หอกลั่นแยก H2 และ D2 MO Memoir : Tuesday 26 May 2569

ในบทความเรื่อง "การกลั่นแยก H₂ และ D₂" ที่เขียนลง blog ไปเมื่อวันเสาร์ที่ ๗ กุมภาพันธ์ ๒๕๖๙ ที่ผ่านมานั้นได้กล่าวไว้ว่าหอกลั่นแยก H₂ และ D₂" ออกจากกันนั้นถูกจัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual use item หรือ DUI) ในหมวด 1B228 ที่มีคุณลักษณะดังแสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

ตามข้อกำหนด 1B228 นั้น ข้อ b. ที่กำหนดความดันทำงานในช่วง 0.1 MPa (1 bar) ถึง 10 MPa (10 bar) ซึ่งก็จัดว่าไม่ได้เป็นความดันที่สูงอะไร ส่วนข้อ d. ที่กำหนดว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในตั้งแต่ 30 cm ขึ้นไปและ "effective lengths" ตั้งแต่ 4 m ขึ้นไปก็ไม่ได้จัดว่ามีขนาดที่ใหญ่อะไร

ข้อกำหนด a. และ c. นั้นมันผูกกันอยู่ คือข้อ a. กำหนดช่วงอุณหภูมิการทำงาน ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดชนิดวัสดุที่สามารถนำมาใช้สร้างได้ ส่วนข้อ c. นั้นกำหนดชนิดวัสดุที่สามารถนำมาใช้สร้างได้ โดยข้อ c. นั้นยังแยกออกเป็นอีก ๒ ข้อย่อยคือ c.1 Austenitic stainless steel หรือ c.2 วัสดุอื่นที่เทียบเท่าที่สามารถทนอุณหภูมิต่ำได้และใช้งานกับระบบที่มีแก๊สไฮโดรเจนได้ (ความหมายของข้อ c.2 คือมันมีวัสดุอื่นที่ใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำระดับข้อ a. แต่ใช้ไม่ได้กับกรณีของไฮโดรเจน)

รูปที่ ๑ คุณลักษณะหอกลั่นแยก H₂ และ D₂ ตามหัวข้อ 1B228

ที่น่าสนใจคือวัสดุในข้อ c.1 ที่บอกว่าเป็น Austenitic stainless steel ซึ่งชื่อนี้สำหรับคนทั่วไปก็คงจะไม่ค่อยคุ้นหูเท่าใดนัก แต่ถ้าบอกว่าเป็นเหล็กสแตนเลสเบอร์ 304 หรือ 316 ก็คงจะคุ้นกันมากกว่า (คือมันมีเบอร์อื่นอีกนะ เพียงแค่สองเบอร์นี้ใช้กันมากที่สุด เช่นเบอร์ 304 ที่เอามาทำเป็นเครื่องครัวสแตนเลสต่าง ๆ) และในบ้านเรา ช่างเชื่อมเหล็กที่มีความสามารถในการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมก็ใช่ว่าจะหายาก

ที่ความดันบรรยากาศ ของเหลว cryogenic ที่ราคาถูกและใช้กันมากที่สุดเห็นจะได้แก่ไนโตรเจนเหลวที่มีจุดเดือด -196ºC ส่วนไฮโดรเจนเหลวจะมีจุดเดือดที่ประมาณ -253ºC ในขณะที่แก๊สที่มีจุดเดือดต่ำสุดคือฮีเลียมที่อยู่ที่ -269ºC

ที่อุณหภูมิสูง ความแข็งแรงในการรับแรงดึงของโลหะจะลดต่ำลง ดังนั้นถ้าจะดูว่าโลหะนั้นใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงสุดเท่าใด ก็จะไปพิจารณาค่าความสามารถในการรับแรงดึง (tensile strength) ที่อุณหภูมิต่ำนั้น แม้ว่าโลหะจะสามารถรับแรงดึงได้มากขึ้น (ดังค่าที่แสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง) แต่พฤติกรรมของโลหะจะเปลี่ยนจากเหนียวเป็นเปราะ คือแตกหักได้ง่ายเมื่อได้รับแรงกระแทก (เหมือนแก้วแตก) ดังนั้นความสามารถในการรับแรงกระแทก (Impact toughness) ของโลหะจะเป็นตัวกำหนดว่าโลหะนั้นใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำสุดเท่าใด

รูปที่ ๒ ข้อมูลจากหน้าเว็บของบริษัท Penflex
(https://www.penflex.com/news/cryogenic-temperatures-austenitic-steels/)

ข้อมูลจากหน้าเว็บของบริษัท Penflex (รูปที่ ๒) กล่าวว่า austenistic stainless steel เบอร์ 304 และ 316 คงคุณสมบัติในการรับแรงกระแทกที่สภาวะ cryogenic ได้ และยังสามารถใช้ทำภาชนะเก็บฮีเลียมเหลวที่มีอุณหภูมิ -269ºC ได้ด้วย ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำกว่าไฮโดรเจนเหลว (ที่มีอุณหภูมิ -253ºC) อีก

ส่วนข้อมูลจากหน้าเว็บของ British Stainless Steel Association (รูปที่ ๓) ที่ได้ทำการทดสอบความสามารถในการรับแรงกระแทกของเหล็กกล้าไร้สนิมที่อุณหภูมิ -196ºC (อุณหภูมิจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว) ก็กล่าวว่าเหล็กกล้าไร้สนิมในกลุ่ม austenitic stainless steel ก็ยังสามารถรับแรงกระแทกได้ดี จึงเหมาะสมสำหรับการใช้งานกับระบบ cryogenic และจะดียิ่งขึ้นถ้ามีการเติมไนโตรเจนเข้าไปเช่นเกรด 304LN

(หมายเหตุ : ตัวอักษร L ที่ต่อท้ายเลขหมายถึงมีปริมาณคาร์บอนต่ำ เช่นเบอร์ 304L จะมีองค์ประกอบเหมือนกับเบอร์ 304 แต่เบอร์ 304L จะมีคาร์บอนที่ต่ำกว่า เบอร์ 316L จะมีองค์ประกอบเหมือนกับเบอร์ 316 แต่เบอร์ 316L จะมีคาร์บอนที่ต่ำกว่า ส่วน N นั้นหมายถึงมีการเพิ่มธาตุไนโตรเจนเข้าไป)

รูปที่ ๓ ข้อมูลจากหน้าเว็บของ British Stainless Steel Association 
(https://bssa.org.uk/bssa_articles/selection-of-stainless-steels-for-cryogenic-applications/)

ดังนั้นจะว่าไป หอกลั่นขนาดเท่านี้ ด้วยวัสดุที่มีอยู่ทั่วไปแบบนี้ ในบ้านเราก็คงหาคนสร้างให้ได้ไม่ยากนะ

สาเหตุที่ทำให้สแตนเลสแตกร้าว MO Memoir : Wednesday 17 January 2567

สองเรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากเอกสาร European Process Safety Centre (EPSC) Learning Sheets ซึ่งเป็นการสรุปย่อเหตุการณ์อุบัติเหตุพร้อมรูปประกอบไว้ในกระดาษ ๑ หน้า A4 (https://epsc.be) เห็นมีบางบทความได้รับการแปลเป็นภาษาไทย แต่ดูเหมือนว่าบางจุดจะแปลออกมาโดยใช้คำไม่ค่อยตรงความหมายนัก สองเรื่องที่เลือกมาเล่าเป็นเรื่องเกี่ยวกับการแตกร้าวของเหล็กกล้าไร้สนิมหรือที่เราเรียกทับศัพท์ว่าสแตนเลสหรือสแตนเลสสตีลด้วยสาเหตุที่เห็นว่าน่าสนใจดี

เรื่องที่ ๑ Stress corrosion cracking จาก chloride

Stress Corrosion Craking (ในวงการบ่อยครั้งที่เรียกย่อ ๆ ว่า SCC) คือการที่เนื้อโลหะมีรอยแตกร้าวในบริเวณที่มีความเค้น (เช่นผิวโลหะของภาชนะรับความดัน หรือบริเวณที่มีการดัดให้โค้งงอ) สารเคมีหลายตัวไม่ทำอันตรายต่อพื้นผิวโลหะถ้าพื้นผิวโลหะที่สัมผัสสารเคมีนั้นไม่มีความเค้น แต่จะทำให้พื้นผิวโลหะบริเวณที่มีความเค้นนั้นแตกร้าวได้ รอยแตกร้าวอาจเริ่มจากรอยแตกร้าวเล็ก ๆ หลายรอยเกิดแยกจากกัน และมีแต่ละรอยขยายตัวจนมาพบกันก็จะกลายเป็นรอยแตกร้าวขนาดใหญ่ ที่สามารถทำให้พื้นผิวโลหะ ณ บริเวณนั้นเสียความสามารถในการรับแรง (เพราะพื้นที่ผิวรับแรงลดลง) คลอไรด์ไอออน (Cl^- ต้องมีประจุลบด้วยนะ) ก็เป็นสารเคมีตัวหนึ่งที่ก่อให้สแตนเลสสตีลที่มีความเค้นนั้นเกิดรอยแตกร้าวได้

เหตุการณ์ในรูปที่ ๑ กล่าวว่าตรวจพบการรั่วบนตัวภาชนะครับความดันที่ทำจากสแตนเลสสตีล โดยเกิดรอยร้าวขนาดใหญ่บริเวณใต้เทปกาว รอยร้าวดังกล่าวขยายตัวใหญ่ขึ้นโดยไม่เป็นที่สังเกตเพราะมีฉนวนหุ้มเอาไว้

การตรวจสอบพบว่าเทปกาวเป็นที่มาของคลอไดร์ (chloride) โดยตรวจพบคลอรีน (chlorine) ถึง 4% บนเทปกาวส่วนที่เหลือ (แหล่งที่มาของคลอไรด์ที่ไม่ได้คาดคิดกันมาก่อน)

คลอไรด์สามารถทำให้สแตนเลสสตีล (เช่น SS304 และ SS316) เกิด chloride stress corrosion ได้ที่อุณหภูมิประมาณ 50ºC

คำเตือนที่ได้จากเหตุการณ์นี้คือให้ระวังการใช้กาวหรือน้ำหมึกพบพื้นผิวเหล็กสแตนเลสสตีล เพราะอาจเป็นแหล่งคลอไรด์ที่ทำให้เนื้อโลหะแตกร้าวได้

ความหมายของประโยคคำถามที่ว่า "Next crack location?" ใต้รูปร่างขวาคือ พื้นผิวโลหะที่อยู่ใต้สติ๊กเกอร์ "Danger, Confined Space, Ener by Permit Only" อาจเป็นจุดเกิดการแตกร้าวในอนาคต (ถ้ากาวที่ใช้กับสติ๊กเกอร์แผ่นนี้มีคลอไรด์ผสมอยู่)

นอกจากนี้สำหรับสแตนเลสสตีลแล้ว คลอไรด์ยังก่อให้เกิดการกัดกร่อนแบบ pitting ได้ การกัดกร่อนแบบ pitting เป็นการกัดกร่อนในบริเวณที่แคบแต่เป็นหลุมลึกลงไป ปัญหานี้จะเกิดได้ง่ายถ้าหากบนผิวโลหะจุดใดจุดหนึ่งมีความเข้มข้นคลอไรด์ไอออนสูงกว่าบริเวณรอบข้าง เช่นบริเวณพื้นผิวใต้อนุภาคของแข็งที่ตกค้างอยู่ข้างบน (ระบบที่ของเหลวสะอาดหรือมีการไหลพัดพาไม่ให้มีตะกอนของแข็งตกค้างบนพื้นผิวจะมีปัญหาน้อยกว่า)

รูปที่ ๑ สแตนเลสแตกร้าวเพราะคลอไรด์ที่เป็นส่วนผสมของกาวที่ใช้กับเทปกาว

เรื่องที่ ๒ ท่อแตกร้าวเนื่องจากความล้า

สแตนเลสสตีล SS304 จะทนอุณหภูมิสูงสุดได้ประมาณ 870-900ºC (ที่ยังทนการกัดกร่อนได้อยู่) ในขณะที่ SS316 จะทนได้ต่ำกว่าเล็กน้อย ในขณะที่สามารถทนอุณหภูมิติดลบได้ถึงระดับประมาณ -250ºC

การทดสอบหนึ่งเพื่อหาว่าโลหะนั้นมีความแข็งแรงเท่าใดคือการทดสอบความสามารถในการรับแรงดึง คือเอาชิ้นโลหะมาดึงให้ยืดตัวจนขาดเพื่อหาว่าต้องใช้แรงเท่าใดในการดึงให้โลหะยืดตัวจนขาด ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดแรงดึงสูงสุดที่โลหะนั้นรับได้

แต่แม้ว่าโลหะนั้นจะรับแรงดึงที่ต่ำกว่าค่าแรงดึงสูงสุด (แต่ต้องสูงในระดับหนึ่ง) แต่ได้รับแรงดึงนั้นต่อเนื่องเป็นเวลานานพอ โลหะนั้นก็จะฉีกขาดจากกันได้ เพราะแรงดึงนั้นทำให้โลหะยืดตัวออกเล็กน้อย พื้นที่รับแรงก็จะลดต่ำลง ความเค้นก็จะเพิ่มขึ้น (แรงดึงเท่าเดิมแต่พื้นที่รับแรงเล็กลง) ทำให้โลหะนั้นยืดตัวออกอีก พื้นที่รับแรงก็จะลดต่ำลงไปอีก และเมื่อเวลาผ่านไปนานพอ โลหะนั้นก็จะฉีกขาด ความเสียหายแบบนี้เรียกว่า "Creep" หรือภาษาไทยแปลว่า "ความคืบ"

การแตกร้าวเนื่องจาก "Fatigue" หรือที่ภาษาไทยเรียกว่า "ความล้า" เกิดจากการที่โลหะต้องรับความเค้น (มีแรงกระทำ) และไม่ต้องรับความเค้น (ไม่มีแรงกระทำ) สลับไปมาต่อเนื่องเป็นเวลานานพอ ตัวอย่างของเหตุการณ์ทำนองนี้ได้แก่กรณีของลำตัวเครื่องบินโดยสารที่เมื่อบินสูง ความดันภายนอกจะสูงกว่าภายใน (ทำให้เหมือนเป็นภาชนะรับความดัน) แต่เมื่อลงสู่พื้นความดันภายนอกจะเท่ากับความดันภายใน (ไม่ได้กลายเป็นภาชนะรับความดัน) หรือระบบ Pressure Swing Adsorption (PSA) ที่ใช้ในการแยกแก๊ส ที่ตัวภาชนะบรรจุสารดูดซับมีการเปลี่ยนแปลงความดันขึ้น-ลงตลอดเวลา ดังนั้นเมื่อใช้งานไปเป็นระยะเวลาหนึ่ง แม้ว่าลักษณะปรากกภายนอกนั้นยังคงดูดีอยู่ ก็ควรต้องเปลี่ยนทิ้งไป

อีกสาเหตุหนึ่งที่ทำให้โลหะเสียหายเนื่องจากความล้าได้ก็คือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ โดยอุณหภูมิที่สูงจะทำให้โลหะยืดตัว และอุณหภูมิที่ต่ำทำให้โลหะหดตัว (มีการเปลี่ยนแปลงความเค้นสลับไปมาในเนื้อโลหะ)

เหตุการณ์ในรูปที่ ๒ เกิดที่ท่อสแตนเลส SS316 ขนาด 80 mm ถัดจากข้อต่อสามทางที่ใช้เป็นจุดผสมระหว่างของไหลร้อนอุณหภูมิ 155ºC (วิ่งมาในแนวตรง) กับของไหลเย็นอุณหภูมิ -15ºC (เข้ามาบรรจบทางด้านข้าง) พึงสังเกตุว่าช่วงอุณหภูมิการทำงานนั้นห่างจากช่วงอุณหภูมิต่ำสุดและสูงสุดที่สแตนเลสสตีลทนได้มาก ความล้าของเนื้อโลหะทำให้ท่อพัง เกิดการรั่วไหลและเพลิงไหม้ตามมาหลังใช้งานไปเพียงแค่ 6 เดือน การจำลองเหตุการณ์พบว่าบริเวณดังกล่าวมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิกลับไปมาประมาณ 120ºC (ซึ่งคงเป็นผลจากการไหลที่ไม่ได้ราบเรียบตลอดเวลา) ทำให้เกิดรอยแตกร้าวจากภายในออกมา (ช่วงอุณหภูมิ 1 K (เคลวิน) = 1ºC นะ ที่คำบรรยายในบทความใช้หน่วย K คงเป็นเพราะว่าเอาผลการคำนวณมารายงานโดยตรง)

บทความบอกว่าถึงแม้ว่าจะเปลี่ยนไปใช้โลหะตัวอื่นแทนก็คงจะไม่ได้ช่วยอะไรเท่าไรนัก วิธีที่ดีกว่าคือการผสมแบบ "central tube inlet" คือให้สารตัวหนึ่งไหลอยู่ในท่อใหญ่ และให้สารอีกตัวที่ต้องการผสมนั้นให้ไหลเข้าท่อเล็กกว่าที่สอดเข้าไปในท่อใหญ่ โดยให้ปลายท่อนั้นหันไปในทิศทางการไหล (รูปมุมขวาล่างสุด)

รูปที่ ๒ เหตุการณ์ที่สแตนเลสแตกร้าวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิร้อน-เย็นบ่อยครั้งเกินไป

เมื่อไทเทเนียมทำให้สแตนเลสสตีลลุกติดไฟ MO Memoir : Sunday 21 March 2564

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับออกซิเจนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนสูง โลหะในหมู่ IA (คือกลุ่มพวกลิเทียม Li, โซเดียม Na, โพแตสเซียม K ฯลฯ) จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนอย่างรวดเร็วจนไม่สามารถนำมาใช้ในรูปของโลหะบริสุทธิ์ โลหะบางตัวก็สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้อย่างรุนแรงและรวดเร็ว เช่นแมกนีเซียม Mg ที่สามารถลุกติดไฟและลุกไหม้ได้อย่างต่อเนื่องในอากาศถ้าได้รับความร้อนสูงมากพอเป็นตัวเริ่มต้น อะลูมิเนียม Al ในรูปแบบที่เป็นผงก็มีการนำมาใช้เป็นส่วนประกอบของวัตถุระเบิดบางชนิด ไทเทเนียม Ti ในรูปแบบที่เป็นผงฟุ้งกระจายในอากาศก็สามารถเกิดการระเบิดแบบ Dust Explsion ได้เช่นกัน การที่รูปแบบผงนั้นทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้รุนแรงก็เพราะมันมีพื้นที่ผิวสัมผัสกับอากาศสูงมาก

ในกรณีของโลหะเหล่านี้เมื่อนำมาขึ้นรูปเป็นชิ้นงานต่าง ๆ พื้นที่ผิวที่สัมผัสกับอากาศต่อจำนวนอะตอมโลหะทั้งหมดจะต่ำมาก มีเฉพาะอะตอมโลหะที่อยู่บนพื้นผิวที่สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศเกิดเป็นสารประกอบโลหะออกไซด์ สารประกอบโลหะออกไซด์ของโลหะหลายตัวจะก่อตัวเป็นชั้นฟิล์มปกคลุมผิวโลหะที่อยู่ข้างใต้ไม่ให้สัมผัสกับอากาศอีก (เช่นชั้นออกไซด์ของอะลูมิเนียม) การทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศก็จะหยุด ในขณะที่ชั้นออกไซด์ของโลหะบางตัวเช่นเหล็ก Fe นั้นมันไม่ก่อตัวเป็นชั้นฟิล์มปกคลุม ผิวบนทำปฏิกิริยาเกิดเป็นสนิมเหล็กที่มีความพรุน (แถมยังหลุดร่อนได้ง่ายอีก) เปิดช่องทางให้ออกซิเจนในอากาศเข้าสัมผัสกับเนื้อเหล็กที่อยู่ลึกลงไปตลอดเวลา การกัดกร่อนจึงเกิดได้ต่อเนื่อง

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เรื่องแรกเป็นเหตุการณ์ที่เกิดในมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น ที่เกิดกับอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง โดยมีโลหะเป็นเชื้อเพลิง (การลุกไหม้ของไทเทเนียมนำไปสู่การลุกไหม้ของสแตนเลสสตีล - รูปที่ ๑) ส่วนเรื่องที่สองเป็นบทความที่เกี่ยวข้องกับโอกาสที่จะเกิดการลุกไหม้ของโลหะในสภาวะที่มีความเข้มข้นออกซิเจนสูง ที่มีการนำมาใช้เพื่อการรักษาทางการแพทย์ (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๑ เหตุการณ์เพลิงไหม้ที่มีตัวโลหะของอุปกรณ์ทดลองเป็นเชื้อเพลิง ที่เกิดที่มหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๔ มิถุนายน พ.ศ. ๒๕๓๙ (จาก http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200066.htm)

ไทเทเนียม (Titanium - Ti) เป็นโลหะที่นำมาใช้งานในทางวิศวกรรมตัวหนึ่งเนื่องจากการที่มันทนการกัดกร่อนและทนอุณหภูมิได้สูงกว่าเหล็ก ในขณะที่มีน้ำหนักเบากว่า แต่ในบางกรณีโลหะ Ti ก็ลุกติดไฟได้ง่ายเหมือนกัน โดยเฉพาะเมื่อเจอกับคลอรีน (Chlorine - Cl) ที่ "แห้ง"

คลอรีนเป็นตัวออกซิไดซ์ที่แรงว่าออกซิเจน สารประกอบคลอไรด์ของโลหะนั้นมักจะเป็นของแข็ง แต่ของไทเทเนียมจะแปลกอยู่หน่อยตรงที่มันเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องและยังมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารหลายตัวเช่นน้ำ ในกรณีของแก๊สคลอรีนที่มี "ความชื้น" (ซึ่งก็คือน้ำ) ปนอยู่ ไทเทเนียมเททระคลอไรด์ (Titanium tetrachloride TiCl₄) ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยาต่อกับน้ำได้ กลายเป็นสารประกอบออกไซด์ปิดคลุมผิวโลหะส่วนที่เหลือเอาไว้ การทำปฏิกิริยาก็จะหยุด ดังนั้นอุปกรณ์ที่ทำจากโลหะไทเทเนียมจึงไม่มีปัญหาเมื่อใช้งานกับคลอรีนที่ "ชื้น" แต่จะลุกไหม้ได้เมื่อเจอกับคลอรีนที่แห้ง

ออกซิเจนที่ความเข้มข้นสูงขึ้นจะมีความสามารถในการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงมากขึ้น และค่าพลังงานกระตุ้นที่ต้องใช้ในการเกิดปฏิกิริยาก็อาจลดลงมามากด้วย ดังนั้นโลหะที่ไม่ทำปฏิกิริยาเมื่อสัมผัสกับอากาศแม้ว่าจะมีอุณหภูมิสูงก็ตาม ก็อาจลุกไหม้ติดไฟได้ถ้าหากสัมผัสกับออกซิเจนที่มีความเข้มข้นสูงและมีพลังงานกระตุ้นที่มากพอ

คำว่า "ความเข้มข้นที่สูงขึ้น" ในที่นี้คือเมื่อคิดในหน่วย "ปริมาณ (ที่อาจเป็นโมลหรือน้ำหนัก) ต่อหน่วยปริมาตร" นะ เพราะในบางหน่วยเช่น "สัดส่วนโมล - mole fraction" ความเข้มข้นในรูปสัดส่วนโมลนี้จะไม่เปลี่ยนไม่ว่าแก๊สจะมีความดันเท่าใด แต่ถ้าคิดในหน่วย "ปริมาณต่อหน่วยปริมาตร" ที่ความดันสูงขึ้นก็จะมีความเข้มข้นสูงขึ้นด้วย

เหตุการณ์ที่เกิดในห้องทดลองแห่งหนึ่งของมหาวิทยาลัยในประเทศญี่ปุ่นนั้นเกิดขึ้นระหว่างการทดลองสังเคราะห์ตัวนำยิ่งยวด (superconductor) ที่ทดลองด้วยการเอาสารตั้งต้นนั้นมาทำปฏิกิริยากับออกซิเจนบริสุทธิ์ที่ความดันต่าง ๆ ด้วยเครื่อง thermal analysis กล่าวคือนำตัวอย่างมาบรรจุในภาชนะปิด เพิ่มความดันออกซิเจนให้ได้ตามต้องการ จากนั้นก็เพิ่มอุณหภูมิตัวอย่างให้สูงขึ้นและเฝ้าดูน้ำหนักที่เปลี่ยนไป (จะลดลงถ้ามีการสูญเสียออกซิเจน และจะเพิ่มขึ้นถ้ามีการทำปฏิกิริยากับออกซิเจน) ตัวอุปกรณ์นั้นเพิ่งจะเริ่มใช้งานได้ประมาณ ๒ เดือนและมีการทำการทดลองแบบเดียวกันไปแล้วประมาณ ๑๔-๑๕ ครั้งโดยไม่เกิดเรื่องอะไร

ในวันที่เกิดเหตุนั้นหลังจากเพิ่มอุณหภูมิไปจนถึง 600ºC และคงไว้นานกว่า 100 นาทีก็ไม่เกิดปัญหาอะไร และเนื่องจากผลการทดลองที่ได้ไม่ได้แสดงว่ามีการเปิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วในระหว่างกาารทดลอง สมมุติฐานเรื่องปฏิกิริยาเกิดการ runaway จึงถูกตัดไป สาเหตุที่คาดว่าเป็นตัวทำให้เกิดเพลิงไหม้ก็คือการเกิดไฟฟ้าลัดวงจร (ตัวอุปกรณ์วัดน้ำหนักต้องมีวงจรไฟฟ้าต่อเข้าไปอยู่แล้ว) และด้วยการที่เป็นบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์จึงทำให้วัสดุที่ไม่เป็นโลหะนั้นลุกติดไฟได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งนำไปสู่การลุกติดไฟของโลหะไทเทเนียมที่ใช้ทำชิ้นส่วนบางชิ้นของตัวอุปกรณ์ ความร้อนที่เกิดขึ้นทำให้โลหะหลอมเหลวและทำปฏิกิริยากับสแตนเลสสตีลที่เป็นวัสดุใช้ทำชิ้นส่วนของตัวอุปกรณ์เช่นกัน เกิดการระเบิดและเพลิงลุกไหม้ภายในช่องบรรจุตัวอย่างจนมีผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการลุกไหม้นี้ฉีดพ่นออกมาทางช่องทางที่ใช้เดินสายไฟเข้าไปข้างใน

เหตุการณ์ที่ประเทศญี่ปุ่นนี้ดูเผิน ๆ อาจเป็นเรื่องไกลตัว แต่จะว่าไปมันก็มีคนคำนึงถึงโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์ทำนองเดียวกันนี้ในสภาพการณ์ที่ใกล้กับตัวเราก็ได้ นั่นคือการรักษาอาการหรือความเจ็บป่วยต่าง ๆ ด้วยการให้ผู้ที่ต้องการได้รับการรักษานั้นได้เข้าไปอยู่ในบรรยากาศที่มีออกซิเจนสูง ที่อาจเข้าไปอยู่ทั้งตัว (ที่สามารถเอาหนังสือเข้าไปนอนอ่านได้) หรือเพียงแค่ส่วนใดส่วนหนึ่ง (เช่นใส่ hood ครอบศีรษะเอาไว้) ที่ปัจจุบันในบ้านเราก็มีบางโรงพยาบาลนำมาใช้ในการรักษา

บทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ เป็นการกล่าวถึงความเป็นไปได้ที่จะเกิดการลุกไหม้ของโลหะไทเทเนียมในระหว่างการรักษาด้วยการใช้ออกซิเจนความเข้มข้นสูง (Hyperbaric oxygen) ในกรณีเช่นนี้ถ้าจะบอกว่าถ้าเช่นนั้นก็ไม่ให้ใช้โลหะไทเทเนียมในการผลิตอุปกรณ์ดังกล่าวก็น่าจะสิ้นเรื่อง แต่ประเด็นที่ผู้เขียนตั้งเป็นข้อกังวลไม่ได้อยู่ตรงนั้น มันไปอยู่ตรงที่ในช่วงเวลานั้น (คือปีพ.ศ. ๒๕๔๖) และจะว่าไปก็สืบเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน มันมีการนำเอาโลหะไทเทเนียมนี้มาใช้ทำเป็นทั้งกรอบแว่นตาและเครื่องประดับกันอย่างแพร่หลาย และสิ่งเหล่านี้มักจะเป็นสิ่งที่ทางโรงพยาบาลยอมให้ติดตัวคนไข้ไว้ในระหว่างการรักษาด้วย

รูปที่ ๒ บทความเกี่ยวกับความเสี่ยงที่จะเกิดเพลิงไหม้ในระหว่างการรักษาด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ความดันสูงที่มีการตีพิมพ์ในวารสาร Aviation, Space, and Environmental Medicine, Vol 74, No. 12 เดือนธันวาคม ปีค.ศ. ๒๐๐๓ หน้า 1301-1302 หน่วย ATA ที่เป็นปรากฏคือ Atmospheric Absolute ความดัน 1 ATA ก็คือความดันบรรยากาศปรกติ (0 atm ที่เป็นความดันเกจ) ความดัน 2 ATA ก็จะมีค่าเป็น 2 เท่าของความดันบรรยากาศปรกติ (หรือ 1 atm ที่เป็นความดันเกจ)

ที่เล่ามาตอนต้นเรื่องว่าโลหะหลายตัวนั้นเมื่อสัมผัสกับอากาศมันก็จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนกลายเป็นสารประกอบออกไซด์ปิดคลุมผิวเอาไว้ ทำให้ปฏิกิริยาเกิดต่อไม่ได้ และเนื่องจากไม่ว่าจะเป็นเครื่องประดับหรือกรอบแว่นตาที่ติดตัวผู้ป่วยมานั้นมันก็สัมผัสกับอากาศมานานแล้ว แล้วมันจะก่อเรื่องได้อย่างไร ประเด็นที่ผู้เขียนบทความชี้ให้ควรพิจารณาก็คือการเกิดพื้นผิวใหม่ที่ยังไม่เคยสัมผัสกับอากาศมาก่อน เช่นการขีดข่วนที่เป็นการกำจัดพื้นผิวออกไซด์ที่ปกคลุมอยู่เดิมนั้นออกไป หรือการฉีกขาด (เช่นกรอบแว่นตาหัก) ที่จะเปิดพื้นผิวโลหะใหม่ตรงรอยฉีกขาดนั้น และด้วยบรรยากาศที่เป็นออกซิเจนบริสุทธิ์ ความรุนแรงของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก็จะทำให้ตัวโลหะนั้นลุกติดไฟต่อเนื่องได้

กรณีการลุกไหม้ของโลหะไทเทเนียมเมื่อสัมผัสกับแก๊สคลอรีนแห้งที่เกิดในโรงงานก็มีการบันทึกเอาไว้หลายครั้ง ส่วนกรณีการลุกไหม้ของโลหะไทเทเนียมในบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์ และการลามไปสู่การลุกไหม้ของสแตนเลสสตีลเนี่ยเพิ่งจะมีโอกาสได้รับรู้เป็นครั้งแรก ซึ่งก็ไม่รู้ว่ามันเคยมีการเกิดขึ้นที่ไหนอีกหรือเปล่า คงต้องค่อย ๆ ค้นคว้ากันต่อไป

ส่วนเรื่องการลุกไหม้ของโลหะต่าง ๆ ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและ/หรือออกซิเจนความเข้มข้นสูง จะว่าไปก็มีการศึกษากันมานานแล้วเหมือนกัน โดยเฉพาะกลุ่มที่ทำงานเกี่ยวกับจรวด (ที่บางทีก็ใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์เป็นตัวออกซิไดซ์) และอากาศยาน โดยเฉพาะเครื่องยนต์กังหันแก๊สหรือ jet engine ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงและมีแก๊สร้อนไหลผ่านด้วยความเร็วสูง และมีการนำเอาโลหะผสมไทเทเนียมมาผลิตเป็นชิ้นส่วนต่าง ๆ เพราะมันมีน้ำหนักที่เบากว่าและทนอุณหภูมิได้สูงกว่าโลหะอื่น แต่ไทเทเนียมมันก็มีพฤติกรรมที่แปลกอย่างหนึ่งคือ มันสามารถลุกติดไฟได้ในบรรยากาศ "ไนโตรเจน" บริสุทธิ์

รูปที่ ๓ สมการที่ (8) เป็นปฏิกิริยาระหว่างไทเทเนียม (ที่หลอมเหลว) กับไนโตรเจน (จากบทความเรื่อง "Interaction of powdery Al, Zr and Ti with atmospheric nitrogen and subsequent nitride formation under the metal powder combustion in air" โดย Alexander Alexandrovich Gromov และคณะ ในวารสาร Powder Technology เดือนธันวาคม ค.ศ. 2011)

รูปที่ ๔ เครื่องยนต์ของเครื่องบิน (น่าจะเป็นเครื่องบินทหาร) ที่ตกเนื่องจากเกิดโลหะไทเทเนียมในเครื่องยนต์ลุกติดไฟ และลามออกสู่ภายนอกเครื่องยนต์ (จากเอกสาร "Titanium Fire in Jet Engines" โดย T. Uihlein และ H. Schlegel เอกสารนี้ค้นเจอเป็นไฟล์ pdf ทางอินเทอร์เน็ต แต่ไม่มีรายละเอียดว่าเผยแพร่ครั้งแรกที่ไหนและเมื่อใด)

ปัจจุบันมีการนำเอาเครื่องยนต์กังหันแก๊สมาใช้ในการผลิตไฟฟ้ากันอย่างแพร่หลาย ผมเองก็ไม่รู้ว่าโครงสร้างและวัสดุที่ใช้ในการผลิตนั้นแตกต่างกับที่ใช้กับอากาศยานมากน้อยแค่ไหน เพราะเครื่องยนต์ที่ตั้งอยู่บนพื้นมันไม่ได้มีข้อจำกัดด้านน้ำหนักมากเหมือนกรณีของอากาศยาน และน่าจะทำงานที่สภาวะค่อนข้างจะคงที่มากกว่าด้วย