อุบัติเหตุที่เกิดจากน้ำแข็งที่เกิดจากการระเหยของ LPG MO Memoir : Wednesday 10 June 2563

Prof. T.A. Kletz เคยเสนอแนะไว้ว่า เราควรที่จะทำการเผยแพร่อุบัติเหตุต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นและสาเหตุที่เกิด เพื่อที่ผู้อื่นจะได้ไม่ทำผิดแบบเดียวซ้ำเดิมอีก แนวความคิดนี้ก็มีบางประเทศนำไปใช้ (ที่เห็นก็มีสหราชอาณาจักรกับออสเตรเลีย) ในขณะที่ดูเหมือนว่าส่วนใหญ่นั้น จะเน้นหนักไปทางด้านการปกปิดด้วยซ้ำ แต่ถึงแม้ว่าจะมีความพยายามที่จะเผยแพร่ความผิดพลาดที่เคยเกิดขึ้นในอดีต แต่ก็มักพบว่าความผิดพลาดซ้ำแบบเดิมก็เกิดขึ้นอยู่เรื่อยเมื่อเวลาผ่านไป สาเหตุหนึ่งอาจเป็นเพราะการเผยแพร่นั้นอยู่ในวงจำกัด (ซึ่งในสมัยที่ยังไม่มีอินเทอร์เน็ตมันก็เป็นเช่นนั้น)

  

เรื่องที่นำมาเล่าให้ฟังในวันนี้เป็นเรื่องที่นำมาจาก ICI Safety Newsletter ๓ เรื่องด้วยกัน เกิดคนละที่ คนละเวลา แต่ด้วยสาเหตุแบบเดียวกัน แต่ก่อนอื่นจะขอทบทวนพื้นฐานความรู้บางเรื่องก่อน

เราสามารถใช้ความดันอัดให้แก๊สกลายเป็นของเหลวได้ก็ต่อเมื่อ อุณหภูมิของแก๊สที่ทำการอัดนั้นต้องต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤต (critital temperature) ของแก๊สนั้น แก๊สที่มีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง จึงสามารถเก็บในรูปของเหลวภายใต้ความดันได้ที่อุณหภูมิห้อง ตัวอย่างของแก๊สเหล่านี้ได้แก่ไฮโดรคาร์บอน C3 และ C4, แอมโมเนีย, คลอรีน และสารทำความเย็นต่าง ๆ ที่ใช้กับเครื่องปรับอากาศและตู้เย็น

  

เวลาที่แก๊สหรือของเหลวที่อยู่ภายใต้ความดันสูงเหล่านี้ รั่วไหลผ่านรูขนาดเล็ก ถ้าการรั่วไหลผ่านนั้นทำให้ค่า Z หรือ compressibility factor เพิ่มขึ้น (ขึ้นอยู่กับสภาวะด้านความดันสูงและด้านความดันต่ำ) ของเหลวหรือแก๊สทางด้านความดันสูงจะมีการดูดเอาความร้อนที่อยู่โดยรอบเข้ามาในตัวมัน ทำให้ด้านความดันสูงมีอุณหภูมิที่ลดต่ำลง ปรากกฏการณ์นี้เรียกว่า Joule-Thomson effect และนี่คือหลักการที่ใช้กับตู้เย็น (ที่เกิดขึ้นที่ช่องแช่แข็ง) หรือเครื่องปรับอากาศ (ที่เกิดขึ้นที่คอยล์เย็น) หรือบางครั้งอาจจะเห็นได้ที่ถังแก๊สหุงต้มที่ระหว่างเปิดแก๊สใช้ ถ้าเอามือจับก็อาจรู้สึกได้ว่าถังแก๊สนั้นเย็นลง หรือบางทีก็อาจเห็นมีหยดน้ำเกาะอันเป็นผลจากการควบแน่นของไอน้ำในอากาศที่อยู่รอบ ๆ ด้านนอกของถัง

เรื่องเกี่ยวกับ Joule-Thomson effec นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๒๒๔ วันอังคารที่ ๒๓ สิงหาคม ๒๕๕๙ เรื่อง "Compressibility factor กับ Joule-Thomson effect"

  

น้ำเป็นของเหลวที่แปลกอยู่อย่างหนึ่ง คือเมื่อมันกลายเป็นน้ำแข็ง โมเลกุลจะมีการเรียงตัวเป็นระเบียบมากขึ้น มีช่องว่างระหว่างโมเลกุลมากขึ้น ความหนาแน่นก็จะลดลง (เราก็เลยเห็นน้ำแข็งลอยบนน้ำได้) นั่นหมายถึงปริมาตรจะเพิ่มขึ้นด้วย สิ่งนี้แต่ก่อนจะเห็นได้ชัดในยุคสมัยที่เรายังกินน้ำอัดลมแบบขวดแก้วกันอยู่ น้ำอัดลมที่แช่เย็นจัดนั้นก่อนเปิดฝาจะเห็นมันเป็นของเหลว แต่เมื่อเปิดฝาขวดจะเห็นมันแข็งตัวกลายเป็นวุ้นขยายตัวขึ้นมา นั่นก็เป็นไปตามหลักของเลชาเตอลิเย (Le Chatelier's principle) เพราะเมื่อความดันของแก๊สเหนือผิวของเหลวในขวดแก้วลดลง ระบบ (ก็คือของเหลวในขวด) ก็จะพยายามปรับตัวด้วยการเพิ่มปริมาตรเพื่อชดเชยความดันที่หลายไป (คือหวังว่าปริมาตรที่เพิ่มขึ้นจะช่วยไปอัดแก๊สเหนือผิวของเหลวให้มีความดันเพิ่มมากขึ้น) ถ้าการเกิดน้ำแข็งนี้เกิดในเส้นท่อที่ปิด การขยายตัวที่เกิดขึ้นนั้นสามารถทำให้ท่อแตกได้ ในประเทศที่อากาศหนาวจัดจนน้ำกลายเป็นน้ำแข็งได้ เวลาวางท่อประปาจึงต้องทำการฝังท่อให้ลึกลงไปใต้ดินไม่น้อยกว่าระดับหนึ่งที่เรียกว่า Frost depth คือระดับความลึกที่ถ้าลึกมากกว่านี้ อุณหภูมิจะสูงกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำ (ซึ่งก็คือ 0ºC)

รูปที่ ๑ ท่อไอน้ำที่ใช้ให้ความร้อนแก่แก๊สปิโตรเลียมเหลวในถังเกิดแตกเนื่องจากไอน้ำที่ควบแน่นกลายเป็นน้ำแข็ง ของเหลวที่เกิดจากไอน้ำที่ควบแน่นนี้ถ้าจะเรียกแบบไม่ให้เข้าใจว่าเป็นอย่างอื่นได้ก็ต้องเรียกด้วยชื่อเต็มคือ steam condensate แต่ถ้ารู้อยู่แล้วว่ากำลังพูดถึงเรื่องไอน้ำอยู่ ก็เรียกว่า condensate เท่านั้นก็ได้

  

กรณีที่ ๑ ท่อไอน้ำแตกเนื่องจาก steam condensate กลายเป็นน้ำแข็ง

เรื่องนี้ (รูปที่ ๑) นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๓๘ เรื่องที่ ๕ เดือนมีนาคม ๑๙๗๒ (พ.ศ. ๒๕๑๕) ในเนื้อเรื่องไม่ได้ให้ภาพประกอบอะไรไว้ก็เลยขอวาดภาพประกอบขึ้นเอง (รูปที่ ๒ ข้างล่าง) เพื่อให้คนที่นึกภาพไม่ออกพอจะเห็นภาพ และคาดว่าถึงแม้ว่าจะแตกต่างจากของจริง แต่ก็น่าจะยังคงหลักการไว้

รูปที่ ๒ อุณหภูมิที่ลดต่ำลงทำให้ไอน้ำที่ควบแน่นในท่อไอน้ำ ขยายตัวจนท่อไอน้ำแตก แก๊ส LPG จึงรั่วไหลเข้าไปในท่อไอน้ำ ไหลผ่านวาล์วกันการไหลย้อนกลับ กระจายผ่านระบบท่อไอน้ำไปยังส่วนต่าง ๆ ของโรงงาน

ในสภาพอากาศที่ร้อนและไม่เย็นจัด และการใช้แก๊สนั้นมีไม่มาก ความร้อนของอากาศรอบ ๆ ถังก็เพียงพอที่จะทำให้แก๊ส LPG ในถังระเหยได้ทันกับความต้องการ แต่ในกรณีที่มีความต้องการใช้แก๊สมากหรือช่วงเวลาที่อากาศเย็นจัด อุณหภูมิของสภาพแวดล้อมไม่สามารถทำให้แก๊สระเหยได้ทันกับความต้องการ ดังนั้นเพื่อให้แก๊สระเหยได้ทันกับความต้องการก็ต้องมีการให้ความร้อนแก่แก๊สที่อยู่ในถัง การให้ความร้อนนี้อาจให้จากภายนอกเช่นในกรณีของถังแก๊สขนาดเล็กหรือถังแก๊สหุงต้มแบบที่ใช้กันตามบ้านเรือน วิธีการหนึ่งที่ปลอดภัยก็คือการใช้อากาศร้อนเป่าไปที่ถังแก๊ส (อุบัติเหตุที่เกิดจากการใช้ขดลวดให้ความร้อนเคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๙๘ วันพฤหัสบดีที่ ๑๑ มกราคม ๒๕๖๑ เรื่อง "ถัง LPG ระเบิดจากการได้รับความร้อนสูงเกิน" ) แต่ถ้าเป็นในระดับโรงงานอุตสาหกรรมแล้ว การให้ความร้อนผ่านผนังถังภายนอกคงไม่เหมาะสม การให้ความร้อนผ่านขดท่อไอน้ำน่าจะเหมาะสมกว่า

  

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับถังแก๊ส LPG ที่จ่ายให้กับ Furnace ต่าง ๆ ในโรงงาน ถังแก๊สนี้มีขดท่อไอน้ำอยู่ภายในเพื่อให้ความร้อนช่วยในการระเหยแก๊ส วันหนึ่งความต้องการแก๊สสูงมากจนทำให้ความดันด้านขาออกตกลงมาก แก๊สที่เป็นของเหลวในถังจึงระเหยมากขึ้น คาดว่าเหตุการณ์นี้คงทำให้การดึงความร้อนมีมากเกินกว่าที่ไอน้ำจะจ่ายให้ทัน เกิดไอน้ำที่ควบแน่นเป็นของเหลว (condensate) สะสมในท่อไอน้ำมาก (steam trap คงระบายไม่ทันด้วย) 

   

ปรกติการเกิดน้ำแข็งในท่อนั้น ถ้าเกิดเป็นช่วงสั้น ๆ ที่ปลายด้านทั้งสองด้านของก้อนน้ำแข็งนั้นเป็นปลายเปิดอยู่ น้ำแข็งก็ยังมีโอกาสขยายตัว แต่ถ้าเกิดน้ำแข็งเป็นช่วงต่อเนื่องในเส้นท่อที่ยาวนั้น โอกาสที่ท่อตอนกลางจะแตกจะมีสูง เพราะไม่มีที่ว่างให้น้ำแข็งนั้นขยายตัวออกไปได้ และอีกปัจจัยหนึ่งที่อาจมีส่วนร่วมด้วยก็คือ ถ้าท่อนั้นไม่ได้ออกแบบมาเผื่อกรณีของความเย็น โลหะที่ใช้นั้นเมื่อเย็นจัดก็จะเปลี่นจากเหนียวเป็นเปราะแทน ทำให้แตกหักได้ง่ายขึ้น

  

ในเหตุการณ์นี้ เมื่อท่อเย็นจัดจนน้ำแข็งในท่อนั้นดันให้ท่อแตก แก๊ส LPG ที่ความดันสูงกว่าไอน้ำก็ไหลเข้าระบบท่อไอน้ำ รั่วซึมผ่านวาล์วกันการไหลย้อนกลับ กระจายไปตามส่วนต่าง ๆ ของโรงงานผ่านทางท่อไอน้ำ ส่วนจะเกิดอะไรขึ้นตามมานั้นบทความไม่ได้บอกไว้

  

"วาล์วกันการไหลย้อนกลับ" นี้ถ้าเป็นภาษาอังกฤษแบบ UK จะใช้ "non-return valve" แต่ถ้าเป็นแบบ USA จะใช้ "check valve" วาล์วกันการไหลย้อนกลับนั้นมีไว้เพื่อป้องกันการไหลย้อนในปริมาณมาก แต่อย่าไว้ใจว่ามันสามารถป้องกันการรั่วซึมผ่านทีละน้อย ๆ ได้ ส่วนคำว่า "condensate" นั้นหมายถึงของเหลวที่เกิดจากไอที่ควบแน่น ส่วนของเหลวนั้นจะเป็นอะไรก็ขึ้นอยู่กับว่ากำลังพูดเรื่องอะไรอยู่ ถ้าเป็นเรื่องไอน้ำมันก็จะหมายถึง steam condensate หรือไอน้ำที่ควบแน่น ถ้าเป็นเรื่องการขุดเจาะแก๊สธรรมชาติมันจะหมายถึง natural gas condensate ซึ่งก็คือไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C5 ขึ้นไป

  

รูปที่ ๓ Bolt ที่ใช้ยึดส่วน floating head ของ shell and tube heat exchanger ฉีกขาด เนื่องจากน้ำที่อยู่ใน tube กลายเป็นน้ำแข็ง

กรณีที่ ๒ Bolt ที่ใช้ยึด floating head ขาด เมื่อน้ำใน tube กลายเป็นน้ำแข็ง

คำว่า "Bolt" ในภาษาอังกฤษ แปลเป็นไทยก็คือ "สลักเกลียว" หรือ "น็อตตัวผู้" และสิ่งที่มาคู่กันคือ "Nut" ที่ไม่ได้แปลว่าถั่ว แต่หมายถึง "แป้นเกลียว" หรือ "น็อตตัวเมีย" แต่คนไทยจะเรียกรวมไปเลยว่า "น็อต" สิ่งที่คล้ายน็อตตัวผู้แต่ปลายแหลมและไม่ต้องใช้น็อตตัวเมียช่วยในการยึดก็คือ "Screw" หรือที่แปลเป็นไทยว่า "ตะปูเกลียว" ตะปูเกลียวคือสิ่งที่เรามักจะเห็นกันในการประกอบชิ้นงานไม้ แต่ก็มีเหมือนกันที่ใช้สำหรับงานเหล็ก เช่นตะปูเกลียวที่ใช้ยึด metal sheet ที่ใช้ทำแผ่นหลังคา

  

เรื่องนี้ (รูปที่ ๓) นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๘๙ เรื่องที่ ๑ เดือนกรกฎาคม ๑๙๗๖ (พ.ศ. ๒๕๑๙) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นกับ shell and tube heat exchanger ชนิด floating head แม้ว่าในเนื้อเรื่องจะให้ภาพประกอบไว้แต่ก็ไม่ชัดเจนเท่าใด ยิ่งคนไม่รู้จัก shell and tube heat exchanger ชนิด floating head แล้ว จะมองภาพเหตุกาณ์ไม่ออกเลย ดังนั้นก็เลยจะขอเอารูปจากที่อื่นมาให้ดูเพื่อปูพื้นฐานให้ก่อน (รูปที่ ๔) 

  

รูปที่ ๔ ตัวอย่างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน Shell and tube heat exchanger ชนิด floating head ในรูปนี้ fluid ชนิดที่หนึ่งจะไหลตามเส้นสีน้ำเงิน โดยไหลเข้าทางด้าน stationary head ทางด้านซ้าย ไหลเข้าไปในท่อ (tube) ไปจนถึงส่วน floating head ที่อยู่ทางด้านขวา จากนั้นจะไหลวนกลับเข้า tube ใหม่ ไหลย้อนกลับมาทาง stationary head ที่อยู่ทางด้านซ้าย ก่อนจะไหลออกไป ส่วน fluid ชนิดที่สองจะไหลตามเส้นสีน้ำเงิน เรียกว่าไหลเข้าทางส่วน shell (ที่ห่อหุ้มส่วน tube เอาไว้) fluid ชนิดที่สองนี้จะอยู่ทางด้านนอกของ tube ระหว่างที่มันไหลผ่านไปใน shell มันก็จะแลกเปลี่ยนความร้อนกับ fluid ชนิดที่หนึ่งที่ไหลอยู่ใน tube ด้าน floating head cover (ด้านขาว) นั้นแค่วางอยู่ในส่วน shell cover ดังนั้นมันจะเลื่อนไปทางซ้ายหรือทางขวาได้ตามการยืดหรือหดตัวของ tube คือถ้า tube ยืดตัวมันก็จะขยับไปทางขวา ถ้า tube หดตัวมันก็จะขยับไปทางซ้าย การออกแบบเช่นนี้ก็เพื่อไม่ต้องการให้เกิด thermal stress เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนเพราะตัว tube กับตัว shell นั้นมีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน จึงมีอัตราการขยายตัวที่แตกต่างกัน ถ้าออกแบบให้ส่วน tube bundle กับ shell นั้นยึดติดกัน ก็อาจเกิดความเค้นที่สูงที่เกินกว่า tube หรือ shell จะรับได้ ส่วนตัวไหนจะพังก่อนก็ขึ้นอยู่กับว่าใครอ่อนแอกว่ากัน (รูปนี้นำมาจาก https://www.quora.com/What-is-a-floating-head-type-heat-exchanger-Mention-the-significance)

เหตุการณ์นี้เกิดกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ชนิด floating head ที่ใช้แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างน้ำหล่อเย็น (ที่ไหลใน tube) กับโพรพิลีนเหลว (ที่ไหลใน shell) ในระหว่างการหยุดเดินเครื่องโรงงานมีการปิดวาล์วน้ำหล่อเย็นเข้าและออก (มีน้ำขังอยู่เต็มทั้งในส่วน tube และ head) ตามด้วยการลดความดันในระบบด้วยการระบายโพรพิลีนเหลวที่ค้างอยู่ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนออก ในขณะที่โพรพิลีนระเหยออกไป อุณหภูมิภายในลดต่ำลงเรื่อย ๆ จนทำให้น้ำใน tube นั้นแข็งตัว การขยายตัวของน้ำแข็งทำให้สลักเกลียวที่ยึด floating head cover ไว้กับ floating tube sheet เอาไว้ขาดจำนวน ๗ ตัว และด้วยการที่ส่วนนี้มันถูกปิดซ่อนเอาไว้ภายใน โอเปอร์เรเตอร์จึงไม่รู้ว่าข้างในเกิดอะไรขึ้น เห็นแต่มีน้ำแข็งเกาะอยู่ที่ผิวด้านนอก แต่ไม่ทราบว่าความหมายคืออะไร ดังนั้นเมื่อโรงงานกลับมาเดินเครื่องอีกครั้ง โพรพิลีนจึงไหลย้อนเข้าไปในระบบท่อน้ำหล่อเย็นก่อนไปทำให้ท่อน้ำหล่อเย็นแตก ตามด้วยการระเบิดของโพรพิลีนที่รั่วออกมา

  

ข้อพึงปฏิบัติที่ได้จากบทเรียนนี้คือ ควรให้น้ำหล่อเย็น "ไหลผ่าน" ตลอดเวลาที่ทำการลดความดัน เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง (คือน้ำที่ไหลออกมาอาจจะเย็นลง แต่มันปลอดภัยกว่าการที่มันเป็นน้ำแข็งใน tube)

ถ้าการที่น้ำกลายเป็นน้ำแข็งมันก่อปัญหา ดังนั้นถ้าหากในท่อนั้นมันเป็นท่อเปล่าที่ไม่มีน้ำ ปัญหาก็ไม่น่าจะเกิด และก็มีคนคิดเช่นนี้และทำอย่างนี้จริง

  

แต่ก็ไม่วายที่ยังเกิดปัญหาได้อีก ซึ่งนี้ก็คือเรื่องต่อไปที่นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๑๓๐ เรื่องที่ ๓ เดือนธันวาคม ๑๙๗๙ (พ.ศ. ๒๕๒๒) 

   

กรณีที่ ๓ น้ำที่ค้างอยู่ใน tube ทำให้ tube แตกเมื่อน้ำใน tube กลายเป็นน้ำแข็ง

เรื่องสุดท้ายของ Memoir ฉบับนี้ (รูปที่ ๕) นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๑๓๐ เรื่องที่ ๓ เดือนธันวาคม ๑๙๗๙ (พ.ศ. ๒๕๒๒) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube เช่นกัน ที่มีน้ำไหลอยู่ทางด้าน tube และโพรเพนไหลทางด้าน shell

  

รูปที่ ๕ น้ำที่ค้างอยู่ใน tube ทำให้ tube แตกเมื่อมันกลายเป็นน้ำแข็ง

ในการหยุดเดินเครื่องเพื่อทำการซ่อมบำรุง ทางโรงงานได้ระบายน้ำออกจากส่วน tube ก่อน จากนั้นจึงค่อยลดความดันทางด้าน shell ด้วยการระบายโพรเพนออก แต่บังเอิญบาง tube นั้นมีสิ่งสกปรกอุดตัน ทำให้ยังคงมีน้ำค้างอยู่ในบาง tube (เรื่องนี้ยากที่จะตรวจสอบเว้นแต่จะทำการเปิด shell cover เพื่อตรวจ tube) และเมื่ออุณหภูมิเย็นลง (อันเป็นผลจากการระเหยของโพรเพน) จนน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง การขยายตัวของน้ำแข็งที่เกิดขึ้นก็ทำให้ tube เสียหายไปเป็นจำนวนถึง 22 tube (ที่ใช้คำว่า "tube" ก็เพื่อต้องการระบุว่ามันไม่ใช่ "pipe" สองคำนี้แปลเป็นไทยออกมาเป็นคำ ๆ เดียวกันคือ "ท่อ" แต่ความหมายในภาษาอังกฤษนั้นมันแตกต่างกันอยู่)

  

ตรงนี้อาจมีคนสงสัยว่าแม้ว่าจะใช้วิธีให้มีน้ำไหลผ่านตลอดในขณะที่ลดความดันทางด้านฝั่ง shell ในท่อที่อุดตัน (ที่น้ำที่ค้างอยู่ไม่มีการไหลออก) จะไม่กลายเป็นน้ำแข็งหรือ คำตอบก็คือการไหลผ่านของน้ำ (น้ำที่ไหลเข้ามาทำหน้าที่เหมือนกับนำความร้อนเข้ามา) จะช่วยป้องกันไม่ให้อุณหภูมิภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนลดต่ำลงจนทำให้น้ำที่อยู่ในท่อที่อุดตันกลายเป็นน้ำแข็งได้ เหตุการณ์แบบนี้ก็จะไม่เกิด

จะว่าไปแล้ว อุบัติเหตุที่รุนแรงที่สุดที่เกิดจากการที่น้ำเป็นน้ำแข็งในขณะที่แก๊ส LPG ลดความดันเมื่อไหลผ่านวาล์วนั้นน่าจะเป็นกรณีของการระเบิดของถังเก็บ LPG ที่เมื่อ Feyzin (ถามคนรู้ภาษาฝรั่งเศส เขาบอกว่าอ่านว่า "เฟแซง") ประเทศฝรั่งเศสเมื่อเดือนมกราคม ปีค.ศ. ๑๙๖๖ (พ.ศ. ๒๕๐๙) เหตุการณ์นี้เคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๖๔๐ วันอาทิตย์ที่ ๗ กรกฎาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "การระเบิดของถัง LPG ที่เมือง Feyzin ประเทศฝรั่งเศส" ที่ได้กลายเป็นกรณีศึกษาของวิศวกรรมเคมีเรื่องความปลอดภัยในการทำงานและออกแบบ

ท่อชั่วคราว (Temporary piping) MO Memoir : Saturday 28 December 2562

เมื่อ ๘ ปีที่แล้วมีนิสิตป.เอกคนหนึ่งมาปรึกษาผมเรื่องที่ saturator ที่เขาใช้ในการระเหยสารตั้งต้นที่เป็นของเหลวเพื่อนำไปทำปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส (ใน fixed-bed ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้อง) นั้นเกิดระเบิด ผมก็เลยถามว่าระเหยอะไร ใช้แก๊สอะไรเป็น carrier gas เขาก็ตอบกลับมาว่าเขาระเหยเอทานอลบริสุทธิ์โดยใช้แก๊สออกซิเจน 100% เป็น carrier gas พอผมถามกลับไปว่าทำไมถึงใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์เป็น carrier gas เขาก็ตอบกลับมาว่า "ผมก็ทำแบบที่อาจารย์ทำ" ("อาจารย์" ในที่นี้ก็คือตัวผมเอง) ผมก็เลยต้องอธิบายให้เขาเข้าใจว่ามันไม่เหมือนกัน เพราะของเหลวที่ผมระเหยนั้นมันคือน้ำ และที่ผมใช้ออกซิเจนเป็น carrier gas นั้นก็ด้วยข้อจำกัดด้านอุปกรณ์และอัตราการไหล เหตุการณ์นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๖๓ วันศุกร์ที่ ๑๔ ตุลาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "อุบัติเหตุจาก Saturator"
  

ที่ยกเรื่องนี้ขึ้นมาก่อนก็เพราะอยากจะบอกว่าเวลาที่เราไปเห็นคนอื่นทำอะไรบางอย่างและอยากทำแบบเข้าบ้าง สิ่งสำคัญที่ต้องรู้ก็คือ "หลักการ" เพราะหลักการเป็นตัวกำหนดรายละเอียดต่าง ๆ ของ "วิธีการทำงาน" ดังนั้นด้วยงานแบบเดียวกันถ้าเราเข้าใจหลักการแล้วเราก็อาจจะปรับวิธีการทำงานให้เหมาะสมกับบริบทของเราก็ได้โดยไม่ต้องทำทุกอย่างตามตัวอย่างที่ไปเห็นมา แม้แต่งานวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการเช่นการวัดพื้นที่ผิววัสดุมีรูพรุนด้วยเทคนิค single point BET ที่หลายคนวัดแล้วมีปัญหาว่าค่าที่ได้นั้นมักจะต่ำกว่าค่าที่ควรเป็น นั่นก็เป็นเพราะเขาไปยึดติดกับ "วิธีการ" ที่ว่าต้องทำการไล่แก๊สที่อุณหภูมินั้นเป็นเวลานานเท่านี้ชั่วโมง ทั้ง ๆ ที่ควรจะยึดติดกับ "หลักการ" ก็คือต้องกำจัดแก๊สที่ไม่ใช่ He ออกจากรูพรุนให้หมด ส่วนจะต้องใช้อุณหภูมิสูงแค่ไหนและเวลานานเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับขนาดและปริมาตรรูพรุนของตัวอย่าง ซึ่งตรงนี้ต้องทำการทดลองเพื่อหาเอาเอง
  

อุปกรณ์การผลิตพวก pressure vessel มักจะมีขนาดใหญ่และไม่มีการติดตั้งตัวสำรองที่เผื่อไว้เวลาที่ตัวหลักมีปัญหา (การติดตั้งตัวสำรองนี้เป็นเรื่องปรกติสำหรับปั๊มที่ทำงานตลอด ๒๔ ชั่วโมง) อาจมียกเว้นบางกรณีที่รู้ว่ากระบวนการผลิตนั้นก่อให้เกิดปัญหาเป็นประจำ เช่นกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่อาจมีการอุดตันบ่อยครั้งที่ต้องมีการถอดล้างทำความสะอาด ในกรณีเช่นนี้ก็จะออกแบบให้มีระบบสำรองเพื่อใช้งานเวลาที่ต้องทำความสะอาดตัวหลัก หรือเบดสารดูดซับที่เมื่อดูดซับจนอิ่มตัวแล้วก็ต้องมีการ regenerate เพื่อให้สามารถใช้งานได้ใหม่ ก็จะมีการติดตั้งเบดสำรองเพื่อไว้ใช้งานในระหว่างการ regenerate ตัวเบดหลัก 
   

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เป็นเรื่องของการทำงานแบบเดียวกัน แต่ผลออกมาไม่เหมือนกัน คือการติดตั้งท่อชั่วคราว (temporary piping) เข้าแทน pressure vessel ที่ต้องนำออกไปซ่อม ซึ่งผลออกมาที่มีทั้งกรณีที่ทำงานได้ดี กรณีที่ตรวจพบปัญหาก่อนเริ่มใช้งาน และกรณีที่กลายเป็น case study

กรณีที่ ๑ : Reactor ที่ต่ออนุกรมกันอยู่

การรั่วไหลของ cyclohexane ที่เกิดจากการพังของ temporary pipe ที่ใช้เชื่อมต่อระหว่าง reactor สองตัวเข้าด้วยกันกลายเป็น case study ของวิศวกรรมเคมี ในกระบวนการนี้ cylcohexane ที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูง (คือที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยามันเป็นของเหลวเพราะอยู่ภายใต้ความดัน แต่จะกลายเดือดเป็นไอถ้ารั่วออกมาที่ความดันบรรยากาศ) จะไหลเข้าสู่ reactor ตัวที่ ๑ และไหลล้นลงสู่ตัวที่ ๒ ต่อไปเรื่อย ๆ จนไปถึงตัวที่ ๖ ก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการเพื่อแยกเอาผลิตภัณฑ์ออกจากสารตั้งต้น
    

รูปที่ ๑ ลักษณะการต่อท่อชั่วคราวขนาด ๒๐ นิ้วเข้าแทน reactor ตัวที่ ๕ เนื่องจากท่อด้านขาออกจากตัวที่ ๔ และด้านขาเข้าของตัวที่ ๖ นั้นอยู่ต่างระดับและไม่ตรงแนว ท่อชั่วคราวจึงต้องมีการงอสองครั้ง ตรงนี้เนื่องจากระดับที่แตกต่างกันนั้นไม่มาก จึงไม่สามารถใช้ข้องอ (elbow 90 องศา) ได้ ต้องใช้วิธีนำท่อตรงมาแต่งมุมแล้วเชื่อมต่อกัน และด้วยแนวที่แรงกระทำที่ปลายทั้งสองด้านของท่อนั้นไม่อยู่ในแนวเดียวกัน จึงทำให้เกิดโมเมนต์ดัด (bending moment) และส่งผลให้เกิดแรงเฉือน (shear force) กระทำกับ bellow ที่ปลายทั้งสองข้างของท่อ (ภาพนี้นำมาจากรายงานการสอบสวน)

 

ปฏิกิริยาที่เกิดคือการออกซิไดซ์ cyclohexane ไปเป็นcyclohexanol และ cyclohexanone ด้วยการใช้อากาศฉีดอัดเข้าไปใต้ผิว cyclohexane ออกซิเจนในอากาศก็จะทำปฏิกิริยากับ cyclohexane เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ เหตุผลที่ต้องใช้ reactor หลายตัวต่ออนุกรมกันก็เพราะช่วงเวลาทำปฏิกิริยามีเพียงแค่ระยะเวลาที่ฟองอากาศที่ฉีดเข้าไปที่ด้านล่างของ reactor ลอยผ่าน cyclohexane เท่านั้น ซึ่งเป็นระยะเวลาไม่นาน ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ไม่มาก ดังนั้นเมื่อต้องการให้เกิดผลิตภัณฑ์มากพอก็ต้องทำให้ระยะเวลาที่ฟองอากาศสัมผัสกับ cyclohexane นั้นยาวนานขึ้น ซึ่งทำได้ด้วยการเพิ่มความสูงของ reactor (ก็คือการเพิ่มระดับความสูงของของเหลวใน reactor) และ/หรือนำเอา reactor หลายตัวมาต่ออนุกรมกัน
  

เหตุการณ์เริ่มจากการพบว่า reactor ตัวที่ ๕ มีรอยร้าว จึงทำการยกออกจากระบบและเดินท่อชั่วคราวเชื่อมต่อระหว่าง reactor ตัวที่ ๔ และตัวที่ ๖ (รูปที่ ๑) และเพื่อเผื่อการขยายตัวของท่อจึงมีการติดตั้ง bellow เข้าที่ปลายทั้งสองข้าง หลังการประกอบแล้วมีการทดสอบความสามารถในการรับความดันที่ "operating pressure" ก็พบว่าสามารถทำงานได้ จึงเริ่มเดินเครื่องโรงงานต่อไป ต่อจากนั้นไม่กี่สัปดาห์ก็เกิดการรั่วไหลของ cyclohexane ตามด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง ผลการสอบสวนพบว่าเกิดจากการที่ท่อชั่วคราวที่สร้างเชื่อมต่อ reactor ตัวที่ ๔ และตัวที่ ๖ นั้นพังลงเนื่องจากไม่สามารถรับความดันที่เพิ่มขึ้นสูงกว่า operating pressure ได้ (การทดสอบภายหลังอุบัติเหตุพบว่าถ้าทดสอบท่อดังกล่าวที่ "design pressure" จะพบว่ามันไม่สามารถรับความดันได้) รวมทั้งการที่ท่อดังกล่าวไม่ได้มีการติดตั้งที่แข็งแรงพอ (แค่วางไว้บนนั่งร้านชั่วคราวเท่านั้น ไม่มีการควบคุมการขยับตัวทั้งทางด้านข้างและด้านยาว) เหตุการณ์นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๓ วันศุกร์ที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "Flixborough explosion" และปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๕๔๑ วันเสาร์ที่ ๗ เมษายน ๒๕๖๑ เรื่อง "Mechanics of Materials ในงานวิศวกรรมเคมี"
  

กรณีที่ ๒ : Cyclone

กรณีนี้นำมาจาก ICI Safety newsletter ฉบับที่ ๘๓ เดือนมกราคม ๑๙๗๖ (พ.ศ. ๒๕๑๙) หัวข้อ D1 (รูปที่ ๒) โดยในเหตุการณ์นี้พบการรั่วของแก๊สออกมาจากใต้ฉนวนความร้อนที่หุ้ม cyclone ที่ใช้แยกอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากแก๊สที่ติดไฟได้ และเมื่อทำการตรวจสอบก็พบว่า cylcone มีการรั่วเนื่องจากการสึกหรอ จึงจำเป็นต้องนำเอา cyclone ออกไปซ่อมและติดตั้งท่อชั่วคราวแทน เหตุการณ์นี้เกิดก่อนเหตุการณ์ที่ Flixborough ๒ ปี
  

ข้อมูลไม่ได้บอกว่า cyclone ดังกล่าวเป็นของระบบของอะไร แต่ถ้าดูจากอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาแล้วก็เดาว่าน่าจะเป็นระบบ Fluidised-bed Catalytic Cracking (ที่ย่อว่า FCC) ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งที่ใช้ใน fluidised-bed นั้นต้องทนต่อการกระแทก ไม่ว่าจะเป็นการกระแทกระหว่างกันหรือกับผนังของอุปกรณ์ ไม่เช่นนั้นมันจะแตกเป็นผงเล็กลงและหลุดลอยออกไปกับแก๊สที่ไหลออกทางด้านบนของเบดได้ และแม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจะทนต่อสภาวะการกระแทกดังกล่าวได้ ก็ต้องมีระบบดักเอาส่วนที่อาจแตกเป็นชิ้นเล็กออกจากแก๊สด้วย (ดังนั้นอย่าแปลกใจว่าทำไมระบบ fluidised-bed จึงมีการใช้งานที่จำกัดกว่าระบบ fixed-bed นั่นก็เป็นเพราะมีตัวเร่งปฏิกิริยาไม่มากชนิดที่มีคุณสมบัติดังกล่าว) ในขณะเดียวกันก็ต้องคำนึงถึงการที่อนุภาคของแข็งนั้นพุ่งกระทบหรือเสียดสีเข้ากับผนังท่อและอุปกรณ์ ซึ่งส่งผลให้ระบบท่อและตัวอุปกรณ์สึกหรอได้เช่นกัน (เรียกว่า erosion) อย่างเช่นในเหตุการณ์นี้พบว่ามีการสึกหรอจนผนังทะลุที่ตัว cyclone ในขณะที่ระบบท่อนั้นยังคงดีอยู่ ตรงนี้คงเป็นเพราะเมื่อของแข็งที่ไหลตามท่อมากับแก๊สนั้นพอไหลเข้าตัว cyclone ของแข็งที่มีความหนาแน่นสูงกว่าจะวิ่งเข้ากระทบกับผนังขอตัว cyclone และเคลื่อนตัวไต่ผนังลงล่าง ในขณะที่แก๊สนั้นจะไหลวกออกทางด้านบนได้ง่ายกว่า

   

รูปที่ ๒ รายละเอียดเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นของกรณีที่ ๒

รูปที่ ๓ เป็นภาพร่างเส้นทางการไหลเข้า-ออกของ cylclone (เผื่อบางคนจะนึกภาพไม่ออก) ในจดหมายข่าวนั้นไม่ได้ให้รายละเอียดใด ๆ นอกจากบอกเพียงแค่ท่อชั่วคราวนั้นมีข้องอ ๒ ตำแหน่ง ก็เลยเดาว่าคงจะเป็นการเชื่อมต่อท่อแก๊สเข้ากับท่อแก๊สออก ความแตกต่างของเหตุการณ์นี้กับเหตุการณ์ที่ Flixborough คือในกรณีนี้ท่อได้รับการออกแบบโดยผู้ที่มีความรู้และได้รับการติดตั้งอย่างเหมาะสม ทำให้สามารถใช้งานได้โดยไม่เกิดปัญหาใด ๆ
   

รูปที่ ๓ รูปซ้ายและกลางแสดงให้เห็นทิศทางการไหลเข้าออกของ cyclone ที่แนวการไหลเข้านั้นจะตั้งฉากกับแนวการไหลออกและอยู่ไม่ตรงกัน ส่วนภาพขวาเป็นภาพของท่อชั่วคราวที่เชื่อมต่อท่อแก๊สเข้ากับท่อแก๊สออกเพื่อให้โรงงานทำงานได้ในช่วงที่ถอด cyclone ออกไปซ่อม บทความไม่ได้ให้รายละเอียดว่าท่อชั่วคราวนั้นมีรูปร่างหน้าตาอย่างไร บอกแต่เพียงว่ามีข้องอสองตำแหน่ง ก็เลยเดาว่าน่าจะเป็นดังในรูป

กรณีที่ ๓ : Heat exchanger

กรณีนี้นำมาจาก ICI Safety newsletter ฉบับที่ ๘๓ เช่นกัน (รูปที่ ๔) แต่ไม่ได้ระบุปีที่เกิด แต่ดูจากเนื้อหาในบทความแล้วสงสัยว่าอาจเกิดหลังกรณีของ Flixborough ครั้งนี้เป็นกรณีของ heat exchanger ที่สกปรกและจำเป็นต้องถอดไปล้างทำความสะอาด จึงจำเป็นต้องมีการติดตั้งท่อชั่วคราว ๒ ท่อด้วยกัน โดยท่อหนึ่งเป็นส่วนการไหลผ่าน shell และอีกท่อหนึ่งเป็นส่วนการไหลผ่าน tube ตัวที่เป็นปัญหาคือท่อเชื่อมส่วนที่ไหลผ่าน tube ที่ใช้ท่อตรง 20 นิ้วเชื่อมต่อระหว่างท่อ 30 นิ้ว (รูปที่ ๕) โดยมีการติดตั้ง bellow และเนื่องจากท่อชั่วคราวเส้นนี้ไม่ได้มีการสร้าง pipe support รองรับ น้ำหนักของท่อจึงมีการถ่ายสู่ bellow โดยแรงที่เกิดจากน้ำหนักท่อกระทำในแนวตั้งฉากกับความยาวของ bellow ซึ่งปรกติแล้วตัว bellow จะออกแบบมาเพื่อรองรับการยืดหดในแนวความยาวของมันเท่านั้น

   

รูปที่ ๔ รายละเอียดเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นของกรณีที่ ๓
   

ตัว heat exchanger นั้นตั้งอยู่บน support ที่รองรับน้ำหนักตัวมัน และตัว heat exchanger เองก็ทำหน้าที่รองรับน้ำหนักของท่อที่เชื่อมต่อกับตัวมันด้วย แต่พอแทนที่ตัว heat exchanger ด้วยท่อชั่วคราวแทน ท่อชั่วคราวก็เลยลอยอยู่โดยไม่มีอะไรมารองรับน้ำหนัก (มันอาจจะอยู่ได้ในขณะที่ยังไม่มีของเหลวไหลเข้า) และด้วยการที่ท่อชั่วคราวด้าน tube side นั้นเป็นท่อตรง ไม่เหมือนกรณีของ Flixborough ที่จุดเข้าออกเยื้องกันอยู่ plant engineer จึงคิดว่าไม่จำเป็นต้องปรึกษาผู้เชี่ยวชาญการออกแบบท่อ แม้ว่าแนวเส้นท่อดังกล่าวจะมี bellow อยู่ด้วยก็ตาม
   

โชคดีที่ก่อนเริ่มเดินเครื่องไม่กี่วัน senior engineering มาพบเห็นเข้า ก็เลยมีการตรวจสอบการออกแบบ ทำให้ต้องมีการติดตั้ง support รองรับท่อชั่วคราวนั้นเพิ่มเติม

  

รูปที่ ๕ ภาพระบบท่อของ heat exchanger ที่มีการถอดออกและติดตั้งท่อชั่วคราวแทน (ภาพเฉพาะส่วน tube side)

ท่อชั่วคราวในกรณีที่ ๒ (cyclone) แตกต่างจากกรณีอื่นตรงที่แนวทิศทางการไหลเข้าและออกนั้นไม่อยู่ในระนาบเดียวกัน ทำให้ท่อมีทั้งการงอทั้งในแนวราบและแนวดิ่ง ซึ่งท่อลักษณะเช่นนี้จะมีความยืดหยุ่นในการขยายตัว (ถ้ามันยาวมากพอ โดยต้องคำนึงถึงระบบ piping ที่เชื่อมต่อด้านเข้าออกด้วย) มากกว่าท่อสั้นที่การไหลอยู่ในระนาบเดียวกัน (แม้ว่าจะอยู่ที่ระดับเดียวกัน (กรณีที่ ๓) หรือต่างระดับกัน (กรณีที่ ๑) ทำให้ต้องแก้ปัญหาการขยายตัวของท่อด้วยการติดตั้ง bellow
   

อีกประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจก็คือ ผู้ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างท่อชั่วคราวนั้นทราบหรือไม่ว่างานที่ดูเหมือนว่าเป็นงานธรรมดานั้นแท้จริงแล้วต้องใช้ผู้ที่มีความรู้ด้านใดเข้ามาเกี่ยวข้อง แต่ในการทำงานจริงนั้นยังมีอีกหลายปัจจัยให้ต้องพิจารณา เช่นในหน่วยงานนั้นมีผู้ที่มีความรู้ในด้านดังกล่าวอยู่หรือไม่ และผู้ที่ปฏิบัติงานอยู่ในหน่วยงานนั้นรู้หรือไม่ว่างานประเภทใดที่ควรต้องให้ผู้ที่มีความรู้ทางด้านนั้นเป็นผู้ออกแบบและตรวจสอบ

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)