เมื่อ vortex breaker หายไป MO Memoir : Monday 6 January 2563

เวลาที่ของเหลวมีการไหลออกทางรูระบายที่อยู่ใต้ผิวของเหลว ถ้าระดับความลึกนั้นไม่มากและมีอัตราการไหลออกที่ค่อนข้างสูง สิ่งที่จะเห็นก็คือจะมีการไหลหมุนวนที่ทำให้ระดับผิวของเหลวตรงบริเวณรูระบายนั้นต่ำกว่าบริเวณที่อยู่ห่างออกไป ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเกิด vortex ในกรณีที่อัตราการไหลออกนั้นสูงและระดับของเหลวนั้นไม่สูง สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือจะมีแก๊สไหลออกไปพร้อมกับของเหลวผ่านทางรูระบายนั้นด้วย ถ้าการดูดออกนั้นเกิดจากการทำงานของปั๊มหอยโข่ง สิ่งที่จะเกิดก็คือปั๊มจะเกิดปัญหาที่เรียกว่า lost suction (มีแก๊สปนมาในของเหลวที่ดูดเข้ามา) และถ้าเป็นมากก็จะเกิด cavitation ตามมาได้
  

วิธีการป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาดังกล่าวทำได้ด้วยการติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า "Vortex breaker" ซึ่งก็ไม่ได้มีอะไรมากไปกว่าโครงสร้างที่เข้าไปปิดครอบเหนือรูระบายออก รูปร่างหน้าตาของโครงสร้างนี้มีหลายแบบ เรื่อง vortex breaker เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๐๐ วันศุกร์ที่ ๓๑ สิงหาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "Vortex breaker" มาวันนี้ก็จะเป็นการเล่าเรื่องราวที่เกี่ยวข้องกับ vortex breaker อีกครั้งหนึ่ง แต่เป็นกรณีที่ vortex breaker นั้นหายไป

กรณีที่ ๑ เมื่อนำเอาของที่ช่างไม้ลืมเอาไว้ออกไป

กรณีนี้นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับเมื่อ ๔๔ ปีที่แล้ว (รูปที่ ๑) เป็นกรณีของโรงงานใหม่ที่เพิ่งจะถึงกำหนดหยุดเดินเครื่องโรงงานเพื่อทำการ turnaround ครั้งแรก และเมื่อทำการเปิด vessel ขนาดใหญ่ตัวหนึ่งก็พบ "saw-horse" (รูปที่ ๒) ของช่างไม้วางอยู่ที่ก้น vessel ซึ่งเข้าใจว่าเป็นการลืมเอาไว้หลังการก่อสร้าง ก็เลยนำเอามันออกมา

  

รูปที่ ๑ จาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๘๔ เดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. ๑๙๗๖ (พ.ศ. ๒๕๑๙)

แต่เมื่อกลับมาเดินเครื่องโรงงานใหม่พบว่าปั๊มที่สูบของเหลวออกจาก vessel ตัวดังกล่าวเกิดการ loss suction (คือมีแก๊สปนเข้ามาในของเหลว) เมื่อระดับของเหลวใน vessel ต่ำ (ปัญหาที่แต่เดิมไม่มี) แสดงว่าเกิดปัญหาเรื่อง vortex เกิดขึ้น ก็เลยจำเป็นต้องหยุดเดินเครื่องโรงงานและทำการติดตั้ง vortex breaker เพิ่มเข้าไป
  

รูปที่ ๒ ตัวอย่างหน้าตา saw-horse อันที่จริงมันที่ทั้งแบบที่พับขาได้และพับขาไม่ได้ มันใช้สำหรับพาดแผ่นไม้เวลาที่ช่างไม้ต้องการเลื่อยไม้ (คือต้องใช้สองตัว) คือคำว่า saw ในที่นี้เป็นคำกิริยาที่แปลว่าเลื่อย ไม่ได้เป็นรูปอดีตของคำกิริยา see ที่แปลว่าเห็น

มีบางสิ่งที่เราสามารถเรียนได้จากเหตุการณ์นี้ อย่างแรกก็คือเมื่อมีการใช้ปั๊มหอยโข่งสูบของเหลวก็ควรต้องคำนึงถึงการเกิด vortex ด้วย เพราะมันอาจทำให้ปั๊มนั้นอายุการใช้งานสั้นลงได้ อย่างที่สองก็คือก็ที่จะปิด vessel หรือเชื่อมต่อท่อเข้าด้วยกัน ก็ควรทำการตรวจสอบด้วยว่าไม่มีอะไรค้างอยู่ใน veseel หรือในท่อ ตอนผมจบใหม่ ๆ ก็มีวิศวกรรุ่นพี่เตือนเรื่องนี้เอาไว้เหมือนกัน เพราะถ้าเราปล่อยให้ช่างเขาทำกันเองโดยเราไม่ตรวจสอบก่อนประกอบ ถ้าเขาไม่ชอบผู้ว่าจ้างเขาก็อาจแกล้งด้วยการเอาอะไรยัดเอาไว้ข้างในก็ได้ หรือบางครั้งก็อาจมีการลืมเอาไว้ข้างในก็ได้ เช่นพวกถุงมือ ลวดเชื่อม ท่อนไม้

กรณีที่ ๒ เพื่อความรวดเร็วในการทำงาน

เรื่องนี้ได้วิศวกรที่ทำงานที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งเล่าให้ฟังเมื่อต้นปี ๒๕๖๒ เหตุเกิดหลังจากการล้างหอกลั่นสุญญากาศ
  

ปรกติหอกลั่นน้ำมันดิบจะประกอบด้วยหอกลั่นสองหอ หอกลั่นหอแรกเป็นหอกลั่นที่ทำงานที่ความดันบรรยากาศ หอกลั่นนี้จะเป็นการแยกเอาน้ำมันเบา (หมายถึงพวกที่มีจุดเดือดต่ำเช่น เบนซิน น้ำมันก๊าด ดีเซล) ออกไปก่อน จากนั้นจะนำเอาพวกที่มีจุดเดือดสูง (เช่น น้ำมันหล่อลื่น น้ำมันเตาเกรดต่าง ๆ) ไปทำการกลั่นแยกในหอกลั่นที่สองที่ทำงานที่ทำงานที่ความดันสุญญากาศ การที่ต้องทำงานที่ความดันสุญญากาศก็เพราะต้องการลดจุดเดือดของน้ำมันหนักเหล่านั้น ด้วยการที่น้ำมันหนักนั้นเวลาที่มันเย็นก็จะเป็นคราบสกปรกเป็นยางเหนียว ก็เลยต้องมีการทำความสะอาดด้วยการใช้น้ำผสมน้ำยาทำความสะอาดเติมเข้าไปให้เต็มหอกลั่น เพื่อไปละลายคราบสกปรกที่ค้างอยู่ตามซอกต่าง ๆ ออกมาให้หมด

เนื่องจากหอกลั่นมีขนาดใหญ่ การเติมน้ำให้เต็มหอจะใช้เวลานาน ดังนั้นเพื่อให้เติมน้ำได้เต็มเร็วขึ้นจึงมีการเติมน้ำเข้าหอกลั่นที่หลายตำแหน่งที่สามารถทำได้ โดยสองตำแหน่งแรกนั้นอยู่ที่ท่อที่ไหลเข้าออกจากบริเวณลำตัวหอ และตำแหน่งที่สามเป็นท่อด้านของเหลวไหลออกทางก้นหอ คือให้น้ำไหลย้อนสวนขึ้นไป (รูปที่ ๓)
  

หลังจากที่ล้างเสร็จก็จะทำการระบายน้ำล้างทิ้ง ขั้นตอนถัดไปจะเป็นการกำจัดน้ำและสารเคมีที่เติมเข้าไปออกด้วยการป้อนน้ำมันดีเซลที่ผ่านการอุ่นให้ร้อนเข้าไปในหอกลั่น และทำการไหลเวียน (circulation) น้ำมันดีเซลร้อนนั้นให้ไหลทั่วทั้งหอกลั่น เหตุผลที่ต้องทำเช่นนี้ก็เพราะน้ำมีจุดเดือดที่ต่ำกว่าน้ำมันหนัก ถ้ามีน้ำค้างอยู่ในหอกลั่นในรูปของของเหลวเป็นปริมาณมาก เมื่อน้ำนั้นพบกับน้ำมันที่ร้อนก็จะกลายเป็นไออย่างรวดเร็ว ไอน้ำที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วนั้นจะก่อแรงดันที่สามารถทำให้โครงสร้างภายในหอ (เช่นพวก tray ต่าง ๆ) พังลงได้ คืออาจจะได้ยินเสียงที่เหมือนกับการระเบิดเกิดขึ้นภายในหอกลั่น และช่วงที่ tray พังยุบลงมานั้นจะพบว่าค่า pressure drop คร่อมตัวหอในช่วงนั้นจะต่ำมากผิดปรกติ
  

รูปที่ ๓ ระบบหอกลั่นที่เกิดปัญหา

ในช่วงแรกของการทำ circulation น้ำมันดีเซลนั้น เริ่มด้วยอัตราการไหลที่ต่ำกว่า จากนั้นโอเปอร์เรเตอร์ก็พยายามเพิ่มอัตราการไหลด้วยการเปิดวาล์วควบคุมการไหลให้กว้างขึ้น แต่พบว่าอัตราการไหลยังคงเท่าเดิมโดยไม่ได้เพิ่มขึ้นตาม เพื่อพบกับปัญหาดังกล่าวโอเปอร์เรเตอร์ก็พยายามเพิ่มอัตราการไหลด้วยการเดินเครื่องปั๊มตัวที่สอง และเปิดวาล์วควบคุมอัตราการไหลให้เต็มที่ (100%) แต่สิ่งที่เกิดขึ้นคือปั๊มเกิด cavitation ไม่สามารถอ่านแรงดันด้านขาเข้าได้ และแรงดันและอัตราการไหลด้านขาออกเป็นศูนย์ จึงจำเป็นต้องหยุดการ circulation น้ำมันดีเซล (ในโรงงานที่ปั๊มต้องมีการเดินต่อเนื่อง ๒๔ ชั่วโมงต่อวันนั้น จะมีการติดตั้งปั๊ม ๒ ตัว โดยตัวหนึ่งเป็นตัวทำงานหลัก อีกตัวหนึ่งเป็นตัวสำรองสำหรับกรณีที่ตัวหลักเกิดเสียหรือจำเป็นต้องทำการบำรุงรักษา)
  

การเกิด cavitation แสดงว่าอัตราการไหลของของเหลวเข้าปั๊มนั้นต่ำกว่าความสามารถในการสูบของปั๊ม สิ่งแรกที่มักคิดกันก็คือท่อด้านขาเข้าปั๊มน่าจะมีปัญหาอุดตัน แต่เมื่อตรวจสอบ strainer ที่อยู่ด้านขาเข้าปั๊มก็พบว่าไม่มีสิ่งสกปรก ตรวจสอบการทำงานของอุปกรณ์วัดคุมทุกตัวก็พบว่าปรกติ ทางทีมโอเปอร์เรชันจึงได้ทำการสอบสวนย้อนขึ้นไปจนถึงตำแหน่งท่อทางออกจากหอกลั่น และสงสัยว่าอาจจะมีปัญหาเกิดขึ้นที่ vortex breaker ที่ติดตั้งอยู่ที่ปากทางเข้าท่อไหลเข้าปั๊ม และเมื่อเปิดหอกลั่นตรวจสอบก็พบว่า vortex breaker นั้นหลุดออกจากขายึดและตกลงมาปิดปากท่อเอาไว้
  

สาเหตุที่ทำให้ vortex breaker หลุดออกจากขายึดเป็นเพราะการนำน้ำความดันสูงเติมเข้าทางก้นหอกลั่น ปรกติการไหลนั้นจะเป็นการไหลจากก้นหอกลั่นเข้าท่อและไหลเข้าปั๊ม แต่ในการล้างนั้นเป็นการอัดน้ำให้ไหลสวนทางย้อนขึ้นไปยังก้นหอกลั่น ประกอบกับการเชื่อมยึดเดิมนั้นเชื่อมยึดเป็นจุดเพียงแค่บางตำแหน่ง (เรียกว่า tag weld ที่เป็นการเชื่อมเพื่อยึดชิ้นงานให้อยู่ในตำแหน่งก่อนทำการเชื่อมพอกเติมเต็มแนวรอยต่อหรือ groove weld) พอพบกับน้ำความดันสูงที่ไหลเข้าปะทะจึงทำให้รอยเชื่อมฉีกขาด การแก้ปัญหาดังกล่าวทำโดยการเชื่อม vortex breaker กลับเข้าไปใหม่โดยเชื่อมเติมเต็มตลอดแนวรอยต่อ
  

ท้ายสุดของการสนทนา ก็มีการตั้งประเด็นคำถามว่า โรงงานสร้างมานานแล้ว นาน ๆ ทีจึงจะมีการหยุดเดินเครื่องโรงงานและเข้าไปตรวจสอบภายใน ส่วนโอเปอร์เรเตอร์นั้นก็ไม่ได้เป็นคนที่รู้ว่าข้างในอุปกรณ์นั้นมีอะไรบ้าง ดังนั้นจะไปโทษผู้ออกแบบวิธีการล้างก็ไม่น่าจะถูก และเหตุการณ์นี้ยังแสดงให้เห็นถึงการที่รอยเชื่อมที่ยังทำไม่เรียบร้อยเพียงแค่รอยเดียว (นับตั้งแต่สร้างโรงงานมา) สามารถส่งผลจนทำให้โรงงานต้องหยุดเดินเครื่องเพื่อแก้ไขรอยเชื่อมนั้นใหม่ (ต้องย้อนกลับไปด้วยการนำเอาน้ำมันดีเซลออก ไล่สารไวไฟออก เอาไนโตรเจนเข้า และเอาอากาศเข้า จากนั้นจึงให้ช่างเชื่อมเข้าไปซ่อมรอยเชื่อม เสร็จแล้วก็ต้องมาไล่อากาศออกอีก เอาไนโตรเจนเข้าระบบ และเอาน้ำมันดีเซลเข้าไปหมุนเวียนเริ่มใหม่อีก)

Vortex breaker MO Memoir : Friday 31 August 2555

เวลา : พฤษภาคม พ.ศ. ๒๕๓๑ 

 

สถานที่ : ประเทศญี่ปุ่น เมือง Chiba หน้าปั๊มสูบเฮกเซนออกจาก polymerisation reactor (่ชนิด CSTR ความจุประมาณ 100 m³)

วันนั้นทางโรงงานต้องการระบาย slurry (เฮกเซนที่ใช้เป็นตัวทำละลาย + ผงพอลิเมอร์) เดิมออกจาก reactor เพื่อต้องการเปลี่ยนเกรดพอลิเมอร์ที่จะทำการผลิต ทาง operator ผู้ฝึกสอนชาวญี่ปุ่น ก็ได้นำผมไปดูวิธีการทำงาน

สิ่งที่เขาบอกคือให้คอยสังเกตที่ pressure gauge ที่วัดความดันด้านขาออกจากปั๊ม และให้ฟังเสียงที่เกิดขึ้นที่ตัวปั๊ม เมื่อระดับของเหลวใน reactor ลดลงเรื่อย ๆ สิ่งที่เห็นก็คือเข็มชี้บอกความดันที่ pressure gauge เริ่มสั่นไปมา และการทำงานของปั๊มมีเสียงเปลี่ยนไปจากเดิม

พอเกิดเหตุการณ์ดังกล่าว operator ผู้นั้นก็ได้ทำการปิดวาล์วด้านขาออกของปั๊มลงทีละน้อย (จากเดิมที่เปิดเต็มที่) จนกระทั่งเข็มชี้บอกความดันของ pressure gauge หยุดเต้น และเสียงผิดปรกตินั้นหายไป

พอเข็มชี้บอกความดันเริ่มเต้นอีก ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับมีเสียงผิดปรกติเกิดขึ้น เขาก็เริ่มการปิดวาล์วด้านขาออกของปั๊มลงอีกจนกระทั่งเสียงหายไป

เหตุการณ์ดำเนินซ้ำไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งปิดวาล์วด้านขาออกจนสุด ก็หยุดการทำงานของปั๊ม

ถ้าเราสังเกตเวลาที่น้ำไหลลงรูระบายที่ก้นภาชนะบรรจุนั้น จะเห็นว่าน้ำจะมีการไหลหมุนวน โดยระดับตรงกลางจะยุบตัวต่ำลงกว่าระดับที่อยู่รอบ ๆ นั่นคือการเกิด vortex ซึ่งเกิดจากการที่โลกมีการหมุนรอบตัวเอง การไหลวนดังกล่าวในซีกโลกเหนือและซีกโลกใต้จะไหลหมุนวนในทิศทางตรงข้ามกัน โดยในซีกโลกเหนือจะหมุนตามเข็มนาฬิกา (เมื่อมองจากทางด้านบน) และในซีกโลกใต้จะหมุนทวนเข็มนาฬิกา

รูปที่ ๑ (ซ้าย) เมื่อไม่มีการติดตั้ง vortex breaker เมื่อระดับของเหลวในถังลดต่ำลง vortex ที่เกิดขึ้นจะทำให้ให้เกิดฟองแก๊สผสมลงมากับของเหลวที่ไหลเข้าปั๊ม ทำให้การทำงานของปั๊มไม่ราบเรียบ การแก้ปัญหาทำได้โดยการลดอัตราการสูบออกของปั๊ม หรือ (ขวา) ติดตั้ง vortex breaker ซึ่งในรูปเป็นเพียงแผ่นโลหะแบน ๆ วางอยู่เหนือช่องทางระบายของเหลวออก

ถ้าเป็นการระบายลงท่อระบายทิ้ง การเกิด vortex ก็คงไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าเป็นการสูบออกด้วยปั๊ม ฟองแก๊สที่ติดมากับของเหลวจะก่อให้เกิดปัญหาในการทำงานของปั๊ม เสียงผิดปรกติที่ได้ยินและการสั่นของเข็มชี้ความดันของ pressure gauge ที่เล่ามาข้างต้นบ่งบอกให้รู้ว่าของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มนั้นมีฟองแก๊สติดมาด้วย

วิธีการแก้ปัญหาที่ operator ผู้นั้นกระทำคือลดอัตราการไหลของของเหลวที่ไหลผ่านปั๊ม ซึ่งทำให้การเกิด vortex ลดลง แต่เมื่อระดับของเหลวใน reactor ลดต่ำลงอีก ฟองแก๊สก็ไหลปนมากับของเหลวเข้ามาถึงตัวปั๊มอีก ทำให้ต้องลดอัตราการไหลของของเหลวที่ไหลผ่านปั๊มให้ต่ำลงไปอีก จนกระทั่งปิดวาล์วด้านขาออกของปั๊มจนสุด

การแก้ปัญหาอีกวิธีการหนึ่งก็คือการติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า "vortex breaker" ที่ปากท่อด้านที่รับของเหลวเข้าปั๊ม vortex breaker อาจเป็นเพียงแค่แผ่นโลหะแบน ๆ (หรือวัสดุอื่น) ที่วางขวางอยู่ทางด้านบนปากท่อรับของเหลวเข้าปั๊มดังแสดงในรูปที่ ๑ ซึ่งปิดกั้นไม่ให้ vortex นั้นต่ำลงจนเข้าไปในตัวท่อรับของเหลวเข้าปั๊มได้ (ทำงานได้ตราบเท่าที่ระดับของเหลวในถังนั้นสูงกว่าระดับการติดตั้ง vortex breaker) 

 

เนื่องจากการเกิด vortex คือการไหลหมุนวน ดังนั้นการติดตั้งผนังกั้นในทิศทางที่ตั้งฉากกับการหมุนวนจึงสามารถทำลายการไหลหมุนวนได้ ดังเช่น vortex breaker ที่แสดงในรูปที่ ๒ ที่มีลักษณะเป็นโครงสร้างกากบาทสำหรับสอดหรือติดตั้งตรงปากท่อรับของเหลวเข้าปั๊ม

แต่โครงสร้าง vortex breaker ก็ไม่ได้มีเพียงตัวอย่างที่ยกมาให้ดูนี้ ที่ยกมาก็เพียงเพื่อให้รู้จักว่ามีอุปกรณ์เช่นนี้อยู่ และให้รู้ว่ามันมีหน้าที่และความสำคัญอย่างไรเท่านั้นเอง

รูปที่ ๒ vortex breaker รูปทรงกากบาท

แต่โรงงานที่ผมไปฝึกงานนั้นเขาไม่ติดตั้ง vortex breaker ก็เพราะระบบของเขานั้นเป็น slurry ที่มีผงพอลิเมอร์แขวนลอยอยู่ การติดตั้ง vortex breaker จะทำให้ผงพอลิเมอร์ตกค้างในระบบและก่อให้เกิดปัญหาการอุดตันตามาได้ ดังนั้นการจะติดตั้ง vortex breaker หรือไม่นั้นก็ต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วย

ตอนที่เริ่มเขียน Memoir ก็ยังสงสัยอยู่เหมือนกันว่าจะเขียนไปได้นานเท่าไร แต่นี่ก็เป็นฉบับที่ ๕๐๐ แล้ว (ในเวลา ๔ ปี ๑ เดือน ๓ สัปดาห์) ก็คงต้องดูกันต่อไปว่าจะลากไปได้ยาวอีกไกลแค่ไหน