เพลิงไหม้และการระเบิดที่ Steam Cracker Unit, Czech Republic 2558 (2015) ตอนที่ ๓ การวิเคราะห์สาเหตุ MO Memoir : Monday 5 February 2567

วันที่ ๑๒ เมษายน ปีค.ศ. ๑๘๓๑ (พ.ศ. ๒๓๗๔ หรือช่วงรัชกาลที่ ๓ ของไทย) ระหว่างที่ทหารอังกฤษ ๗๔ เดินเป็นจังหวะพร้อมกันข้ามสะพาน Broughton Suspension Bridge ซึ่งเป็นสะพานแขวนชนิด Iron chain suspension bridge มีความรู้สึกว่าสะพานสั่นตามจังหวะการเดินที่ทำให้รู้สึกสนุก ก็เลยย้ำจังหวะการเดินเข้าไปอีก ผลก็คือสะพานดังกล่าวพังลงมา แม้ว่าเหตุการณ์ครั้งนั้นจะไม่มีผู้เสียชีวิต แต่จากนั้นมาเวลากองทหารเดินข้ามสะพานแขวนก็มีคำสั่งให้ต้องเดินแบบ "Break step" คือห้ามเดินเข้าจังหวะกัน

แต่เหตุการณ์ที่ขึ้นชื่อและเป็นที่รู้จักกันแพร่หลายกว่าน่าจะเป็นกรณีของสะพานแชวน Tacoma ที่พังลงเพราะลมที่พัดผ่านนั้นทำให้จังหวะการแกว่งของสะพานตรงกับความถี่การสั่นตามธรรมชาติของสะพาน การแกว่งก็เลยรุนแรงขึ้นจนทำให้สะพานพังลงมาในวันที่ ๑ กรกฎาคม ปีค.ศ. ๑๙๔๐ (พ.ศ. ๒๔๘๓) เหตุการณ์ช่วงที่สะพานพังลงมามีการบันทึกภาพยนต์ไว้ จึงทำให้เป็นที่รู้จักกันแพร่หลาย

บทความต้นฉบับของเรื่องการระเบิดที่ Steam Cracker Unit นี้มีการวิเคราะห์สาเหตุที่ทำให้เกิดความเสียหายในแต่ละจุดว่าเกิดจากอะไร แต่ใน Memoir นี้จะขอนำมาเฉพาะสิ่งที่เห็นว่าเป็นต้นตอของความเสียหายอื่น ๆ ที่เกิดตามมา ซึ่งก็คือทำไมอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นจึงลดลง และทำไม pressure relief valve จึงเกิดการ chattering และการ chattering นี้นำไปสู่การรั่วไหลได้อย่างไร ซึ่งการสอบสวนพบว่ามีสาเหตุที่เหมือนกับทั้งสองกรณีที่กล่าวมาข้างต้น

เริ่มต้นด้วยรูปที่ ๑๕ ที่เป็นเหตุการณ์ก่อนที่น้ำหล่อเย็นจะขาดหายไปจนกระทั่งกลับมาสู่ระดับเดิม สำหรับแผนผังหน่วยผลิตนั้นขอให้ดูในบทความตอนที่ ๒ ของเรื่องนี้

รูปที่ ๑๕ เหตุการณ์ช่วงก่อนที่น้ำหล่อเย็นจะขาดหายไปจนกระทั่งกลับมาสู่ระดับเดิม

ช่วงก่อนเกิดเหตุการณ์ โรงงานเดินเครื่องที่กำลังผลิตประมาณ 90-93% โดยมีกำลังการผลิตเอทิลีนประมาณ 56-58 ตันต่อชั่วโมง หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนมีเครื่องควบแน่น 4 เครื่อง (EA-125 A ถึง D) ทำงานพร้อมกัน โดยใช้น้ำหล่อเย็นเป็นแหล่งระบายความร้อน

ระบบน้ำหล่อเย็นที่จ่ายให้กับเครื่องควบแน่นดังกล่าวเป็นท่อใต้ดินมีทั้งหมด 4 เส้นท่อ ณ เวลาหนึ่งจะมีการดึงน้ำหล่อเย็นมาใช้อย่างน้อยจาก 1 เส้นท่อ โดยอีก 1 เส้นท่อเป็นเส้นสำรอง โดยช่วงก่อนเกิดเหตุนั้นกำลังใช้น้ำจากเส้นท่อที่ 3 และ 4 อยู่

ก่อนเกิดเหตุการณ์ อุปกรณ์วัดการไหลของเส้นท่อที่ 3 ไม่ทำงาน จึงได้มีการซ่อมแซมและซ่อมบำรุง การวางแผนตรวจสอบการทำงานกำหนดให้มีในวันที่ ๑๓ สิงหาคม ค.ศ. ๒๐๑๕ ขั้นตอนการทำงานเพื่อตรวจสอบมิเตอร์วัดการไหลที่ได้ตกลงกันไว้ก็คือ จะใช้เฉพาะเส้นท่อที่ 3 เท่านั้นโดยจะปิดน้ำจากเส้นท่อที่ 4 เป็นการชั่วคราว ให้มีเฉพาะน้ำจากเส้นท่อที่ 3 ที่ไหลเข้าเครื่องควบแน่น ในช่วงระหว่างเวลา 8.05 ถึง 8.15 น ได้ทำการเปิดวาล์วน้ำของเส้นท่อที่ 3 ที่อยู่ในพื้นที่หน่วย Steam Cracker ตามด้วยการปิด (หรือปิดบางส่วน) วาล์วน้ำของเส้นท่อที่ 4 ที่หน่วย Steam Cracker โดยที่วาล์วของเส้นท่อที่ 3 ที่ "Battery Limit" ไม่ถูกเปิด ("Battery Limit" คือขอบเขตความรับผิดชอบระหว่างสองหน่วยงาน) สิ่งที่เกิดตามมาคือมีการขัดจังหวะการไหลของน้ำหล่อเย็นไปยังส่วนต่าง ๆ ของหน่วย Setam Cracker ซึ่งรวมทั้งเครื่องควบแน่นโพรพิลีนด้วย อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นลดลงจาก 12,000 m³/h ลงเหลือประมาณ 6,600 m³/h เป็นเวลานานประมาณ 13 นาที ก่อนที่จะกลับคืนสู่ระดับเดิมที่เวลาประมาณ 8.29 น

รูปที่ ๑๖ การสลับท่อน้ำหล่อเย็นระหว่างเส้นท่อที่ 3 และเส้นท่อที่ 4 ในหัวข้อ 5.1 เขียนไว้อีกอย่าง

ในเรื่องการสลับเส้นท่อ ข้อความในหัวข้อการสอบสวน (รูปที่ ๑๖) อ่านแล้วดูสับสนกับข้อความ ในรูปที่ ๑๕ แต่ละเส้นท่อจะมีวาล์วที่เกี่ยวข้องอยู่ 2 ตำแหน่ง ตำแหน่งแรกอยู่ที่ batter limit ที่เรียกว่าวาล์ว outlet (เพราะส่งน้ำออกจากหน่วยผลิตน้ำหล่อเย็น) ตำแหน่งที่สองอยู่ทางด้านขาเข้าเครื่องควบแน่นที่เรียกว่าวาวล์ inlet (คือป้อนน้ำหล่อเย็นเข้าเครื่องควบแน่น) ในรูปที่ ๑๖ บอกว่าก่อนการสลับเส้นท่อ วาล์ว inlet ของเส้นท่อที่ 4 ปิดอยู่ในขณะที่วาล์ว inlet และ outlet ของเส้นท่อที่ 3 นั้นเปิดอยู่ การสลับเส้นท่อคือจะหยุดใช้งานเส้นท่อที่ 3 โดยเปลี่ยนไปใช้งานเส้นท่อที่ 4 (สลับกับรูปที่ ๑๕) แต่ไม่ว่าเหตุการณ์จริงจะเป็นอย่างไร สิ่งที่เกิดคือวาล์ว outlet ของเส้นท่อที่จะนำกลับมาใช้งานนั้นปิดอยู่

รูปที่ ๑๗ เหตุการณ์ที่หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน

หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนถูกออกแบบให้ผลิตโพรพิลีนบริสุทธิ์ 99.8% (รูปที่ ๑๗) ออกทางยอดหอ และโพรเพนเหลวออกทางก้นหอ ตัวหอกลั่นสร้างในปีค.ศ. ๑๙๗๗ (พ.ศ. ๒๕๒๐) มีความสูง 90 เมตร ความดันใช้งานสูงสุดที่ยอมให้ (MAWP) คือ 1.635 MPa (ความดันเกจ) สารผสมโพรเพน-โพรพิลีนถูกป้อนเข้าที่ตำแหน่ง Tray ที่ 106 ผลิตภัณฑ์แก๊สโพรพิลีนที่ออกทางยอดหอจะถูกควบแน่นให้เป็นของเหลวด้วยเครื่องควบแน่น E-425 จำนวน 4 ตัว (A-D) โพรพิลีนที่ควบแน่นจะไหลไปยัง Reflux drum (FA-407) โดยของเหลวที่ถังนี้ส่วนหนึ่งจะถูกส่งไปเก็บเป็นผลิตภัณฑ์และอีกส่วนถูกป้อนเข้าหอกลับเพื่อเป็น reflux โดยค่าอัตราส่วนการ reflux (หรือ reflux ratio) อยู่ในช่วงประมาณ 15-18 ตัว reboiler (EA-424 A/B) ที่ก้นหอใช้ quench water เป็นแหล่งให้ความร้อน โพรเพนที่แยกมาได้จะถูกส่ง กลับไปยังหน่วย pyrolysis เพื่อใช้เป็นวัตถุดิบ หรือใช้เป็นเชื้อเพลิงถ้าจำเป็น

ค่า reflux ratio คืออัตราส่วนปริมาณของสารที่ส่งกลับไปยังหอกลั่นต่อปริมาณของสารที่ดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์ อย่างเช่นในกรณีนี้ ค่า reflux ratio 15 คือจากปริมาณของเหลวที่เครื่องควบแน่นควบแน่นได้ 15 ส่วนถูกส่งกลับไปยัง Tray ที่ 1 โดยมีเพียงแค่ 1 ส่วนถูกดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์ การเพิ่มค่าอัตราส่วนนี้จะทำให้ผลิตภัณฑ์ยอดหอที่ได้มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น แต่ได้ในปริมาณ (ต่อหน่วยเวลา) ที่ลดลง

การควบคุมความดันในหอใช้วาล์วควบคุม PC 04-252 ทำการปรับแต่งอัตราการไหลน้ำหล่อเย็นที่เครื่องควบแน่น และในกรณีที่ความดันขึ้นสูงก็จะใช้วาล์ว PC 04-254 ระบายแก๊สจาก Reflux drum ทิ้งออกระบบเผาแก๊สทิ้ง การควบคุมดับของเหลวก้นหอใช้การควบคุมอัตราการไหลของ quench water ด้วยวาล์ว FC 04-252

รูปที่ ๑๘ ระบบระบายความดัน

ตัวหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนมีวาล์วระบายความดัน (pressure relief valve) 4 ตัวที่เหมือนกันหมด วาล์วเป็นชนิดใช้แรงสปริงกด (แรงกดสปริงเป็นตัวกำหนดความดันที่จะให้วาล์วเปิด) และมี balancing bellow (เพื่อป้องกันความดันด้านขาออกมากดตัววาล์วร่วมกับแรงสปริง เพราะจะทำให้วาล์วเปิดที่ความดันสูงกว่าค่าที่ตั้งเอาไว้) ทางเข้า-ออกต่อกับท่อด้วยหน้าแปลน อุณหภูมิระบายความดันคือ 50ºC และตั้งค่าให้เปิดที่ 1.86 MPa อัตราการระบายโพรพิลีนคือ 604,700 kg/h วาล์วสร้างขึ้นตามการออกแบบในปีค.ศ. ๑๙๗๘ (พ.ศ. ๒๕๒๑) ด้านเข้า-ออกของวาล์วแต่ละตัวจะมี gate valve เพื่อให้สามารถถอดวาล์วออกมาซ่อมบำรุงได้ แต่มีกลไกป้องกันที่ทำให้ต้องมีวาล์วอย่างน้อย 3 ตัวทำงานอยู่เสมอ (การทำงานปรกติจะใช้งาน 3 ตัว ลำรอง 1 ตัว) และในระหว่างเกิดเหตุ วาล์วตัวที่ 4 ทำหน้าที่เป็นวาล์วสำรอง การตรวจสอบครั้งสุดท้าย (ก่อนเกิดเหตุ) พบว่าวาล์วทำงานได้ปรกติและไม่มีข้อบกพร่องใด ๆ (รูปที่ ๑๘)

การติดตั้ง pressure relief valve มากกว่า 1 ตัวจะทำเมื่อวาล์วตัวเดียวไม่สามารถระบายความดันได้รวดเร็วพอ หรือถ้าใช้วาล์วเพียงตัวเดียวจะต้องใช้วาล์วที่มีขนาดใหญ่ซึ่งจะเกิดปัญหา chattering ได้ง่ายเวลาที่ต้องระบายความดันที่เพิ่มขึ้นไม่มาก ในเหตุการณ์นี้ วาวล์ทั้ง 4 ตัวถูกตั้งให้เริ่มเปิดที่ความดันเดียวกัน ซึ่งเป็นสาเหตุส่วนหนึ่งที่ทำให้เกิดปัญหา (คือมาตรฐานปัจจุบันไม่แนะนำให้ทำเช่นนั้น ซึ่งตรงนี้จะกล่าวถึงในช่วงต่อไป แต่อย่าเพิ่งด่วนสรุปว่าการติดตั้งนั้นไม่เหมาะสม เพราะต้องไปดูว่ามาตรฐานตอนปีที่ติดตั้งวาล์วนั้นกล่าวไว้อย่างไร เพราะมันอาจถูกต้องตามมาตรฐาน ณ เวลานั้นก็ได้)

 

รูปที่ ๑๙ อัตราการไหลน้ำหล่อเย็น, ความดันภายในหอกลั่น, อัตราการไหลสาย reflux และระดับของเหลวใน reflux drum ในช่วงเวลาก่อนและขณะเกิดเหตุ

รูปที่ ๑๙ เป็นข้อมูลพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน จะเห็นว่าโอเปอร์เรเตอร์ต้องหยุดการทำงานของ reflux pump (จุดที่ reflux flow เป็นศูนย์) ก่อนที่จะกู้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นกลับคืนมาได้ แต่ที่ไม่เห็นความดันเพิ่มขึ้นคงเป็นเพราะว่ามีการเปิดวาล์วเพื่อระบายความดัน แต่แม้ว่าจะกู้อัตราการไหลน้ำหล่อเย็นกลับมาได้ ระดับของเหลวใน reflux drum ก็ไม่ได้เพิ่มขึ้น (ตรงนี้น่าจะมีข้อมูลอุณหภูมิยอดหอมาประกอบหน่อย ว่าในช่วงเวลานั้นมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร)

ในบทความกล่าวว่ามีการวัดความดันที่ตัวหอกลั่น (น่าจะเป็นตำแหน่งก่อนถึงเครื่องควบแน่น) และการวัดความดันที่ reflux drum ข้อมูลความดันที่แสดงในรูปที่ ๑๙ (เส้นสีดำหนา) น่าจะเป็นความดันที่หอกลั่น ตรงนี้พออ่านแล้วก็เกิดคำถามส่วนตัวขึ้นว่า เป็นไปได้หรือไม่ที่โพรพิลีนที่ควบแน่นเป็นของเหลวแล้ว พอไหลมายัง reflux drum ที่มีการเปิดวาล์วระบายความดันเพื่อระบายความดันใน reflux drum ออกสู่ระบบเผาแก๊สทิ้งโดยตรง ทำให้ความดันใน reflux drum นั้นต่ำกว่าที่เครื่องควบแน่น โพรพิลีนที่ควบแน่นเป็นของเหลวจึงเดือดกลายเป็นไอใหม่อีก (เนื่องจากความดันที่ลดต่ำลง) ทำให้ไม่มีของเหลวสะสมเพิ่มใน reflux drum และการปิดวาล์วระบายความดันตรงนี้ จะช่วยแก้ปัญหาได้ไหม

รูปที่ ๒๐ การตั้งค่าความดันของวาล์วระบายความดัน

หัวข้อ 5.2.3 เป็นการพิจารณาการออกแบบวาล์วระบายความดัน (รูปที่ ๒๐) หัวข้อ 5.2.3.1 กล่าวว่า วาล์วระบายความดันทุกตัว (คือทั้ง 4 ตัว) ตั้งให้เปิดที่คามดัน 1.86 MPa (ตัว g ข้างหลังคือระบุว่าเป็น gauge pressure หรือความดันเกจ) ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดของการออกแบบดั้งเดิม (น่าจะหมายถึงตอนสร้างโรงงาน) แต่มาตรฐาน API R 520 และ 521 ก็มีคำแนะนำว่า ในกรณีที่มีการติตดั้งวาล์วระบายความดันหลายตัว ควรที่จะตั้งให้เปิดที่ความดันเป็นลำดับขั้นกัน (คือค่อย ๆ เพิ่มขึ้น) และการตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกันก็มีส่วนที่ให้ระบบระบายความดันไม่มีเสถียรภาพ แต่เมื่อทำการพิจารณาแล้วเห็นว่าไม่ใช่สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการสั่นที่ก่อให้เกิดความเสียหาย

 

รูปที่ ๒๑ ตัวอย่างการตั้งค่าความดันให้วาล์วเปิดในกรณีที่มีวาล์วระบายความดัน 2 ตัว ที่สภาวะการทำงานปรกติ (Table 3)

รูปที่ ๒๒ ตัวอย่างการตั้งค่าความดันให้วาล์วเปิดในกรณีที่มีวาล์วระบายความดัน 2 ตัว ในกรณีของไฟคลอก (Table 5)

รูปที่ ๒๓ นำมาจาก API RP 521 Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems ฉบับเดือนมีนาคมปีค.ศ. ๑๙๙๗ ในหัวข้อ 3.20.3.2 ในเรื่องของการหาขนาดวาล์วระบายความดัน ผู้ออกแบบควรต้องพิจารณาความเป็นไปได้ทั้งหมดที่จะทำให้ความดันสูงเกิน ประเมินค่าอัตราการไหลที่ต้องใช้ในการระบายความดัน เพราะจะส่งผลต่อพื้นที่ "orifice" (หรือขนาดช่องเปิดสำหรับให้ของไหลไหลผ่านว่าควรต้องมีพื้นที่อย่างน้อยเท่าไร) แต่เมื่อกระบวนการผลิตมีการเพิ่มขนาดมาก ขนาดพื้นที่ที่ได้จากวาล์วระบายความดันตัวเดียวจึงไม่เพียงพอ ทำให้จำเป็นต้องมีการติดตั้งวาล์วระบายความดันมากกว่าหนึ่งตัว เพื่อให้ได้ขนาดพื้นที่ orifice ตามต้องการ

ปรกติการคำนวณหาขนาด orifice จะอิงจากอัตราการเพิ่มความดันที่มากที่สุดที่คาดการณ์ไว้ว่าสามารถเกิดขึ้นได้ อย่างเช่นในกรณีของหอกลั่นอาจอิงจากเหตุการณ์ที่เครื่องควบแน่นไม่มีน้ำหล่อเย็น ในขณะที่ reboiler นั้นยังมีการให้ความร้อนอย่างเต็มที่ (ถ้าคิดว่าเหตุการณ์นี้มีโอกาสเกิดได้) แต่มันก็ก่อปัญหาได้ในกรณีที่อัตราการเพิ่มความดันไม่ได้รวดเร็วมากและระบบนั้นใช้วาล์วระบายความดันที่มีขนาดใหญ่เพียงตัวเดียวหรือตัวเล็กหลายตัวที่ตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกัน เพราะทันทีที่วาล์วเปิดความดันก็จะลดลงอย่างรวดเร็วทำให้วาล์วปิดโดยเร็ว และจะเป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าการเพิ่มความดันนั้นจะหายไป ปรากฏการณ์นี้มีชื่อเรียกว่า "chattering"

ในหัวข้อนี้กล่าวเอาไว้ด้วยว่าวาล์วอาจเกิดการ chattering ที่ทำให้เกิดความเสียหายได้ถ้าหากใช้วาล์วระบายความดันหลายตัวโดยตั้งให้ "เปิดที่ความดันเดียวกัน" แต่การแก้ปัญหาทำได้ด้วยการให้วาล์วเปิดทีละตัวที่ความดันเป็นลำดับขั้น

รูปที่ ๒๓ ข้อความใน API RP 521 ที่กล่าวถึงปัญหาที่เกิดขึ้นได้กรณีที่ใช้วาล์วระบายความดันหลายตัวโดยตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกัน (ในกรอบสี่เหลี่ยมสีแดง)

ในเหตุการณ์นี้เห็นว่ามีบางประเด็นที่เห็นว่าน่าจะนำมาพิจารณากันก็คือ มีการใช้วาล์วระบายความดัน 4 ตัว โดยในเวลาใดเวลาหนึ่งต้องมีวาล์วทำงานอยู่อย่างน้อย 3 ตัว

ประเด็นแรกก็คือเมื่อได้ขนาดพื้นที่ orifice ที่ต้องมีแล้ว ขนาดพื้นที่นี้ควรได้จากพื้นที่ orifice ของวาล์วจำนวน 3 ตัว (คือทำงาน 3 ตัว สำรอง 1 ตัว) หรือ 4 ตัวรวมกัน (คือให้ทั้ง 4 ตัวทำงานในเวลาเดียวกัน ไม่มีวาล์วสำรอง) เพราะถ้าใช้พื้นที่รวมของวาล์ว 4 ตัว ก็จะทำให้ขนาดพื้นที่นั้นเล็กเกินไปถ้ามีวาล์วทำงานเพียง 3 ตัว หรือจะมองว่าโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์ที่ทำให้จำเป็นต้องใช้วาล์ว 4 ตัวทำงานร่วมกันในขณะที่มีวาล์วพร้อมใช้งานเพียงแค่ 3 ตัวนั้นต่ำมาก

ประเด็นที่สองคือในกรณีของการใช้วาล์วมากกว่า 1 ตัวที่ตั้งค่าความดันให้เปิดเป็นลำดับ โดยวาล์วตัวแรกตั้งให้เปิดที่ค่า MAWP ถ้าหากมีความจำเป็นต้องนำวาล์วตัวนี้ออกจากระบบชั่วคราว (เช่นเอาไปซ่อมบำรุง) จะทำให้วาล์วตัวแรกที่เหลืออยู่จะเปิดที่ความดันที่สูงกว่า MAWP ระบบจะมีปัญาหาไหมถ้าเกิดปัญหาความดันสูงเกินในช่วงเวลานี้

ความผิดพลาดในการสื่อสาร (ระหว่างโอเปอร์เรเตอร์ที่ทำหน้าที่ควบคุมวาล์วน้ำหล่อเย็นที่เครื่องควบแน่น และโอเปอร์เรเตอร์ของหน่วยผลิตน้ำหล่อเย็นที่ควบคุมวาล์วเปิด-ปิดน้ำที่ส่งออกจากหน่วยผลิตน้ำหล่อเย็น) และการตรวจสอบตำแหน่งวาล์วว่าเปิดหรือปิด ทำให้เกิดปัญหาน้ำหล่อเย็นหายไป ตามมาด้วยการเกิดความดันสูงเกินจนวาล์วระบายความดันที่ตัวหอกลั่นทำงาน แต่ตัววาล์วระบายความดันเองก็เกิด chattering จนทำให้หน้าแปลนที่ยึดตัววาล์วเข้ากับท่อทางเข้าเกิดการคลายตัวจนทำให้มีโพรพิลีนรั่วไหลออกมา คำถามที่ตามมาก็คือหน้าแปลนเกิดการคลายตัวได้อย่างไร

รูปที่ ๒๔ การเกิด Acoustic resonance ที่นำไปสู่การคลายตัวของน็อตบริเวณหน้าแปลนจนทำให้เกิดการรั่วไหล

จากที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในหัวข้อ 5.2.3.1 ว่าลำพังการเกิด chattering อย่างเดียวไม่ใช่สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการรั่วไหล จึงจำเป็นต้องมองหาสาเหตุอื่นที่น่าจะเป็นสาเหตุหลัก

หัวข้อ 5.2.4 (รูปที่ ๒๔) จากการตรวจตัวของ bolt และ nut ที่ใช้ยึดตัววาล์วเข้ากับหน้าแปลนที่เกิดการรั่วไหลนั้น ปรากฏว่าไม่พบความเสียหายหรือรอยแตกร้าวใด ๆ (ตรงนี้ขอใช้ทับศัพท์คำ bolt และ nut เพราะภาษาไทยไปเรียกรวมว่า น็อต โดยแยกเป็นน็อตตัวผู้ (bolt หรือ สลักเกลียว) และน็อตตัวเมีย (nut) หรือแป้นเกลียว) แสดงว่าตัว nut เกิดการคลายตัวเนื่องจากการสั่นอย่างรุนแรงของระบบวาล์วระบายความดัน จนทำให้ตัว nut ค่อย ๆ คลายตัวออกอย่างช้า ๆ ซึ่งน่าจะเกิดขึ้นพร้อมกันทุกตัว

(หน้าแปลนถูกประกบเข้าด้วยกันโดยใช้ bolt และ nut ขันอัด ในการใช้งานปรกติ bolt และ nut ทุกตัวควรจะรับแรงดึงเท่า ๆ กัน (เวลาขัน nut อัดเข้าไป ตัว bolt จะยืดออก) แต่ถ้า nut เกิดการคลายตัวพร้อมกัน หน้าแปลนก็จะแยกห่างจากกันโดยที่ตัว bolt ที่ยังมีอยู่ครบทุกตัวยังช่วยกันรับแรงอยู่ แต่ถ้ามี nut ของ bolt บางตัวเกิดการคลายตัว จะทำให้ bolt ตัวนี้ไม่ได้รับแรงดึง แรงดึงบน bolt ที่เหลือจะเพิ่มสูงขึ้น และถ้าแรงดึงที่กระทำบน bolt ที่เหลืออยู่นั้นสูงเกินกว่าความแข็งแรงของวัสดุที่ใช้ทำ bolt ตัว bolt ที่เหลือก็จะฉีกขาด)

ในบทความมีการพิจารณาหลายหลายสาเหตุ แต่ข้อสรุปนั้นไปลงที่การเกิด "Acoustic resonance" ระหว่างวาล์วที่เปิดกับท่อเชื่อมต่อระหว่างตัววาล์วกับ header (ท่อหลักที่วาล์วระบายความดันทั้ง 4 ตัวเชื่อมต่ออยู่) คือจังหวะการสั่นนั้นไปทำให้เกิดคลื่นนิ่งที่มีจังหวะเดียวกันกับค่าความถี่การสั่นตามธรรมชาติ (natural frequency) ของตัววาล์วระบายความดัน จึงทำให้การสั่นเกิดรุนแรงขึ้นเรื่อย ๆ จนทำให้ nut คลายตัวออก แรงกดที่หน้าแปลนจึงหายไป โพรพิลีนจึงรั่วไหลออกมา

ปิดท้ายบทความชุดนี้ด้วยภาพเพลิงไหม้บริเวณหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนจากบทความที่นำมาเล่าให้ฟังก็แล้วกัน

รูปที่ ๒๕ ภาพเพลิงไหม้บริเวณหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน

Liquid seal และ Water seal ตอนที่ ๒ การรักษาระดับของเหลวและรักษาความดัน MO Memoir : Saturday 12 January 2556

หลังจากที่นำเรื่อง Liquid seal และ Water seal ตอนที่ ๑ ขึ้น blog ไปแล้ว ก็มีผู้ที่จบไปทำงานแล้วถามกลับมาว่า "ทำไมเราไม่แก้ปัญหาเรื่องแก๊สไหลย้อนด้วยการเอา inlet nozzle ของสาย liquid return ไปติดไว้ใต้ระดับของเหลวในถัง flash drum" (รูปที่ ๑ ซ้าย)

 รูปที่ ๑ (ซ้าย) การให้ของเหลวที่ควบแน่นจากเครื่องควบแน่นไหลลงสู่ flash drum โดยที่ปลายท่อด้านล่าง (ในวงเส้นประสีเขียว) จมอยู่ใต้ผิวของเหลวใน flash drum (ขวา) seal pot สามารถที่จะรองรับของเหลวที่มาจากเครื่องควบแน่นได้หลายตัวพร้อมกัน โดยการควบคุมให้ปลายท่อจมอยู่ใต้ผิวของเหลวใช้วิธีการให้ของเหลวไหลล้นออกจาก seal pot

ซึ่งผมก็ได้ให้คำตอบเขา (ตามความเห็นของผม) กลับไปว่า

๑. ทำได้ ถ้ามั่นใจว่าใน flash drum จะมีของเหลวท่วมปลายท่อตลอดเวลา ต้องมั่นใจว่าอัตราการเกิดของเหลวที่เกิดจากการ flash รวมกับที่ไหลมาจากเครื่องควบแน่นต้องสัมพันธ์กับปริมาณของเหลวที่สูบออก ถ้าเมื่อใดที่เกิดของเหลวน้อยในขณะที่อัตราการสูบออกยังคงเดิม ปลายท่อก็จะโผล่พ้นระดับของเหลวได้ ในกรณีของการใช้ seal pot (รูปที่ ๑ ของ Memoir ฉบับวันที่ ๑๐ มกราคม ๒๕๕๖ หรือที่วาดใหม่ในรูปที่ ๑ ขวา ของ Memoir ฉบับนี้) จะเห็นว่าเพื่อให้มั่นใจว่าปลายท่อของเหลวที่ไหลมาจากเครื่องควบแน่นนั้นอยู่ใต้ผิวของเหลวตลอดเวลา จะใช้วิธีให้ของเหลวไหลล้นออกทางรูที่อยู่สูงกว่าระดับปลายท่อ (ท่อระบายที่ก้น seal pot มีไว้ระบายของเหลวออกตอนซ่อมบำรุง)
    

๒. การใช้ U loop นั้น ถ้าช่วงไหนแก๊สที่เข้ามานั้นไม่มีของเหลว การปิดกั้นการไหลของแก๊สก็ยังคงมีอยู่ (ยังมีของเหลวเดิมค้างอยู่) หรือแม้แต่สูบของเหลวใน flash drum จนระดับของเหลวลดต่ำลงมาก การปิดกั้นการไหลของแก๊สก็ยังคงมีอยู่

  

๓. ถ้าเริ่มพิจารณาจากช่วง start up (ถังเปล่า ๆ ไม่มีอะไร) flash drum จะมีขนาดใหญ่กว่า U loop ดังนั้นต้องใช้ของเหลวในปริมาณมากกว่าในการปิดกั้นการไหลของแก๊ส

  

๔. ในกรณีที่มีเครื่องควบแน่นหลายเครื่อง แทนที่จะมี U loop ประจำแต่ละเครื่องควบแน่น ก็อาจมี Seal pot เพียงตัวเดียว แต่มีท่อไหลเข้าหลายท่อ (รูปที่ ๑ ขวา)

๕. ในบางกระบวนการ เช่น slurry phase polymerisation ที่มีการควบแน่นตัวทำละลายและป้อนกลับไปยัง reactor นั้น ถ้าหากท่อที่จุ่มใต้ของเหลวไม่มีของเหลวไหลออกตลอดเวลาหรือไหลไม่แรงพอ จะทำให้ slurry ไหลย้อนเข้าไปในท่อนั้นได้ และอาจเกิดปัญหาการอุดตันจากผงพอลิเมอร์ได้

ใน Memoir ฉบับนี้จะยกตัวอย่างการใช้ U-loop ในการรักษาระดับของเหลวและรักษาความดันใน vessel สักสองตัวอย่าง โดยตัวอย่างแรกจะเป็นกรณีของเครื่องควบแน่นชนิด shell and tube ที่แก๊สไหลในส่วน tube โดย ไหลจากบนลงล่าง ก่อนที่จะวกกลับเป็นการไหลจากล่างขึ้นบนและออกไปจากเครื่องควบแน่น

รูปที่ ๒ (ซ้าย) น้ำหล่อเย็นในส่วน shell นั้นไหลสวนทางกับแก๊สที่ไหลเข้า (ขวา) น้ำหล่อเย็นในส่วน shell ไหลในทิศทางเดียวกับแก๊สที่ไหลเข้า

ในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube หรือ double-pipe นั้น ผู้ออกแบบต้องเลือกว่าจะให้การไหลของสายที่ต้องการลดอุณหภูมิกับสายของสารระบายความร้อนนั้น (ก) ไหลสวนทางกัน หรือ (ข) ไหลในทิศทางเดียวกัน
   

การไหลแบบสวนทิศทางนั้นมีข้อดีตรงที่เราสามารถลดอุณหภูมิของสายที่ต้องการลดอุณหภูมิลงได้มาก (อาจต่ำได้ถึงประมาณอุณหภูมิขาเข้าของสารระบายความร้อนบวก 10ºC) และเพิ่มอุณหภูมิของสายที่รับความร้อนนั้นได้มาก (อาจได้สูงถึงประมาณอุณหภูมิขาเข้าของสายร้อนลบ 10ºC) ในขณะที่รูปแบบการไหลในทิศทางเดียวกันนั้นอุณหภูมิของสายระบายความร้อนและสายที่ต้องการลดอุณหภูมินั้นจะลู่เข้าหากันจนไม่สามารถถ่ายเทความร้อนให้แก่กันได้อีก
   

แต่การไหลในทิศทางเดียวกันนั้นก็มีข้อดีคือสามารถลดอุณหภูมิของสายร้อนลงได้อย่างรวดเร็วในช่วงแรก ซึ่งก็เหมาะกับงานบางประเภทเช่นเมื่อต้องการหยุดปฏิกิริยาหรือต้องการให้เกิดการควบแน่นอย่างรวดเร็ว
   

ตัวอย่างเช่นในกรณีที่แสดงในรูปที่ ๒ นั้นเป็นกรณีที่เราต้องการให้แก๊สควบแน่นอย่างรวดเร็วในช่วงแรก (ที่แก๊สไหลจากบนลงล่าง) เพื่อให้ของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นในส่วน tube นั้นไหลลงสู่ด้านล่างในทิศทางเดียวกับการไหลของแก๊สได้สะดวก ถ้าหากว่าเราป้อนของเหลวที่ใช้เป็น coolant เข้าทางด้านล่างของ shell และออกทางด้านบน เราจะไม่มีปัญหาเรื่องการเติมของเหลวให้เต็มในส่วน shell แต่เราอาจจะไม่สามารถลดอุณหภูมิแก๊สที่ไหลเข้ามาลงได้อย่างรวดเร็ว แต่ถ้าเราให้ของเหลวที่ใช้เป็น coolant ไหลเข้าทางด้านบนของ shell และออกทางด้านล่าง เราจะสามารถลดอุณหภูมิของแก๊สที่ไหลเข้ามาได้อย่างรวดเร็ว แต่จะไปมีปัญหาเรื่องการที่จะมั่นใจว่าในส่วน shell นั้นมี coolant ที่เป็นของเหลวเต็มอยู่ตลอดเวลา
  

วิธีการแก้ปัญหาเมื่อต้องการให้ของเหลวที่ใช้เป็น coolant ไหลเข้าทางด้านบนของ shell และออกทางด้านล่างและบรรจุเต็มส่วน shell ตลอดเวลานั้นทำได้โดยการเดินระบบท่อด้านขาออกนั้นให้เป็น loop ดังแสดงในรูปที่ ๓ ข้างล่าง

รูปที่ ๓ การใช้ loop เพื่อให้สามารถบรรจุ coolant ที่เป็นของเหลวได้เต็มส่วน shell ของเครื่องควบแน่น (แบบ shell and tube) และให้มั่นใจว่าจะมีของเหลวที่เป็น coolant บรรจุเต็มส่วน shell เสมอ

เพื่อให้มั่นใจว่าส่วน shell จะมีของเหลวเติมเต็มตลอดเวลานั้น ขนาดความสูงของ loop (สีเขียว) ที่แสดงในรูปที่ ๓ จึงไม่ควรต่ำกว่าระดับความสูงของส่วน shell (เส้นประสีเขียวที่แสดงไว้) ดังนั้นไม่ว่าอัตราการไหลของของเหลวที่ใช้เป็น coolant นั้นจะเพิ่มขึ้นหรือลดลง ส่วน shell ก็จะมีของเหลวเติมเต็มตลอดเวลา

การสร้าง loop ดังกล่าวยังสามารถใช้เพื่อรักษาระดับน้ำใน vessel ให้คงที่ตลอดเวลาและป้องกันไม่ให้แก๊สใน vessel รั่วไหลออกทางช่องทางระบายน้ำได้ ตัวอย่างเช่นในกรณีของ seal drum ที่ใช้กับระบบ flare system นั้น ก่อนที่แก๊สจะไหลไปถึงปากปล่อง flare stack เพื่อเผาทำลาย แก๊สดังกล่าวจะต้องผ่านเข้า seal drum ก่อน seal drum ในที่นี้เป็นเพียงแค่ vessel บรรจุน้ำเอาไว้ภายใน แก๊สที่ไหลเข้ามาจะออกทางปลายท่อที่จุ่มอยู่ใต้ผิวน้ำ (ดังนั้นระดับความลึกที่วัดจากผิวน้ำไปจนถึงปลายท่อจะเป็นค่าความดันที่ต่ำที่สุดที่แก๊สในระบบท่อ flare ต้องมี ไม่เช่นนั้นจะไม่สามารถไหลออกไปทางปากปล่อง flare stack ได้) ก่อนที่จะลอยกลับเข้าสู่ด้านบนของ seal drum และระบายออกไป (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ การใช้ loop เพื่อรักษาระดับน้ำใน seal drum และป้องกันไม่ให้แก๊สรั่วไหลออกทางท่อระบายน้ำออก

ระดับความสูง H ของ loop นั้นจะต้องมากพอที่จะรับความดันใน seal drum เมื่อมีการไหลของแก๊สสูงสุด (เช่นในกรณีที่มีเพลิงไหม้ และ vessel ต่าง ๆ ในโรงงานมีการระบายแก๊สออกทางระบบ flare พร้อมกันทั้งหมด ตัว loop นั้นจะมีท่อ vent เปิดออกสู่อากาศ (สีแดงในรูป) ท่อ vent นี้มีไว้เพื่อป้องกันการเกิดกาลักน้ำซึ่งสามารถเกิดได้ปลายท่อด้านระบายน้ำทิ้งนั้นอยู่ที่ระดับต่ำกว่าระดับน้ำในถัง และท่อด้านน้ำไหลลงนั้นมีน้ำไหลเต็มท่อ (รูปที่ ๕)

รูปที่ ๕ (ซ้าย) ในกรณีที่น้ำไหลลงล่างแบบเต็มท่อนั้นจะสามารถทำให้เกิดกาลักน้ำได้ แต่ถ้าไหลแบบไม่เต็มท่อ (ขวา) จะเป็นเสมือนกับการล้นข้ามกำแพงออกมา จะไม่เกิดปรากฏการณ์กาลักน้ำ

หน้าที่ของ seal drum คือป้องกันไม่ให้มีการแพร่ของอากาศย้อนเข้าไปในระบบท่อ flare ในกรณีที่ระบบท่อ flare ไม่มีแก๊สไหลออกหรือไหลในอัตราที่ต่ำเกินไป นอกจากนี้ยังป้องกันไม่ให้เปลวไฟที่ไหม้ย้อนกลับลงมาจากปากปล่อง flare stack (ซึ่งอาจเกิดได้ถ้าหากมีการแพร่ของอากาศย้อนเข้ามาในระบบท่อ flare) ลามเข้าไปในระบบท่อ flare โดยเปลวไฟจะมาหยุดที่ผิวหน้าน้ำที่อยู่ใน seal drum รายละเอียดเรื่อง flare system นี้ขอยกไปเป็นอีกเรื่องต่างหาก