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

API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๔) MO Memoir : Sunday 18 June 2566

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

สำหรับตอนที่ ๔ นี้ก็เป็นตอนสุดท้ายของหัวข้อที่ 2 โดยเริ่มจากหัวข้อ 2.13 (รูปที่ ๑)

หัวข้อ 2.13 PV Valve ตัวย่อ PV ในที่นี้มาจาก Pressure Vacuum วาล์วนี้เป็นวาล์วที่ใช้ระบายความดันออกจากถังเมื่อความดันในถังสูงเกิน และเปิดให้อากาศเข้าถังเมื่อความดันในถังต่ำกว่าความดันบรรยากาศ อีกชื่อเรียกหนึ่งของวาล์วประเภทนี้คือ Breather valve วาล์วจะเปิดให้มีการระบายความดันเมื่อผลคูณของ (ความดัน (pressure) ภายในถัง x พื้นที่หน้าตัดของ pallet ที่ความดันนั้นกระทำอยู่) มากกว่าแรง (force) กดให้ตัว pallet ปิด โดยตัวแรงที่กดให้ตัว pallet ปิดนั้นอาจเป็นแรงที่เกิดจาก น้ำหนักกด (weight-loaded), แรงสปริงกด (spring-loaded) หรือใช้ความดันภายในถังเองนั้นช่วยกด (pilot-operated) สำหรับคนทั่วไปคงเห็นภาพแรงที่เกิดจากน้ำหนักกดหรือสปริงได้ง่าย แต่คงนึกภาพแรงที่เกิดจากความดันภายในถังเองนั้นช่วยกดไม่ออก ดังนั้นจึงจะขอขยายความคำว่า pilot-operated สักนิดนึงก่อน

รูปที่ ๑ หัวข้อ 2.13 ถึง 2.15

รูปที่ ๒ แสดงหลักการทำงานของ pilot-operated PV valve สีน้ำเงินเข้มคือด้านความดันสูง สีอ่อนลงความดันก็จะลดลง และที่เป็นสีขาวคือเป็นความดันบรรยากาศ รูปนี้แสดงการระบายความดันสูงเกินออกจากถัง ในขณะที่วาล์วปิดอยู่นั้น (ความดันในถังต่ำกว่าความดันที่ต้องการให้ระบาย) ความดันที่ตำแหน่ง 1, 2 และ 3 จะเท่ากัน (รูปมุมล่างซ้าย) ความดันที่ตำแหน่ง 1 จะตัวดันให้ pallet ยกตัวขึ้น แต่ตัว pallet จะถูกกดเอาไว้ด้วยแรงที่เกิดจากความดันที่ตำแหน่ง 3 ที่กระทำต่อ acutator diaphragm ที่มีพื้นที่มากกว่าของ pallet ดังนั้นแรงกดให้ pallet ปิดจึงมากกว่าแรงดันให้ pallet เปิด

รูปที่ ๒ ตัวอย่างการทำงานของ piloted-operated PV valve

แต่เมื่อความดันภายในถังสูงขึ้นเรื่อย ๆ จนเอาชนะแรงกดของสปริงที่ sense chamber ได้ (ตำแหน่ง 2) การยกตัวของ diaphragm ที่ sense chamber จะไปเปิดช่อง pilot exhaust (ช่องระบายความดันที่อยู่เหนือ actuator diaphragm) และไปปิดช่อง adjustable orifice (ช่องที่ยอมให้ความดันภายในถังเข้ามากด actuator diaphragm) ทำให้ความดันเหนือ acutator diaphragm ลดต่ำลงเป็นความดันบรรยากาศ แรงกดตัว pallet ก็จะลดลงจนทำให้ความดันในถังสามารถยกตัว pallet ให้เปิดช่องทางการไหลได้ การระบายความดันก็จะเกิดขึ้น และเมื่อความดันในถังลดต่ำลงจนไม่สามารถต้านแรงสปริงที่ sense chamber ได้ ตัว diaphragm ของ sense chamber ก็จะลดต่ำลงไปปิดช่อง pilot exhaust และเปิดช่อง adjustable orifice เพื่อให้ความดันในถังนั้นเข้ามากดตัว acutator diaphragm เพื่อกด pallet ให้ปิดตัวลง

ข้อดีของรูปแบบนี้คือความแม่นยำในการเปิด ทำให้สามารถตั้งให้วาล์วเปิดเมื่อความดันเข้าใกล้ maximum operating pressure ได้มากขึ้น ถือได้ว่าเป็นการลดการสูญเสียและการปลดปล่อยสารออกสู่บรรยากาศ แต่ก็มีข้อเสียคือถ้าของเหลวในถังนั้นก่อให้เกิดปัญหาคราบสกปรกได้ เช่นของเหลวที่ร้อนในถังระเหยขึ้นมาแล้วควบแน่นกลายเป็นคราบสกปรกเกาะติดตัวท่อ pilot จนทำให้ท่อ pilot ตัน วาล์วก็จะไม่สามารถทำงานได้

หัวข้อ 2.14 rated relieving capacity ตามความหมายที่ให้ไว้คือความสามารถในการระบายของอุปกรณ์ระบายความดันเมื่อคิดในรูปของอัตราการไหลของอากาศที่สถาวะมาตรฐาน (standard) หรือสภาวะปรกติ (normal) ที่ค่าความดัน (สูงเกิน) หรือสุญญากาศ ที่กำหนดไว้ (ดังนั้นควรพึงระวังเรื่องสภาวะอ้างอิงด้วย)

ค่าอัตราการไหลนี้อิงจากอากาศ คงเป็นเพราะว่าในการทำงานปรกตินั้นของไหลที่ไหลผ่านเข้าออก PV valve ก็คืออากาศ เว้นแต่กรณีที่ของเหลวในถังนั้นเกิดเป็นไอจำนวนมาก (เช่นการเติมของเหลวที่ร้อนเข้าไปในถัง หรือการที่ของเหลวในถังผลิตไอระเหยจำนวนมากในเวลาอันสั้น - ดูหัวข้อ 2.19 เรื่อง rollover) ในกรณีเเช่นนี้ของไหลที่ไหลออกจากถังก็จะเป็นไอของของเหลวในถังเป็นหลัก)

หัวข้อ 2.15 refregerated tank หรือถังเก็บที่มีระบบทำความเย็น (ถังชนิดนี้ก็จะเป็นชนิดที่ตรงข้ามกับหัวข้อ 2.7 nonrefrigerated tank) คือถังที่เก็บของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิของอากาศแวดล้อม โดยใช้หรือไม่ใช้ระบบทำความเย็น เช่นด้วยการใช้การไหลเวียนสารทำความเย็นหรือใช้การระเหยของสารที่บรรจุอยู่ในถัง

รูปที่ ๓ หัวข้อ 2.16-2.19

ต่อไปเป็นหัวข้อ 2.16-2.19 (รูปที่ ๓)

หัวข้อ 2.16 relief device คืออุปกรณืที่ใช้ระบายความดันส่วนเกินและ/หรือสุญญากาศที่เกิดขึ้นในถัง

หัวข้อ 2.17 relieving pressure คือความดันที่ด้านขาเข้าของอุปกรณ์ระบายความดันเมื่อของไหลกำลังไหลผ่านที่ค่าอัตราความสามารถในการระบายที่ต้องการ (หัวข้อ 2.18)

ค่าความดันนี้เป็นค่าความดันที่ด้าน "ขาเข้า" ของอุปกรณ์ระบายความดัน ส่วนมันจะเท่ากับความดันในถังหรือไม่นั้นก็ต้องไปดูด้วยว่าอุปกรณ์ระบายความดันนั้นต่ออยู่กับ nozzle ของถังโดยตรง หรือมีการใช้ท่อต่อแทรกเพื่อช่วยเพิ่มระดับความสูงของอุปกรณ์ระบายความดันให้สูงขึ้น (ดูหัวข้อ 2.2 adjusted set pressure ประกอบ) ซึ่งถ้ามีการใช้ท่อต่อแทรกเพื่อเพิ่มระดับความสูง ความสูญเสียที่เกิดจากการไหลในท่อดังกล่าวสามารถทำให้ค่าความดันที่ตำแหน่งขาเข้าของวาล์วนั้นต่ำกว่าความดันที่แท้จริงในถังได้

หัวข้อ 2.18 required flow capacity คืออัตราการไหลที่ต้องการไผ่านอุปกรณ์ระบายความดัน เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความดันสูงเกินหรือสุญญากาศมากเกินไปในถัง ภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรงมากที่สุดหรือสถานการณ์ฉุกเฉิน ดังนั้นการกำหนดค่านี้ก็คงขึ้นอยู่กับว่าผู้ออกแบบนั้นคาดการณ์ว่าสภาวะการทำงานที่รุนแรงมากที่สุดที่มีโอกาสเกิดได้นั้นจะเกิดได้รุนแรงแค่ไหน

หัวข้อ 2.19 rollover ความหมายที่ให้ไว้คือการเคลื่อนที่ที่ไม่มีการควบคุมของมวลสาร (ในที่นี้คือของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง) เพื่อปรับแก้สภาวะที่ไม่มีเสถียรถาพของของเหลวที่มีความหนาแน่นต่างกันที่แบ่งชั้นกันอยู่ ส่งผลให้เกิดไอระเหยปริมาณมากอย่างรวดเร็ว

เหตุการณ์นี้มีโอกาสเกิดเมื่อของเหลวชั้นบนมีความหนาแน่นที่สูงกว่าของเหลวที่อยู่ด้านล่าง เช่นอาจเป็นเพราะของเหลวชั้นบนมีอุณหภูมิที่ลดต่ำลง (เช่นเกิดจากการสูญเสียความร้อนจากการระเหย) หรือของเหลวชั้นล่างมีอุณหภูมิที่สูงกว่า (เช่นการให้ความร้อนแก่ของเหลวในถัง เพื่อลดความหนืด จะได้ทำการสูบจ่ายได้ง่าย หรือการป้อนของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของของเหลวในถังเข้าไปในถัง - ปรกติการป้อนของเหลวเข้า tank จะป้อนเข้าทางด้านล่างของ tank) ในกรณีของของเหลวที่เป็นสารผสม (เช่นน้ำมันดิบและผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม) องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำของของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงจะระเหยกลายเป็นไอได้ง่าย แต่ด้วยการที่มันถูกกดเอาไว้ด้วยของเหลวที่มีความหนาแน่นที่สูงกว่าที่อยู่เหนือขึ้นไป จึงทำให้มันไม่สามารถระเหยกลายเป็นไอได้ แต่ถ้าเมื่อใดที่ชั้นของเหลวด้านบนที่มีความหนาแน่นที่สูงกว่าเกิดยุบตัวลง ของเหลวที่ร้อนที่เดิมอยู่ด้านล่างก็จะลอยขึ้นไปเป็นของเหลวชั้นบน และด้วยการที่ความดันที่เคยกดมันเอาไว้ไม่ให้ระเหยนั้นหายไป ของเหลวที่ร้อนก็จะระเหยกลายเป็นไอในปริมาณมากในเวลาอันสั้น ทำให้ความดันในถังเพิ่มสูงขึ้นได้อย่างรวดเร็ว

รูปที่ ๔ หัวข้อ 2.20-2.23

ต่อไปเป็นหัวข้อ 2.20-2.23 (รูปที่ ๔)

หัวข้อ 2.20 set pressure คือค่าความดัน "เกจ" (ไม่คิดรวมความดันบรรยากาศ) ที่ด้านขาเข้าของอุปกรณ์ระบายความดัน ที่ตั้งให้อุปกรณ์ระบายความดันเริ่มการทำการเปิดเพื่อระบายความดันภายใต้สภาวะการทำงานปรกติ

หัวข้อ 2.21 standard cubic feet per hour หรือลูกบาศก์ฟุตมาตรฐานต่อชั่วโมง คือค่าอัตราการไหลของแก๊สตามหน่วย USC (United States customary units) หน่วยนี้เป็นระบบเก่าที่ใช้กันในประเทศสหรัฐอเมริกา เป็นค่าอัตราการไหลของอากาศหรือแก๊สที่มีอุณหภูมิ 60ºF (หรือ 15.6ºC) ที่ค่าความดันสัมบูรณ์ 14.7 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (101.3 กิโลปาสคาล)

หัวข้อ 2.22 thermal inbreathing หรือการไหลของอากาศหรือแก๊สที่ใช้ปกคลุม (blanketing gas) เข้าไปในถัง เมื่อไอในถังนั้นหดตัวหรือควบแน่น อันเป็นผลจากสภาพอากาศเปลี่ยนแปลง (เช่นอุณหภูมิแวดล้อมลดต่ำลง หรือถังที่ตากแดดร้อนเป็นเวลานาน แล้วเจอกับฝนตกหนักในช่วงเย็น)

ในกรณีของของเหลวไวไฟ การยอมให้อากาศภายนอกไหลเข้าไปในถังเมื่อความดันในถังลดต่ำลงอาจทำให้ความเข้มข้นของอากาศภายในถังมากพอที่จะทำให้ไอผสมในถังระเบิดได้ถ้ามีพลังงานกระตุ้น ในกรณีเช่นนี้ก็จะใช้การป้อนแก๊สเฉื่อย (ปรกติก็คือแก๊สไนโตรเจน) เข้าไปเมื่อความดันในถังลดต่ำลงกว่าความดันบรรยากาศ เพื่อลดการไหลเข้าไปในถังของอากาศภายนอก

หัวข้อ 2.23 thermal outbreathing คือการไหลออกจากถังของไอระเหยในถังเมื่อไอในถังเกิดการขยายตัวและ/หรือของเหลวในถังเกิดการระเหย อันเป็นผลจากสภาพอากาศที่เปลี่ยนไป (เช่นอุณหภูมิสภาพแวดล้อมเพิ่มสูงขึ้น)

พึงสังเกตว่าหัวข้อ 2.22 และ 2.23 ไม่ได้คำนึงกรณีที่มีการสูบของเหลวออกจากถังหรือป้อนเข้าถัง ที่ทำให้ความดันในถังเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากปริมาตรที่ว่างเหนือผิวของเหลวเปลี่ยนแปลงไป

รูปที่ ๕ หัวข้อ 2.24-2.25

ต่อไปเป็นหัวข้อ 2.24-2.25 (รูปที่ ๕) ที่เป็น 2 หัวข้อสุดท้ายของหัวข้อที่ 2 นี้

หัวข้อ 2.24 vapor pressure แปลว่าความดันไอ คือความดันที่เกิดขึ้นเมื่อของเหลวอยู่ในสภาวะสมดุลกับไอของมัน ความดันไอจะขึ้นอยู่กับชนิดสารและอุณหภูมิของสารนั้น ที่อุณหภูมิเดียวกัน สารที่มีจุดเดือดต่ำจะมีความดันไอที่สูงกว่าสารที่มีจุดเดือดสูงกว่า และความดันไอจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น อุณหภูมิที่ทำให้ความดันไอเท่ากับความดันเหนือผิวของเหลวคืออุณหภูมิจุดเดือดของของเหลวนั้น

หัวข้อ 2.25 wetted area คือพื้นที่ผิวด้านในของถัง (tank) ที่สัมผัสกับของเหลว และมีความร้อนจากไฟอยู่ทางด้านนอก (ดูรูปที่ ๖)

ตรงนี้ขอให้ลองนึกภาพเวลาที่เราต้มน้ำในหม้อด้วยเตาแก๊ส ความร้อนที่โลหะได้รับจากเปลวไฟจะส่งต่อให้น้ำที่อยู่ภายใน เนื่องจากโลหะเป็นวัสดุที่นำความร้อนได้ดี ความร้อนจะถูกส่งต่อไปยังน้ำที่อยู่ในหม้อ ทำให้น้ำที่อยู่ในหม้อนั้นร้อนขึ้นจนเดือด อุณหภูมิของผิวโลหะส่วนที่สัมผัสกับของเหลวภายใน แม้ว่าจะมีเปลวไฟลนอยู่ภายนอก จะประมาณได้ว่ามีค่าเท่ากับจุดเดือดของของเหลวที่บรรจุอยู่ แต่ผิวโลหะส่วนที่ไม่ได้สัมผัสกับของเหลว (ส่วนที่อยู่เหนือกว่าระดับของเหลว) เมื่อได้รับความร้อนจากเปลวไฟจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อย ๆ จนทำให้โลหะอ่อนตัวลง ขาดความแข็งแรงในการคงรูปหรือรับความดัน

ในกรณีของ tank เก็บของเหลว ความร้อนจากเปลวไฟจะทำให้ของเหลวในถังระเหยกลายเป็นไอในปริมาณที่มากเกินกว่าระบบระบายความดันที่ออกแบบมาทำงานในสภาวะการทำงานปรกติจะระบายออกได้ทัน ถ้าความดันใน tank สะสมมากพอก็จะทำให้หลังคา tank ปลิวออกมาได้ และการตกของหลังคา tank ที่ปลิวออกมาก็มีโอกาสทำให้เกิดความเสียหายในบริเวณที่อยู่ห่างออกมา

รูปที่ ๖ wetted surface area คือบริเวณพื้นผิวที่สัมผัสกับของเหลวที่บรรจุอยู่ภายใน

วิธีการหนึ่งที่จะช่วยลดโอกาสที่ความดันใน tank จะสูงจนทำให้หลังคา tank ปลิวออกมาคือการติดตั้ง emergency relief vent ที่เป็นอุปกรณ์ที่จะเปิดเมื่อความดันในถังเพิ่มสูงขึ้นเนื่องจากระบบระบายความดันปรกติระบายออกไม่ทัน รูปที่ ๗ ข้างล่างเป็นตัวอย่างหนึ่งของ emergency relief vent ที่ใช้ปิดฝา man hole ทางด้านบนโดยใช้ตุ้มน้ำหนักเป็นตัวกด

รูปที่ ๗ ตัวอย่าง emergency relief vent ชนิดใช้น้ำหนักกดปิดฝา man hole

API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๓) MO Memoir : Saturday 10 June 2566

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

ตอนนี้ขอเริ่มด้วยหัวข้อ 2.3 (รูปที่ ๑) British thermal unit ที่ย่อว่า Btu หรือที่เราอ่านว่า บีทียู หน่วยนี้ในบ้านเราจะชินกับระบบทำความเย็น (ไม่ว่าจะเป็นเครื่องปรับอากาศหรือตู้เย็น) โดย 1 Btu เท่ากับปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ (ที่เป็นของเหลว) หนัก 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1ºF

ในหน่วย SI 1 Btu มีค่าอยู่ในช่วง 1,054-1,060 J (จาก wikipedia) สาเหตุที่มันมีได้หลายค่าก็เพราะค่าความจุความร้อน (heat capacity) ของน้ำมีค่าไม่คงที่ เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ จึงทำให้ปริมาณความร้อน 1 Btu นี้แตกต่างกันได้ ขึ้นอยู่กับว่าน้ำเริ่มต้นนั้นมีอุณหภูมิเท่าใด

รูปที่ ๑ หัวข้อ 2.3-2.5

หัวข้อ 2.4 bubble point คืออุณหภูมิที่ของเหลวเกิดฟอง ณ อุณหภูมินี้ความดันไอของของเหลวนั้นจะเท่ากับความดันเหนือผิวของเหลว ในกรณีของสารบริสุทธิ์นั้น bubble point ก็คืออุณหภูมิจุดเดือดของสารนั้นเอง ในกรณีของสารผสมที่ประกอบด้วยสารจุดเดือดต่ำและจุดเดือดสูงผสมกันอยู่ ไอที่ออกมาจากของเหลวที่อุณหภูมิ bubble point จะมีสัดส่วนของสารจุดเดือดต่ำที่สูงกว่าเฟสของเหลว

หัวข้อ 2.5 emergency venting คือการระบายความดันฉุกเฉินที่อาจต้องใช้เมื่อมีเพลิงไหม้อยู่รอบ ๆ ภาชนะรับความดัน (ความร้อนจากเปลวไฟทำให้ความดันในภาชนะรับความดันเพิ่มสูงขึ้น) หรือกรณีที่การทำงานผิดปรกติ (เช่นของเหลวที่ไหลเข้าถังมีอุณหภูมิสูงผิดปรกติ หรือขดท่อให้ความร้อนด้วยไอน้ำภายในถังเกิดแตก (เช่นถังเก็บน้ำมันที่มีจุดหลอมเหลวสูง เพื่อให้น้ำมันเป็นของเหลวจำเป็นต้องให้ความร้อนตลอดเวลาเพื่อให้สะดวกในการส่งไปตามท่อ)

รูปที่ ๒ หัวข้อ 2.6-2.8

หัวข้อ 2.6 full open position ถ้าแปลตรงตัวคือตำแหน่งที่วาล์วเปิดเต็มที่ แต่ถ้าดูคำศัพท์ที่มีการใช้คำว่า "pallet" คำนี้น่าจะเกี่ยวข้องกับพวก breather valve หรือ pressure vacuum relief valve เพราะ pallet เป็นส่วนประกอบของ breather valve ที่ใช้ปิดเส้นทางการไหล (ดูรูปที่ ๓ ข้างล่าง)

รูปที่ ๓ การเปิดของ pallet ของ breather valve ในตัวอย่างนี้ตัว pallet ด้านระบายความดันสูงเกิน (pressure pallet) เป็นแบบยกตัวขึ้นตรง ๆ ถ้าความดันในถังสูงมากก็จะยกตัวสูงขึ้นตามไปด้วย ส่วนด้านป้องกันการเกิดสุญญากาศภายในถัง (vacuum pallet) การเปิดเป็นแบบบานพับที่ระดับการยกตัวของ pallet จะขึ้นอยู่กับความดันในถังว่าต่ำกว่าความดันบรรยากาศมากแค่ไหน รูป breather valve ส่วนใหญ่ที่เห็น pallet จะเป็นแบบยกขึ้นตรงทั้งด้าน pressure และ vacuum

(ภาพจาก https://www.positivedisplacementflowmeter.com/pressure-and-vacuum-breather-valves.html)

คือปรกติถ้าเป็น safety valve ที่ใช้กับแก๊สแบบที่ใช้สปริงกด เมื่อวาล์วเปิด วาล์วจะเปิดเต็มที่ทันที แต่ถ้าเป็น breather valve ระดับการเปิดจะขึ้นอยู่กับผลต่างความดันภายในถังกับข้างนอกถัง ระดับการยกตัวของ pallet จะแปรผันตามผลต่างความดันนี้ (อ่านหลักการทำงานของ safety valve ที่ใช้กับแก๊สได้ในเรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๓" MO Memoir ฉบับวันอาทิตย์ที่ ๔ กันยายน ๒๕๕๔)

หัวข้อ 2.7 nonrefrigerated tank คือถังที่ไม่ใช้ระบบทำความเย็น ตามนิยามของเขาคือถังเก็บของเหลวที่ไม่ใช้ระบบทำความเย็นช่วยลดอุณหภูมิของเหลวที่เก็บเพื่อทำให้ของเหลวในถังมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิสภาพแวดล้อม ไม่ว่าจะทำความเย็นด้วยการระเหยของเหลวที่บรรจุอยู่ในถังหรือใช้การไหลหมุนเวียนสารทำความเย็น โดยอุณหภูมิของเหลวในถังจะประมาณเท่ากับใกล้กับหรือสูงกว่าอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม (ข้อความ "either by evaporation of the tank contents or by a circulating refrigeration system" เป็นส่วนขยายคำ "refrigeation" ที่อยู่หน้าเครื่องหมาย comma)

หัวข้อ 2.8 normal cubic meters per hour (Nm³/hr) หรือลูกบาศก์เมตรมาตรฐานต่อชั่วโมง อันนี้เป็นหน่วยวัดปริมาตรแก๊ส เพราะปริมาตรต่อหน่วยน้ำหนักหรือต่อโมลของแก๊สขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน ในที่นี้กำหนดไว้ว่าเป็นค่าที่อุณหภูมิ 0ºC และความดัน 101.3 kPa

เวลาใดก็ตามที่มีการพูดถึงสภาวะมาตรฐานของแก๊ส เป็นการดีถ้ามีการถามนิยามก่อนว่าเป็นที่อุณหภูมิและความดันเท่าใด เช่นในหน่วย SI ก็มีทั้งที่ 0, 20 และ 25ºC ความดันก็มีทั้งที่ 100.0 และ 101.3 kPa อย่างเช่นการ calibrate พวก flow meter ก็มักจะใช้ค่าที่ 25ºC ถ้าเป็น Imperial Unit ก็มีการกำหนดสภาวะมาตรฐานที่อุณหภูมิและความดันหลากหลายไปอีก ตรงนี้ถ้าได้ลองไปอ่านได้ใน wikipedia จะเห็นว่ามีตั้งกว่า 20 สภาวะมาตรฐานที่แต่ละหน่วยงานเลือกใช้ (อ่านเพิ่มเติมได้ที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_temperature_and_pressure) ก่อนปีค.ศ. ๑๙๘๒ (พ.ศ. ๒๕๒๕) IUPAC ใช้ค่า standard pressure ที่ 101.3 kPa (1 atm) แต่เปลี่ยนมาใช้ค่า 100.0 kPa (1 bar) ตั้งแต่ปีค.ศ. ๑๙๘๒

เรื่องนิยาม STP และ NTP นี่ ตอนที่ผมพึ่งจบเข้าทำงานในบริษัทก็เคยเจอปัญหานี้ ที่นิยามที่ต่างคนต่างคิดนั้นไม่ตรงกัน เรื่องนี้เคยเล่าไว้ในเรื่อง "อย่าคิดว่าคนอื่นจะคิดเหมือนเราเสมอไป" MO Memoir ฉบับวันศุกร์ที่ ๒๙ พฤษภาคม ๒๕๕๒

รูปที่ ๔ หัวข้อ 2.9-2.12

ต่อไปเป็นหัวข้อที่ 2.9-2.11 (รูปที่ ๔)

หัวข้อ 2.9 normal venting คือการระบายความดันที่ต้องมีเนื่องจากสภาวะการทำงานปรกติหรือการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศ

เช่นเวลาที่ป้อนของเหลวเข้า tank ของเหลวจะเข้าไปแทนที่ที่ว่างเหนือผิวของเหลว ดังนั้นต้องมีการระบายอากาศออกเพื่อไม่ให้ความดันในถังสูงเกิน ในทางกลับกันเวลาที่สูบของเหลวออกจากถัง ที่ว่างเหนือผิวของเหลวจะเพิ่มขึ้น จำเป็นต้องมีการระบายอากาศเข้าไปเพื่อป้องกันไม่ให้ความดันในถังต่ำกว่าความดันบรรยากาศ

ผลจากการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศเช่นของเหลวใน tank ได้รับความร้อนจากแสงแดดทั้งวัน ทำให้ของเหลวระเหยมากขึ้น จึงต้องมีการระบายความดันส่วนเกิน ในทางกลับกัน tank ที่ตากแดดร้อนทั้งวัน แล้วเจอกับฝนตกหนักที่ทำให้ไอระเหยเหนือผิวของเหลวเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว ระบบระบายความดันก็ต้องสามารถเปิดให้อากาศภายนอกไหลเข้าไปชดเชยให้ทันเวลา เพื่อป้องกันไม่ให้ tank เกิดความเสียหายจากแรงกดของอากาศภายนอกเมื่อความดันภายใน tank ต่ำกว่าความดันบรรยากาศภายนอก

หัวข้อ 2.10 over pressure คือความดันที่เพิ่มขึ้นที่ด้านขาเข้าของ Pressure Vacuum Valve (PV valve) ที่สูงกว่าค่าที่ตั้งไว้ (ค่าที่ทำให้วาล์วเปิด) คือวาล์วจะเปิดเพื่อระบายความดันเมื่อความดันภายในนั้นสูงถึงค่าที่ตั้งไว้ แต่ไม่ได้หมายความว่าเมื่อวาล์วเปิดแล้วความดันในถังจะลดลงถังที ความดันในถังยังอาจเพิ่มต่อไปได้อีก (เช่นเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนในถัง) ก่อนที่จะลดลง

ตรงนี้จะคล้าย ๆ ข้อ 2.1 accumulation แต่ในข้อ 2.1 นั้นเป็นความดันที่สูงกว่า maxium allowable working pressure หรือ design pressure แต่ข้อ 2.10 นี้เป็น set pressure ของวาล์วระบายความดัน

หัวข้อ 2.11 Petroleum ถ้าแปลตรง ๆ คือปิโตรเลียม (คำนี้จะว่าไปมันมีความหมายที่กว้างเหมือนกัน) แต่ในมาตรฐานนี้กำหนดให้หมายความถึง น้ำมันดิบ (crude oil)

แปลกใจเหมือนกันว่าถ้าเช่นนั้นทำไมไม่เรียกเป็น crude oil ไปลย หรือว่าในวงการของเขา เขามันใช้มันในความหมายนี้

หัวข้อ 2.12 Petroleum product คือผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม นิยามที่กำหนดไว้คือไฮโดรคาร์บอนหรือผลิตภัณฑ์อื่นที่ได้จากน้ำมันดิบ

หัวข้อเรื่อง Definitions ยังมีต่อ แต่วันนี้ขอพอแค่นี้ก่อน

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

เห็นอะไรไม่ชอบมาพากลไหมครับ MO Memoir : Saturday 8 February 2563

เมื่อวานมีท่านหนึ่งโพสรูปนี้บนหน้า facebook ทันทีที่เห็นเข้าผมก็รีบทักไป และกลายเป็นว่าเป็นดังที่ผมคิดเสียด้วย ว่าแต่ดูออกไหมครับว่ามันมีอะไรผิดอยู่ ลองพิจารณาเอาเองดูนะครับ รูปนี้ผมขออนุญาตท่านเจ้าของโพสแล้วนะครับ ก็เห็นเขาตอบกลับมาด้วยอิโมจิหัวเราะ ก็ถือว่าอนุญาตก็แล้วกัน ถือว่าเป็นการบันทึกเหตุการณ์เพื่อป้องกันไม่ให้คนอื่นทำพลาดเหมือนเช่นนี้อีกก็แล้วกันนะครับ

Relief valve เป็นวาล์วที่ต้องติดตั้งให้ถูกกับทิศทางการไหล มันถึงจะระบายความดันได้ครับ ถ้าใครสงสัยว่ามันคือตัวไหน หรือต้องติดตั้งอย่างไร ก็ลองค้น google ด้วยคำค้นหา "relief valve swagelok" ดูก็ได้ครับ :) :) :)

Mechanics of Materials ในงานวิศวกรรมเคมี MO Memoir : Saturday 7 April 2561

เมื่อ ๓๐ กว่าปีที่แล้วตอนที่เรียนวิศวกรรมเคมี ต้องเรียนวิชาพื้นฐานทางด้านวิศวกรรมเครื่องกล ๔ วิชาด้วยกัน วิชาแรกที่ทุกคนต้องเรียนเหมือนกันหมดคือ Engineering Drawing หรือเขียนแบบวิศวกรรมที่เรียนในปี ๑ (วิชา ๔ หน่วยกิต) ตามด้วยวิชา Statics (สถิตศาสตร์) ที่เรียนในปี ๒ เทอมต้น ปี ๒ เทอมปลายจะเรียนวิชา Dynamics (จลนศาสตร์) และ Mechanics of Materials (กลศาสตร์วัสดุ) ๓ วิชาหลังนี้เป็นวิชา ๓ หน่วยกิต รวม ๆ กันก็เป็น ๑๓ หน่วยกิต ถ้าเป็นพวกที่เรียนทางด้านโยธา สิ่งแวดล้อม สำรวจ จะเรียนวิชา Strength of Materials (กำลังวัสดุ) ที่สอนโดยภาควิชาวิศวกรรมโยธาแทนวิชา Mechanics of Materials
 

วิชาเหล่านี้ตอนเรียนใครต่อใครก็บอกกันว่ามันไม่มีสูตรอะไรให้ต้องท่องจำเลย วิชา Statics ก็มีเพียงแค่สองสูตรคือผลรวมของแรงเท่ากับศูนย์ (∑F = 0) และผลรวมของโมเมนต์เท่ากับศูนย์ (∑M = 0) วิชา Dynamics ก็มีเพียงแค่สูตรเดียวคือแรงเท่ากับผลคูณระหว่างมวลกับความเร่ง (F = ma) ส่วนวิชา Mechanics of Materials ก็มีสูตรความเค้น (stress) และความเครียด (strain) เพิ่มขึ้นมาจากวิชา Statics
 

แต่สูตรเพียงแค่ไม่กี่สูตรเท่านี้แหละ นำไปประยุกต์ใช้ได้ไม่รู้กี่รูปแบบ ใครที่เรียนด้วยการทำโจทย์เยอะ ๆ โดยที่ไม่คิดที่จะทำความเข้าใจ จะอาศัยเพียงแค่จำเอาแต่ว่าโจทย์หน้าตาอย่างนี้ให้ทำอย่างนี้แม้ว่าอาจจะรอดตัวจากการสอบไปได้ แต่คงยากที่จะเอาความรู้นั้นไปใช้งานได้ เพราะในการทำงานจริงนั้นเป็นเรื่องปรกติที่เราต้องตั้งโจทย์ใหม่ขึ้นมาเอง และก็ไม่แปลกถ้ามันจะเป็นโจทย์ที่ไม่ปรากฏในตำราใด ๆ ให้เห็นมาก่อนด้วย
 

ด้วยที่วิชานี้ต้องสอนนิสิตเป็นจำนวนมาก จำนวนผู้สอนจึงมีมากกว่าจำนวนข้อสอบที่จะออก ตอนที่กลับมาสอนหนังสือใหม่ ๆ นั้นได้รับหน้าที่ให้เป็นกรรมการประจำห้องสอบไล่ คือทำหน้าที่รับ-ส่งข้อสอบและจัดการกับปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการสอบ มีอยู่ปีหนึ่ง ในช่วงระหว่างการสอบวิชาเครื่องกลวิชาหนึ่ง (จำไม่ได้ว่าเป็นวิชาไหน แต่เป็น ๑ ใน ๓ ตัวหลักที่กล่าวมาข้างต้น) ข้อสอบมีทั้งสิ้น ๖ ข้อ ให้เวลาทำ ๓ ชั่วโมง อาจารย์หัวหน้าวิชาก็กำหนดตัวผู้สอน ๖ คน แต่ละคนให้ออกข้อสอบ ๑ ข้อในหัวข้อที่สอนที่แตกต่างกันไป ช่วงระหว่างการสอบอาจารย์หัวหน้าวิชาก็แวะเข้ามาที่ห้องสอบไล่ ขอดูข้อสอบวิชานั้นหน่อยว่าข้อสอบเป็นอย่างไรบ้าง พอพลิกดูเสร็จแกก็บอกว่า "กูยังทำไม่ได้เลย"
 

พอได้ยินอย่างนั้น อาจารย์อาวุโสภาคเครื่องกลอีกท่านหนึ่งที่อยู่ในห้องนั้นด้วยก็เลยขอดูข้อสอบด้วย พอเห็นข้อสอบก็ยังบอกเลยว่า ๓ ชั่วโมงทำได้ ๒ ข้อก็เก่งแล้ว แถมยังบอกอาจารย์หัวหน้าวิชาด้วยว่า อาจารย์ก็เตรียมตัวชี้แจงกรรมการคณะก็แล้วกัน ว่าทำไมจึงตัดเกรด C ที่ ๓๐ (จาก ๑๐๐ คะแนนเต็ม)

เหตุมันเกิดจากพออาจารย์แต่ละท่านออกข้อสอบมาแล้ว ก็มีการแซวกันเล่น ๆ ว่าทำไมข้อสอบมันง่ายจัง ก็เลยมีการปรับเปลี่ยนข้อสอบแบบเรียกว่าแต่ละคนก็เลยคัดเอาโจทย์สุดยอดยากในเรื่องนั้นมาให้นิสิตสอบกัน นิสิตก็เลยระเนระนาดกันเป็นแถว แต่นี่เป็นเหตุการณ์เมื่อราว ๆ ๒๐ ปีที่แล้ว
 

สัปดาห์ที่แล้วได้พบกับอาจารย์รุ่นน้องภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลรายหนึ่ง แกเข้ามาทักว่าช่วยเขียนอะไรเกี่ยวกับวิชา Mechanics of Materials ที่เกี่ยวกับงานวิศวกรรมเคมีให้หน่อยได้ไหม คือวิชานี้พักหลัง ๆ นี้มีนิสิตถอนกันมาก และมีการตั้งคำถามทั้งจากตัวนิสิตและอาจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเคมีบางรายว่าเรียนไปทำไม และโดยส่วนตัวผมเองผมเห็นว่าวิชาเหล่านี้ยังมีความสำคัญอยู่เพราะมันมีการนำไปใช้งานจริง วันนี้ก็เลยพยายามหาตัวอย่างบางตัวอย่างที่ไม่ยากเกินไปที่คิดว่าเกี่ยวข้องกับวิชาเหล่านี้ โดยได้เลือกเอากรณีของอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นจริงที่มีการบันทึกไว้มาเป็นตัวอย่าง

๑. They did not know what they did not know

ท่อที่ร้อนก็จะมีการยืดตัวออก ถ้าการวางท่อนั้นไม่เปิดโอกาสให้ท่อได้มีการขยายตัวได้ ก็จะเกิดความเค้นกดตามแนวความยาวของท่อ ในกรณีที่แนววางท่อนั้นเป็นแนวยาว เราก็สามารถจัดให้มี expansion loop เพื่อให้ท่อมีความยืดหยุ่นสำหรับการขยายตัว แต่ถ้าเป็นท่อช่วงสั้น ๆ ก็คงต้องใช้วิธีอื่น
 

ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ไซโคลเฮกเซน (cyclohexane) ไปเป็นไซโคลเฮกซาโนน (cyclohexanone) ที่เป็นสารมัธยันต์ในการผลิตสารตั้งต้นสำหรับเส้นใยไนลอนเกิดขึ้นในถังปฏิกรณ์แบบปั่นกวนที่มีการฉีดอากาศให้ลอยขึ้นเป็นฟองจากทางด้านล่างของถัง เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดได้รวดเร็วจึงทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง แต่เพื่อให้ไซโคลเฮกเซนคงสภาพเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูงได้ก็ต้องมีการเพิ่มความดันให้กับระบบ และเนื่องจากเวลาสัมผัสระหว่างอากาศกับไซโคลเฮกเซนมีไม่มาก ทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้น้อย เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดได้มากขึ้นจึงต้องมีการติดตั้งถังปฏิกรณ์หลายใบต่ออนุกรมกัน โดยให้ไซโคลเฮกเซนในถังที่ 1 ไหลล้นลงสู่งถังที่ 2 ที่อยู่ถัดไปในตำแหน่งที่ต่ำกว่าเล็กน้อย และเป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งถึงถังใบที่ 6 (ตามรูปที่ ๑ ข้างล่าง) และเนื่องจากระยะห่างระหว่างถังแต่ละใบมีไม่มาก จึงใช้ข้อต่ออ่อนหรือ "Bellow" (ขนาด 28 นิ้ว) เป็นตัวเชื่อมต่อการไหลระหว่างถังแต่ละถัง (เพราะระยะห่างระหว่างถังที่สั้น ถ้าใช้ท่อเชื่อมต่อก็ต้องใช้ท่อตรง แต่เมื่อท่อขยายตัวเมื่อร้อนจะทำให้เกิดแรงกดกระทำที่ตัวถังปฏิกรณ์ การใช้ bellow จะไม่ทำให้เกิดปัญหาดังกล่าว)

รูปที่ ๑ เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการออกซิไดซ์ไซโคลเฮกเซนไปเป็นไซโคลเฮกซาโนน ในเหตุการณ์ก่อนการระเบิดของโรงงานที่เมือง Flixborough ประเทศอังกฤษนั้น ถังปฏิกรณ์หมายเลข 5 เกิดการแตกร้าว เลยต้องถอดออก และทำท่อชั่วคราวเชื่อมต่อระหว่างถังปฏิกรณ์ถังที่ 4 และ 6 เข้าด้วยกัน (ในกรอบสีแดง)
 

ในเหตุการณ์การระเบิดของโรงงานที่เมือง Flixborough ประเทศอังกฤษเมื่อเดือนมิถุนายน พ.ศง ๒๕๑๗ นั้น ก่อนเกิดเหตุการณ์ประมาณ ๒ เดือนมีการตรวจพบว่าถังปฏิกรณ์ใบที่ 5 มีรอยร้าว ทำให้ต้องถอดเอาถังปฏิกรณ์ใบที่ 5 ออกจากระบบ แต่การผลิตยังสามารถทำงานได้โดยใช้ถังปฏิกรณ์อีก 5 ถังที่ยังเหลืออยู่ แต่ทั้งนี้ต้องทำการเชื่อมต่อการไหลระหว่างทางออกของถังที่ 4 และทางเข้าของถังที่ 6 เข้าด้วยกัน แต่เนื่องจากระดับท่อทางออกของถังที่ 4 นั้นอยู่สูงกว่าระดับท่อทางเข้าถังที่ 6 จึงได้มีการออกแบบให้ท่อเชื่อมต่อ (ที่มีขนาด 20 นิ้ว) นั้นมีการเปลี่ยนระดับในรูปแบบที่เรียกว่า "dog leg" (ระดับท่อทางออกของถังที่ 4 จะอยู่ตรงกับระดับท่อทางเข้าของถังที่ 5 และระดับท่อทางออกของถังที่ 5 จะอยู่ต่ำกว่าระดับท่อทางเข้าของถังที่ 5 แต่จะอยู่ที่ระดับความสูงเดียวกันกับของท่อทางเข้าของถังที่ 6) พอสร้างเสร็จแล้วก็มีหน้าตาดังแสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง คนที่ออกแบบและสร้างท่อดังกล่าวก็เป็นเพียงแค่ช่างประกอบท่อ และการ "ออกแบบ" จะว่าไปแล้วก็คือทำกันใน workshop ด้วยการร่างขนาดท่อเท่าของจริงบนพื้นโรงงานโดยไม่ได้มีการคำนวณความสามารถในการรับแรงใด ๆ ทั้งสิ้น

รูปที่ ๒ การวางท่อเชื่อมต่อที่มีลักษณะเป็น "dog leg" โดยถังที่ 6 อยู่ทางด้านซ้ายและถังที่ 4 อยู่ทางด้านขวา

เพื่อที่จะทดสอบว่าท่อที่ประกอบเข้าไปแล้วนั้นสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยหรือไม่ จึงมีการทดสอบความสามารถในการรับความดัน โดยใช้ความดันที่ใช้ในการเดินเครื่อง (คือ operating pressure นั่นแหละ) เป็นความดันสูงสุดที่ใช้ในการทดสอบ ซึ่งก็พบว่าท่อดังกล่าวสามารถรองรับความดันที่ใช้ในการเดินเครื่องนั้นได้ กระบวนการผลิตก็เลยมีการเดินเครื่องต่อมาได้อีกราว ๆ ๒ เดือน
 

ในช่วงบ่ายของวันเสาร์ที่ ๑ มิถุนายน พ.ศ. ๒๕๑๗ เกิดการรั่วไหลของไซโคลเฮกเซนปริมาณมากออกจากระบบก่อนเกิดการระเบิดขนาดใหญ่ติดตามมา อุบัติเหตุนี้ถูกบรรจุเอาไว้ในวิชา Safety ของผู้ที่เรียนทางด้านวิศวกรรมเคมี (เป็นตัวอย่างการระเบิดแบบที่เรียกว่า Unconfined Vapour Colud Explosion โดยมีแรงระเบิดประมาณไว้ระหว่าง 2 - 40 ตัน TNT ขึ้นอยู่กับว่าใช้แบบจำลองไหน ในบ้านเราก็เคยมีการระเบิดแบบนี้เกิดขึ้น ๔ ครั้งแล้ว ครั้งแรกเป็นการรั่วไหลที่โรงงานผลิตพอลิเอทิลีนของ TPI ในปลายปีพ.ศ. ๒๕๓๑ และครั้งที่ ๔ คือกรณีของบริษัท BST เมื่อเดือนพฤษภาคม พ.ศ. ๒๕๕๕)

รูปที่ ๓ แผนผังแสดงการกระทำของแรงที่มีต่อท่อ dog leg และแผนภาพโมเมนต์ดัด

รูปที่ ๑ - ๓ นำมาจากรายงานการสอบสวน "The Flixborough disaster : Report of the Court of Inquiry" ที่ตีพิมพ์เผยแพร่ในปีพ.ศ. ๒๕๑๘ (หาดาวน์โหลดไฟล์ pdf ได้ทางอินเทอร์เน็ต) ในการวิเคราะห์หาสาเหตุการรั่วไหลนั้นมีการมุ่งไปที่สองตำแหน่งด้วยกัน คือท่อ dog leg ที่สร้างขึ้นมาชั่วคราวเพื่อเชื่อมต่อการไหลระหว่างถังปฏิกรณ์ใบที่ 4 และ 6 เข้าด้วยกัน และท่อขนาด 8 นิ้วที่อยู่ใกล้เคียงกัน แต่ผลสรุปสุดท้ายให้น้ำหนักไปที่ท่อ dog leg ว่าเป็นสาเหตุของการรั่วไหล
 

ท่อตรงที่ร้อนจะขยายตัว แต่ถ้าขยายตัวไม่ได้ก็จะเกิดความเค้นกดในแนวความยาว ถ้าท่อรับแรงกดนี้ไม่ได้ ในกรณีที่เป็นท่อสั้น ท่อก็จะโป่งออกทางด้านข้าง ในกรณีที่เป็นท่อยาว ท่อก็จะเกิดการโก่งหรือโค้งออกทางด้านข้าง แต่ในกรณีของท่อที่มีลักษณะเป็น dog leg ที่แนวแกนที่ปลายทั้งสองข้างนั้นไม่ตรงกัน มันจะมีโมเมนต์ดัดและแรงเฉือนเกิดขึ้นด้วย (ดูแผนผังในรูปที่ ๓) และที่สำคัญก็คือตัวข้อต่ออ่อนหรือ bellow นั้น ไม่สามารถรับโมเมนต์ดัดหรือแรงเฉือนได้ (กล่าวคือ bellow มันเหมาะสำหรับการยืดหดในทิศทางความยาวเท่านั้น การใช้ bellow เชื่อมต่อระหว่างทางออกของถังปฏิกรณ์ถังหนึ่งกับทางเข้าของถังปฏิกรณ์อีกถังหนึ่งที่ระดับทางออกและทางเข้านี้อยู่ที่ระดับเดียวกัน ไม่ทำให้เกิดปัญหาใด ๆ) เมื่อ bellow ไม่สามารถรับแรงได้ มันก็เลยฉีกขาดออก ทำให้เกิดไซโคลเฮกเซนหลายสิบตันที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน เมื่อรั่วไหลออกมาที่ความดันบรรยากาศจึงกลายเป็นไอระเหยผสมเข้ากับอากาศได้ดี (ทำนองเดียวกันกับแก๊สหุงต้มตามบ้านเรือน)
 

การสอบสวนยังพบว่าท่อ dog leg ที่ทำขึ้นใช้ชั่วคราวนี้ไม่มีการยึดกับนั่งร้านเพื่อป้องกันการเคลื่อนตัวทางด้านข้าง ผู้ติดตั้งทำเพียงแค่วางมันไว้บนนั่งร้านเฉย ๆ เท่านั้น (รูปที่ ๒) ซึ่งเป็นความผิดพลาดสำคัญอีกข้อหนึ่ง และผลการสอบสวนยังพบอีกด้วยว่า
 

- ช่างประกอบท่อก็เป็นเพียงแค่ช่าง ที่มีฝีมือในการประกอบท่อ ไม่ได้มีความรู้ว่าท่อที่ประกอบขึ้นนั้นจำเป็นต้องได้รับการคำนวณโดย "ผู้เชี่ยวชาญ" ว่าสามารถรับแรงได้หรือไม่ รู้แต่เพียงว่าทำตามงานที่ได้รับมอบหมายให้เสร็จก็พอ
 

- ในโรงงานเองก็ไม่มีใครรู้ว่า ท่อรูปร่าง dog leg ดังกล่าวควรได้รับการพิจารณาเป็นพิเศษเรื่องการรับแรง โดยเฉพาะแรงกดที่ปลายทั้งสองข้างของท่อที่ไม่ได้อยู่ในแนวเดียวกันและทำให้เกิดโมเมนต์ดัดเกิดขึ้น
 

- เมื่อไม่มีใครคิดว่าจะมีแรงเฉือนเกิดขึ้น ก็เลยไม่มีใครเฉลียวใจว่า bellow ไม่เหมาะกับการรับแรงเฉือน
 

- วิศวกรเครื่องกลที่มีความรู้เรื่องดังกล่าวเพิ่งจะออกจากงานไป ยังไม่มีคนใหม่เข้ามาทำหน้าที่แทน ส่วนคนที่อยู่ก็ไม่รู้ว่างานลักษณะนี้ควรต้องให้ผู้มีความรู้เป็นผู้ออกแบบ
 

- ในส่วนของผู้ที่เหลืออยู่ เพื่อให้มั่นใจว่าท่อสามารถใช้งานได้ จึงทำการทดสอบความสามารถในการรับความดัน แต่การทดสอบความสามารถในการรับความดันทำสูงสุดเพียงแค่ "Operating pressure" หรือความดันในระหว่างการใช้งาน เท่านั้น ซึ่งก็พบว่า "ผ่าน" การทดสอบ
 

- แต่การจำลองท่อดังกล่าวขึ้นมาใหม่และทำการทดสอบภายหลังพบว่า ท่อดังกล่าวจะได้รับความเสียหายถ้าหากเพิ่มความดันให้สูงกว่า Operating pressure เพียงเล็กน้อย (แต่ยังต่ำกว่าความดันที่กำหนดให้วาล์วระบายความดันหรือ safety valve เปิด) ประเด็นนี้จึงมีการตั้งข้อสังเกตไว้ว่า ถ้าหากมีใครสักคนรู้ว่าการทดสอบควรทำที่ความดันที่กำหนดให้ safety valve เปิด ก็คงจะพบว่าท่อดังกล่าวรับความดันไม่ได้ อุบัติเหตุก็ไม่น่าจะเกิด
 

Prof. Trevor A. Kletz เขียนไว้ในหน้า ๖๙ ของหนังสือ "Learning from accidents in industry" ในหัวข้อเรื่อง "Flixborough" เอาไว้ว่า
 

"At the time the pipe was constructed and installed there was no professionally qualified mechanical engineer on site, though there were many chemical engineers."
 

ถึงแม้ว่าตามข้อกำหนดนั้นจะไม่ได้กำหนดให้เป็นหน้าที่ของวิศวกรเคมีโดยตรง แต่คนที่ทำงานอยู่นั้นควรต้องรู้ว่างานประเภทไหนควรต้องให้ใครมาเป็นคนตรวจสอบรับรอง และในย่อหน้าก่อนข้อความข้างบนก็ได้กล่าวประโยคว่า "They did not know what they did not know." เอาไว้

หมายเหตุ : อ่านเรื่องเพิ่มเติมเกี่ยวกับเหตุการณ์นี้และการขยายตัวของท่อร้อนได้ใน Memoir ต่อไปนี้

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๓ วันศุกร์ที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "Flixborough explosion" และ

ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๕๒๐ วันอาทิตย์ที่ ๒๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๑ เรื่อง "การเผื่อการขยายตัวของท่อร้อน"

๒. แรงปฏิกิริยาเท่ากับแรงกิริยา (Reaction = Action)

ในขณะที่ของไหลที่ไหลไปในทิศทางหนึ่ง จะมีแรงกระในทิศทางที่ตรงข้ามกัน (ตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม) ในกรณีของการไหลในท่อตรงนั้น แรงที่กระทำต่อตัวท่อจะไม่ปรากฎชัดเท่าใดนักเพราะมันอยู่ในแนวแกนท่อ แต่ในกรณีที่มีการเปลี่ยนทิศทางการไหล โดยเฉพาะการเลี้ยวเป็นมุมฉาก แรงกระทำดังกล่าวจะตั้งฉากกับแนวแกนท่อ ทำให้เกิดโมเมนต์ดัด (bending moment) มากที่สุด ในกรณีของท่อที่มีการเชื่อมต่อปลายสองข้างของท่อนั้นเข้ากับอุปกรณ์อื่น (เช่นจากปั๊มเข้าสู่ถังเก็บ) ผลของโมเมนต์ดัดนี้มักจะมองไม่เห็น (เพราะมันมีจุดยึดท่อที่ปลายด้านขาออกนั้นช่วยดึงเอาไว้) แต่ถ้าเป็นกรณีของท่อที่ระบายออกสู่บรรยากาศ (เช่นวาล์วระบายความดัน) ผลที่เกิดจากการที่ท่อไม่สามารถรับโมเมนต์ดัดดังกล่าวได้อาจนำมาซึ่งความสูญเสียที่อาจคาดไม่ถึง
 

รูปที่ ๔ นำมาจาก Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๓๒ วันเสาร์ที่ ๑๕ สิงหาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "พังเพราะข้องอเพียงตัวเดียว" ที่เล่าถึงความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการติดตั้งข้องอเพื่อเบี่ยงทิศทางการไหลของแก๊สที่พุ่งออกมาถ้าหากวาล์วระบายความดันเปิดออก และได้นำภาพตัวอย่างสิ่งที่ได้ไปพบเห็นจากการไปเดินเล่นที่โรงงานแห่งหนึ่งที่อยู่ระหว่างการเริ่มทดสอบอุปกรณ์ (ควบคุมการก่อสร้างโดยวิศวกรจากเกาหลีใต้) ส่วนรูปที่ ๕ นำมาจากหนังสือ "What Went Wrong? Case Histories of Process Plant Disasters" ฉบับพิมพ์ครั้งที่ ๒ บทที่ ๑๐ หน้า ๑๔๓ ที่เขียนโดย Prof. Trevor A. Kletz เป็นภาพความเสียหายจากโมเมนต์ดัดของท่อระบาย (tail pipe) ของวาล์วระบายความดันเมื่อวาล์วระบายความดันเปิด

รูปที่ ๔ ปลายด้านขาออกของวาล์วระบายความดัน เมื่อไม่มีการติดตั้งข้องอ (ซ้าย) และมีการติดตั้งข้องอ (ขวา) จะมีโมเมนต์ดัดกระทำต่อท่อด้วยขนาดที่แตกต่างกัน ต้องคำนึงถึงความสามารถของท่อในการรับโมเมนต์ดัดดังกล่าวด้วย

รูปที่ ๖ เห็นเหตุการณ์อุบัติเหตุในปีค.ศ. ๑๙๔๘ (พ.ศ. ๒๔๙๑ หรือเมื่อ ๗๐ ปีที่แล้ว) ที่มีผู้เสียชีวิตที่ Prof. Trevor A. Kletz เล่าไว้ในบทที่ ๒ ของหนังสือเรื่อง "Lessons from disaster : How organisations have no memory and accidents recur"
 

พันธะคู่ C=C ในน้ำมันพืชที่ได้จากธรรมชาติเป็นโครงสร้างแบบ cis เสมอ ความไม่อิ่มตัวของน้ำมันพืชแม้ว่าจะมีข้อดีในแง่ของสุขภาพแต่ก็มีข้อเสียคือทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศได้ง่ายเมื่อร้อน เกิดเป็นสารมีกลิ่นหรือเป็นพิษได้เมื่อนำไปประกอบอาหารที่ใช้อุณหภูมิสูง (กล่าวคือไม่เหมาะกับการทอด แต่ใช้ผัดอาหารได้ ว่าแต่บอกได้หรือเปล่าครับว่าทอดกับผัดต่างกันอย่างไร) ในกรณีของน้ำมันพืชที่มีความไม่อิ่มตัวสูงนั้นเพื่อที่จะลดปัญหาดังกล่าวก็จะทำการเติมไฮโดรเจน (ปฏิกิริยานี้มีชื่อว่า hydrogenation) เข้าไปที่พันธะคู่ C=C เพื่อลดความไม่อิ่มตัว กล่าวคือเปลี่ยนพันธะ C=C เป็น C-C แต่ก็อาจมีบางส่วนเปลี่ยนจากโครงสร้างแบบ cis ไปเป็นโครงสร้างแบบ trans ได้ (ที่เรียกว่าไขมันทรานส์หรือ trans fat ที่ว่ากันว่ามีอันตรายต่อสุขภาพมากกว่าไขมันอิ่มตัวอีก)
 

โครงสร้างแบบ cis นี้ทำให้โมเลกุลมีรูปร่างที่หักงอ การสัมผัสระหว่างโมเลกุลเกิดได้ไม่ดี แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจึงต่ำ ทำให้น้ำมันพืชพวกนี้มีจุดหลอมเหลวต่ำ ยิ่งน้ำมันพืชมีความไม่อิ่มตัวสูงมากขึ้น จุดหลอมเหลวก็ยิ่งลดต่ำลง แต่พอเปลี่ยนเป็นพันธะอิ่มตัว C-C โครงสร้างโมเลกุลจะตรงขึ้น การสัมผัสระหว่างโมเลกุลจะมากขึ้น ทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น จุดหลอมเหลวของน้ำมันพืชจะสูงขึ้น (เช่นอาจเปลี่ยนจากของเหลวที่อุณหภูมิห้องมาเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้องได้) ปฏิกิริยานี้จึงมีการนำมาใช้ในการสังเคราะห์เนยเทียม (มาการีน Margarine) จากน้ำมันพืชที่มีความไม่อิ่มตัวสูง (ราคาถูกกว่าเนยที่ได้จากผลิตภัณฑ์นม) ด้วยการเติมไฮโดรเจนเข้าไป จากนั้นจึงทำการแต่งสีและกลิ่น แต่ถ้าใช้น้ำมันพืชที่มีความอิ่มตัวสูง ก็ไม่ต้องใช้ปฏิกิริยานี้ช่วย

รูปที่ ๕ ท่อระบายแก๊ส (tail pipe) ของวาล์ระบายความดันที่พับงอเมื่อวาล์วระบายความดันเปิดออก

รูปที่ ๖ คนงานเสียชีวิตจากการถูกท่อที่พลิกมาฟาดที่ศีรษะ ที่เกิดจากการที่ฉีดพุ่งอย่างรวดเร็วของแก๊สที่ระบายออกทางท่อระบาย
 

โรงงานดังกล่าวทำการเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) ให้กับน้ำมันพืช โดยปฏิกิริยาเกิดที่อุณหภูมิ 270ºC ความดัน 270 bar เพื่อความปลอดภัยในการเก็บตัวอย่างจะไม่ทำการเก็บตัวอย่างจากถังปฏิกรณ์โดยตรง แต่จะเปิดให้ของเหลวในถังปฺฏิกรณ์ส่วนหนึ่งไหลผ่านท่อขนาดเล็ก (ท่อ 3/16 นิ้วในรูป) เข้าถูกถังเก็บตัวอย่างใบเล็กที่ติดตั้งอยู่เคียงข้าง (sample pot) 
  

ท่อที่ต่อเข้าถังเก็บตัวอย่างนี้จะมีวาล์วป้องกันอยู่สองตัว ตัวแรก (นับจากถังปฏิกรณ์) จะเป็นวาล์วปิด-เปิด (isolation valve) ที่สามารถปิดเปิดได้รวดเร็ว) ส่วนวาล์วตัวที่สองจะเป็นวาล์วที่ค่อย ๆ เปิด (fine adjustment valve) ในการเก็บตัวอย่างนั้นจะเปิด isolation valve ก่อน จากนั้นจึงค่อยเปิด fine adjustment valve เพื่อให้ของเหลวไหลเข้าสู่ sample pot อย่างช้า ๆ เมื่อของเหลวไหลเข้าถังเก็บแล้วก็จะปิดท่อที่มาจากเครื่องปฏิกรณ์และเก็บตัวอย่างทางท่อ drain ที่อยู่ทางด้านล่างของถังเก็บตัวอย่าง ส่วนท่อ vent นั้นมีไว้เพื่อให้แก๊สที่ละลายปนอยู่ในน้ำมันพืชนั้นระเหยออกไป ทั้งถังเก็บตัวอย่างและท่อ vent ไม่มีการยึดตรึงเอาไว้ ตัวถังเก็บตัวอย่างนั้นต่อเข้ากับท่อไหลเข้าด้วยหน้าแปลนชนิด "เกลียว"
 

สองสัปดาห์หลังติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าว พนักงานที่มาเก็บตัวอย่างพบว่าไม่สามารถเก็บตัวอย่างได้ จึงสงสัยว่าท่อคงจะเกิดการอุดตัน (จุดหลอมเหลวของผลิตภัณฑ์อยู่ที่ 20ºC) จึงตัดสินใจที่จะใช้ความดันจากถังปฏิกรณ์ดันให้ของแข็งที่อุดตันท่อนั้นหลุดออก วิธีการก็คือเปิด isolation valve แล้วค่อย ๆ เปิด fine adjustment valve แต่ในขณะที่กำลังปฏิบัติงานอยู่นั้น ท่อ vent มีการพลิกตัวฟาดลงบนศีรษะของพนักงานที่กำลังเปิดวาล์อยู่ (ผลจากการมีแก๊สฉีดพุ่งออกไปอย่างรวดเร็ว เกิดแรงในทิศทางที่ทำให้ตัวถังเก็บตัวอย่างนั้นหมุน "คลายตัว" จากตัวหน้าแปลนท่อทางเข้าได้ งานมีแม้ว่าในการออกแบบนั้นจะมีการออกแบบให้มีการยึดตรึงทั้งท่อ vent และตัวถังเก็บตัวอย่างแต่ในการติดตั้งสุดท้ายกลับถูกมองข้ามไป และท่อ vent นั้นไม่มีการให้ความร้อน ทำให้เกิดการอุดตันจากไอน้ำมันร้อนที่ระเหยและไปควบแน่นยังท่อดังกล่าวได้
 

วิชา Statics สอนให้เรารู้ว่าจะมีแรงกระทำขนาดเท่าใดที่ชิ้นส่วนแต่ละชิ้น

วิชา Mechanics of Materials สอนให้เรารู้ว่าด้วยแรงกระทำขนาดดังกล่าว ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นนั้นสามารถรองรับแรงนั้นได้โดยไม่เกิดความเสียหายหรือไม่

และท้ายสุดวิชา Dynamics สอนให้เรารู้ว่าเมื่อชิ้นส่วนมันรับแรงไม่ได้ มันจะเกิดอะไรขึ้นตามมาได้

๓. ผู้แข็งแกร่งกว่าคือผู้ชนะ

การติดตั้งนั้นต้องคำนึงถึงการเข้าถึงเพื่อการใช้งานหรือซ่อมบำรุงด้วย ในกรณีของท่อที่เดินบน pipe rack นั้น ถ้าจำเป็นต้องมีการติดตั้งวาล์วที่มีการใช้งานเป็นประจำ ก็จะทำการลดระดับท่อมายังระดับพื้นเพื่อติดตั้งวาล์วเพื่อให้สะดวกในการทำงาน ก่อนที่จะยกระดับท่อกลับขึ้นไปบน pipe rack ใหม่ เช่นตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ ๗ ข้างล่าง

รูปที่ ๗ การติดตั้งวาล์วควบคุมที่มีการยึดตรึง pipe support ไว้กับพื้นที่ปลายทั้งสองข้าง
 

รูปที่ ๗ และ ๘ นำมาจากหนังสือเรื่อง "Learning from accidents in industry" เขียนโดย Prof. Trevor A. Kletz ในบทที่ ๑๖ เรื่อง "Some pipe failures" ตัวอย่างในรูปที่ ๗ นั้นเป็นกรณีการติดตั้ง control valve ที่ต้องมี block valve ทางด้านหน้าและด้านหลัง control valve และมี valve สำหรับ bypass การไหล ซึ่งเรียกได้ว่าน้ำหนักวาล์วจำนวน 4 ตัวก็ไม่ใช่เล่นเหมือนกัน ดังนั้นต้องมี pipe support ช่วยในการรับน้ำหนัก แทนที่จะให้ท่อเป็นตัวรับน้ำหนักทั้งหมด
 

ในการติดตั้งนั้นตัว pipe support ถูกเชื่อมติดกับตัวท่อ และขาด้านล่างถูกยึดตรึงกับพื้นเอาไว้ทั้งสองขา ทีนี้ขอให้ลองนึกภาพเมื่อท่อร้อนขึ้นและเกิดการขยายตัวว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับ ตัวท่อ รอยเชื่อมระหว่างท่อกับ pipe support หรือขาของ pipe support ที่ถูกยึดตรึงเอาไว้กับพื้น ถ้าชิ้นส่วนทุกชิ้นสามารถรับแรงที่เกิดจากการขยายตัวดังกล่าวได้ก็คงไม่มีอะไรเกิดขึ้น แต่ถ้าหากแรงจากการขยายตัวดังกล่าวมีค่ามาก จุดที่แข็งแรงน้อยที่สุดก็จะเกิดความเสียหายก่อน
 

ปัญหานี้ป้องกันได้ด้วยการยึดตรึง pipe support ไว้กับพื้นเพียงข้างเดียว (หรือไม่ก็ไม่ยึดตรึงทั้งสองข้าง) ส่วนอีกข้างหนึ่งแค่วางแตะพื้นไว้เฉย ๆ เพื่อที่มันจะเคลื่อนตัวไปทางด้านข้างได้เมื่อท่อเกิดการขยายตัว
 

รูปที่ ๘ ข้างล่างเป็นตัวอย่างกรณีของท่อที่ว่างอยู่บน pipe rack และมีท่อแยกลงมาทางด้านล่าง โดยตำแหน่งท่อที่แยกนั้นอยู่ใกล้กับตำแหน่งของคาน คำถามก็คือเมื่อท่อร้อนและเกิดการขยายตัว ท่อแยกนั้นจะเคลื่อนไปทางซ้ายหรือทางขวา ถ้าเคลื่อนตัวไปทางซ้ายก็คงไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าเคลื่อนตัวมาทางขวาและชนเข้ากับคาน ที่น่าคิดก็คือจะเกิดอะไรขึ้น

รูปที่ ๘ เมื่อท่อร้อนและเกิดการขยายตัว ท่อจะเคลื่อนตัวไปทางซ้ายหรือทางขวา

ว่าแต่ว่าเราจะรู้ได้อย่างไรว่าท่อจะเคลื่อนตัวไปทางด้านไหน ผมว่าเรามาลองพิจารณากรณีสมมุติเล่น ๆ กันหน่อยดีกว่า ในรูปที่ ๙ ข้างล่างนั้นสมมุติว่าท่อสีแดงถูกตรึงไว้ที่ตำแหน่ง A และ B เมื่อท่อสีแดงร้อนและเกิดการขยายตัว ท่อสีเขียวที่แยกลงมาทางด้านจะเคลื่อนตัวไปทางซ้ายหรือทางขวา ลองพิจารณาดูนะครับว่าส่วนของท่อด้านไหนมีความยืดหยุ่นมากกว่ากัน ด้านไหนที่ยืดหยุ่นมากกว่ามันก็เคลื่อนที่ไปทางด้านนั้น

รูปที่ ๙ สมมุติว่าท่อถูกตรึงไว้ที่ตำแหน่ง A และ B เมื่อท่อร้อนและเกิดการขยายตัว ท่อสีเขียวที่แยกลงมาทางด้านล่างจะเคลื่อนตัวไปทางซ้ายหรือทางขวา
 

๔. ร้อนปะทะเย็น

ในสภาพที่เย็นจัดนั้น โลหะที่ใช้งานได้ดีในช่วงอุณหภูมิสูงอาจเปลี่ยนสภาพจากเดิมที่มีความเหนียว (คือรับแรงดึงได้ดี โดนแรงกระแทกก็ไม่มีปัญหาอะไร) มาเป็นแข็งและเปราะเหมือนแก้วได้ (คือถ้าโดนแรงกระแทกหรือมีความเค้นไม่ว่าจะเป็นการดึงหรือการกดมากระทำ ก็จะเกิดการแตกหักเหมือนแก้วได้) ดังนั้นการออกแบบอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่มีการเชื่อมต่อระหว่างด้านอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำของกระบวนการ จึงต้องหาทางป้องกันไม่ให้ process fluid ที่เย็นจัดนั้นไหลมายังด้านฝั่งอุณหภูมิสูงที่ใช้วัสดุที่ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่เย็นจัดนั้นได้
 

ในช่วงหลังเที่ยงเล็กน้อยของวันศุกร์ที่ ๒๕ กันยายน พ.ศ. ๒๕๔๑ เกิดการรั่วไหลของแก๊สไฮโดรคาร์บอนที่โรงแยกแก๊สของบริษัท Esso ที่เมือง Longford ในออสเตรเลีย ตามด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต ๒ รายและบาดเจ็บอีกเป็นจำนวนมาก รายละเอียดการสอบสวนเหตุการณ์ดังกล่าวอยู่ในรายงานเรื่อง "The Esso Longford Gas Plant Accident" ที่พอจะหาไฟล์ pdf ได้ทางอินเทอร์เน็ต (เนื้อหาในที่นี้ผมก็เอามาจากรายงานนี้) ต้นตอของการรั่วไหลพบว่าเกิดจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) ชนิด shell and tube เครื่องหนึ่งที่รูปแบบการไหลเป็นแบบ one pass ทั้งด้าน tube และด้าน shell ที่เชื่อมส่วน end cover ด้าน front end และ rear end เข้ากับตัว shell โดยตรง (รูปที่ ๑๐ และ ๑๑) โดยพบว่า end cover ด้านหนึ่งมีการแตกหลุดออกมาเป็นชิ้น (ไม่ได้ฉีกขาดเหมือนดังเช่นกรณีของโลหะที่มีความเหนียว) เหมือนกับความเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุที่เปราะเช่นแก้ว
 

ตรงนี้ถ้าใครยังไม่รู้จักว่า shell and tube heat exchanger คืออะไร สามารถอ่านได้ใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๑๕ วันพุธที่ ๑๕ กรกฎาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "ทำความรู้จัก Shell and Tube Heat Exchanger" 
  

จากการสอบสวนพบว่าช่วงเช้าของวันดังกล่าว โรงงานเกิดปัญหาในการเดินเครื่อง ทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ปรกติทำงานในช่วงอุณหภูมิ 60 - 230ºC นั้นมีอุณหภูมิลงต่ำลงเหลือ -48ºC ตั้งแต่ช่วงเช้า ทำให้เนื้อโลหะเปลี่ยนสภาพจากมีความเหนียวเป็นแข็งและเปราะ แต่จากการสอบสวนพบว่าแม้ว่าเนื้อโลหะจะมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ แต่ก็ยังสามารถรับแรงอยู่ได้เนื่องจากในช่วงเวลาดังกล่าวไปจนถึงช่วงเกิดการรั่วไหลนั้นไม่ได้มีแรงกระทำใด ๆ ที่จะทำให้โครงสร้างไม่ว่าจะเป็นส่วน end cover หรือตัว shell นั้นแตกหัก คำถามที่เกิดขึ้นก็คือ แรงกระทำให้เกิดการแตกหักมาจากไหน

รูปที่ ๑๐ โครงสร้างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นต้นตอของอุบัติเหตุ

รูปที่ ๑๑ โลหะตรงรอยเชื่อมที่เย็นจัดจะเปราะและแตกง่าย พอมีความเค้นที่เกิดจากการขยายตัวของส่วน shell ที่ร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว เลยทำให้โลหะตรงรอยเชื่อม (ที่ปรกติก็เป็นจุดอ่อนอยู่แล้ว และยังเป็นจุดสัมผัสด้วย) นั้นแตกร้าวและลามต่อไปยังตัว head ส่งผลให้ตัว end cover นั้นแตกออกเป็นชิ้น ๆ ทำให้มีแก๊สรั่วไหลออกมา

ผลการสอบสวนพบว่าในระหว่างการแก้ปัญหาการเดินเครื่องนั้น เกิดความผิดพลาดที่ทำให้มีของเหลวร้อนไหลเข้าส่วน shell โดยเร็ว ทำให้เนื้อโลหะส่วน shell ร้อนและขยายตัวอย่างรวดเร็วในขณะที่ส่วน end cover นั้น (โดยเฉพาะตรงรอยเชื่อม) ยังคงเย็นจัดอยู่ จากการคำนวณด้วยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์พบว่า ความเค้นที่เกิดขึ้นนั้นสูงเพียงพอที่จะทำให้เนื้อโลหะตรงบริเวณรอยเชื่อมและส่วน end cover ที่ยังคงเย็นจัดอยู่นั้นแตกหัก ตรงนี้ถ้านึกภาพไม่ออก ลองนึกภาพแก้วเย็น ๆ แล้วเติมน้ำเดือดลงไปโดยเร็ว บางทีเราจะเห็นแก้วนั้นแตกร้าว แต่ในกรณีของอุบัติเหตุนี้เนื่องจากในระบบมีความดันอยู่ด้วย เมื่อเกิดการแตกร้าว ชิ้นส่วนที่แตกหักนั้นก็เลยปลิวหลุดออกมา

รูปที่ ๑๒ รูปบนคือหน้าตาของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลังจากที่เพลิงสงบ เป็นภาพที่มองจากมุมด้านทิศตะวันออกเฉียงเหนือเข้ามา ส่วนรูปล่างคือแนวรอยแตกที่เกิดขึ้นกับส่วน end cover ทางด้าน east end ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ดูรูปที่ ๑๐) เมื่อมองจากด้านข้างทางด้านทิศเหนือและทิศใต้
 

ในขณะที่ระบบการศึกษานั้นมีการกล่าวถึงการพัฒนาไปทางด้านการเรียนรู้ข้ามศาสตร์ต่าง ๆ กันมากขึ้นเพื่อให้สอดคล้องกับสภาพการทำงานจริง แต่ในหลายกรณีกลับพบว่าทั้งผู้เรียนและผู้สอนมีความพยายามที่จะ (ตรงขอยืมคำพูดอาจารย์ท่านหนึ่งที่ได้ยินมาจากการทำประชาพิจารณ์เมื่อวันพฤหัสบดีที่ผ่านมานะครับ) "ขีดเส้นแบ่งสีดำหนา ๆ" ขอบเขตการเรียนรู้หรือเปล่า
 

ผมเองก็ไม่รู้ว่าตัวอย่างที่ยกมาในที่นี้พอจะทำให้เห็นความสำคัญของวิชา Mechanics of Materials สำหรับอาจารย์ที่สอนในภาควิชาวิศวกรรมเคมีและนิสิตเรียนทางด้านวิศวกรรมเคมีได้หรือไม่ (โดยเฉพาะกับตัวอาจารย์เองที่เป็นคนกำหนดเนื้อหาหลักสูตรการเรียน) แต่ส่วนตัวผมเองนั้นยังเห็นว่าสำคัญอยู่ โดยเฉพาะผู้ที่ต้องไปทำงานด้านที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบตัวอุปกรณ์และระบบท่อโดยตรง ส่วนผู้ที่ทำงานด้านการเดินเครื่องนั้น แม้ว่าจะไม่ได้เกี่ยวข้องกับการคำนวณโดยตรง แต่จำเป็นต้องรู้ขีดจำกัดและข้อควรระวังของอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ใช้อยู่ (เพราะเวลาเกิดอุบัติเหตุ คนที่ตายคือคนเดินเครื่อง ไม่ใช่คนออกแบบ)