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

Galvanic corrosion MO Memoir : Friday 7 June 2556

สิ่งหนึ่งที่ได้เรียนมาจากวิศวกรรุ่นพี่ตอนทำงานวางท่อคือ ไม่ควรให้โลหะต่างชนิดกันสัมผัสกัน (หมายความถึงมีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากัน) เพราะจะทำให้เกิดการสึกกร่อนได้
 

การสึกกร่อนที่เกิดขึ้นจากการที่โลหะต่างชนิดกันมีการเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้านั้นเรียกว่า galvanic corrosion วิธีการนี้เป็นวิธีการหนึ่งในการป้องกันไม่ให้โครงสร้างเกิดสนิม เช่นการใช้โลหะอะลูมิเนียมเป็นตัวสึกกร่อนแทนเหล็กที่เป็นตัวโครงสร้างหลักของสิ่งก่อสร้างต่าง ๆ (เช่นสะพาน ท่อ ลำตัวเรือ)
  

ในงานวางท่อในโรงงานนั้นมีการใช้ท่อที่ทำจากโลหะแตกต่างกันหลายชนิด ท่อโลหะหลัก ๆ ที่ใช้กันก็คือท่อเหล็กกล้าคาร์บอนและท่อเหล็กกล้าไร้สนิม และในบางครั้งก็ต้องมีการเดินระบบท่อที่มีการเปลี่ยนเกรดโลหะจากโลหะชนิดหนึ่งไปเป็นโลหะอีกชนิดหนึ่ง เช่นการเปลี่ยนจากท่อเหล็กกล้าไร้สนิมไปเป็นท่อเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา ที่เคยเจอนั้นตรงรอยต่อตรงนี้จะต่อกันด้วยหน้าแปลน (flange) แต่หน้าแปลนตรงนี้ที่เชื่อมต่อท่อที่ทำจากโลหะต่างชนิดเดียวกันจะแตกต่างไปจากหน้าแปลนที่เชื่อมต่อท่อที่ทำจากโลหะชนิดเดียวกันคือ หน้าแปลนตรงนี้ที่เชื่อมต่อท่อที่ทำจากโลหะต่างชนิดเดียวกันจะมีการป้องกันไม่ให้เนื้อโลหะของท่อทั้งสองชนิดนั้นมีการเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าได้ ไม่เช่นนั้นจะเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีทำให้โลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าผุกร่อนได้ ตัวอย่างการป้องกันไม่ให้เกิด galvanic corrosion ณ บริเวณรอยต่อระหว่างท่อโลหะสองชนิดที่ต่อกันด้วยหน้าแปลนแสดงไว้ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ ภาพตัดขวางหน้าแปลนที่เชื่อมต่อท่อที่ทำจากโลหะต่างชนิดกัน เช่นโลหะชนิดที่หนึ่งอาจเป็นเหล็กกล้าไร้สนิม โลหะชนิดที่สองอาจเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา ในการนี้จะมีการใส่ปลอกที่ทำจากวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้า (เช่นพลาสติก - สีเขียวในรูป) เข้าไปในรูที่จะทำการสอด stud bolt ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้ stud bolt สัมผัสกับผิวโลหะของหน้าแปลนโดยตรง และก่อนที่จะทำการขันนอตนั้นจะมีการใส่แหวนรอง (washer) ที่ทำจากวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้า (เช่นพลาสติก - สีแดงในรูป) เช่นเดียวกัน เพื่อป้องกันไม่ให้นอตตัวเมียสัมผัสกับผิวหน้าแปลนโดยตรง โดยตัวปะเก็นเองนั้นต้องไม่นำไฟฟ้าผ่านจากหน้าแปลนตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่งได้

รูปที่ ๒ ค่าศักย์ไฟฟ้าของโลหะชนิดต่าง ๆ เทียบกับ standard calomel electrode (SCE) ในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำทะเลที่ไหลผ่าน นำมาจากเอกสาร Atlas Steel Technical Note No. 7 "Galvanic Corrosion" (http://www.atlassteels.co.nz/site/pages/atlas-technical-notes.php)

ส่วนที่ว่าเมื่อโลหะสองชนิดมีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเข้าด้วยกันนั้น โลหะตัวไหนจะเป็นตัวผุกร่อนก็ดูได้จากค่าศักย์ไฟฟ้าที่แสดงในรูปที่ ๒ โลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าจะเป็นตัวผุกร่อน จากรูปที่ ๒ จะเห็นได้ว่าถ้าเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดามีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับเหล็กกล้าไร้สนิม (ที่ใช้กันมากคือเบอร์ 304 รองลงไปคือเบอร์ 316) เหล็กกล้าคาร์บอนธรรดาจะเป็นตัวผุกร่อน
 

การสัมผัสกันระหว่างเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาและเหล็กกล้าไร้สนิมของระบบท่อในโรงงานยังเกิดขึ้นที่โครงสร้างที่รองรับหรือยึดตัวท่อด้วย (ระบบ pipe support) เพราะตัวโครงสร้างหรืออุปกรณ์ยึดมักทำจากเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวโครงสร้างและระบบยึดเหล่านี้เกิดการผุกร่อน ก็ต้องป้องกันไม่ให้โครงสร้างและอุปกรณ์เหล่านี้มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับท่อเหล็กกล้าไร้สนิมโดยตรง วิธีการหนึ่งที่ใช้กันก็คือทำการรองหรือห่อหุ้มท่อเหล็กกล้าไร้สนิมตรงบริเวณที่ต้องการยึดด้วยวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้า (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ ภาคตัดขวางตัวอย่างการยึดท่อเหล็กเข้ากับโครงสร้างรองรับที่ทำจากเหล็ก โดยสมมุติว่าท่อที่วางเป็นท่อเหล็กกล้าไร้สนิม (สีแดง) เพื่อป้องกันไม่ให้มีการเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าระหว่างท่อเหล็กกล้าไร้สนิมกับตัวโครงสร้างและ U-bolt (สีเขียว) ที่ใช้ยึดท่อ (พวกนี้มักจะทำจากเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาเพราะราคาถูก) ก็ต้องมีการหุ้มห่อท่อบริเวณที่จะจับยึดเอาไว้ด้วยวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้า การทาสีป้องกันผิวเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาก่อนจะวางท่อเหล็กกล้าไร้สนิมลงไปก็ช่วยได้ในระดับหนึ่งตราบเท่าที่ชั้นสีไม่มีความเสียหาย

แต่ใช่ว่าถ้าโลหะที่แตกต่างกันสองชนิดมีการเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าแล้ว โลหะตัวที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าจะต้องเกิดการผุกร่อนเสมอไป ในเอกสาร Atlas Steels : Atlas tech note no. 7ได้ให้ข้อมูลว่า การที่จะเกิด galvanic corrosion ได้นั้น ต้องมีปัจจัยต่อไปนี้ ๓ ประการคือ
 

๑. โลหะทั้งสองชนิดนั้นจะต้องมีค่าศักย์ไฟฟ้าที่แตกต่างกัน (ควรมากเกินกว่า 0.2 V) ยิ่งแตกต่างกันมากก็มีโอกาสเกิดได้มากขึ้น (ดูรูปที่ ๒)

๒. โลหะทั้งสองชนิดนั้นต้องมีการสัมผัสกัน

๓. รอยต่อของโลหะต้องมีการเชื่อมต่อด้วยอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์ในที่นี้คือสารละลายที่นำไฟฟ้าได้

สำหรับการใช้งานในโรงงานที่ระบบท่อวางอยู่กลางแจ้งหรือในสภาพการทำงานที่มีโอกาสที่ระบบท่อจะเปียกน้ำได้ การป้องกันไม่ให้มีน้ำเปียกและขังอยู่บริเวณจุดสัมผัสซึ่งจะทำให้เงื่อนไขข้อ ๓ เป็นจริงคงทำได้ยาก การป้องกันด้วยการไม่ให้เงื่อนไขข้อ ๒ เป็นจริงด้วยคั่นด้วยวัสดุที่เป็นฉนวนจะง่ายกว่า
  

ที่นึกเขียนเรื่องนี้ขึ้นมาก็เพราะเมื่อไม่กี่สัปดาห์ที่ผ่านมา เห็นบริเวณทางเดินไปยังอาคารจอดรถที่ผมจอดอยู่เป็นประจำเขามีการกั้นรั้วเพื่อป้องกันไม่ให้มีรถจักรยานและมอเตอร์ไซค์เข้ามาจอดขวางทางเดิน ที่แปลกใจก็คือครึ่งล่างของรั้วทำจากท่อเหล็กและทาสีทับไว้ ส่วนครึ่งบนทำจากท่อเหล็กกล้าไร้สนิมและไม่มีการทาสีทับ ท่อเหล็กที่ใช้ทำรั้วครึ่งบนและครึ่งล่างต่อเข้าด้วยกันด้วยการเชื่อมโลหะดังแสดงในรูปที่ ๔
 

โดยปรกติถ้าเราใช้ท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเราก็มักจะไม่ทาสี เพราะไม่มีความจำเป็นต้องใช้สีในการป้องกันสนิม และมักต้องการแสดงพื้นผิวที่เป็นมันวาวของท่อ ถ้าต้องการทาสีทับท่อเพื่อการตกแต่งหรือด้วยเหตุผลใดก็ตาม ก็มักจะใช้ท่อเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา ดังนั้นในกรณีนี้ผมก็เลยเดาว่าโครงสร้างรั้วครึ่งล่างน่าจะทำจากท่อเหล็กกล้าธรรมดา

รูปที่ ๔ การเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าไร้สนิมเข้าด้วยกันและทาสีทับบริเวณรอยเชื่อม

ในกรณีนี้เหล็กกล้าไร้สนิมและเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดามีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากันโดยตรงผ่านทางรอยเชื่อม ดังนั้นจึงมีโอกาสที่ท่อเหล็กกล้าธรรมดาจะเกิดการผุกร่อนเนื่องจาก galvanic corrosion ได้ แต่ดูเหมือนว่าเขาจะป้องกันด้วยการทาสีปิดคลุมตรงบริเวณรอยเชื่อมระหว่างเหล็กกล้าธรรมดาและเหล็กกล้าไร้สนิมเอาไว้ ซึ่งเป็นการป้องกันไม่ให้มีหยดน้ำ (เช่นจากน้ำฝน) ทำหน้าที่เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์เชื่อมต่อโลหะทั้งสองตรงบริเวณรอยเชื่อมได้ ถ้าเป็นตามนี้ปัญหาการผุกร่อนเนื่องจาก galvanic corrosion ของท่อเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาก็คงจะไม่เกิด แต่ถ้าหากชั้นสีนี้หลุดร่อนเมื่อใด ก็คงต้องคอยตามดูกันต่อไปว่าจะเกิดอะไรขึ้น

การเกิด carbide precipitation ของเหล็กกล้าไร้สนิม (stainless steel) MO Memoir : Tuesday 18 December 2555

เมื่อสักประมาณ ๑๐ ปีที่แล้วได้รับคำสั่งให้ไปทำหน้าที่เป็นกรรมการด้านเทคนิคในการจัดซื้อครุภัณฑ์โครงการเงินกู้ธนาคารโลก สำหรับพัฒนาการเรียนการสอนระดับปริญญาตรี ของทบวงมหาวิทยาลัย

มีอยู่ครั้งหนึ่งเกิดปัญหาคณาจารย์ในคณะวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งไม่ยอมตรวจรับครุภัณฑ์ที่ผู้ขายส่งมอบ โดยอ้างว่าครุภัณฑ์ที่ได้รับนั้นไม่เรียบร้อย ครุภัณฑ์ส่วนที่เป็นปัญหาคืออ่างใส่น้ำที่ทำจากแผ่นเหล็กกล้าไร้สนิมพับขึ้นรูปเป็นรูปอ่างสี่เหลี่ยม และทำการเชื่อมรอยต่อระหว่างชิ้นส่วนที่พับขึ้นมาประกบกัน จากนั้นก็ทำการขัดรอยเชื่อมดังกล่าวให้เรียบเนียน

โดยปรกติถ้าครุภัณฑ์ที่ผู้ขายส่งมอบนั้นมีคุณลักษณะไม่ตรงตามข้อกำหนดหรือมีข้อบกพร่อง ทางผู้ซื้อก็มีสิทธิที่จะปฏิเสธไม่รับครุภัณฑ์ดังกล่าวอยู่แล้ว แต่ในกรณีนี้ครุภัณฑ์นั้นมีคุณสมบัติเป็นไปตามข้อกำหนด ประเด็นที่ต้องเชิญกรรมการทางเทคนิคเข้าไปประชุมพิจารณาให้ความเห็นคือ เหตุผลที่ทางผู้รับของปฏิเสธที่จะตรวจรับครุภัณฑ์นั้นเป็นเหตุผลที่สมเหตุสมผลหรือไม่

รูปที่ ๑ บริเวณรอยเชื่อมต่อเหล็กกล้าไร้สนิม จะเห็นสีโลหะเปลี่ยนแปลงเนื่องจากความร้อน บริเวณนี้จะเป็นจุดอ่อนที่เกิดการผุกร่อนได้ง่ายที่สุด

เหล็กกล้าไร้สนิมหรือที่เรามักนิยมเรียกทับศัพท์ว่าเหล็กสแตนเลส (stainless steel) นั้นจัดเป็นวัสดุพวกเหล็กกล้าผสมสูง (high alloy steel) โดยมีการผสม Ni และ Cr เข้าไปกับเหล็ก และมี C ตกค้างอยู่ส่วนหนึ่ง เหล็กกล้าไร้สนิมที่ใช้กันมากและพบเห็นได้ทั่วไปในชีวิตประจำวันมากที่สุดคือเบอร์ 304 และรองลงไปคือเบอร์ 316

เหล็กกล้าในกลุ่มเบอร์ 3xx นี้บางทีก็เรียกว่าเหล็กกลุ่ม 18-8 หมายถึงมี Cr 18% และ Ni 8% (องค์ประกอบโดยละเอียดของแต่ละเบอร์ก็แตกต่างกันออกไป) เบอร์ 316 นั้นมีการเพิ่ม Mo เข้ามาทำให้ทนการกัดกร่อนจากคลอไรด์ได้ดีขึ้น

วิธีการหนึ่งในการขึ้นรูปโลหะคือการเชื่อม (welding) ด้วยไฟฟ้า ในกระบวนการเชื่อมด้วยไฟฟ้าจะใช้กระแสไฟฟ้าทำให้โลหะของชิ้นงานที่ต้องการเชื่อมให้ติดกันนั้นเกิดการหลอมละลาย และในขณะเดียวกันก็จะมีการเติมโลหะ (ลวดเชื่อม) เข้าไปเติมเต็มตรงรอยต่อที่ต้องการประสานเข้าด้วยกันด้วย ลวดเชื่อมที่เติมเข้าไปก็จะเกิดการหลอมละลายรวมกับโลหะของชิ้นงานที่หลอมละลาย และเมื่อรอยเชื่อมเย็นตัวลงโลหะที่หลอมเหลวก็จะแข็งตัวประสานเป็นเนื้อเดียวกัน

สำหรับผู้ที่เรียนวิชาวัสดุวิศวกรรมมาแล้วคงทราบว่าเวลาที่เรามีโลหะหลอมเหลวนั้น ถ้าเราทำให้โลหะหลอมเหลวเย็นตัวลงด้วยอัตราเร็วที่แตกต่างกัน เราก็จะได้โลหะที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันได้ ซึ่งความรู้เรื่องนี้มีการนำมาใช้ในการชุบแข็งผิวเหล็ก ด้วยการเผาเหล็กให้ร้อนและทำให้เย็นตัวลงด้วยอัตราเร็วที่แตกต่างกัน (เช่นปล่อยให้เย็นในอากาศ แช่ในน้ำ แช่ในน้ำเกลือ หรือแช่ในน้ำมัน) ก็จะได้ชิ้นงานที่มีความแข็งและความเหนียวตามต้องการ

ถ้าเป็นเหล็กกล้าทั่วไป หลังจากขึ้นรูปชิ้นงานเสร็จแล้วก็มักจะมีการทาสีหรือเคลือบผิวเพื่อป้องกันสนิม ดังนั้นเราจึงมองไม่เห็นผิวโลหะโดยตรง แต่ถ้าเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมแล้วมักจะไม่นิยมทาสีทับ (ถ้าต้องการทาสีทับเพื่อความสวยงามก็ควรจะใช้เหล็กกล้าธรรมดาไปเลย) ทั้งนี้เพื่อต้องการอวดความเป็นมันวาวของชิ้นงาน แต่ก็ทำให้เห็นร่องรอยของรอยเชื่อมได้

สัปดาห์นี้เห็นทางมหาวิทยาลัยทำแผงเหล็กกล้าไร้สนิมรูปทรงแปลก ๆ มาติดตั้งไว้ตามที่ต่าง ๆ ซึ่งก็ยังไม่รู้เหมือนกันว่าจะติดเอาไว้เพื่อวัตถุประสงค์ใด แผงดังกล่าวดูเหมือนทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมที่เป็นท่อนสี่เหลี่ยมนำมาเชื่อมติดกัน ซึ่งหลังจากที่เชื่อมติดกันแล้วก็มีการขัดผิวตรงรอยเชื่อมให้เรียบเสมอกับผิวท่อนเหล็ก สิ่งที่เห็นตรงรอยเชื่อมต่อคือสีของเนื้อโลหะบริเวณนี้ซึ่งเป็นบริเวณที่ได้รับความร้อนสูงจะแตกต่างไปจากบริเวณที่ไม่ได้รับความร้อนสูง

ตรงรอยเชื่อมของเหล็กกล้าไร้สนิมนั้นเป็นจุดอ่อนที่สามารถเกิด "สนิม" ได้ ทั้งนี้เพราะเมื่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกิดการหลอมเหลวและเย็นตัวลงด้วยอัตราที่ไม่เหมาะสมนั้น คาร์บอนที่ตกมีอยู่เล็กน้อยในเนื้อโลหะจะจับตัวกับ Cr เกิดเป็นโครงสร้าง carbide แยกตัวออกมาที่เรียกว่า carbide precipitation ทำให้เนื้อโลหะตรงบริเวณนี้ที่เดิมมีคุณสมบัติเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมนั้นสูญเสียคุณสมบัติดังกล่าวไป แต่ปัญหานี้ก็สามารถแก้ไขหรือทุเลาได้ด้วยการให้ความร้อนที่เหมาะสมแก่รอยเชื่อมและควบคุมการเย็นตัวให้เหมาะสม หรือไม่ก็เลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำ ซึ่งได้แก่พวกที่มีอักษร L ต่อท้ายเลขเช่น 304L และ 316L ซึ่งจะมีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่าเบอร์ 304 และ 316

เหตุผลที่ทำให้ทางกรรมการตรวจรับไม่ยอมตรวจรับครุภัณฑ์ดังกล่าวคือเขาว่า water bath ที่เขาได้นั้นมันมี "สี" ทำให้เขากลัวว่าถ้าเขามันไปใช้ในการเลี้ยงเชื้อ "สี" นั้นจะละลายเข้าไปในน้ำและ "ซึมผ่าน flask" ที่เขาใช้เลี้ยงเชื้อ และส่งผลต่อเชื้อที่เขาเลี้ยงได้ ทางผู้ขายก็พยายามแก้ไขโดยการขัดและล้างบริเวณดังกล่าวแต่ "สี" นั้นก็ไม่หายไป (มันจะหายไปได้อย่างไรในเมื่อมันเป็นส่วนหนึ่งของเนื้อโลหะ) ตอนแรกที่เขาให้ผมดูครุภัณฑ์ที่เป็นปัญหานั้นเขายังไม่บอกผมว่าทางคนตรวจรับใช้เหตุผลใดในการปฏิเสธ ผมตรวจดูแล้วก็เห็นว่ามันปรกติดี เป็นไปตามข้อกำหนดทุกประการ รอยเชื่อมก็เรียบร้อยดี แต่งผิวได้เรียบร้อยดี ส่วนเรื่องสีนั้นผมเห็นว่ามันเป็นเรื่องปรกติที่ต้องเกิดเนื่องจากการเชื่อมโลหะ (บังเอิญเคยคุมงานวางท่อในโรงงานมาก่อน ก็เลยพอมีประสบการณ์ได้เห็นรอยเชื่อมท่อเหล็กกล้าไร้สนิมมาบ้าง) 

 

ซึ่งผมก็ได้ให้ความเห็นไปว่าเหตุผลที่กรรมการตรวจรับแย้งมานั้นมันไม่มีน้ำหนัก (เกรงว่าถ้าใช้คำว่าเหตุผลมันฟังไม่ขึ้นก็จะแรงเกินไป) ถ้ามีการฟ้องร้องกันก็คงแพ้คดีแน่ และก็ไม่คิดว่าจะก่อให้เกิดปัญหาอย่างที่เขากังวลด้วย

เรื่องก็ยังไม่จบแค่นั้น เพราะกรรมการตรวจรับก็ยังไม่ยอมตรวจรับอยู่ดี ต้องมีการเรียกประชุมกรรมการเทคนิคใหม่อีกรอบ มาคราวนี้ก็เลยมีการยื่นข้อเสนอว่า ถ้าทางกรรมการตรวจรับนั้นไม่ประสงค์ที่จะตรวจรับครุภัณฑ์ชิ้นดังกล่าว ก็ขอให้ส่งคืนให้กับทางทบวงมหาวิทยาลัย เพราะมีมหาวิทยาลัยหลายแห่งทราบเรื่องดังกล่าวแล้วและก็ยินดีที่จะตรวจรับเอาครุภัณฑ์ที่ท่านปฏิเสธนั้นไปใช้งานเอง

เท่านั้นเองเรื่องต่าง ๆ ก็จบลงสักที

เรื่องนี้สอนให้รู้ว่าคนที่เป็นอาจารย์มหาวิทยาลัยนั้น แม้จะจบปริญญาเอก เรียนรู้มาทางด้านสายวิทยาศาสตร์ที่ต้องใช้เหตุผล แต่เวลาทำงานเข้าจริงนั้นกลับใช้ ความเชื่อ ความรู้สึก หรือความลำเอียง ในการพิจารณาสิ่งต่าง ๆ นั้น หาได้ไม่ยากหรอก