ความรู้เบื้องต้น การวิเคราะห์ความเสียหายของวัสดุ

ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนอุปกรณ์ของเครื่องจักรและโครงสร้าง เป็นปัญหาที่มักพบได้เสมอในชีวิตประจำวันของเราดังรูปที่ 1 ไม่ว่าจะเป็นสิ่งที่อยู่ใกล้ตัวเรา ในอุตสาหกรรมประเภทต่างๆ แม้ว่าในปัจจุบันจะมีอุปกรณ์ช่วยในการออกแบบ และมีการใช้เทคนิคในการซ่อมบำรุงที่ทันสมัย เพื่อช่วยในการตรวจสอบสภาพการใช้งานของเครื่องจักรมากขึ้นก็ตาม แต่สภาวะการทำงานจริงของเครื่องจักรที่มักไม่เป็นไปตามที่ออกแบบไว้ ทำให้มีโอกาสที่ส่วนใดส่วนหนึ่งของโครงสร้างหรืออุปกรณ์จะรับภาระกรรมเกินขีดจำกัดก็มีอยู่ ซึ่งนำไปสู่การแตกหักเสียหายในที่สุด ความเสียหายที่เกิดขึ้นทำให้เกิดผลเสียทางเศรษฐกิจ ชีวิต และสิ่งแวดล้อม ดังนั้นจึงได้มีการกำเนิดของศาสตร์อีกศาสตร์หนึ่งเพื่อค้นหา ตรวจสอบหาสาเหตุความเสียหาย เราเรียกศาสตร์นั้นว่า “การวิเคราะห์ความเสียหาย (Failure Analysis)” ซึ่งถ้าเราสามารถเรียนรู้และเข้าใจ จนสามารถนำไปปฏิบัติงานได้ จะนำไปสู่การพัฒนาในหลายๆ ด้าน

รูปที่ 1 ความเสียหายของชิ้นส่วนที่เกิดพบได้ในชีวิตประจำวัน

ดังนั้นความสามารถในการวิเคราะห์ความเสียหายของวัสดุ (Material Failure Analysis) ได้อย่างถูกต้อง แม่นยำนั้นเป็นเป้าหมายสูงสุดอย่างหนึ่งในวิชาชีพวิศวกรรม ข้อมูลรายละเอียดที่ได้จากกระบวนการรวิเคราะห์และผลการวิเคราะห์จะเป็นประสบการณ์อันมีค่าที่จะทำให้เราเข้าใจธรรมชาติได้ดีขึ้น นอกจากนั้นยังจะเพิ่มขีดความสามารถในการออกแบบและวิศวกรรมให้สูงขึ้น และจะเป็นประโยชน์ในการป้องกันไม่ให้เกิดหรือลดการเกิดการแตกหักเสียหายในอนาคต สาเหตุของการเกิดความเสียหายมีมากมาย เช่น การกัดกร่อน การสึกกร่อน การแตกหัก การรับแรงเกินพิกัด ฯลฯ ผู้ที่มีส่วนทำให้เกิดความเสียหายในแต่ละครั้งอาจเป็นทั้งผู้ผลิตและผู้ใช้หรือผู้อื่นที่ไม่เข้าใจหรือรู้เท่าไม่ถึงการณ์ แต่ในบางครั้งเราพบว่ามีสาเหตุมาจากปรากฏการณ์ธรรมชาติที่อยู่นอกเหนือการควบคุมของมนุษย์

การวิเคราะห์ความเสียหาย (Failure Analysis) คืออะไร มีความสำคัญอย่างไรเรามักจะได้ยินข่าวคราวเกี่ยวกับการแตกหักเสียหายของวัสดุ หรือโครงสร้างอยู่เสมอ เช่น ตึกถล่ม ท่อรั่ว ถังก๊าซระเบิด สะพานพัง เครื่องบินตก เครื่องยนต์เพลาขาด ฯลฯ ที่จริงแล้วชิ้นส่วนเครื่องจักร เครื่องยนต์ และโครงสร้างวิศวกรรมทั้งหลายจะมีอายุการใช้งานจำกัดและต้องมีอายุการใช้งานจำกัดและต้องมีการเสื่อมสภาพหรือ Fail ในที่สุด หาก failure เกิดขึ้นเมื่อถึงเวลาอันควรหรือเกิดขึ้นตามที่คาดคิดไว้ ความเสียหายที่เกิดขึ้นก็อาจไม่รุนแรงมากมายอะไรนัก อย่างไรก็ตามบ่ยครั้งที่การเสื่อมสภาพหรือการประลัยเหล่านี้เกิดขึ้นก่อนกำหนดและมันเกิดขึ้นอย่างไม่คาดฝันทันทีทันใด เป็นผลให้เกิดความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินอย่างมหาศาลโดยมีวัตถุประสงค์หลักดังนี้
• ชี้ชัดหรือระบุปัญหาที่เกิดขึ้น
• เพื่อหารากของปัญหา (root cause)
• เพื่อหาแนวทางปฏิบัติที่ถูกต้อง
• เพื่อตรวจสอบและยืนยันแนวทางปฏิบัติที่ถูกต้อง
• เพื่อดำเนินการเปลี่ยนแปลงและสร้างมาตรฐาน

สำหรับการเสียหายของชิ้นส่วน อุปกรณ์ทางวิศวกรรมสามารถจำแนกรากของปัญหาได้ 4 ประเภทหลักๆ ดังนี้:
1. ความบกพร่องจากการออกแบบ
2. วัสดุมีจุดบกพร่อง
3. จุดบกพร่องจากการประกอบ/ติดตั้ง
4. ความผิดปกติจากการใช้งาน

รากของปัญหาในมุมมองที่ต่างไปจากวิศวกรโลหการอาจมีหลายปัจจัย เช่น

1. การออกแบบ
2. การปฏิบัติการ
3. ระบบการออกใบอนุญาตทำงาน
4. การทดสอบและซ่อมบำรุง
5. ขาดการเรียนรู้ HAZID
6. ขาดความเข้าใจอย่างถูกต้อง
7. ปัจจัยจากมนุษย์
8. สาเหตุจากปัจจัยภายนอก
9. การจัดการเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลง
10. ไม่ได้เรียนรู้จากเหตุการณ์ที่เกือบเกิดความเสียหาย
11. การตอบสนองของระบบเตือนภัย
12. วัฒนธรรมองค์กร

มีความพยายามให้ความหมายของคำว่า “Failure” เป็นภาษาไทยหลายอย่าง เช่น การประลัย การวิบัติ การเสื่อมสภาพ การแตกหัก เป็นต้น ในความหมายกว้างๆ Failure หมายถึงการที่ชิ้นงานหรือชิ้นส่วนไม่สามารถทำหน้าที่ที่กำหนดไว้ได้ต่อไป หรือหมดสภาพที่จะทำหน้าที่ต่อไปได้ การหมดสภาพอาจเนื่องมาจากการแตกหัก การเกิดสนิม รั่ว สึกหรอ แตกร้าว บิดเบี้ยว โค้งงอ ฯลฯ จากนิยามจะเห็นว่าไม่จำเป็นที่ชิ้นงานจะต้องแตกหักออกจากกันเป็น 2 ชิ้นก็ถือว่าเกิดความเสียหายแล้ว ยกตัวอย่าง เช่น อาคารที่ตกแต่งด้วยเหล็กกล้าไร้สนิมดังรูปที่ 2 แม้ว่าวัสดุดังกล่าวจะมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม และมีความแข็งที่ดีก็ตาม ซึ่งจุดประสงค์หลักน่าจะเน้นด้านภาพลักษณ์มากกว่า ดังนั้น เมื่อใดวัสดุมีคราบเกาะติด เกิดความหมองคล้ำของผิวหน้า เราก็อาจกล่าวได้ว่าวัสดุนั้นเสียหาย เพราะว่าไม่สามารถให้ความเงางามได้อีกต้อต่อไป (ยกเว้นว่าทำความสะอาดใหม่) ในบทความนี้จะใช้การเสียหายและ Failure ในความหมายเดียวกัน

รูปที่ 2 การประยุกต์ใช้เหล็กกล้าไร้สนิมในการประดับอาคาร

ในฐานะวิศวกร เราไม่อยากให้ชิ้นส่วนเครื่องจักรและโครงสร้างต่างๆ ที่เราออกแบบและสร้างขึ้นมาเกิดการประลัย เพราะนั่นหมายถึงความเสียหายต่อสังคม และวิชาชีพตลอดจนการเสื่อมเสียประวัติและชื่อเสียงของตัวเอง แถมยังอาจถูกฟ้องร้องได้อีกด้วย ในฐานะผู้ใช้เราไม่อยากให้เกิดการประลัย ขึ้นเพราะนั่นหมายถึงการสูญเสียในรูปแบบต่างๆ ซึ่งอาจเป็นทรัพย์สินหรือชีวิตหรือทั้งสองอย่าง ในฐานะประชาชนทั่วไปเราก็ไม่อยากให้สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นเช่นเดียวกันเพราะเป็นความเสียหายของสังคมและประเทศชาติโดยส่วนรวม

ความจริงที่เราจะต้องยอมรับกันก็คือ Failure หรือการประลัยในลักษณะต่างๆเกิดขึ้นอยู่เสมอทั้งในอดีต ปัจจุบันและจะยังคงเกิดขึ้นต่อไปในอนาคต ที่เป็นอย่างนี้ก็เพราะเหตุว่า สิ่งต่างๆที่ถูกออกแบบและสร้างขึ้นมาไม่ว่าจะเป็นชิ้นส่วนและโครงสร้างวิศวกรรมต่างๆ จะถูกสร้างขึ้นมาด้วยข้อจำกัดสำคัญ 2 ประการ คือ ข้อกำจัดด้านศาสตร์ และข้อจำกัดด้านวิชาการ ในมุมมองของเศรษฐศาสตร์เราจำเป็นต้องสร้างหรือผลิตสิ่งต่างๆขึ้นมาให้ราคาถูกที่สุดเท่าที่จะทำได้ แต่ให้สามารถใช้งานได้ ในยุคปัจจุบันที่การแข่งขันรุนแรงและกว้างขวาง หากสินค้าที่ผลิตมีราคาแพงเกินไปผู้ผลิตก็คงจะไม่สามารถอยู่ในธุรกิจได้นานอย่างแน่นอน ในทางวิชาการเราต้องยอมรับว่ามีอีกหลายอย่างที่มนุษย์เรายังไม่มีความรู้และความเข้าใจลึกซึ้งในปรากฏการณ์ธรรมชาติ จนสามารถจะทำนายพฤติกรรมของวัสดุและชิ้นส่วนต่างๆได้อย่างถูกต้องสมบูรณ์ เช่น เมื่อเราออกแบบชิ้นส่วน เครื่องจักรเพื่อให้รับแรง เราไม่อาจแน่ใจได้ว่าแรงที่เราใช้ในการออกแบบนั้นถูกต้องตามความเป็นจริง (ที่เกิดขึ้นจริง) เพียงใด ยิ่งถ้าชิ้นส่วนมีรูปร่างซับซ้อนการคำนวณหาความเค้นให้ถูกต้องก็ยิ่งทำได้ลำบาก หรือยิ่งลักษณะแรงที่ชิ้นส่วนจะต้องรับมีความซับซ้อนมีหลายลักษณะ การคำนวณแรงและความเค้นก็จะยิ่งมีความไม่แน่นอนเท่านั้น และเมื่อเราเลือกวัสดุก็มิอาจมั่นใจได้ว่าวัสดุที่เราเลือกมีคุณสมบัติในการรับแรงที่เกิดขึ้นจริงได้ดีเพียงใด เมื่อเวลาผ่านไปคุณสมบัติของวัสดุจะเปลี่ยนไปจากเดิมมากน้อยแค่ไหน คุณสมบัติที่ได้จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการอาจไม่เหมาะสมกับกับการใช้งานจริงก็ได้ วิศวกรแก้ปัญหาความไม่แน่นอนและไม่ใจต่างๆ เหล่านี้โดยการใช้องค์ประกอบความปลอดภัย (safety factor) ซึ่งตัวเลของค์ประกอบความปลอดภัยนี้จะได้จากการพิจารณาจากหลายส่วน ทั้งข้อจำกัดด้านวิชาการ ลักษณะของงานและจากประสบการณ์ รวมทั้งจากข้อมูลที่ได้จากการวิเคราะห์ความเสียหายที่เกิดขึ้นในอดีต

เมื่อชิ้นส่วนหรือโครงสร้างเกิดการประลัยเราจะต้องพยายามเรียนรู้ให้มากที่สุดเท่าที่จะมากได้และหาทางป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นอีกในอนาคต Failure Analysis (FA) เป็นการวิเคราะห์หาสาเหตุต่างๆที่เป็นที่มาของการประลัยที่เกิดขึ้นเพื่อให้ได้ข้อมูลหลักฐานและเรียนรู้จากสิ่งที่เกิดขึ้นให้มากที่สุด ผลที่ได้จากการวิเคราะห์คือ ข้อสรุปและคำตอบที่มีเหตุผลและมีหลักฐานของคำถามหลักๆ 3 ประเด็นคือ
1. ชิ้นงานเกิดการเสียหายได้อย่างไร
2. ใครคือผู้ที่ควรจะรับผิดชอบ
3. เราป้องกันจะไม่ให้เกิดขึ้นอีกในอนาคตได้อย่างไร

ข้อมูลข้อเท็จจริงตลอดจนความรู้และประสบการณ์ที่ได้จาก FA มีความหมายสำคัญมากเพราะ
1. เป็นการเพิ่มความรู้ความเขาใจเกี่ยวกับพฤติกรรมของชิ้นงานเมื่อรับภาระต่างๆให้ดีขึ้น ความรู้ดังกล่าวจะเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบชิ้นส่วนและโครงสร้างทางวิศวกรรมต่างๆให้ดีขึ้น ความรู้ดังกล่าวจะเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบชิ้นส่วนและโครงสร้างวิศวกรรมต่างๆในอนาคต
2. สามารถจะใช้เป็นหลักฐานทางกฎหมายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการหาผู้รับผิดชอบต่อความเสียหายที่เกิดขึ้น
3.จะช่วยป้องกันหรือลดการสูญเสียต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้นจากการประลัยของชิ้นงานหรือโครงสร้างในลักษณะเดียวกันในอนาคต
4. มีการพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ๆ ที่ใช้งานได้นานขึ้น คุณภาพดีขึ้น

ความสำคัญของการวิเคราะห์ความเสียหาย
• เป็นเป้าหมายสูงสุดอย่างหนึ่งของวิชาชีพวิศวกรรม
• ข้อมูลที่ได้จากการวิเคราะห์ฯ ทำให้เข้าใจธรรมชาติของวัสดุได้ดีขึ้น
• ทำให้เพิ่มความสามารถในการออกแบบ ผลิต ติดตั้ง ซ่อมบำรุง
• ป้องกันการเสียหายในอนาคต
• ลดความสูญเสียทางเศรษฐกิจ
• ลดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม

ถ้าเราพิจารณาจากวัฏจักรของอุปกรณ์ดังรูปที่ 3 จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่า การวิเคราะห์ความเสียหายนำไปสู่การแก้ปัญหาได้อย่างถูกจุด เช่น ถ้าผลการวิเคราะห์พบว่าความเสียหายเกิดจากการออกแบบที่ไม่ดี ก็ไปแก้โดยการออกแบบใหม่

รูปที่ 3 วัฏจักรของชิ้นส่วน อุปกรณ์

หรือถ้าพบว่าความเสียหายเกิดจากการเลือกวัสดุวัสดุไม่เหมาะสมก็ไปแก้ไขโดยเลือกวัสดุใหม่ การที่เราจะรู้ว่าวัสดุที่ใช้งานไม่เหมาะสมนั้นส่วนหนึ่งก็มาจากการวิเคราะห์ความเสียหาย ซึ่งความสัมพันธ์ระหว่างการเลือกใช้วัสดุและการวิเคราะห์ความเสียหายมีดังนี้
1. การเลือกใช้วัสดุในเบื้องต้น
2. ผลิต ประกอบหรือติดตั้ง
3. นำไปใช้งานแล้วเกิดความเสียหาย
4. ทำการวิเคราะห์ความเสียหาย
5. เลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมกว่า
ดังนั้นการวิเคราะห์ความเสียหายอาจถือว่าเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน ต้องใช้สหศาสตร์เพื่อช่วยในการวิเคราะห์ (ดังรูปที่ 4) ดังนั้นผู้ที่ทำการวิเคราะห์จะต้องเปิดใจ เป็นที่อยากรู้อยากเห็น เนื่องจากเป็นงานที่คล้ายกับงานสืบสวน สอบสวน การวิเคราะห์จะมีความถูกต้องแม่นยำมากน้อยเพียงใดก็ขึ้นอยู่กับพื้นฐานความรู้ ประสบการณ์ และความสัมพันธ์กับเพื่อนร่วมงาน เราอาจนำเทคนิคต่างๆ มาช่วยในการวิเคราะห์ เช่น TQM หรือ RCA เป็นต้น

รูปที่ 4 สหศาสตร์ในการวิเคราะห์ความเสียหาย

จากกฎไตรลักษณ์ของพุทธศาสนาเราที่กล่าวไว้ว่าสรรพสิ่งใดๆ เมื่อมีการเกิดขึ้น ก็มีการดำรงอยู่ (อาจจะมากบ้างหรือน้อยบ้าง ตามเหตุและปัจจัย) สุดท้ายก็ย่อมมีการดับหรือแตกสลาย ดังนั้นการแตกหักเสียหาย การเสื่อมสภาพของวัสดุ จึงเป็นสิ่งที่สามารถเกิดขึ้นได้ตลอดเวลา แม้ว่าสิ่งเหล่านี้เราไม่ต้องการให้เกิดขึ้นบางทีเราก็รู้ล่วงหน้า จึงสามารถป้องกันได้บางครั้งก็ไม่มีอาการปรากฏก่อนการเสียหายเลย ซึ่งไม่ต่างจากชีวิตมนุษย์เลย เพราะว่าบางคนอยู่เฉยๆ ไม่มีโรคมีภัย แต่ก็สามารถตายได้ โดยเฉพาะคนที่ดำรงชีวิตอย่างประมาท รูปแบบ ลักษณะและสาเหตุของความเสียหายที่เกิดขึ้นมีหลากหลาย ดังนั้นการที่เราจะวิเคราะห์หาสาเหตุการเสียหายได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ จำเป็นต้องดำเนินกระบวนการต่างๆ ที่เกี่ยวข้องด้วยความละเอียดรอบคอบ ซึ่งจะต้องอาศัยความรู้ความชำนาญหรือความเชี่ยวชาญจากศาสตร์หลายๆ ด้าน ไม่ว่าจะเป็นศาสตร์ทางด้านวิศวกรรมโลหการ วิศวกรรมวัสดุ วิศวกรรมเครื่องกล วิศวกรรมการออกแบบ เคมี ฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ หรือแม้แต่การคิดที่เป็นเหตุเป็นผล (Logical Thinking) เป็นต้น จึงกล่าวได้ว่าขั้นตอนของการวิเคราะห์เพื่อที่จะให้ได้ผลสรุปที่เป็นเหตุเป็นผล มีความชัดเจน มีหลักฐานอ้างอิง จึงมีหลายขั้นตอน ขึ้นอยู่กับความยากง่ายของปัญหา อุปกรณ์เครื่องวิเคราะห์และประสบการณ์ของทีมงานวิเคราะห์ สิ่งที่ได้จากการวิเคราะห์หาสาเหตุความเสียหาย จะมีประโยชน์อย่างมากในการพัฒนาทางด้านการออกแบบ การเลือกวัสดุ การผลิต การติดตั้ง การบำรุงรักษา ซึ่งเป็นการยกระดับความสามารถของวิศวกรที่สามารถค้นหาแหล่งที่มาของปัญหาได้ และหาทางป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นอีกในอนาคต

สำหรับขั้นตอนการวิเคราะห์ความเสียหาย Click ตรงนี้เลยครับ