาออกของอุปกรณ์ระบายความดันกับจุดที่สามารถระบายความดันออกได้อย่างปลอดภัยนั้น ต้องไม่ถูกปิดกั้น กล่าวคือต้องเปิดโล่งตลอดเวลา

หมายเหตุ :

๑. ภาชนะรับความดันในที่นี้ไม่จำเป็นต้องเป็น vessel นะ อาจเป็นระบบท่อก็ได้ เช่นท่อที่อยู่ถัดจากวาล์วลดความดัน หรือท่อลำเลียงของเหลวที่มีโอกาสที่ปลายทั้งสองข้างถูกปิดสนิท

๒. อีกวิธีหนึ่งในการป้องกันไม่ให้ภาชนะรับความดันเกิดความเสียหายจากความดันสูงเกิน คือการออกแบบให้สามารถรับความดันได้สูงเกินกว่าความดันที่สามารถจะเกิดขึ้นได้ในระบบ เช่นในกรณีของการสูบของเหลวที่ความดันบรรยากาศด้วยปั๊มหอยโข่งส่งเข้าถังเก็บ ความดันสูงสุดที่จะเกิดขึ้นได้คือความดันที่ปั๊มหอยโข่งนั้นทำได้ (เกิดเมื่อด้านขาออกถูกปิดกั้น) แต่ถ้าจะใช้วิธีการนี้ต้องไปดูว่ากฎหมายในพื้นที่ที่โรงงานนั้นตั้งอยู่ยินยอมให้ทำเช่นนี้ได้ไหม

๓. วาล์วระบายความดันอาจถูกติดตั้งเข้าบนตัว vessel โดยตรง หรือมีท่อเชื่อมต่อเพื่อให้สามารถระบายของไหลนั้นออกไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมได้ ถ้าเป็นสารที่ไม่อันตรายเช่นอากาศและน้ำ ก็จะระบายออกสู่บรรยากาศโดยตรง แต่ถ้าเป็นสารที่อันตรายก็จะระบายเข้าสู่ระบบท่อที่นำไปสู่ระบบกำจัดที่เหมาะสม (เช่น ระบบเผาแก๊สทิ้ง, ระบบ scrubber)

ในบางโรงงานนั้นอาจเลือกที่จะไม่ให้มีการติดตั้ง block valve ทั้งด้านขาเข้าและขาออกของอุปกรณ์ระบายความดัน (ซึ่งอาจเป็น safety valve หรือ relief valve หรือ rupter disk) วิธีการนี้ทำให้มั่นใจว่าด้านขาเข้าและด้านขาออกของอุปกรณ์ระบายความดันนั้นไม่มีโอกาสถูกปิดกั้น แต่จะมีปัญหาคือถ้า releif valve เกิดการรั่วไหล (เพราะปิดไม่สนิท) หรือ rupture disk ทำงาน จะไม่สามารถถอดวาล์วตัวนั้นออกมาซ่อมหรือทำการเปลี่ยน rupture disk ได้ เว้นแต่จะต้องหยุดเดินเครื่องหน่วยผลิตนั้น (ซึ่งแน่นอนว่าเป็นงานใหญ่กว่างานถอดวาล์วเพียงตัวเดียวออกมาซ่อมมาก)

ด้วยเหตุนี้จึงได้มีการออกแบบให้สามารถทำการตัดแยกระบบ (isolation) อุปกรณ์ระบายความดันได้ แต่ตัวภาชนะรับความดันดังกล่าวต้องมีการติดตั้งอุปกรณ์ระบายความดันสำรอง ที่มี block valve ปิดกั้นการทำงาน และต้องออกแบบให้ที่เมื่อตัดอุปกรณ์ระบายความดันตัวหนึ่งออกจากระบบ จะต้องเปิดการใช้งานอุปกรณ์ระบายความดันอีกตัวหนึ่งแทน เช่นการใช้ change over valve สำหรับติดตั้งวาล์วระบายความดันสองตัว (ถ้าสงสัยว่าหน้าตาเป็นอย่างไรก็ลองใช้คำค้นหา "change over valve for safety valve" ดู) หรือถ้าจะให้วาล์วระบายความดันแต่ละตัวนั้นมีระบบ block valve ของตัวเอง (คือทำงานเป็นอิสระต่อกัน ไม่ขึ้นต่อกัน) ก็ต้องไปออกแบบขั้นตอนการทำงานและการควบคุมการทำงาน เพื่อให้มั่นใจว่าไม่ว่าในเวลาใดเวลาหนึ่ง ภาชนะรับความดันจะได้รับการป้องกันความดันสูงเกินจากวาล์วระบายความดันเสมอ (ไม่ว่าตัวใดตัวหนึ่ง) แต่วิธีการหลังนี้ ก็ยังเปิดช่องให้ทำผิดพลาดได้อยู่

แต่ ๒ เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้ เกิดที่ block valve ด้านขาออกของวาล์วระบายความดัน

เรื่องแรกที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "The Dos and Don'ts of Isolating Pressure Relief Valves" โดย Sean Croxford เผยแพร่ในเว็บ https://www.valvemagazine.com/articles/the-dos-and-don-ts-of-isolating-pressure-relief-valves เป็นเหตุการณ์เกิดที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่ง ที่ภาชนะรับความดันตัวหนึ่งมีการติดตั้งวาล์วระบายความดัน ๒ ตัว (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ) PSV1 เป็นตัวทำงาน ส่วน PSV2 เป็นตัวสำรอง ในการทำงานปรกตินั้น Isolation valve 1A และ 1B จะอยู่ในตำแหน่งเปิด ส่วน Isolatio vlave 2A และ 2B จะอยู่ในตำแหน่งปิด

รูปที่ ๑ ระบบวาล์วระบายความดันที่เกิดเหตุ

ทางโรงงานประสบปัญหาว่า PSV1 เกิดการรั่ว จึงวางแผนที่จะถอดออกมาทำการซ่อมบำรุง วาล์วระบายความดันเป็นชนิดใช้สปริงกดโดยมี Bellow ทำหน้าที่ลด backpressure ที่กระทำต่อตัว disk (โครงสร้างที่ปิดรูระบาย) บทความไม่ได้กล่าวถึงขนาดของตัววาล์ว แต่ดูจากที่บทความกล่าวว่าต้องใช้เวลาพอสมควรในการปิดวาล์ว ก็แสดงว่าตัววาล์วควรต้องมีขนาดใหญ่

การทำงานเริ่มด้วยการปิด Isolation valve 1B ที่อยู่ทางด้านขาออกของ PSV1 (บทความไม่ได้กล่าวถึงการทำงานใด ๆ กับ PSV2 แต่มีการกล่าวว่าหลังจากปิด Isolation valve 1B แล้ว ตัวภาชนะรับความดันก็จะไม่ได้รับการปกป้องจากวาล์วระบายความดัน นั่นแสดงว่าในขณะนั้น Isolation vavle ของ PSV2 นั้นปิดอยู่) จากนั้นจึงค่อยทำการปิด Isolation valve 1A ที่อยู่ทางด้านขาเข้าของ PSV1 ดังนั้นในช่วงเวลานี้จะมีแก๊สที่รั่วไหลผ่าน PSV1 เข้าไปสะสมอยู่ในเส้นท่อระหว่างด้านขาออกของ PSV1 กับ Isolation valve 1B ทำให้ความดันในบริเวณดังกล่าวเพิ่มสูงขึ้น และเมื่อถอด PSV1 ออกมาตรวจสอบก็พบว่า Bellow นั้นได้รับความเสียหาย (รูปที่ ๒)

บทความไม่ได้ให้รายละเอียดว่าลำดับการเปิดปิดวาล์วนั้นเป็นอย่างไร แต่ก็สามารถคาดเดาได้ดังนี้

๑. เปิดใช้งาน PSV2 ก่อนด้วยการเปิด Isolation valve 2B (ด้านขาออก) แล้วจึงค่อยเปิด Isolation valve 2A (ด้านขาเข้า) เพื่อให้มั่นใจว่าถ้า PSV2 มีการรั่ว จะไม่มีความดันสะสมด้านขาออก

๒. ปิดการใช้งาน PSV1 ด้วยการปิด Isolation valve 1A ก่อน แล้วรอให้ความดันที่ค้างอยู่ระหว่าง Isolation valve 1A กับ PSV1 รั่วไหลออกไปก่อน จากนั้นจึงค่อยปิด Isolation valve 1B  

รูปที่ ๒ Bellow ที่ได้รับความเสียหายจากความดันภายนอกบีบอัด

เรื่องทื่สองนำมาจากบทความเรื่อง "Pipe burst due to wrong pressure safety valve isolation" จากเว็บ "https://toolbox.energyinst.org/c/presentations/pipe-burst-due-to-wrong-pressure-safety-valve-isolation" บทความนี้ไม่ปรากฏชื่อผู้เขียน เหตุเกิดที่วาล์วระบายความดันที่ติดตั้งที่ท่อด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์ที่มีความดัน 300 bar.g และระบายแก๊สเข้าสู่ระบบเผาแก๊สทิ้งที่มีความดัน 36 bar.g

โอเปอร์เรเตอร์รายหนึ่งต้องการปรับตั้งการปิด (reseat) ของวาล์วระบายความดันที่รั่ว โดยตั้งใจจะปิด upstream block valve ของวาล์วระบายความดัน แต่ทำผิดพลาดด้วยการไปปิด Downstream block valve ก่อนแทน ทำให้แก๊สความดันสูงจึงไหลไปสะสมด้านขาออกจนทำให้ท่อด้านขาออกระเบิด (รูปที่ ๓) ที่ความดันประมาณ 120 bar.g ส่งผลให้โอเปอร์เรเตอร์เสียชีวิต

รูปที่ ๓ ท่อที่เกิดเหตุ

ในเหตุการณ์นี้บทความมีการกล่าวไว้ว่า การทำงานดังกล่าวเกิดจากการที่ไม่ต้องการหยุดการทำงานของคอมเพรสเซอร์เพื่อถอดวาล์วระบายความดันออกมาซ่อม และยังไม่มีการล็อคตำแหน่ง block valve ให้อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม (ที่เรียกว่า locked close หรือ locked open) ทำให้โอเปอร์เรเตอร์สามารถเข้าไปเปิด-ปิดได้เองโดยไม่ต้องได้รับอนุญาต

สองเรื่องนี้ปิดวาล์วผิดตัวเหมือนกัน แต่ความเสียหายออกมาแตกต่างกัน

เพลิงไหม้และการระเบิดที่ Steam Cracker Unit, Czech Republic 2558 (2015) ตอนที่ ๑ กระบวนการผลิต MO Memoir : Monday 29 January 2567

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Propylene column pressure relief valves chattering resulting in explosion and fire of the Steam Cracker unit" ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Loss Prevention in the Process Industries ฉบับปีค.ศ. ๒๐๒๒ (พ.ศ. ๒๕๖๕) โดยเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่โรงงานโอเลฟินส์แห่งหนึ่งในสาธารณรัฐเช็ก เมื่อวันที่ ๑๓ สิงหาคม ค.ศ. ๒๐๑๕ (พ.ศ. ๒๕๕๘)

รูปที่ ๑ บทความที่นำมาเป็นต้นเรื่องในวันนี้

ถ้าดูตามชื่อเรื่องก็ทำให้คิดว่าสาเหตุหลักเกิดจากการที่วาล์วระบายความดันมีการเปิด-ปิดอย่างรวดเร็วต่อเนื่อง (ที่เรียกว่า "chattering") ทำให้เกิดแรงกระแทกที่ส่งผลให้น็อตที่ยึดหน้าแปลนของตัววาล์วนั้นเกิดการคลายตัว แก๊สก็เลยรั่วออกมาได้ ส่งผลให้เกิดการจุดระเบิดตามมา แต่พอได้อ่านเนื้อหาในบทความ เห็นว่าส่วนหนึ่งน่าจะเป็นเพราะการออกแบบระบบมีปัญหา ทำให้ระบบไม่มีเสถียรภาพเมื่อถูกรบกวนชั่วขณะหนึ่ง ส่งผลให้วาล์วระบายความดันเกิดการ "chattering" อย่างเช่นในเหตุการณ์นี้ที่โอเปอร์เรเตอร์พบว่าลืมเปิดวาล์วน้ำหล่อเย็น ทำให้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นลดลง แต่พอสามารถทำให้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นกลับคืนเดิมได้ ก็ไม่สามารถกู้ให้ระบบกลับคืนสู่สภาวะเดิมได้

เนื้อหาในบทความนี้สำหรับคนที่ทำงานทางด้านนี้อยู่แล้วจะสามารถอ่านและทำความเข้าใจได้ง่าย แต่สำหรับผู้ที่กำลังศึกษาอยู่หรือไม่ได้ทำงานทางด้านวิศวกรรมเคมีหรือไม่ได้ทำงานเกี่ยวข้องกับกระบวนการกลั่น ก็อาจมีหลายจุดที่อ่านแล้วไม่เข้าใจความหมาย ก็เลยนำขอมาเขียนแบบขยายความเพิ่มเติม จะได้ถือโอกาสเอาไปใช้ในการสอนนิสิตด้วย

ตอนแรกนี้จะเป็นการแนะนำให้รู้จักกระบวนการผลิตของโรงงานที่เกิดเรื่องก่อน (รูปที่ ๒ และ ๓)

รูปที่ ๒ คำบรรยายกระบวนการผลิตในช่วงเข้า-ออก pyrolysis heater

การผลิตเอทิลีนใช้การให้ความร้อนด้วยเปลวไฟแก่วัตถุดิบที่ไหลอยู่ในท่อ วัตถุดิบอาจเป็นไฮโดรคาร์บอนเบาเช่นอีเทน (ethane C₂H₆) ไปจนถึงน้ำมันหนัก (ระดับน้ำมันดีเซลหรือน้ำมันเตาเบา) อุปกรณ์นี้มีชื่อเรียกว่า "pyrolysis heater" ที่โรงงานมีทั้งสิ้น 10 หน่วยด้วยกัน (BA-101 ถึง BA-110) ซึ่งสร้างตามเทคโนโลยีของบริษัท Lummus ที่มีชื่อว่า SRT III (SRT ย่อมาจาก Short Residence Time) โครงสร้าง pyrolysis heater แบ่งออกเป็น 2 ส่วน ส่วนล่างที่เป็นส่วนให้ความร้อนด้วยเปลวไฟแก่วัตถุดิบที่ไหลอยู่ในท่อเป็นส่วนที่โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงและได้เอทิลีนออกมา ส่วนนี้เป็นส่วนที่ให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อน (Radiation section ในรูปที่ ๓)

ที่อุณหภูมิสูง การส่งผ่านพลังงานความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อนจะมีบทบาทสำคัญมากกว่ากลไกอื่น เพราะการส่งผ่านพลังงานความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อนแปรผันตามอุณหภูมิยกกำลัง 4 (T⁴ เมื่อ T คืออุณหภูมิ)

แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้จะลอยขึ้นทางปล่องด้านบน โดยจะมีการถ่ายเทความร้อนให้กับวัตถุดิบที่ป้อนเข้ามาและน้ำและไอน้ำเพื่อผลิตไอน้ำความดันสูง การให้ความร้อนในส่วนนี้เป็นการถ่ายเทความร้อนจากแก๊สร้อนที่อยู่ภายนอกท่อไปยังของไหลที่เย็นกว่าที่ไหลอยู่ในท่อ (ชื่อส่วนนี้คือ Convection section) ปล่องด้านบนถูกแบ่งออกเป็น 4 ส่วน ส่วนที่หนึ่งที่อยู่ด้านบนสุดจะมีอุณหภูมิต่ำสุด เป็นจุดที่วัตถุดิบที่ป้อนเข้ามาจะรับความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ และกลับมารับความร้อนใหม่ที่ส่วนที่สี่ที่อยู่ล่างสุดเพื่อเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นไปอีกก่อนที่จะไหลเข้าส่วนที่ให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อน โดยก่อนที่วัตถุดิบจะไหลเข้าส่วนที่สี่นี้จะมีการผสมไอน้ำเข้าไป

ปฏิกิริยาที่แก๊สโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงเป็นปฏิกิริยาที่มีจำนวนโมลเพิ่มขึ้น (กล่าวอีกอย่างก็คือทำให้ปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น) สมดุลเคมีบ่งบอกว่าปฏิกิริยาแบบนี้จะเกิดได้ดีขึ้นที่สภาวะความดัน (หรือความดันย่อย - partial pressure) ของสารตั้งต้นต่ำ การผสมไอน้ำเข้าไปจะไปช่วยลดความดันย่อยของสารตั้งต้นให้ต่ำลง ทำให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้น ในขณะเดียวกันก็ยังสามารถใช้ในการไล่ไฮโดรคาร์บอนที่ตกค้างในท่อออก (ในกรณีที่ต้องการหยุดการป้อนวัตถุดิบ) และช่วยป้องกันความเสียหายของท่อได้ (คือถ้าท่อไม่มีของไหลคอยรับความร้อนอยู่ภายใน ผิวโลหะของท่อก็จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นจนอาจเกิดความเสียหายได้)

รูปที่ ๓ แผนผังกระบวนการผลิตในส่วนของ Pyrolysis heater และ Transfer-Line Exchanger (TLE)

น้ำปราศจากไอออน (Demineralised water หรือ Demin water) จะเข้ามารับความร้อนที่ส่วนที่สอง ก่อนที่จะถูกป้อนไปยัง Transfer Line Exchanger (TLE) เพื่อลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heater ให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว (เพื่อหยุดปฏิกิริยาการสลายตัวของเอทิลีน) และน้ำจะเดือดกลายเป็นไอน้ำความดันสูง ไอน้ำที่ออกมาจาก TLE นี้จะไปรับความร้อนยังส่วนที่สามเพื่อเปลี่ยนสภาพเป็นไอน้ำร้อนยวดยิ่ง (superheated steam หรือบางทีเรียกว่า "ไอดง") ก่อนจะถูกนำไปใช้ยังส่วนอื่น ๆ ของโรงงานต่อไป

ทางด้านขาออกของ TLE มีการฉีด "Quench oil" เข้าไปเพื่อลดอุณหภูมิแก๊สผลิตภัณฑ์ให้ต่ำลงไปอีกก่อนที่จะไหลไปยังหน่วยถัดไป (ส่วน Quench tower)

วิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงในการลดอุณหภูมิแก๊สร้อนคือการฉีดของเหลว (ที่ระเหยได้) เข้าไปผสมกับแก๊สร้อนนั้นโดยตรง ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอที่สูงของของเหลวจะทำให้แก๊สร้อนเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว และเร็วกว่าเมื่อเทียบกับการให้แก๊สร้อนถ่ายความร้อนผ่านผนังโลหะไปยังของเหลวที่อยู่อีกฟากหนึ่งเพื่อทำให้ของเหลวนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น แต่ของเหลวที่ฉีดเข้าไปนั้นต้องไม่ไปทำปฏิกิริยาอะไรกับสารที่อยู่ในแก๊สและควรแยกออกมาได้ง่าย

รูปที่ ๔ คำบรรยายรายละเอียดส่วนของ pyrolysis heater

รูปที่ ๔ เป็นคำบรรยายโครงสร้างของ pyrolysis heater ตัวโรงงานประกอบด้วย pyrolysis heater ที่มีรูปแบบการวางท่อแตกต่ากัน 3 รูปแบบคือ รูปแบบ Lummus SRT I จำนวน 1 หน่วย รูปปแบบ Lummus SRT III จำนวน 5 หน่วย และรูปแบบ Technip radiant coil GK-6 จำนวน 4 หน่วย

การจัดวางท่อรูปแบบ Lummus SRT I ประกอบด้วยท่อเดี่ยวจำนวน 4 ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางคงในในส่วน radiation section การจัดวางท่อรูปแบบ Lummus SRT IIIเริ่มต้นด้วยท่อเดี่ยวจำนวน 4 ท่อที่รับวัตถุดิบเข้ามา จากนั้นท่อเดี่ยว 2 ท่อจะรวมเข้ากับเป็นท่อขนาดกลาง 2 ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น และสุดท้ายท่อขนาดกลาง 2 ท่อจะรวมกันเป็นท่อใหญ่ 1 ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ก่อนที่จะออกจากส่วน radiation section ส่วนการจัดวางท่อรูปแบบ GK-6 ประกอบด้วยท่อเดี่ยวจำนวน 6 ท่อในส่วนของ radiation section

การให้ความร้อนในส่วนนี้ หัวเตาที่อยู่ทางด้านล่างของ pyrolysis heater ให้ความร้อนประมาณ 30% ของความร้อนที่ต้องใช้ โดยความร้อนส่วนที่เหลือมาจากหัวเตาที่อยู่ที่ผนังด้านข้าง

รายละเอียดเพิ่มเติมของ pyrolysis heater และการจัดวางท่อรูปแบบ SRT I และ SRT III นี้อ่านเพิ่มเติมได้ในบทความก่อนหน้านี้คือ

"ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๓)" (MO Memoir ฉบับวันพุธที่ ๓ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๙)

"ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๔)" (MO Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๔ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๙)

"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๔ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๒" (MO Memoir ฉบับวันอังคารที่ ๑ มีนาคม พ.ศ. ๒๕๕๙)

"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๕ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๓" (MO Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที ่๓ มีนาคม พ.ศ. ๒๕๕๙)

 

รูปที่ ๕ กระบวนการลดอุณหภูมิสารที่ออกจาก pyrolysis heater

ปฏิกิริยาทำให้ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นเอทิลีนที่มีขนาดโมเลกุลเล็กลงเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาที่สูงเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดได้ แต่ถ้าใช้อุณหภูมิที่สูงเกินไปหรืออยู่ที่อุณหภูมิสูงนานเกินไป เอทิลีนที่ได้ก็จะสลายตัวต่อไปเป็นสารอื่น ดังนั้นเมื่อได้เอทิลีนแล้วจึงต้องลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heaterให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว (ดูรูปที่ ๕ ประกอบ) แก๊สที่ออกมาจาก pyrolysis heater มีอุณหภูมิประมาณ 810-850ºC จะไหลเข้าสู่ Transfer Line Exchanger (TLE) ที่มีน้ำความดันสูงเป็นแหล่งรับความร้อน น้ำที่รับความร้อนจะกลายเป็นไอน้ำความดันสูง ส่วนแก๊สร้อนจะมีอุณหภูมิลดเหลือประมาณ 450-550ºC ซึ่งจะถูกทำให้เย็นลงต่อด้วยการฉีด "quench oil" เข้าไป (ในที่นี้คือไฮโดรคาร์บอนเหลวที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงในกระบวนการผลิต)

ส่วนของ pyrolysis heater นี้สามารถตัดแยกระบบออกจากส่วนที่เหลือด้วยวาล์วควบคุมการปิดเปิดด้วยมอเตอร์ DN-1000 ที่มีชื่อเรียกว่า RHEFLA valve จุดนี้ถือว่าเป็นจุดสิ้นสุดของการเกิดปฏิกิริยาและการหยุดปฏิกิริยา (ปรกติจะเห็นการใช้คำว่า "isolate" ในการตัดแยกระบบ แต่ในบทความนี้ใช้คำว่า "insulate" ซึ่งไม่ค่อยเห็นใครใช้กันนัก)

รูปที่ ๖ กระบวนการลดอุณหภูมิและกลั่นแยกผลิตภัณฑ์

ในขั้นตอนต่อไปแก๊สร้อนที่มีอุณหภูมิเหลือประมาณ 200-250ºC จะถูกลดอุณหภูมิให้ต่ำลงไปอีกจนกลายเป็นของเหลวก่อนทำการกลั่นแยก (รูปที่ ๖ และ ๗) ในโรงงานนี้การทำให้เย็นตัวลงเริ่มด้วยการให้แก๊สร้อนนั้นสัมผัสกับของเหลวที่เป็นน้ำมันก่อนเพื่อแยกเอาไฮโดรคาร์บอนบางส่วนออกไป (หมายเลข 1 ในรูปที่ ๗) จากนั้นจะสัมผัสกับน้ำโดยตรงในหอที่เรียกว่า Quench tower (หมายเลข 3 ในรูปที่ ๗) ณ ที่นี้จะเหลือแต่ไฮโดรคาร์บอนเบาที่ไม่ควบแน่นและไอน้ำผ่านออกจากระบบ อุณหภูมิแก๊สจะลดลงเหลือประมาณ 30ºC ส่วนหนึ่งของไฮโดรคาร์บอนที่ควบแน่นถูกนำไปใช้เป็น quench oil และนำไปเข้ากระบวนการอื่น ส่วนหนึ่งของน้ำร้อนที่ออกจาก Quench tower จะถูกนำไปใช้เป็นแหล่งให้ความร้อนแก่หม้อต้มซ้ำ (reboiler) ของหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนก่อนที่จะนำกลับมาใช้ใหม่ (ตรงประเด็นนี้จะมีการกล่าวถึงในส่วนของกระบวนการกลั่นอีกที)

รูปที่ ๗ กระบวนการถัดจาก pyrolysis heater "pyrolysis gasoine" คือไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนในช่วงน้ำมันแก๊สโซลีน (ที่บ้านเราเรียกน้ำมันเบนซิน)

การแยกผลิตภัณฑ์กระทำโดยใช้กระบวนการกลั่น ซึ่งต้องทำให้แก๊สนั้นกลายเป็นของเหลวอุณหภูมิต่ำก่อน จากนั้นจึงค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นเป็นลำดับเพื่อแยกเอาสารที่มีจุดเดือดต่ำออกจากสารที่มีจุดเดือดสูง การเพิ่มความดันแก๊สทำให้สามารถทำให้แก๊สเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิไม่ต่ำเกินไป แก๊สที่ผ่านออกมาจาก quench tower ที่อิ่มตัวไปด้วยไอน้ำจะถูกเพิ่มความดันด้วยการอัดเพิ่มความดันเป็นขั้น ๆ จำนวน 5 ขั้นตอน โดยในระหว่างแต่ละขั้นจะมีการลดอุณหภูมิแก๊ส (ที่ร้อนขึ้นเพราะการอัด) และแยกส่วนที่ควบแน่นเป็นของเหลวออกมา มีการใช้สารดูดซับเพื่อดึงน้ำที่ยังคงค้างอยู่ออก (เพราะมันจะกลายเป็นน้ำแข็งอุดตันในระบบลดอุณหภูมิได้) มีการกำจัดแก๊สที่มี่ฤทธิ์เป็นกรด (พวก H₂S และ CO₂) และมีการเติมไฮโดรเจนให้กับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนพวกพันธะ 3 (สารประกอบ alkyne เช่นอะเซทิลีนหรือเมทิลอะเซทิลีน) หรือมีความไม่อิ่มตัวหลายตำแหน่ง (ผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดจากปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการ) เพื่อให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ส่วนที่ว่ากระบวนการกำจัดความชื้นและเติมไฮโดรเจนจะอยู่ระหว่างขั้นตอนไหนของกระบวนการอัดนั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบ

แก๊สที่ผ่านการเพิ่มความดันและทำให้แห้งจะถูกลดอุณหภูมิด้วยหน่วยที่มีชื่อเรียกว่า "Cold box" จนมีอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ -160ºC จากนั้นจะเข้าสู่กระบวนการแยกไฮโดรเจนและมีเทนออกไปก่อนในรูปแก๊สที่ออกทางด้านบนของหอกลั่นที่หน่วย Demethanizer (ดูรูปที่ ๗ ประกอบ) ของเหลวที่ออกจากหน่วย Demethanizer จะเข้าสู่การแยกไฮโดรคาร์บอน C2 และ C3 ออกจากกันที่หน่วย Deethanizer โดยอีเทนกับเอทิลีนจะถูกแยกออกทางด้านบนและถูกกลั่นแยกออกจากกันอีกทีที่หน่วย Ethylene column ส่วนไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C3 เป็นต้นไปจะถูกแยกออกทางด้านล่าง โดยไปทำการแยกโพรเพนและโพรพิลีนออกจากไฮโดรคาร์บอนที่เหลือที่หน่วย Depropanizer และไปทำการกลั่นแยกสารทั้งสองออกจากกันอีกทีที่หน่วย Propylene column ส่วนไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C4 เป็นต้นไปจะถูกส่งไปแยกเป็นส่วนต่าง ๆ ในกระบวนการอื่น ๆ ต่อไป ซึ่งขอไม่กล่าวถึง เพราะไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องกับอุบัติเหตุที่เกิด (แต่มีคำบรรยายไว้ในช่วงท้ายของรูปที่ ๗)

ฉบับนี้ขอเปิดตัวด้วยกระบวนการผลิตเพียงแค่นี้ก่อน

เมื่อควรติดตั้ง Gate valve แบบนอนตะแคงข้าง MO Memoir : Saturday 11 July 2563

ตอนเรียนจบใหม่ ๆ เมื่อกว่าสามสิบปีที่แล้ว สมัยนั้นจะหาความรู้ในเรื่องใดก็ต้องไปดูตามร้านขายหนังสือว่ามีใครเขียนหนังสือเกี่ยวกับเรื่องที่ต้องการรู้หรือไม่ ถ้าไม่มีภาษาไทยก็ต้องไปหาภาษาอังกฤษ แต่หนังสือภาษาอังกฤษที่ไม่ใช่ตำราเรียนก็จะมีราคาแพงมากเหมือนกัน หรือไม่ก็ต้องไปหาวารสารของต่างประเทศที่มีอยู่ในบางห้องสมุดมาอ่าน ซึ่งก็ต้องไปสมัครเป็นสมาชิกเพื่อเข้าใช้ห้องสมุดของมหาวิทยาลัย (แบบชำระเงินเป็นรายปี) ยิ่งความรู้ภาคปฏิบัติแล้ว ยิ่งหายากเข้าไปใหญ่ ดังนั้นตอนนั้นความรู้ส่วนใหญ่ที่ได้รับมา จึงได้มาจากการสอนของวิศวกรรุ่นพี่แบบปากต่อปาก ไม่ว่าจะเป็นการเดินตามการทำงาน หรือการไปกินข้าวเย็นร่วมกัน หรือไม่ก็ได้อ่านจากเอกสารการอบรมที่วิศวกรรุ่นพี่ได้ไปร่ำเรียนมา

  

แต่การเรียนแบบนี้มันก็มีข้อเสียบ้างเหมือนกัน กล่าวคือบางเรื่องนั้นเราได้เรียนรู้ "วิธีการ" ไม่ได้เรียนรู้ "หลักการ" เมื่อมาพบกับสิ่งที่คนอื่นทำไว้ไม่เหมือนที่เราเคยเรียนมา ก็ทำให้งงไปเหมือนกัน เช่นเรื่องของการป้องกันภาชนะรับความดัน (pressure vessel) ไม่ให้ได้รับความเสียหายจากความดันที่สูงเกิน

  

ตอนนั้นทำงานอยู่โรงงานปิโตรเคมีแห่งหนึ่ง รุ่นพี่ก็สอนไว้ว่าภาชนะรับความดันทุกตัว "ต้องมีการติดตั้ง" วาล์วระบายความดัน และเพื่อให้มั่นใจว่าภาชนะรับความดันจะได้รับการป้องกันตลอดเวลา ดังนั้นท่อที่ต่อเข้าวาล์วระบายความดันและท่อจากวาล์วระบายความดันไปยังท่อ flare หลัก (รวมทั้งตัวท่อของระบบ flare ด้วย) ต้อง "ไม่มี" การติดตั้งวาล์ว เพราะการติดตั้งวาล์วนั้นมันเปิดโอกาสให้คนไปปิดวาล์ว (จะโดยตั้งใจหรือไม่ตั้งใจก็ตามแต่) แล้วลืมเปิดได้ ซึ่งเมื่อไปพิจารณาแผนผังระบบท่อของโรงงานทั้งสองโรงที่กำลังก่อสร้างอยู่ ก็พบว่ามันเป็นแบบนี้ทั้งหมด

 

แต่พอได้ไปเรียนที่อังกฤษ กลับพบว่าข้อกำหนดต่าง ๆ หลาย ๆ เรื่องนั้นเขาเน้นไปที่ "หลักการ" มากกว่า "วิธีการ" การเน้นการใช้หลักการเพื่อให้บรรลุเป้าหมายที่ต้องการนั้นมันเปิดช่องให้ใช้วิธีการได้หลากหลาย แต่มันจะไปยากตรงที่การพิสูจน์ให้ได้ว่าวิธีการที่ใช้นั้นมันสามารถบรรลุเป้าหมายที่ต้องการไว้ ไม่เหมือนกับการกำหนดวิธีการ ที่มันทำให้ง่ายต่อการตรวจสอบ แต่มันจะไปมีปัญหาตรงเรื่องที่ว่า มันอาจไม่มีวิธีการใดที่สามารถปรับใช้ได้กับทุกสถานการณ์

รูปที่ ๑ การป้องกันไม่ให้ภาชนะรับความดัน (pressure vessel) เสียหายจากความดันที่สูงเกิน ซึ่งอาจทำได้ด้วยการ (1) ติดตั้งวาล์วระบายความดัน (2) ออกแบบความหนาของภาชนะให้รับความดันสูงสุดที่อาจเกิดขึ้นได้ หรือ (3) ติดตั้งระบบควบคุมเพื่อ "ปิดวาล์วตัดการไหลเข้า" และ/หรือ "เปิดวาล์วระบายออก"

อย่างเช่นแทนที่จะบอกว่า "ภาชนะรับความดัน "ต้องมีการติดตั้งวาล์วระบายความดัน" เพื่อป้องกันไม่ให้ภาชนะรับความดันนั้นได้รับความเสียหายจากความดันสูงเกิน" ก็เปลี่ยนมาเป็น "ภาชนะรับความดัน "ต้องได้รับการป้องกัน" ไม่ให้ภาชนะรับความดันนั้นได้รับความเสียหายจากความดันสูงเกิน" จะทำให้เลือกพิจารณาวิธีการต่าง ๆ ที่เป็นไปได้ที่หลากหลายมากกว่า และสามารถเลือกวิธีการที่เหมาะสมกับแต่ละสถานการณ์ได้

 

ตัวอย่างเช่นในรูปที่ ๑ การติดตั้งวาล์วระบายความดันเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไป แต่ถ้าหากเราออกแบบภาชนะรับความดันนั้นให้สามารถทนความดันสูงสุดที่อาจเกิดขึ้นได้ กล่าวคือทนความดันได้สูงกว่าความดันสูงสุดของปั๊มหรือคอมเพรสเซอร์ที่ป้อนสารเข้าภาชนะนั้น มันก็สามารถป้องกันได้เช่นกัน หรือจะทำการติดตั้งระบบควบคุมที่จะปิดกั้นไม่ให้มีสารไหลเข้าภาชนะ และ/หรือเปิดวาล์วระบายสารออกจากภาชนะ เมื่อความดันในภาชนะรับความดันนั้นสูงเกินค่ากำหนด แต่ไม่ว่าจะเป็นการติดตั้งวาล์วระบายความดันหรืออุปกรณ์ควบคุม สิ่งหนึ่งที่ต้องนำมาพิจารณาก็คือโอกาสที่อุปกรณ์นั้นจะไม่ทำงาน ดังนั้นแม้ว่าระบบจะดูดี แต่ถ้ามันมีโอกาสสูงที่มันจะไม่ทำงาน มันก็ไม่ควรนำมาใช้งาน

 

เรื่องถัดมาที่เจอก็คือกรณีที่เลือกการใช้วาล์วระบายความดัน ตอนนั้นก็เห็นโรงงานที่ก่อสร้างอยู่เป็นไปตามที่รุ่นพี่สอนก็คือมันไม่มีวาล์วทั้งด้านขาเข้าและขาออก แต่วาล์วระบายความดันนี้มันก็มีสิทธิที่จะไม่ทำหน้าที่อย่างที่มันควรทำ เช่นปิดไม่สนิท ทำให้เกิดการรั่วไหล และถ้าเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ขึ้น จะถอดมันออกมาซ่อมได้อย่างไรในขณะที่โรงงานกำลังเดินเครื่องอยู่ (การต้องหยุดเดินเครื่องโรงงานทั้งโรงงานเพื่อที่จะซ่อมวาล์วเพียงตัวเดียว มันไม่ใช่เรื่องที่สนุกแน่)

  

รูปที่ ๒ ระบบ Chain operated valve (COV) ที่คุมทั้งด้านขาเข้าและขาออก ที่นำมาใช้กับวาล์วระบายความดันสองตัว โดยถ้าเปิดใช้งานทางด้านหนึ่ง อีกด้านหนึ่งจะถูกปิดการใช้งานโดยอัตโนมัติ จึงทำให้มั่นใจได้ว่าภาชนะรับความดันนั้นได้รับการป้องกันด้วยวาล์วระบายความดันเสมอ เมื่อจำเป็นต้องถอดวาล์วที่บกพร่องไปทำการซ่อมแซมหรือเปลี่ยน (จากบทความเรื่อง The Dos and Don'ts of isolating pressure relief valves โดย Sean Croxford, 29 August 2016 ดาวน์โหลดจากเว็บ https://www.valvemagazine.com/web-only/categories/technical-topics/7812-the-dos-and-don-ts-of-isolating-pressure-relief-valves.html)

  

ด้วยเหตุนี้ สำหรับอุปกรณ์ที่คาดว่ามีโอกาสสูงที่วาล์วระบายความดันจะมีปัญหา (เช่นปิดได้ไม่สนิท) ก็จะมีการติดตั้งวาล์วระบายความดัน ๒ ตัว แต่ใช้งานเพียงแค่ตัวเดียว โดยวาล์วระบายความดันแต่ละตัวจะมีการติดตั้ง block valve ไว้ทั้งด้านขาเข้าและขาออก และต้องหาวิธีที่จะทำให้ไม่มีโอกาสที่วาล์วระบายความดันทั้งสองตัวจะถูกปิดด้วย block valve พร้อม ๆ กัน แนวทางหนึ่งก็คือการใช้วาล์วที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเช่นในรูปที่ ๒ ที่ถ้าเลือกเปิดทางด้านซ้าย ทางด้านขวาก็จะปิด และในทำนองเดียวกันถ้าเลือกเปิดทางด้านขวา ทางด้านซ้ายก็จะปิด

  

ถ้าเลือกใช้ gate vale ทำหน้าที่เป็น block valve สำหรับวาล์วระบายความดัน (โดย gate valve หนึ่งตัวอยู่ที่ทางเข้า อีกตัวหนึ่งอยู่ที่ทางออก) ก็ต้องออกแบบและควบคุมขั้นตอนการทำงานให้ดี ไม่ใช่ว่าไปปิดตัว gate valve ของวาล์วระบายความดันตัวที่ต้องการถอดออกไปซ่อม แต่ลืมเปิด gate valve ของตัวสำรอง

  

ปรกติท่อทางออกของวาล์วระบายความดันจะอยู่ในแนวนอน ดังนั้นถ้ามีการติดตั้ง gate valve ที่ท่อทางออกนี้ตัวแผ่น gate ก็จะวางตั้ง ตัวแผ่น gate มักจะถูกยึดเข้ากับ stem (ตัวที่เหมือนสกรูเกลียวที่เลื่อนขึ้นลงได้เพื่อเลื่อนตัวแผ่น gate) แบบไม่ได้ยึดติดตาย ในบทความเรื่อง "Avoid pressure-relief system pitfalls" ที่เขียนโดย Justin Phillips ในวารสาร AIChE Journal เมื่อเดือนกรกฎาคม ค.ศ. ๒๐๑๖ (พ.ศ. ๒๕๕๙) กล่าวไว้ว่า ในกรณีเช่นนี้ควรที่จะติดตั้ง gate valve โดยให้ตัววาล์วนอนตะแคงข้างแทนที่จะตั้งฉาก (แบบในรูปที่ ๓ ที่ท่อทางออก) เพื่อเมื่อใช้งานไปนานมันมีความเป็นไปได้ที่ตัวแผ่น gate จะหลุดออกจาก stem การติดตั้ง gate valve ให้นอนตะแคงข้างจะป้องกันไม่ให้แผ่น gate ที่หลุดออกจากตัว stem นั้นไปปิดกั้นท่อด้านขาออก

  

รูปที่ ๓ ตัวอย่างวาล์วระบายความดันที่มีการติดตั้ง gate valve ไว้ที่ทางเข้าและออก (จากบทความเรื่อง "Avoid pressure-relief system pitfalls" โดย Justin Phillips ในวารสาร AIChE Journal, July 2016.)

  

แต่ถึงแม้จะติดตั้งโดยให้ตัว gate valve นอนตะแคงข้างก็ใช่ว่าจะไม่ทำให้เกิดปัญหาใด ๆ นะ กรณีของเพลิงไหม้ที่ระบบ flare ของโรงกลั่นน้ำมัน BP Oil (Grangemouth) เมื่อเดือนมีนาคม พ.ศ. ๒๕๓๐ นั้นเกิดจาก gate valve ที่ติดตั้งโดยนอนตะแคงข้างของท่อ flare ที่อยู่ใน "แนวนอน" วาล์วตัวนี้เป็นส่วนหนึ่งของระบบวาล์วที่ควบคุมการไหลของแก๊สจากตัวโรงงานว่าจะให้ไปออกที่ flare stack ตัวไหน 

  

สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือมีสิ่งสกปรกที่เป็นของแข็งนั้นไปสะสมอยู่ในร่องสำหรับให้ตัวแผ่น gate เลื่อนไปมา ทำให้แผ่น gate ไม่สามารถปิดได้สนิท ประกอบกับการที่วาล์วนี้ไม่ค่อยถูกใช้งานเพราะมันอยู่บนเส้นท่อที่เข้าไม่ถึง เว้นแต่จะสร้างนั่งร้านขึ้นไป ดังนั้นแม้ว่าวาล์วตัวดังกล่าวจะเป็นชนิด rising stem ก็ตาม (ถ้าใครไม่รู้ว่า rising stem คืออะไรก็ดูในรูปที่ ๓ รูปซ้ายมือตรงที่เขียนว่า "ออก" ก็ได้ครับ คือถ้า stem โผล่ขึ้นสูงมันจะยกตัวแผ่น gate ขึ้นมา วาล์วก็จะเปิด แต่ถ้า stem จมต่ำลงไปมันก็จะเลื่อนตัวแผ่น gate ให้ต่ำลง วาล์วก็จะปิด) ดังนั้นเมื่อโอเปร์เรเตอร์ได้ทำการหมุน hand wheel เพื่อปิดวาล์วจนไม่สามารถกด stem ให้จมลึกลงไปได้อีก โอเปอร์เรเตอร์จึงเข้าใจว่าวาล์วปิดสนิทแล้ว แม้ว่าตัว stem ยังคงโผล่ออกมาอยู่เล็กน้อย (ไม่มีใครรู้ว่าเมื่อวาล์วปิดสนิทนั้นตัว stem ควรจมลึกไปแค่ไหน เพราะเป็นวาล์วที่แทบไม่ได้ใช้งาน ประกอบกับไม่มีการทำเครื่องหมายที่ตัววาล์วด้วยว่าตัว stem ต้องจมไปลึกแค่ไหนจึงจะถือว่าวาล์วปิดสนิทแล้ว) ทำให้เมื่อทำการถอดวาล์วอีกตัวหนึ่ง (ที่อยู่บนเส้นท่อเดียวกัน) เพื่อออกไปซ่อม จึงมีน้ำมันรั่วไหลออกมา ทำให้เกิดเพลิงไหม้และมีผู้เสียชีวิต 

  

เหตุการณ์นี้เล่าไว้ในบทความเรื่อง "เพลิงไหม้และการระเบิดที่ BP Oil (Grangemouth) Refinery 2530(1987) Case 1 เพลิงไหม้ที่ระบบ Flare" ที่มีอยู่ด้วยกัน ๔ ตอนดังนี้

ตอนที่ ๑ วันศุกร์ที่ ๑๙ ตุลาคม ๒๕๖๑

ตอนที่ ๒ วันอาทิตย์ที่ ๒๑ ตุลาคม ๒๕๖๑

ตอนที่ ๓ วันอังคารที่ ๒๓ ตุลาคม ๒๕๖๑

ตอนที่ ๔ วันศุกร์ที่ ๒๖ ตุลาคม ๒๕๖๑

บางแนวความคิดนั้น ในอดีตอาจไม่เหมาะสมเนื่องจากอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องนั้นไม่มี reliability (จะแปลว่าความน่าเชื่อถือหรือไว้วางใจได้ว่าจะทำงานได้สมบูรณ์แบบก็น่าจะได้) ที่มากเพียงพอ สิ่งนี้อาจทำให้คนที่เติบโตในยุคนั้นฝังใจเชื่อว่าแนวความคิดนั้นไม่เหมาะสมมาจนถึงปัจจุบัน ทั้ง ๆ ที่ตัวอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องนั้นได้รับการพัฒนาจนทำให้แนวความคิดดังกล่าวมี reliability ที่ทัดเทียมกับวิธีการอื่นที่เคยดีกว่า ตัวอย่างหนึ่งที่เคยประสบมาก็คือวิศวกรรุ่นใหม่เสนอแนวความคิดที่จะประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่งด้วยการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ปรับเปลี่ยนความถี่กระแสไฟฟ้า (ซึ่งส่งผลต่อความเร็วรอบการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ) แต่โดนปฏิเสธจากหัวหน้างาน (ที่มีอายุรุ่นราวคราวเดียวกับผม) เนื่องจากเขาปักใจเชื่อว่ามันไม่มีความน่าเชื่อถือ เรื่องนี้เคยเล่าไว้ใน Memoir วันอาทิตย์ที่ ๑๐ กันยายน ๒๕๖๐ เรื่อง "การประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่ง (Centrifugal pump)"

อันที่จริงบทความต้นเรื่องที่นำมาเขียนเรื่องนี้เขาเขียนไว้เพียงแค่ย่อหน้าเดียว ยาวเพียงแค่ ๗-๘ บรรทัดเท่านั้นเอง ซึ่งก็พอ ๆ กับย่อหน้าที่ผมทำสีน้ำเงินไว้ สำหรับคนที่ทำงานอยู่ในวงการนี้เชื่อว่าอ่านแค่ย่อหน้าสีน้ำเงินแค่นั้นก็จะเข้าใจและมองเห็นภาพทั้งหมด แต่ที่เขียนยาวซะ ๓ หน้าก็เพราะต้องการให้ผู้ที่กำลังเรียนอยู่หรือไม่มีประสบการณ์ได้เห็นของจริงได้มองภาพออกแค่นั้นเอง สำหรับฉบับนี้ก็คงจะขอจบเพียงแค่นี้

พังเพราะข้องอเพียงตัวเดียว MO Memoir : Saturday 15 August 2558

ลักษณะทั่วไปของวาล์วระบายความดัน (safety valve หรือ relief valve) จะมีทางให้ของไหลไหลเข้าในแนวดิ่งขึ้นบนจากทางด้านล่าง และไหลออกทางด้านข้างในแนวนอนซึ่งเป็นทิศทางตั้งฉากกับทิศทางการไหลเข้า ถ้าของไหลนั้นเป็นของไหลที่มีความปลอดภัย ไม่เป็นพิษ ก็มักจะปล่อยออกสู่บรรยากาศโดยตรง (เช่น อากาศ ไอน้ำ) สิ่งที่ทำก็เพียงแค่ต่อท่อทางออกนั้นให้หันไปยังทิศทางที่ปลอดภัย ไม่ใช่พ่นใส่ผู้ปฏิบัติงานที่อาจอยู่ในบริเวณรอบข้างได้

แต่ทั้งนี้ควรต้องคำถึงถึงแรงที่จะกระทำต่อระบบท่อเมื่อวาล์วระบายความดันทำงานด้วย

รูปที่ ๑ (ซ้าย) ระบบก่อนการดัดแปลง (ขวา) หลังการติดข้องอเพิ่มเข้าไป (ไม่ได้วาดตามสัดส่วนที่เป็นจริง)

กรณีตัวอย่างที่ยกมาในวันนี้เป็นบทความเกี่ยวกับอุบัติเหตุที่เกี่ยวข้องกับวาล์วระบายความดันของระบบไอน้ำระบบหนึ่ง (จากวารสาร Loss Prevention Bulletin vol. 31 ค.ศ. 1980 (พ.ศ. ๒๕๒๓) หน้า ๒๕) อันที่จริงภาษาอังกฤษของบทความต้นฉบับก็เขียนแบบให้อ่านได้ง่าย ไม่ได้ใช้ภาษาที่มันซับซ้อนอะไร เพียงแต่ศัพท์ที่ปรากฏนั้นบางตัวมันเป็นศัพท์ทางเทคนิค คนไม่เคยเจอก็คงจะอ่านไม่รู้เรื่องว่าเขาพูดถึงอะไรอยู่ ในที่นี้ก็เลยขอนำมาเขียนสรุปใหม่เป็นภาษาไทยและเพิ่มคำอธิบายเพิ่มเติมเข้าไป
  

ถังความดัน (pressure vessel) ส่วนใหญ่นั้นจะขึ้นรูปด้วยการนำเอาโลหะแผ่น (ส่วนใหญ่ก็คือเหล็ก) มาม้วนให้เป็นวงเพื่อใช้เป็นส่วนลำตัว ส่วนฝาปิดหัว-ท้าย (หรือบน-ล่าง) ก็มักจะใช้การปั๊มแผ่นเหล็กให้มีความโค้งตามต้องการ โดยให้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับส่วนลำตัวเพื่อที่จะได้ประกบกันได้พอดีกับส่วนลำตัว ส่วนฝาและลำตัวต้องมีการเจาะรูตรงไหนบ้างก็ทำกันซะให้เรียบร้อย แล้วก็ต่อเป็นท่อสั้น ๆ ยื่นออกมาจากรูที่เจาะเอาไว้ (ท่อนี้เรียกว่า branch) แล้วติดตั้งหน้าแปลนเข้ากับปลายท่อนี้เพื่อไว้เชื่อมต่อเข้ากับอุปกรณ์ต่าง ๆ (เช่นต่อเข้ากับท่อไหลเข้า-ออก blind flange ติดตั้งใบพัดกวน ฯลฯ) ทำการเชื่อมติดตั้งชิ้นส่วนสำหรับอุปกรณ์เสริมต่าง ๆ (เช่น ห่วงสำหรับยกเพื่อการติดตั้ง ห่วงสำหรับยึดราวบันได ฯลฯ)
 

เนื่องจากรอยเชื่อมนั้นเป็นจุดอ่อนของเนื้อโลหะ เพราะโลหะที่ร้อนจัดและเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วจะมีองค์ประกอบที่แตกต่างไปจากโลหะเดิมก่อนได้รับความร้อน ในกรณีของเหล็กนั้นบริเวณรอยเชื่อมนั้นจะมีแตกหักได้ง่ายกว่าเนื้อโลหะส่วนอื่น ดังนั้นเพื่อให้ได้ความแข็งแรงของเนื้อโลหะตรงรอยเชื่อมกลับคืนมา จึงจำเป็นต้องนำเอาถังความดันทั้งใบไปทำการปรับสภาพด้วยความร้อน (ที่เรียกว่า heat treatment) ด้วยการนำไปอบให้ความร้อนที่อุณหภูมิที่เหมาะสมนานเป็นระยะเวลาที่เหมาะสม แล้วค่อย ๆ ทำให้เย็นตัวลงอย่างช้า ๆ 
  

ถังความดันที่ผ่านการทำ heat treatment แล้วจะห้ามทำการเชื่อมโลหะเข้ากับส่วนใด ๆ ของเนื้อโลหะที่เกี่ยวข้องกับการรับความดันภายในถัง (เช่น ห้ามทำการเชื่อมโลหะโดยตรงกับ ส่วนลำตัว ส่วนฝาปิดหัว-ท้าย ส่วนท่อ branch) แต่ส่วนที่ไม่เกี่ยวข้องนั้น (เช่น ขาตั้ง หูสำหรับใช้ในการยกติดตั้ง) ยังพอสามารถทำการเชื่อมโลหะได้ (ถ้าจำเป็น แต่ปรกติก็ไม่ทำกัน)

เวลาที่ของไหลพุ่งออกทางปลายท่อเปิดนั้น จะมีแรงกระทำต่อตัวท่อในทิศทางตรงข้ามกับทิศทางการพุ่งของของไหลนั้น (ทำนองเดียวกับเวลาที่เราเปิดน้ำแรง ๆ ให้ไหลผ่านสายยาง แล้วปลายสายยางจะสะบัดไปมา) ในกรณีของวาล์วระบายความดันที่ท่อด้านขาออกนั้นต่อเข้ากับระบบท่ออื่น (เช่นท่อของระบบเผาแก๊สทิ้ง (flare syste)) ปัญหาเรื่องนี้มักจะไม่ค่อยคำนึงถึง เพราะปลายทั้งสองข้างของท่อขาออกนั้นมันถูกยึดตรึงเอาไว้ แต่ถ้าเป็นการปล่อยออกสู่บรรยากาศก็ควรต้องคำนึงถึงปัญหานี้ด้วย เพราะแรงดันที่เกิดขึ้นระหว่างที่ของไหลพุ่งออกทางปลายท่อนั้น ทำให้เกิดโมเมนต์ดัดกับระบบท่อ ถ้าระบบท่อมีความแข็งแรงไม่เพียงพอ ท่อนั้นก็จะเสียหายเนื่องจากถูกดัดโค้งได้

ลองดูกรณีตัวอย่างในรูปที่ ๑ ถังความดันของระบบไอน้ำระบบหนึ่งที่มีความดันภายใน 27 barg ท่อ branch สำหรับติดตั้งวาล์วระบายความดันนั้นมีขนาด 3" ส่วนท่อด้านขาออกของวาล์วระบายความดันมีขนาด 4" เดิมทีนั้นท่อด้านขาออกนั้นเป็นเพียงท่อต่อตรงชี้ขึ้นทางด้านบนสูงขึ้นไป 3 เมตร เวลาที่ไอน้ำฉีดพ่นออกมา (เช่นเมื่อความดันในระบบสูงเกินไป หรือเมื่อมีการทดสอบการทำงานของวาล์วระบายความดัน) จะเกิดแรงกระทำ F ดันท่อลงด้านล่าง ดังนั้นโมเมนต์บิดที่เกิดขึ้นคือผลคูณระหว่างแรงกระทำ F กับระยะ L1 ซึ่งจะว่าไปแล้วระยะ L1 ก็ไม่ได้มากเท่าใดนัก (รูปที่ ๑ ซ้าย)
  

แต่ไอน้ำที่ฉีดพ่นออกมาเมื่อเจอกับอากาศที่เย็นกว่าก็จะควบแน่นเป็นหยดน้ำตกลงล่าง และบริเวณที่หยดน้ำตกลงมานั้นก็เป็นบริเวณทางเดิน จึงก่อให้เกิดความรำคาญ ทางโรงงานจึงทำการดัดแปลงระบบท่อดังกล่าวด้วยการติดตั้งข้องอ 90 องศาเพื่อให้ไอน้ำนั้นฉีดพ่นไปในทิศทางอื่นที่จะทำให้ไอน้ำที่ควบแน่นเป็นหยดน้ำนั้นไม่ทำให้เกิดปัญหา (รูปที่ ๑ ขวา) โดยในการติดตั้งนั้นก็มีการคำนึงถึงโมเมนต์บิดที่จะเกิดขึ้น ซึ่งในกรณีนี้จะเท่ากับผลคูณระหว่างแรง F กับระยะ L2 ที่ยาวถึง 3 เมตร โดยทำการติดตั้งเหล็กฉาก (เชื่อมเข้ากับโครงสร้าง) ทางด้านของท่อที่ตรงข้ามกับทิศทางการฉีดพุ่งเพื่อรับแรงกระทำดังกล่าว
  

แต่พอวาล์วระบายความดันทำงานปรากฏว่าเหล็กฉากดังกล่าวไม่สามารถทนต่อแรงกระทำได้ เหล็กชิ้นดังกล่าวหลุดออกจากโครงสร้าง โมเมนต์บิดที่เกิดขึ้นตรงท่อ branch ขนาด 3" ที่เป็นที่ติดตั้งวาล์วระบายความดันนั้นทำให้ท่อ 3" ดังกล่าวถูกดัดโค้ง ผลที่ตามมาก็คือต้องทำการซ่อมแซมท่อ 3" ดังกล่าวและส่งถังความดันดังกล่าวไปทำ heat treatment ใหม่ (คงเป็นเพราะต้องมีการตัดเอาท่อ 3" ตัวเก่าออก และติดตั้งตัวใหม่เข้าไป ซึ่งในงานนี้ต้องมีการตัดท่อเก่าและเชื่อมท่อใหม่เข้ากับลำตัวถัง
  

ที่เล่ามานั้นเป็นกรณีของอุบัติเหตุที่มีการบันทึกเอาไว้เมื่อ ๓๕ ปีที่แล้ว (แสดงว่าอุบัติเหตุที่แท้จริงเกิดขึ้นก่อนนั้นอีก) แต่นั่นก็ไม่ได้หมายความว่ามันจะไม่มีโอกาสได้เกิด ขึ้นอยู่กับว่าเราได้เรียนรู้ความผิดพลาดของการออกแบบในอดีตหรือเปล่า
  

รูปที่ ๒ ตัวอย่างระบบท่อระบายของวาล์วระบายความดัน (ในกรอบสี่เหลี่ยมสีเหลือง) ของระบบไอน้ำแห่งหนึ่ง (ในภาพยังติดตั้งไม่เสร็จสิ้น)

รูปที่ ๒ ข้างบนเป็นรูปที่ถ่ายจากสถานที่จริงแห่งหนึ่งที่อยู่ระหว่างการก่อสร้าง มีการติดตั้งวาล์วระบายความดัน (ในกรอบสี่เหลี่ยมสีเหลือง) เข้ากับท่อ header ที่รับไอน้ำจาก boiler ก่อนจะแยกจ่ายไปยังหน่วยต่าง ๆ ของโรงงาน เนื่องจากท่อ header นั้นติดตั้งไว้ต่ำเพื่อให้พนักงานทำการเปิด-ปิดวาล์วได้สะดวก จึงจำเป็นต้องต่อท่อด้านขาออกของวาล์วระบายความดันยกสูงขึ้นไป (จะได้ไม่เกะกะทางเดินด้านล่าง) และหักฉากออกไปทางด้านนอกอาคาร ท่อแบบนี้ต้องคำนึงถึงแรงบิดที่จะเกิดขึ้นตรงท่อ branch ของท่อ header ที่ใช้ติดตั้งวาล์วระบายความดันเมื่อการวาล์วระบายความดันทำงานด้วย

รูระบายของเหลวที่ท่อด้านขาออกของ Safety valve MO Memoir 2558 July 28 Wed

การทำงานของวาล์วระบายความดัน (Safety หรือ Relief valve) นั้นขึ้นอยู่กับความดันด้านขาออกของวาล์ว เพราะวาล์วจะเปิดก็ต่อเมื่อผลต่างระหว่างความดันด้านขาเข้าและด้านขาออกนั้นสูงถึงค่าที่ออกแบบไว้ ถ้าความดันในท่อด้านขาออกนั้นสูงกว่าค่าที่ออกแบบไว้ วาล์วจะเปิดก็ต่อเมื่อความดันด้านขาเข้าสูงเกินกว่าความดันที่แท้จริงที่ต้องการให้เปิด ตัวอย่างเช่นถ้าเราต้องการให้วาล์วเปิดเมื่อความดันในระบบสูงถึง 5 barg โดยด้านขาออกมีความดัน 0 barg (หรือความดันบรรยากาศ) แต่ถ้าความดันด้านขาออกนั้นสูงกว่า 0 barg เช่นสมมุติให้เป็น 0.2 barg ในกรณีนี้วาล์วจะเปิดเมื่อความดันด้านขาเข้านั้นสูงถึง 5.2 barg
  

ถ้าเป็นการระบายความดันเข้าสู่ระบบท่อรวม เช่นท่อ header ของระบบ flare ที่มีท่อระบายความดันจากวาล์วระบายความดันหลายตัวต่อเชื่อมเข้ามายังท่อหลักเดียวกัน เพื่อนำแก๊สที่ระบายออกมาไปเข้าสู่ระบบกำจัดก่อนที่จะปล่อยออกสู่บรรยากาศนั้น ผลของความดันด้านขาออกมักจะถูกรวมเอาไว้ในการคำนวณอยู่แล้ว เพราะตัวระบบกำจัดเองก็ทำให้เกิดแรงต้านการไหล และการระบายความดันจากวาล์วระบายความดันหลาย ๆ ตัวพร้อมกัน (เช่นในกรณีเพลิงไหม้หรือต้องหยุดเดินเครื่องฉุกเฉิน) ก็จะทำให้ความดันในท่อ header นี้สูงกว่าความดันบรรยากาศ และปัจจัยเหล่านี้มักจะถูกรวมเอาไว้ในการคำนวณเพื่อหาขนาดที่เหมาะสมของวาล์วอยู่แล้ว
  

รูปที่ ๑ ตัวอย่างการติดตั้งวาล์วระบายความดันโดยระบายออกสู่บรรยากาศโดยตรง (พวกถังเก็บอากาศหรือแก๊สไม่อันตราย (เช่นไนโตรเจน) หรือระบบท่อไอน้ำ มักจะเป็นแบบนี้ ในกรณีเช่นนี้ควรต้องคำนึงถึงโอกาสที่จะมีไอน้ำควบแน่นสะสมในท่อระบายด้านขาออกของวาล์ว และมักจะมีการเจาะรูเล็ก ๆ ที่ตัดต่ำสุด (ในกรอบสี่เหลี่ยมเส้นประ) เพื่อระบายน้ำที่อาจสะสมในระบบท่อออกไป (รูปจาก http://www2.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/safety-valves/safety-valve-installation.asp)
  

แต่ก็มีหลายกรณีด้วยกันที่การระบายความดันนั้นระบายออกสู่บรรยากาศโดยตรง กรณีเช่นนี้มักใช้กับการระบายความดันจากระบบกักเก็บสารที่ไม่เป็นอันตราย ที่เห็นได้ชัดทั่วไปในโรงงานคือถังเก็บอากาศและระบบไอน้ำ สิ่งที่ทำก็คือหันท่อทางออกนั้นไปในทิศทางที่ปลอดภัย แต่ก็มีบางกรณีเหมือนกันสำหรับสารที่เป็นเชื้อเพลิง เช่นวาล์วระบายความดันจากถังลูกโลก (spherical tank) ที่ใช้เก็บแก๊สปิโตรเลียมเหลม (LPG) ที่มีการระบายออกสู่บรรยากาศโดยตรง แต่นั้นเป็นกรณีเมื่อมีเหตุการณ์ไฟไหม้ลุกครอกถังดังกล่าว ในกรณีเช่นนี้การยอมให้มีการระบายแก๊สนั้นออกสู่บรรยากาศโดยตรง (ซึ่งแก๊สที่ออกมาก็จะลุกติดไฟตรงปากทางออก) ถือว่าปลอดภัยว่าการปล่อยให้ความดันในถังสูงขึ้นจนถังระเบิด การออกแบบระบบระบายกรณีนี้เรียกว่า Fire relief ซึ่งมีแนวความคิดที่แตกต่างไปจาก Pressure relief ในขณะใช้งานตามปรกติ
  

ท่อระบายความดันออกสู่บรรยากาศนั้นไม่มีปัญหาเรื่องความดันบรรยากาศเพิ่มขึ้นจนส่งผลให้ความดันด้านขาออกของวาล์วระบายความดันนั้นสูงจนส่งผลกระทบต่อการทำงานของวาล์วระบายความดัน แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าจะไม่มีโอกาสที่ความดันด้านขาออกของวาล์วระบายความดันจะสูงจนส่งผลกระทบต่อการทำงานของวาล์วระบายความดัน มันมีอยู่เหมือนกัน นั่นคือเมื่อมี "ของเหลว" โดยเฉพาะ "น้ำ" สะสมอยู่ในท่อทางออกของวาล์วระบายความดัน
  

วาล์วระบายความดันนั้นจะติดตั้งโดยท่อทางเข้านั้นไหลขึ้นในแนวดิ่ง และท่อทางออกไหลออกในแนวนอนตั้งฉากกับทิศทางไหลเข้า การออกแบบท่อทางออกนี้ต้องคำนึงไม่ให้น้ำมีโอกาสสะสมในท่อได้ น้ำที่สะสมนี้อาจเป็นน้ำฝน (ถ้าติดตั้งนอกอาคาร) หรือน้ำที่เกิดจากการควบแน่นของไอน้ำในอากาศ (ตามฤดูกาล) หรือน้ำที่เกิดจากการระบายความดัน (เช่นในระบบไอน้ำ)
  

รูปที่ ๒ วาล์วระบายความดันของระบบท่อไอน้ำระบบหนึ่ง เป็นการระบายออกสู่บรรยากาศ ตอนที่ถ่ายรูปนั้นระบบอยู่ระหว่างการติดตั้ง ก็เลยยังไม่มีการเจาะรูสำหรับระบายไอน้ำควบแน่นที่อาจสะสมในท่อทางออกได้ ส่วนเมื่อติดตั้งเสร็จแล้วจะช่างจะทำการเจาะรูหรือไม่นั้นก็คงเป็นอีกเรื่องหนึ่ง
  

ถ้าตำแหน่งวาล์วระบายความดันนั้นอยู่สูงพอ (เรียกว่าไม่อยู่ในระดับที่คนเดินผ่านไปผ่านมา) ท่อทางออกก็จะเดินออกไปข้าง ๆ ได้โดยตรง โดยอาจให้มีความลาดเอียงเล็กน้อย เพื่อให้ของเหลว (ถ้าเกิดขึ้นในท่อ) ไหลออกทางปลายท่อ แต่ถ้าจำเป็นต้องยกปลายด้านขาออกให้สูงขึ้นเพื่อให้ปลายท่อนั้นระบายความดันออกไปยังตำแหน่งที่ปลอดภัย ในกรณีหลังนี้จำเป็นที่ต้องพิจารณาตำแหน่งที่ของเหลวสามารถสะสมได้ในระบบท่อ และต้องหาทางระบายของเหลวดังกล่าวออก (ถ้ามีการสะสมเกิดขึ้น) และวิธีการทั่วไปที่กระทำกันก็คือ "การเจาะรูระบายเล็ก" ไว้ตรงตำแหน่งต่ำสุดของท่อนั้น
  

รูปที่ ๓ อีกตัวอย่างการติดตั้งวาล์วระบายความดันที่ระบายออกสู่บรรยากาศ ในกรณีนี้จะเจาะรูระบายของเหลวที่ตำแหน่งต่ำสุดของข้องอ (ในกรอบสี่เหลี่ยมประ) (รูปจาก http://www.pipingguide.net/2010/08/piping-layout.html)
  

รูปที่ ๑ และ ๓ เป็นตัวอย่างการเจาะรูระบายของเหลวที่อาจสะสม โดยในรูปที่ ๑ นั้นจะมีท่อสั้น ๆ ต่อออกมาจากวาล์วระบายความดันก่อนที่จะเข้าข้องอ ดังนั้นในกรณีนี้จะทำการเจาะรูตรงท่อสั้น ๆ เส้นนั้น ส่วนในรูปที่ ๓ นั้นเป็นการต่อข้องอโดยตรงกับด้านขาออกของวาล์วระบายความดัน ในกรณีนี้จำเป็นต้องเจาะรูระบายไว้ที่ตัวข้องอ รูปที่ ๒ เป็นตัวอย่างการติดตั้งจริงของโรงงานแห่งหนึ่งที่ผมไปถ่ายรูปมา เป็นวาล์วระบายความดันของระบบท่อไอน้ำระบบหนึน่ง (ตอนถ่ายรูปนั้นอยู่ระหว่างการติดตั้งวาล์วระบายความดันตัวดังกล่าว) จะเห็นว่ารูปแบบการติดตั้งเป็นการต่อข้องอเข้ากับวาวล์วระบายความดันโดยตรงดังรูปที่ ๓
  

แน่นอนว่าเมื่อเกิดการระบายความดันนั้นจะต้องมีแก๊สบางส่วนรั่วไหลออกทางรูระบายนี้ แต่ด้วยการที่รูไม่ได้มีขนาดใหญ่มาก (แค่ให้น้ำไหลออกได้) และไม่ได้อยู่ในแนวทิศทางการไหล (เพราะอยู่ตั้งฉาก) ประกอบกับแก๊สที่ระบายออกมานั้นไม่ใช่แก๊สอันตราย การรั่วไหลที่รูระบายนี้จึงถือว่ายอมรับได้

อีกประเด็นที่ต้องคำนึงในการวางท่อระบายความดันด้านขาออกก็คือ แรงกระทำที่เกิดจากการไหลของแก๊สที่ระบายออก โดยเฉพาะท่อระบายที่มีการโค้งงอเปลี่ยนทิศทาง (ดูรูปที่ ๔) จำเป็นต้องนำเอาแรงที่เกิดขึ้นนี้มาพิจารณาออกแบบระบบยึดตรึงท่อให้มีความแข็งแรงเพียงพอที่จะรับแรงดังกล่าวได้ เพราะเคยมีเหตุการณ์บันทึกเอาไว้ว่าท่อที่ถูกแรงกระทำดังกล่าวดัดจนพับพาดลงมานั้นก่อให้เกิดความเสียหายกับอุปกรณ์รอบข้างและผู้ปฏิบัติงานจนเสียชีวิตมาแล้ว
  

รูปที่ ๔ แรงที่กระทำต่อระบบท่อเมื่อมีแก๊สระบายออก ปรกติความยาวท่อเมื่อออกจากวาล์วระบายความดันไปในแนวนอนมักจะเป็นท่อสั้นอยู่แล้ว ตัวที่อาจก่อเรื่องได้คือส่วนที่อยู่ในแนวดิ่ง (L) เพราะเมื่อแก๊สพุ่งออกทางปลายท่อก็จะทำให้เกิดแรงดัดและโมเมนต์บิดในระบบท่อได้ ถ้าแนวพุ่งออกนั้นอยู่ในระนาบเดียวกันกับทิศทางการพุ่งออกจากวาล์วระบายความดัน (เช่นในรูปซ้าย) ก็จะมีแต่โมเมนต์ดัดที่เกิดขึ้น แต่ถ้าแนวพุ่งออกนั้นอยู่ในระนาบที่ตั้งฉากกับทางทิสทางการพุ่งออกจากวาล์วระบายความดัน (เช่นในรูปขวา) ในกรณีนี้ต้องคำนึงถึงโมเมนต์บิดที่เกิดขึ้นด้วย

รูปที่สุดท้ายในหน้าถัดไปไม่ได้เกี่ยวข้องกับการออกแบบท่อด้านขาออกของวาล์วระบายความดัน เพียงแค่บังเอิญเห็นมันอยู่ใกล้ ๆ กับวาล์วดังกล่าว อันนี้เป็นตัวอย่างหนึ่งของการป้องกันไม่ให้ใครมาหมุนวาล์วเล่น (ไม่ว่าจะโดยจงใจหรือไม่ตั้งใจก็ตาม) วิธีการของเขาก็คือถ้าเป็นพวก gate valve หรือ globe valve ที่เป็นตัวเล็ก ก็จะถอดล้อหมุน (wheel) ออกซะเลย แต่ถ้าเป็นตัวใหญ่ก็จะใช้การใช้โซ่คล้องและเอากุญแจมาล๊อคเอาไว้ ถ้าเป็น ball valve ก็จะใช้วิธีการถอดก้านหมุนวาล์วออก พวก ball valve ตัวเล็กนี่ยิ่งต้องระวัง เพราะแค่เดินชนหรือเผลอเอาอะไรไปกระแทกก้านวาล์ว มันก็เปลี่ยนจากตำแหน่งเปิดเต็มที่เป็นปิดเต็มที่ หรือจากปิดเต็มที่เป็นเปิดเต็มที่ได้ทันที
  

รูปที่ ๕ วาล์วตัวซ้ายเป็นของระบบท่อที่ต่อไปยังอุปกรณ์วัดที่ส่งสัญญาณไปยังระบบควบคุม มีการติดตั้งวาล์วเอาไว้เผื่อเวลาที่อุปกรณ์วัดนั้นเสียจะได้ถอดไปซ่อมหรือเปลี่ยนตัวใหม่ได้ แต่ในขณะใช้งานนั้นไม่ต้องการให้ใครมาปิดวาล์วตัวดังกล่าว เพราะถ้ามีการปิดเมื่อใด อุปกรณ์วัดจะไม่สามารถตรวจพบความผิดปรกติได้ เพื่อป้องกันปัญหาที่อาจเกิดขึ้นก็เลยต้องถอดตัวล้อหมุนวาล์ว (wheel) ออก เป็นการป้องกันไม่ให้ใครมือซนไปหมุนเล่น (จะโดยจงใจหรือไม่จงใจก็ตาม)

วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๓ MO Memoir : Sunday 4 September 2554

ก่อนอื่นก็ต้องขอกล่าวต้อนรับว่าที่สมาชิกใหม่ของกลุ่ม ที่คาดว่าจะมาเข้าร่วมงานกันในภาคต้นปีการศึกษา ๒๕๕๕ จำนวน ๕ คน (เลข ๕ มาเยอะหน่อย) งานนี้ต้องขอขอบคุณสาวน้อยนักแสดงและสาวน้อยหน้าบาน (คนหลังตั้งชื่อให้อย่างนี้ไม่รู้เจ้าตัวจะชอบหรือเปล่า) ที่ช่วยประชาสัมพันธ์ให้เป็นอย่างดี หวังว่าปีการศึกษาหน้าคงมาครบกันทุกคน แต่ถ้าเปลี่ยนใจจะไปทำอย่างอื่นก็ขอความกรุณาช่วยแจ้งให้ทราบด้วย ทางกลุ่มจะได้เปิดรับคนอื่นเข้ามาแทน ตอนนี้อยากทราบเรื่องอะไรเกี่ยวกับทางกลุ่มก็ขอให้ติดตามทาง blog นี้ไปก่อนก็แล้วกัน ผมจะะเริ่มส่ง Memoir ฉบับ pdf ให้กับสมาชิกใหม่ก็ต่อเมื่อเริ่มเข้ามาเรียนแล้ว

ผมเขียนเรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๑" ไปใน Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓๒ วันจันทร์ที่ ๒๗ เมษายน ๒๕๕๒ และเรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๒" ไปใน Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓๓ วันพุธที่ ๒๙ เมษายน ๒๕๕๒ ในตอนที่ ๒ นั้นผมขึ้นเรื่องวาล์วระบายความดันเอาไว้ แต่ก็ไม่ได้เขียนสักที นี่ก็ค้างมาเกือบสองปีครึ่งแล้ว แถมมี Memoir คั่นกลางอีกกว่า ๓๐๐ ฉบับ ก็เลยคิดว่าได้เวลาที่ต้องลงมือเขียนแล้ว

อันที่จริงก่อนหน้านี้ก็ได้เขียนเรื่องเกี่ยวกับ Breather valve ใน Memoir ๓ ฉบับที่ ๓๐๑ วันศุกร์ที่ ๑๓ เมษายน ๒๕๕๔ เรื่อง "การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ (Atmospheric tank)" ซึ่งก็เป็นเรื่องเกี่ยวกับวาล์วระบายความดัน แต่วาล์วดังกล่าวไม่เพียงแต่ยอมให้แก๊สในถังระบายออกเมื่อความดันในถังสูงเกินไป แต่ยังยอมให้อากาศข้างนอกเข้าไปในถังได้เมื่อความดันในถังต่ำเกินไป

ส่วนวาล์วระบายความดันใน Memoir ฉบับนี้เป็นวาล์วที่ใช้ระบายความดันในกรณีที่ความดันภายในภาชนะนั้นสูงเกินกว่าความดันที่กำหนดไว้ และเนื้อหาในนี้ไม่ได้เน้นไปที่การออกแบบหรือการเลือกใช้ เพียงแต่ต้องการให้รู้จักว่าวาล์วระบายความดันนั้นทำงานอย่างไร

ตามมาตรฐานอเมริกานั้นจะแยกวาล์วระบายความดันออกเป็น ๓ ประเภทตามชนิดของไหลดังนี้

(ก) Safety valve ใช้กับแก๊ส

(ข) Relief valve ใช้กับของเหลว

(ค) Safety relief valve ใช้ได้ทั้งแก๊สและของเหลว

แต่ถ้าเป็นตามมาตรฐานอังกฤษนั้น (BS 6759 ปีค.ศ. 1984) เรียกรวม ๆ ว่าวาล์วที่ทำงานด้วยระบบกลไกใด ๆ ก็ตามที่ออกแบบมาเพื่อเปิดอัตโนมัติเพื่อการระบายความดันที่สูงเกินนั้น เรียกรวมว่า safety valve โดยไม่มีการกำหนดว่าใช้กับของเหลวหรือแก๊ส⁽¹⁾

ที่ระดับความดันที่ใช้งานกันทั่วไปในอุตสาหกรรมนั้น ถือได้ว่าไม่สามารถทำให้ของเหลวมีปริมาตรเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้นถ้าถัง (หรือท่อ) ที่บรรจุของเหลวนั้นมีความดันสูงเกินไป ถ้าเปิดวาล์วให้ของเหลวรั่วไหลออกมาได้หรือมีที่ว่างให้ขยายตัวได้ ความดันในระบบก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่ในกรณีของแก๊สนั้นเนื่องจากเป็นของไหลที่อัดตัวได้ ดังนั้นถ้าความดันในถัง (หรือท่อ) ที่บรรจุแก๊สนั้นสูงเกินไป การเปิดช่องว่างให้แก๊สรั่วไหลออกมาได้ก็จะทำให้ความในระบบนั้นลดลง แต่การลดลงจะช้ากว่าของเหลว

ดังนั้นในกรณีของวาล์วระบายความดันที่ใช้กับแก๊สนั้น ทันทีที่ความดันในระบบสูงเกินค่าที่กำหนดไว้ (แม้ว่าจะเกินไปเพียงเล็กน้อย) วาล์วจะต้องเปิดเต็มที่ทันทีอย่างรวดเร็ว เพื่อให้การระบายความดันเป็นไปได้อย่างสะดวกและทันท่วงที ในขณะที่วาล์วที่ใช้ในการระบายความดันของของเหลวนั้น จะเปิดกว้างมากน้อยเท่าใดก็ขึ้นอยู่กับว่าความดันในระบบนั้นสูงเกินค่าที่กำหนดไว้มากน้อยเท่าใด ถ้าความดันสูงเกินไปมาก วาล์วก็เปิดเพียงเล็กน้อย ถ้าความดันสูงเกินไปมาก วาล์วก็เปิดกว้างมากขึ้น

ทีนี้เรามาดูกันว่าวาล์วแต่ละแบบนั้นมีหลักการทำงานอย่างไรโดยจะใช้รูปวาดแบบง่าย โดยจะเริ่มจากวาล์วระบายความดันสำหรับของเหลวที่แสดงในรูปที่ ๑ ก่อน

รูปที่ ๑ หลักการทำงานของวาล์วระบายความดันสำหรับของเหลว

สมมุติว่าท่อที่ต่อเข้าวาล์วนั้นมีพื้นที่หน้าตัด 10 cm² ตัววาล์วเองที่ปิดท่อระบายความดันก็มีขนาดพื้นที่หน้าตัด 10 cm² และแรงกด (ปรกติจะใช้สปริงกด แต่ในรูปแสดงเป็นก้อนน้ำหนัก) ที่กดให้วาล์วปิดนั้นคือ 100 kg (ตัวนี้เทียบได้กับ set pressure หรือความดันที่กำหนดให้วาล์วเปิด) ตราบใดก็ตามที่ความดันในระบบต่ำกว่า 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะน้อยกว่า 100 kg กล่าวอีกนัยหนึ่งคือความดันในระบบยังไม่สามารถทำให้วาล์วยกตัวขึ้นได้

แต่ถ้าความดันในระบบเท่ากับ 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะเท่ากับ 100 kg วาล์วก็พร้อมที่จะยกตัวขึ้น

และเมื่อความดันในระบบสูงเกินกว่า 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะมากกว่า 100 kg วาล์วก็เริ่มยกตัวขึ้น และเปิดช่องให้ของเหลวในระบบระบายออกไปได้ (รูปที่ ๑ กลาง)

แต่อย่างที่บอกไว้ในหน้าที่แล้วคือ ของเหลวนั้นถ้าเราเปิดช่องให้มันรั่วไหลไปได้หรือมีที่อยู่มากขึ้น ความดันในระบบก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว ดังนั้นทันทีที่วาล์วเริ่มเปิดออก ความดันในระบบก็จะลดต่ำลงอย่างรวดเร็วโดยที่วาล์วไม่จำเป็นต้องเปิดจนสุด แต่ถ้าความดันในระบบยังคงสูงอยู่ วาล์วก็จะยกตัวเปิดกว้างมากขึ้นอีกเพื่อให้ของเหลวระบายได้รวดเร็วขึ้นอีก (รูปที่ ๑ ขวา)

และเมื่อความดันในระบบลดลง วาล์วก็จะค่อย ๆ ปิดตัวลงตามความดัน จนกระทั่งปิดสนิทเมื่อความดันในระบบลดลงต่ำกว่า 10 kg/cm²

รูปที่ ๒ แสดงวาล์วระบายความดันสำหรับระบบที่เป็นแก๊ส ตัววาล์วจะมีโครงสร้างที่แตกต่างไปจากวาล์วที่ใช้กับระบบที่เป็นของเหลวอยู่เล็กน้อย โดยเฉพาะตรงส่วนพื้นที่หน้าตัดของส่วนที่เป็นวาล์วซึ่งจะมีพื้นที่หน้าตัดใหญ่กว่าพื้นที่หน้าตัดของท่อที่ต่อเข้าวาล์ว ในกรณีนี้สมมุติว่าท่อที่ต่อเข้าวาล์วนั้นมีพื้นที่หน้าตัด 10 cm² ตัว plug ของวาล์วเองที่ใช้ปิดท่อระบายความดันก็มีขนาดพื้นที่หน้าตัด 12.5 cm² และแรงกดที่กดให้วาล์วปิดนั้นคือ 100 kg ตราบใดก็ตามที่ความดันในระบบต่ำกว่า 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะน้อยกว่า 100 kg วาล์วก็จะยังไม่เปิด

ทีนี้ถ้าความดันในระบบสูงกว่า 10 kg/cm² เพียงเล็กน้อย ผลคูณระหว่างความดัน (10+ kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของท่อ (10 cm²) ก็จะมากกว่า 100 kg ตัววาล์วก็จะยกตัวสูงขึ้น แต่ทันทีที่ตัววาล์วยกตัวสูงขึ้นเพียงเล็กน้อย พื้นที่หน้าตัดที่ความดันในระบบกระทำจะเพิ่มจาก 10 cm² เป็น 12.5 cm² ซึ่งจะทำให้ผลคูณระหว่างความดัน (10+ kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของวาล์ว (12.5 cm²) เพิ่มขึ้นเป็นกว่า 125 kg ซึ่งสูงกว่าน้ำหนักที่กดเอาไว้มาก วาลว์ก็จะเปิดตัวขึ้นอย่างรวดเร็วจนสุดเพื่อระบายความดันส่วนเกินในระบบออกไป

รูปที่ ๒ หลักการทำงานของวาล์วระบายความดันสำหรับแก๊ส

ที่นี้ถ้าความดันในระบบลดลงเหลือต่ำกว่า 10 kg/cm² เช่นลงมาเหลือแค่ 9 kg/cm² ผลคูณะหว่างความดัน (9 kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของวาล์ว (12.5 cm²) ก็จะเท่ากับ 112.5 kg ซึ่งยังคงมากกว่า 100 kg วาล์วก็จะยังคงไม่ปิด วาล์วจะเริ่มปิดตัวได้ก็ต่อเมื่อความดันในระบบลดลงเหลือ 8 kg/cm² ซึ่งเป็นค่าความดันที่ทำให้ผลคูณะหว่างความดัน (8 kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของวาล์ว (12.5 cm²) เท่ากับ 100 kg และทันทีที่ความดันในระบบลดลงต่ำกว่า 8 kg/cm² วาล์วก็จะปิดตัวลงทันที

ดังนั้นจากตัวอย่างข้างบนจะเห็นว่าในกรณีของวาล์วระบายความดันสำหรับแก๊สนั้น วาล์วจะเริ่มเปิดก็ต่อเมื่อความดันสูงเกินกว่า 10 kg/cm² แต่จะปิดก็ต่อเมื่อความดันในระบบต่ำกว่า 8 kg/cm² ซึ่งจะเห็นว่ามีความแตกต่างกันอยู่ ช่วงความดันนี้มีชื่อว่าช่วง blowdown

วาล์วระบายความดันนั้นแม้ว่าทางผู้ผลิตจะทำการปรับตั้งความดันตามที่ผู้ใช้กำหนดไว้ แต่ก็เป็นหน้าที่ของผู้ใช้ว่า "ต้องตรวจสอบ" ด้วยการอัดความดันว่าวาล์วทุกตัวว่าเปิดได้จริงตามความดันที่ผู้ผลิตกล่าวอ้าง สิ่งหนึ่งที่ต้องระวังคือปรกติแล้ววาล์วระบายความดันมักจะใช้สปริงในการกดให้วาล์วปิด (ไม่ได้ใช้น้ำหนักแบบที่แสดงในรูป) ความแข็งแรงของสปริงที่อุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิสูงนั้นแตกต่างกัน โดยปรกติแล้วโลหะจะอ่อนตัวลงที่อุณหภูมิสูงทำให้แรงกดของสปริงลดลงได้เมื่อสปริงร้อนขึ้น ดังนั้นเวลาตั้งความดันที่จะให้วาล์วเปิดก็ต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วย เพราะปรกติการตั้งความดันวาล์วมักจะกระทำที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าต้องนำวาล์วตัวนั้นไปใช้กับระบบที่มีอุณหภูมิสูงก็ต้องมีการเผื่อความดันเอาไว้ด้วย

การติดตั้งวาล์วระบายความดันนั้นจะติดตั้งให้วาล์วตั้งในแนวดิ่ง ในหลายแห่งนั้นจะใช้กฎที่ว่าท่อระหว่างตัววาล์วและภาชนะที่ต้องการระบายความดัน "ต้อง" ไม่มีวาล์วใดที่สามารถทำให้การไหลถูกปิดกั้นได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือต้องไม่มีการติดตั้งวาล์วใด ๆ เลย แต่การทำเช่นนี้อาจเกิดปัญหาได้ถ้าหากตัววาล์วระบายความดันเกิดการรั่วไหล ทำให้ไม่สามารถถอดออกมาซ่อมแซมได้เว้นแต่ต้องหยุดการเดินเครื่อง ดังนั้นจึงมีอีกกลุ่มหนึ่งที่พิจารณากฎการติดตั้งว่าท่อระหว่างวาล์วระบายความดันกับภาชนะที่ต้องการระบายความดัน "ต้องไม่มีโอกาส" ที่ภาชนะนั้นจะไม่ได้รับการป้องกันจากวาล์วระบายความดัน ซึ่งทำได้โดยการติดตั้งวาล์วระบายความดัน 2 ตัว และมีวาล์วควบคุมทิศทางการไหล ถ้าหมุนวาล์วควบคุมทิศทางการไหลนั้นให้เปิดในทิศทางหนึ่ง อีกทิศทางหนึ่งก็จะปิด ลักษณะเช่นนี้ก็ทำให้ภาชนะความดันนั้นได้รับการป้องกันจากวาล์วระบายความดันตลอดเวลาเช่นเดียวกัน (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ รูปด้านซ้ายเป็นการติดตั้งวาล์วระบายความดันที่ไม่สามารถถอดออกมาซ่อมได้ถ้าเกิดการรั่วไหล เว้นแต่จะมีการหยุดเดินเครื่อง ส่วนรูปด้านขวาเป็นการติดตั้งวาล์วระบายความดันสองตัวโดยมีระบบวาล์วที่ทำให้ต้องมีวาล์วระบายความดันอย่างน้อยหนึ่งตัวปกป้องภาชนะเอาไว้ตลอดเวลา

ในกรณีที่คาดการณ์ว่าความดันในระบบอาจมีการเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วได้นั้น (เช่นเกิดการระเบิดภายใน) วาล์วระบายความดันจะไม่สามารถระบายความดันที่เพิ่มขึ้นนี้ได้ทัน จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า rupture disc หรือ bursting disc ซึ่งมีลักษณะเป็นแผ่นโลหะบางสำหรับปิดกั้นระหว่างภายในภาชนะกับท่อระบายความดัน bursting disc นี้ออกแบบมาให้ฉีกขาดหรือแตกออก ณ ความดันที่กำหนดไว้ การระบายความดันของ bursting disc นั้นอาจระบายออกสู่บรรยากาศโดยตรง (ให้พุ่งขึ้นตรงไปข้างบน) เพราะการระบายออกสู่อากาศโดยตรงเป็นเส้นทางที่มีการต้านทานการไหลน้อยที่สุด ไม่เหมือนกับการระบายเข้าระบบ flare (ระบบเผาแก๊สทิ้ง) ของโรงงาน

รูปที่ ๔ Bursting disc รูปซ้ายเป็นรูปก่อนการฉีกขาด รูปขวาเป็นรูปหลังการฉีกขาดแล้ว⁽²⁾

หมายเหตุ

(1) Cyril F. Parry, "Relief Systems Handbook", Institute of Chemical Engineers, 1992.

(2) http://www.directindustry.com/prod/bs-b-safety-systems-llc/bursting-discs-61984-403736.html