การแตกหักของเพลาปั๊มน้ำด้วยกลไกการล้าร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosion fatigue fracture of water pump shaft)

เพลาปั๊มน้ำ (Water pump shaft) เกิดการแตกหักในระหว่างใช้งาน (รูปที่ 1) เพลาดังกล่าวมีอายุการใช้งานประมาณ 10 เดือน ชิ้นส่วนดังกล่าวผลิตจากเหล็กกล้าที่เติมโครเมียมสูง (รูปที่ 2) ปั๊มทำหน้าที่ดูดน้ำเสียที่ผ่านการบำบัด ปั๊มไม่ได้ทำงานต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง

รูปที่ 1 เพลาปั๊มน้ำที่แตกหัก

รูปที่ 2 ส่วนผสมทางเคมีของเพลาปั๊มน้ำ

การตรวจสอบด้วยสายตา

          เพลามีจุดเริ่มการแตกหักบริเวณบ่าเพลาที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดพื้นที่หน้าตัด  ซึ่งโดยรูปร่างจะเป็นตำแหน่งที่มีความเข้มของความเค้นสูง (High stress concentration site) เมื่อตรวจสอบอย่างละเอียดบริเวณจุดเริ่มรอยแตกพบลักษณะของการกัดกร่อน ไม่พบการยืดตัวหรือเสียรูปของเพลาแต่อย่างใด และผิวหน้าแตกทำมุมตั้งฉากกับแกนเพลา

การวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก

ลักษณะทางมหภาคของผิวหน้าแตกหักแสดงให้ว่าเป็นการแตกหักด้วยกลไกการล้าจากการรับแรงดัดเป็นหลัก (Unidirectional bending fatigue) และแรงบิด ผิวหน้าแตกหักสามารถแบ่งออกเป็น 2 โซน (ดังรูปที่ 3) ดังนี้

รูปที่ 3 ลักษณะทางมหภาคของผิวหน้าแตกหักของเพลาปั๊มน้ำที่แตกหัก

ผิวหน้ารอยแตกที่มีการขยายตัวของรอยแตกอย่างช้าๆ จากการล้า (Fatigue zone) พบการขยายตัวของรอยแตกเริ่มจากบริเวณผิวด้านนอกของเพลาบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดพื้นที่หน้าตัด โดยมีจุดเริ่มเพียงจุดเดียว (Single origin) แสดงให้เห็นว่าเพลาเกิดแตกหักจากการได้รับแรงกระทำแบบคาบในระหว่างใช้งานไม่สูงมาก (Low overstress) แต่น่าจะเกิดจากความเค้นที่สะสมเฉพาะจุดมีค่าสูงมาก มีลักษณะของผิวหน้าค่อนข้างเรียบ พบแนวการขยายตัวของรอยร้าวล้า (Fatigue cracking) ในระดับมหภาคคือ Beach marks  ในลักษณะที่ชัดเจน และมีพื้นที่ที่เกิดความเสียหายด้วยกลไกการล้าตัวประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ ลักษณะดังกล่าวเป็นการยืนยันว่าเพลาเกิดการแตกหักจากการได้รับแรงเค้นไม่สูงมาก

ผิวหน้ารอยแตกโซนที่ 2 เป็นโซนที่เกิดการแตกแบบทันทีทันใดจากการรับแรงเกินพิกัด (Final overload zone) พบการขยายตัวของรอยแตกมาจาก Fatigue zone เป็นลักษณะของการขยายตัวของรอยแตกอย่างรวดเร็ว ผิวหน้าแตกหักมีลักษณะขรุขระ ไม่เรียบ เมื่อเทียบกับผิวหน้าแตกของโซนที่ 1คิดเป็นพื้นที่ประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ ลักษณะดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าแรงที่กระทำในระหว่างการแตกหักช่วงสุดท้ายไม่สูงมากนัก ดังนั้นการแตกหักน่าจะมาจากวัสดุมีจุดบกพร่องในบริเวณที่มีความเข้มของความเค้นสูง

รูปที่ 4 ผลการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีบริเวณกัดกร่อนด้วย EDS

จากการตรวจสอบผิวหน้าบริเวณจุดเริ่มต้นรอยแตก (ขวามือของรูปที่ 3) พบความไม่ต่อเนื่องของวัสดุจากการกัดกร่อน ซึ่งยืนยันได้จากผลการวิเคราะห์ด้วย EDS (รูปที่ 4) ที่มีลักษณะเป็นรูบริเวณผิวหน้าของเพลา ซึ่งลักษณะดังกล่าวจะเป็นจุดรวมความเค้นและส่งเสริมให้เกิดการแตกได้ง่ายยิ่งขึ้น

การตรวจสอบโครงสร้างจุลภาค

          จากการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคบริเวณจุดเริ่มรอยแตก พบลักษณะการสูญเสียโลหะ (Metal loss) จากการกัดกร่อนดังรูปที่ 5-6

รูปที่ 5 ภาคตัดตามแนวแกนของเพลาผ่านจุดเริ่มรอยแตกพบร่องหลุมจากการกัดกร่อน

รูปที่ 6 โครงสร้างจุลภาคบริเวณจุดเริ่มรอยแตกแสดงการสูญเสียโลหะ

วิเคราะห์ผล

ผลที่ได้จากการตรวจสอบชี้ให้เห็นได้อย่างชัดเจนว่าเพลาปั๊มเกิดการแตกหักด้วยกลไกการล้าร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosion fatigue fracture) ซึ่งเป็นรูปแบบของการเสียหายที่มักเกิดขึ้นกับโลหะและโลหะผสมหลายชนิดที่อยู่ภายใต้สภาวะการรับแรงแบบคาบ (Cyclic load) ในสภาวะแวดล้อมต่างๆ [1] แม้ว่าเหล็กกล้าที่ใช้ทำเพลาดังกล่าวจะเติมโครเมียมมากถึง 13% เพื่อสร้างฟิล์มที่มีความต้านทานต่อการกร่อน (Passive film) แต่ในกรณีดังกล่าวพบว่าเกิดการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ (Localized corrosion) ขึ้นบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดพื้นที่หน้าตัด เป็นที่ทราบกันทั่วไปว่าชิ้นส่วนเพลาเหล็กกล้าที่มี passive film เมื่อสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบจะมีความไวต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting corrosion) และในกรณีที่มีการรับแรงแบบคาบไปด้วยนั้น สนิมรูเข็มจะแสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้น (Stress concentrator) จึงมักเป็นจุดเริ่มของการแตกหักเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน [2, 3] ยิ่งไปกว่านั้น คือ Pitting corrosion ไปปรากฏในบริเวณที่มีความเข้มของความเค้นสูงอยู่แล้วก็ยิ่งจะเพิ่มความไวต่อการแตกหักได้ง่ายยิ่งขึ้น (รูปที่ 7)

รูปที่ 7 ภาพจำลองแสดงความเข้มของความเค้นบริเวณเปลี่ยนขนาดพื้นที่หน้าตัดเพลา

การแตกหักเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนมักเริ่มจากบริเวณที่ถูกกัดกร่อนจากสารเคมีหรือบริเวณที่เกิดความไม่ต่อเนื่องบนผิวหน้า เช่น รอยขีดข่วน สารฝังใน เฟสที่เกิดการตกตะกอน รอยร้าวขนาดเล็ก หรือดิสโลเคชัน [4, 5] ในกรณีที่เกิดการกัดกร่อนจากสารเคมีนั้น การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าที่มีฟิล์มปกป้องมักเกิดจากคลอไรด์ [6, 7]  ซึ่งผลการตรวจสอบผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน (บริเวณที่เกิดสนิม) ในจุดเริ่มต้นการแตกหักพบว่ามีคลอไรด์เจือปน ภายใต้สภาวะการรับแรงแบบคาบ สนิมรูเข็ม จะแสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้น (Stress Concentration) [8] ที่มักเป็นจุดเริ่มของการแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน

การแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนจะมีลักษณะบางอย่างคล้ายกับการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน [9] ทั้งจุดเริ่มต้นและการขยายตัวของรอยแตกร้าว ในกรณีดังกล่าวนี้ ศาสตร์การวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักจะถูกนำมาใช้ในการยืนยันรูปแบบการแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน โดยถ้าพบแนวการขยายตัวของรอยแตกแบบมหภาคที่เรียกว่า beach marks ซึ่งเป็นสัญลักษณ์การขยายตัวของรอยแตกจากการล้าตัว และเมื่อตรวจสอบบริเวณจุดเริ่มรอยแตกจะพบจุดบกพร่องจากการกัดกร่อนและผิวหน้ารอยแตกรอบๆ จุดเริ่มจะพบการทำปฏิกิริยากับสารละลายเกิดเป็นคราบออกไซด์ (ดังรูปที่ 3)

สรุปผล 

เพลาปั๊มน้ำเกิดการแตกหักด้วยรูปแบบการแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน ซึ่งมีจุดเริ่มมาจากสนิมรูเข็มที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาของคลอไรด์และเกิดในบริเวณที่มีความเข้มของความเค้นสูง การเลือกวัสดุจึงมีความสำคัญต่อการป้องกันการเสียหายจากการแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนนอกจากนี้ การควบคุมปริมาณสารเจือปนในสารละลาย การป้องกันการแช่นิ่งของสารละลายเป็นเวลานาน และการทำความสะอาดเพลาเพื่อกำจัดอนุภาคที่มีคลอรีนเป็นองค์ประกอบเป็นประจำ เป็นวิธีการที่สามารถลดปัญหาดังกล่าวได้

เอกสารอ้างอิง

[1]     B.D. Craig. Material Failure Modes, Part I: A Brief Tutorial on Fracture, Ductile Failure, Elastic Deformation, Creep, and Fatigue, JFAP 2005; 5(5): 13-14, 39-45.

[2]     S. Roychowdhury et al., Effect of pH and specimen orientation on the corrosion fatigue behavior of a duplex stainless steel in chloride solutions, Trans. Indian Inst. Met. 2004; 57(3): 265-70.

[3]     C.R. Gagg and P.R. Lewis, In-service fatigue failure of engineered products and structures – Case study review, Eng Fail Anal 2009; 16(6): 1775-93.

[4]     R. Ebara, Corrosion fatigue phenomena learned from failure analysis, Eng Fail Anal 2006; 13: 516–25.

[5]     C.R. Gagg and P.R. Lewis, Failure of components and products by engineered-in defects – case studies, Eng Fail Anal 2005; 12(6): 1000–26.

[6]     M. G. Fontana, Corrosion Engineering, third ed., New York, McGraw-Hill, 1967: 51-4.

[7]     S.A.M. Refaey, Corrosion and Inhibition of 316L stainless steel in neutral medium by 2-Mercaptobenzimidazole, Int. J. Electrochem. Sci. 2006; 1: 80-91.

[8]     M. Cerit, K. Genel, S. Eksi, Numerical investigation on stress concentration of corrosion pit, Eng Fail Anal 2009; 16(7): 2467–72.  

[9]     N.J. Laycock and R.C. Newman, Temperature dependence of pitting potentials for austenitic stainless steels above their critical pitting temperature, Corrosion Science 1998; 40(6):887-902.

การเสียหายที่อุณหภูมิสูงของ SS310 จากคาร์บูไรเซชัน (Carburization of high-temperature SS310)

ข้อมูลเบื้องต้น

ระบบท่อและหัวฉีดสำหรับลำเลียงแก๊สธรรมชาติ

ระบบท่อและหัวฉีดสำหรับลำเลียงแก๊สธรรมชาติเข้าสู่เตาเผาเกิดการเสื่อมสภาพอย่างรุนแรง หลังจากเพิ่งติดตั้งใหม่และใช้งานได้ประมาณ 1 เดือน และมีการเปลี่ยนระบบเชื้อเพลิงจากการใช้น้ำมันเตามาเป็นแก๊สธรรมชาติ ในการออกแบบได้เลือกเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 310 เป็นวัสดุสำหรับระบบลำเลียงแก๊สเข้าสู่เตาเผา ท่อดังกล่าวมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางรอบนอก 34 มิลลิเมตร มีความหนาของผนังท่อ 3.5 มิลลิเมตร มีความยาวประมาณ 1 เมตร แก๊สธรรมชาติมีอุณหภูมิเริ่มต้นประมาณ 40-50 องศาเซลเซียส ซึ่งมีความดันค่อนข้างต่ำ (ไม่เกิน 100 มิลลิบาร์) มีมีเทนเป็นองค์ประกอบหลัก (~75%) รองลงมา ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ (~13%) นอกจากนี้ยังมีอีเทน โพรเพน บิวเทน และเพนเทนเจือปนในปริมาณเล็กน้อย ในระหว่างปฏิบัติการนั้น แก๊สที่ไหลภายในท่อได้รับความร้อนจากอากาศร้อนที่หุ้มอยู่ผนังด้านนอกท่อที่มีอุณหภูมิประมาณ 900 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดที่ออกแบบไว้ให้ใช้งานได้ไม่เกิน 900 องศาเซลเซียส อย่างไรก็ตามท่อได้เกิดการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วและส่งผลให้การผลิตไม่สามารถดำเนินการต่อไปได้ นอกจากนี้ยังต้องเสียค่าใช้จ่ายในเปลี่ยนชิ้นส่วนใหม่ค่อนข้างสูง

ลักษณะการเสื่อมสภาพอย่างรุนแรงของท่อ

โลหะ สมบัติ และกลไกการเสียหาย

เป็นที่ทราบกันดีว่าโลหะผสมทนความร้อน (Heat resisting alloy) มักถูกเลือกมาใช้งานในสิ่งแวดล้อมที่มีองค์ประกอบของแก๊สที่อุณหภูมิสูง เช่น เกรด HP40, HP45, Incoloy 800 หรือ AISI 310 เป็นต้น สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกเกรด AISI 310 เป็นโลหะผสมออสเตนนิติกประเภทที่มีเหล็กเป็นส่วนผสมหลัก (Fe-based alloy) ที่นิยมนำมาใช้งานในสิ่งแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและมีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง (Aggressive environment) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เคมี โรงไฟฟ้า นิวเคลียร์ [1-2] เนื่องจากมีสมบัติต้านทานต่อความร้อนและการกัดกร่อนที่ดี [3-4] นอกจากนี้ เนื่องจากวัสดุเกรดดังกล่าวมีปริมาณของธาตุโครเมียมและนิกเกิลเจือในปริมาณสูง (25 และ 20 wt% ตามลำดับ) จึงเพิ่มความความต้านทานต่อคาร์บูไรเซชัน (Curburization) และการกัดกร่อนจากแก๊สอุณหภูมิสูง (Hot gas corrosion)

คาร์บอนที่เกาะติดภายในท่อ

ในสภาวะการใช้งานแบบต่อเนื่อง เหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 310 มีความสามารถใช้งานในสภาวะ oxidizing ที่ไม่มีและมีซัลเฟอร์เจือปน (100 mg/m3) ที่อุณหภูมิสูงประมาณ 1,150 องศาเซลเซียส และ 1,100 องศาเซลเซียส  ตามลำดับ ในกรณีที่มีการใช้งานแบบไม่ต่อเนื่องสามารถใช้งานในสภาวะทั้งสองที่ 1,025 องศาเซลเซียส และ 975 องศาเซลเซียส ตามลำดับ [5] แต่เมื่อถูกนำมาใช้ในสภาวะที่สัมผัสกับแก๊สธรรมชาติที่อุณหภูมิสูงซึ่งมีมีเทน (CH4) เป็นองค์ประกอบหลัก มักส่งเสริมให้เกิดการเสื่อมสภาพด้วยรูปแบบคาร์บูไรเซชัน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์การกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง (High temperature corrosion phenomenon) ซึ่งคาร์บูไรเซชันเป็นสภาวะบรรยากาศที่มี partial pressure ของออกซิเจนต่ำและมี carbon activity สูง [6] ทำให้โครเมียมคาร์ไบด์ (Cr-carbides) มีความเสถียรทางเทอร์โมไดนามิกส์มากกว่าชั้นที่เป็นโครเมียมออกไซด์

การตกตะกอนของคาร์ไบด์ภายในวัสดุ

แม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 310 สามารถสร้างฟิล์มโครเมียมออกไซด์เมื่ออยู่ในสภาวะแบบออกซิไดซิ่งได้ แต่ถ้าสภาวะแวดล้อมเป็นคาร์บูไรซิ่ง ฟิล์มดังกล่าวมีความต้านทานที่อุณหภูมิสูงได้ไม่เกิน 1,050 องศาเซลเซียส [3,7] เนื่องจากถ้าอุณหภูมิสูงมากกว่านี้ ฟิล์มดังกล่าวจะมีการเปลี่ยนลักษณะไปเป็นแบบกึ่งต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่อง โดยมักเปลี่ยนไปอยู่ในรูปของโครเมียมคาร์ไบด์/ออกไซด์ที่มีลักษณะพรุน ซึ่งลักษณะดังกล่าวมักเป็นช่องทางให้คาร์บอนที่มีอยู่มากในบรรยากาศเผาไหม้แพร่เข้าไปในวัสดุได้ง่ายขึ้น โดยอัตราการแพร่จะขึ้นกับอุณหภูมิเป็นหลัก จากนั้นจะเกิดการตกตะกอนทั้งตามขอบเกรนและภายในเกรนส่งผลให้วัสดุมีความเหนียวและความแกร่งลดลง [8] นอกจากนี้ ถ้าสภาวะแวดล้อมเป็นแบบริดิวซิ่งอย่างรุนแรง (Severely reducing) นอกจากจะส่งเสริมให้เกิดการตกตะกอนภายใน (Internal precipitate) วัสดุแล้วยังมักทำให้เกิดฝุ่นโลหะ (Metal dusting) โดยเกิดการแยกชั้น (Disintegration) ของโลหะผสมกลายเป็นอนุภาคผงโลหะขนาดเล็กและมีผงถ่านเกาะติด ซึ่งสาเหตุอาจเกิดจากหลายปัจจัย ยกตัวอย่างเช่น การควบคุมสภาวะการเผาไหม้ไม่ถูกต้องเหมาะสม สภาวะแวดล้อมที่มีคาร์บอนมากเกินไปในระหว่างการใช้งานที่อุณหภูมิสูง หรือ วัสดุไม่เหมาะสมกับสภาวะการใช้งาน เป็นต้น

โดยทั่วไปสภาวะการใช้งานเริ่มต้นของท่อน่าจะเป็นแบบ oxidizing/carburizing คราบที่เกิดขึ้นจะมีความต่อเนื่อง แต่เมื่อสภาวะการใช้งานมีฤทธิ์กัดกร่อนที่รุนแรง (Aggressive environment) คือเปลี่ยนไปเป็นแบบ reducing/carburizing และมีอุณหภูมิสูงกว่า 1,050 องศาเซลเซียส ออกไซด์ดังกล่าวได้เปลี่ยนรูปไปเป็นคาร์ไบด์ ส่งผลให้ฟิล์มที่เกิดขึ้นมีลักษณะไม่ต่อเนื่อง คาร์บอนที่มีอยู่ปริมาณมากและมีศักยภาพสูงในสิ่งแวดล้อมได้แพร่เข้าไปตามจุดบกพร่อง ซึ่งยืนยันได้จากการตรวจสอบคราบออกไซด์ด้วย SEM ที่หลุดร่อนมีลักษณะพรุน นอกจากนี้การตรวจพบอนุภาคผงคาร์บอนเกาะติดที่ผิวหน้า (Adherent coking) ชี้ให้เห็นว่าสภาวะแวดล้อมเป็นแบบรีดิวซิ่งอย่างรุนแรง ซึ่งแก๊สธรรมชาติมีมีเทนเป็นองค์ประกอบหลัก (~75%) เมื่อถูกเผาไหม้แล้วเกิดการแตกตัวจะได้คาร์บอนอิสระดังสมการ CH4 = 2H2 + C คาร์บอนที่ได้จากปฏิกิริยาดังกล่าวจะเกิดเป็นคราบของผงคาร์บอนเกาะติด ลักษณะดังกล่าวส่งผลให้ผิวหน้าของวัสดุมีสมบัติเป็นฉนวนกันความร้อน ซึ่งในการใช้งานจำเป็นต้องให้อุณหภูมิที่สูงขึ้นมากกว่าปกติ ทั้งนี้เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิให้ได้ตามค่าที่ต้องการ นอกจากนี้ยังเป็นปัจจัยเร่งให้เกิดคาร์บูไรเซชันได้ [3]

โครงสร้างจุลภาคบริเวณด้านนอกของท่อที่สัมผัสอากาศร้อน

โครงสร้างจุลภาคบริเวณด้านในของท่อที่เกิดคาร์บูไรเซชัน

โครงสร้างจุลภาคของท่อที่ยังไม่ใช้งาน

การตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคชี้ให้เห็นได้ชัดเจนว่า ท่อเกิดการเสียหายด้วยรูปแบบคาร์บูไรเซชัน กล่าวคือ มีการแยกตัวตกตะกอนของเฟสที่มีโครเมียมสูง (Chromium rich phase) ปรากฏการณ์ดังกล่าวใช้อธิบายผลของอุณหภูมิต่อความต่อเนื่องของชั้นที่ฟอร์มและพฤติกรรมของคาร์บูไรเซชัน การแพร่ของคาร์บอนส่งผลให้วัสดุมีน้ำหนักเพิ่มขึ้น คาร์บอนที่มีในปริมาณมากนี้จะทำให้เกิดการขยายตัวของแลททิช  (Lattice expansion) ทำให้ชั้นที่เสื่อมสภาพและวัสดุมีความสามารถในการขยายตัวเนื่องจากความร้อน (Thermal expansion) ที่แตกต่างกัน เหนี่ยวนำให้เกิดการแยกชั้นของคราบกับวัสดุ คาร์ไบด์ตกตะกอนที่พบในปริมาณมากและมีขนาดใหญ่นี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเวลาแต่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นหลัก [4] ดังจะเห็นได้ว่าการเสียหายของท่อดังกล่าวเกิดขึ้นภายในระยะเวลาแค่ 1 เดือน หรืออาจกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่า ยิ่งอุณหภูมิการใช้งานมีค่ามากกว่า 1,050 องศาเซลเซียสมากเพียงใด การแยกตัวตกตะกอนของเฟสที่มีโครเมียมสูงก็จะมีปริมาณมากและขนาดใหญ่ตามไปด้วย การฟอร์มตัวของโครเมียมคาร์ไบด์ในปริมาณมาก ส่งผลให้เกิดบริเวณสูญโครเมียม (Chromium depleted zone) ซึ่งมีโครงสร้างพื้นฐานเป็นออสเตนไนต์ เรียกบริเวณดังกล่าวนี้ว่าเฟสที่มีเหล็กสูง (Iron rich phase) ซึ่งจะลดความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการได้รับความร้อนแบบคาบ (Thermal cycling) การที่ท่อถูกใช้งานแบบไม่ต่อเนื่องจากการหยุดเพื่อซ่อมการอุดตันรูของท่อ ส่งผลให้เกิดความเค้นจากความร้อน (Thermal stress) และความเค้นทางกล (Mechanical stress) ซึ่งเป็นปัจจัยเร่งให้เกิดการแยกชั้นของชั้นเสื่อมสภาพและวัสดุ ในที่สุดก็เกิดการหลุดร่อนของชั้นเสื่อมสภาพบนผิวหน้า  การที่ชั้นเสื่อมสภาพถูกทำลายหรือหลุดออกไปนั้น สามารถทำการซ่อมแซมได้โดยการแพร่ของโครเมียมและการฟอร์มตัวของชั้นออกไซด์ใหม่ อย่างไรก็ตาม การเสียหายและหลุดร่อนของชั้นเสื่อมสภาพแล้วซ่อมแซมใหม่ซ้ำแล้วซ้ำเล่าเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสามารถยืนยันได้จากผลการวัดความหนาท่อที่จะมีค่าลดลงจะส่งผลให้ปริมาณโครเมียมลดลงเรื่อยๆ เมื่อการแพร่ของโครเมียมจากวัสดุเพื่อสร้างฟิล์มใหม่ที่ผิวด้านนอกเกิดขึ้นได้น้อยแล้ว โลหะผสมจะมีความอ่อนแอโดยเกิดการกัดกร่อนภายใน (Internal attack) ในรูปของคาร์บูไรเซชันภายใน (Internal carburization)  เมื่อความสามารถในการสร้างฟิล์มออกไซด์บนผิวหน้ามีค่าลดลง คาร์บอนที่มีค่าแอกทิวิตี้สูงนี้ก็จะแพร่เข้าไปในวัสดุ แล้วเกิดการฟอร์มเป็นโครงสร้างที่สามารถตกตะกอนภายใน (Internal precipitates)  นอกจากนี้ การเกิดบริเวณสูญโครเมียมจะส่งผลให้บริเวณดังกล่าวมีความต้านทานต่อออกซิเดชันและคาร์บูไรเซชันต่ำลง ในโครงพื้นฐานที่เป็นออสเตนไนต์นี้ เมื่อเกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ที่มีลักษณะเป็นแท่งเล็กๆ (Spinel) จะแสดงตัวเป็นนิวเคลียส (Precipitate nucleation) เพื่อรอการ growth การเติบโตของอนุภาคดังกล่าวจำเป็นต้องมีการแพร่ของโครเมียมจากบริเวณรอบๆ ดังนั้นการขยายตัวจึงดำเนินการต่อไปเรื่อยๆ จนกระทั่งโครเมียมในบริเวณข้างเคียงมีปริมาณลดลง อย่างไรก็ตาม ยังมีโครเมียมอยู่อีกจำนวนมากที่อยู่ลึกลงไปจากผิวหน้าของชิ้นงาน ดังนั้น การขยายตัวของอนุภาคที่ตกตะกอนก็เกิดขึ้นเรื่อยๆ จนเมื่อการสูญเสียความหนาของท่อรวมทั้งชั้นที่เกิดคาร์บูไรซ์มีค่าประมาณ 30-50% ของความหนาท่อ การเสียหายก็จะเกิดขึ้นอย่างทันทีทันใด [3] จากลักษณะของโครงสร้างจุลภาคที่ปรากฏสามารถชี้ให้เห็นได้ว่า วัสดุไม่สามารถสร้างฟิล์มเพื่อต้านทานการแพร่ของคาร์บอน โครงสร้างพื้นฐานที่เป็นออสเตนไนต์หรือโครงสร้างที่มีเหล็กสูง แต่มีการสูญโครเมียมรอบๆ อนุภาคที่มีลักษณะเป็นแท่ง ก็ยิ่งส่งเสริมให้เกิดคาร์บูไรเซชันได้ดียิ่งขึ้น

การตกตะกอนของคาร์ไบด์ที่มีลักษณะเป็นแท่งเล็กๆ (Spinel)

ความแข็งเป็นอีกตัวแปรหนึ่งที่ใช้ยืนยันการเกิดคาร์บูไรเซชันได้ โดยความแข็งจะสูงอย่างมีนัยสำคัญเฉพาะที่ชั้นด้านนอกที่เกิดคาร์บูไรเซชัน [4] 

ความแข็งตลอดหน้าตัดของท่อที่เสียหายกับท่อปกติ

จากผลการวิเคราะห์สามารถสรุปได้ว่า ท่อลำเลียงแก๊สร้อนเกิดการเสียหายด้วยรูปแบบคาร์บูไรเซชัน เนื่องจากการสัมผัสกับบรรยากาศที่มีคาร์บอนเป็นส่วนผสมที่อุณหภูมิสูงเกินพิกัดที่วัสดุสามารถรับได้ ส่งผลให้วัสดุเกิดการตกตะกอนของเฟสที่มีโครเมียมสูงในปริมาณมากรวมทั้งการแยกตัวของชั้นที่เสื่อมสภาพ

เอกสารอ้างอิง

[1]      Yin RC. Cyclic and isothermal exposures of 310SS to 10%CH₄/H₂ carburizing gas mixture at high temperatures, Mater Sci Eng A 2005; 391:19-28.

[2]      Yin RC. Carburization of 310 stainless steel exposed at 800–1100 °C in 2%CH₄/H₂ gas mixture. Corros Sci 2005;47(8):1896-910.

[3]      Tsaur C.-C, Rock JC, Wang C.-J, Su Y.-H. The hot corrosion of 310 stainless steel with pre-coated NaCl/Na₂SO₄ mixtures at 750 °C. Mat Chem and Phys 2005;89(2-3):445-53.

[4]      Tawancy HM. Degradation of mechanical strength of pyrolysis furnace tubes by high-temperature carburization in a petrochemical plant. Eng Fail Anal 2009; 16(7):2171-8.

[5]      Li H, Zheng Y, Benum LW, Oballa M, Chen W. Carburization behaviour of Mn–Cr–O spinel in high temperature hydrocarbon cracking environment. Corros Sci 2009;51(10):2336-41.

[6]      Smith PJ, Van der Biest O, Corish J.  The initial stages of high-temperature corrosion of Fe-Cr-Ni and Cr-Ni alloys in a carburizing atmosphere of low oxygen partial pressure. Oxidation of Metals 1985;24(1-2):47-83.

[7]      Li H. et al., Carburization behaviour of Mn-Cr-O spinel in high temperature hydrocarbon cracking environment, Corros. Sci. 2009; 51 : 2336– 41

[8]      Ul-hamid A. et al., Carburization of Fe-Cr-Ni alloys at high temperatures, Materials Science-Poland 2006 ; 24(2/1) : 319-31.

นิติวิศวกรรม (Forensic Engineering)

ข่าวสารที่เราได้รับทราบกันในชีวิตประจำวัน ไม่ว่าจะเป็นตึกหรือเครนถล่ม สะพานพัง รถยนต์ชนกัน อาคารถูกไฟไหม้ เครื่องบินตก ท่อก๊าซระเบิด ฯ ความเสียหายที่เกิดขึ้นเหล่านี้มีผลกระทบกับชีวิตและทรัพย์สินผู้คนอย่างมากมาย ถ้าความเสียหายทำให้มีการเสียชีวิตของผู้คน ก็จะมีหน่วยงานที่ทำหน้าที่พิสูจน์สาเหตุของการตาย เรียกวิธีการดังกล่าวว่า การชันสูตร  ซึ่งทุกท่านคงจะทราบกันดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเอ่ยถึงชื่อคุณหญิงหมอพรทิพย์ เพราะท่านเป็นผู้เชี่ยวชาญงานนิติเวช (Forensic Autopsy) ซึ่งเป็นการตรวจสอบศพ เพื่อหาสาเหตุและพฤติการณ์การตายโดยใช้ความรู้ทางนิติเวชศาสตร์เป็นหลักในการตั้งสมมติฐาน และการพิสูจน์ทราบความจริง เพื่อนำผลที่ได้ไปใช้ประโยชน์ในการสนับสนุนการดำเนินการตามกระบวนการยุติธรรม กรณีที่เกิดปัญหาทางกฎหมาย และคดีความให้มีประสิทธิภาพและเป็นธรรม ในกระบวนการชันสูตรจะใช้ความรู้หลายศาสตร์ในการวิเคราะห์ ไม่ว่าจะเป็น กายวิภาคศาสตร์ พยาธิวิทยา พิษวิทยา รังสีวิทยา ทันตวิทยา ศัลยวิทยา และจิตเวชวิทยา เป็นต้น แต่ถ้าความเสียหายเกิดขึ้นกับชิ้นส่วน อุปกรณ์ หรือโครงสร้างทางวิศวกรรม ก็จะนำศาสตร์อีกด้านหนึ่งมาใช้ตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุของการเสียหาย เราเรียกศาสตร์ดังกล่าวนี้ว่า นิติวิศวกรรม (Forensic Engineering) ^[1] เป็นการผสมผสานของหลักการนิติวิทยาศาสตร์กับเทคนิคการวิเคราะห์ความเสียหายทางวิศวกรรม เพื่อค้นหาข้อมูลทางกายภาพของการเสียหายในงานวิศวกรรม เป็นกระบวนการตรวจสอบวัสดุ ผลิตภัณฑ์ โครงสร้าง ชิ้นส่วนที่เกิดการเสียหายหรือไม่สามารถใช้งานได้ตามหน้าที่ที่ถูกออกแบบไว้  เพื่อลดความเสี่ยงและปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ เพิ่มความปลอดภัยและลดค่าใช้จ่าย ^[2] ซึ่งถ้าใครเคยดูซีรีส์ crime scene investigation (CSI) ที่ได้ความนิยมอย่างมากทางรายการโทรทัศน์ก็มองภาพของงานเชิงนิติวิศวกรรมได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

งานทางด้านนิติวิศวกรรม  เป็นการประยุกต์ใช้หลักการทางวิศวกรรมกับการวิเคราะห์ความเสียหายเพื่อให้ได้หลักฐานที่สามารถนำไปดำเนินการทางกฎหมายหรือในกระบวนการพิจารณาคดีของศาล ประกอบไปด้วยการสำรวจหามูลเหตุของความเสียหายทางวิศวกรรม  ซึ่งก่อให้เกิดการเรียกร้องค่าเสียหายและการฟ้องร้องได้  โดยอยู่บนพื้นฐานของความยุติธรรม มีการจัดทำรายงานเพื่อเป็นเอกสารประกอบการสอบสวนและดำเนินคดี  มีการให้ความเห็นทางวิชาชีพ  เพื่อนำไปสู่การไกล่เกลี่ยข้อขัดแย้ง  หรือกระบวนการในอนุญาโตตุลาการ อย่างไรก็ตาม งานทางด้านนิติวิศวกรรมมักจะนำไปสู่ปัญหาที่เกี่ยวข้องมากกว่าที่จะระบุให้ได้ว่าอะไรเสียหายและสาเหตุที่เสียหายมาจากอะไร ^[3]

การเกิดเหตุไฟไหม้หอกลั่นน้ำมัน

การตรวจสอบความเสียหายเพลากวนน้ำตาลร่วมกันระหว่าง Forensic engineer กับตำรวจพิสูจน์หลักฐาน ซึ่งเป็นเคสที่ทำให้มีการเสียชีวิตของพนักงานที่ควบคุมเครื่องมือ

ในกระบวนการตรวจสอบความเสียหายมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดจากการก่ออาชญากรรม  ในกรณีที่การเสียหายไม่ได้เกิดจากอาชญากรรม บริษัทประกันภัยและทนายความของบริษัทหรือบุคคลที่ได้รับบาดเจ็บอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับความเสียหายต้องการให้มีความรับผิดชอบทางการเงินหรือทางกฎหมาย ซึ่งในที่สุดอาจทำให้คดีไปสู่การพิจารณาในศาลแพ่ง จากข้อมูลพบว่าการเสียหายที่เกี่ยวข้องกับงานโยธาจะเกิดขึ้นบ่อยมาก  เช่น เครนถล่ม ตึกถล่ม สะพานพัง ฯ โดยทั่วไปแล้ว จุดประสงค์ของการตรวจสอบทางนิติวิศวกรรม คือ  การระบุตำแหน่งของสาเหตุ  หรือสาเหตุของปัญหาด้วยมุมมองที่สามารถนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้นหรือเพิ่มอายุการใช้งานของวัสดุ 

การตรวจสอบความเสียหายที่ต้องมีผู้เชี่ยวชาญจากหลากหลายศาสตร์มาร่วมมือกัน

ความหายนะทางวิศวกรรมโดยส่วนใหญ่จะถูกตรวจสอบโดยหลักนิติวิศวกรรม โดยใช้วิศวกรที่มีประสบการณ์การตรวจสอบทางด้านนี้โดยเฉพาะ ซึ่งในปัจจุบันนี้เครื่องมือและอุปกรณ์เกือบทุกชนิดในโรงงานอุตสาหกรรมจะมีการทำประกันภัย เมื่อเกิดการเสียหายขึ้นกับเครื่องมือและอุปกรณ์ จึงจำเป็นต้องตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุที่เกิดขึ้น เพราะถ้าสาเหตุที่เกิดขึ้นอยู่ในเงื่อนไขของกรมธรรม์ประกันภัย ก็จะได้รับค่าชดเชย แต่การชดเชยใช่ว่าจะจ่ายตามวงเงินสูงสุดที่ได้ทำสัญญาไว้เสมอไป เพราะว่ามูลค่าของทรัพย์สินอาจลดลงไปตามเวลาหรือปัจจัยอื่น ๆ เช่น เกิดการเสื่อมสภาพ ดังนั้นบริษัทประกันภัยจึงต้องมีทีมงานประเมินความเสียหาย (Surveyor) เพื่อให้การจ่ายค่าชดเชยเป็นไปตามเงื่อนไข มีความใกล้เคียงกับมูลค่าจริงของวัสดุหรือสิ่งของนั้นๆ นักกฎหมายของบริษัทประกันภัยหรือทนายของผู้ร้องทุกข์หรือจำเลย จะว่าจ้างนิติวิศวกรเพื่อมาตรวจสอบ (ซึ่งถ้าท่านใดมีลูกหลานที่ชอบงานสืบสวนสอบสวน แนะนำให้เรียนต่อด้านนี้เลยครับ งานดี เงินดีมาก) หรือปรึกษาเกี่ยวกับกระบวนการตรวจสอบความเสียหาย นิติวิศวกรจะต้องทำการตรวจสอบทุกๆ หัวข้อที่สามารถตรวจสอบได้ ดังนั้นวิศวกรผู้ตรวจสอบจะต้องเข้มงวดโดยตั้งสมมติฐานว่าสิ่งที่ทำการค้นหาจะต้องถูกนำไปพิสูจน์ในชั้นศาล สาเหตุที่เป็นไปได้ทั้งหมดของการเสียหายจะต้องถูกพิจารณาและตรวจสอบให้ครบทุกประเด็น

การแตกหักของเพลาในเครื่องจักรสำหรับขึ้นรูปฝาขวดที่ส่งให้หยุดการผลิตชั่วคราว

ในเนื้อหาที่ผมจะนำเสนอต่อไปนี้จะกล่าวถึงสาเหตุที่มักนำไปสู่การเสียหาย และกระบวนการวิเคราะห์ความเสียหายในงานนิติวิศวกรรม ซึ่งประกอบไปด้วยการศึกษาข้อมูลเบื้องต้น การตรวจสอบด้วยสายตาบริเวณที่เกิดความเสียหาย การตรวจสอบด้วยสายตาในห้องปฏิบัติการ การทดสอบแบบไม่ทำลาย การทดสอบแบบทำลาย การวิเคราะห์ความเค้น การสรุปผล และการเขียนรายงาน รวมทั้งงานนิติวิศวกรรมที่ทีมวิจัยการวิเคราะห์ความเสียหายฯ ของศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติได้เข้าไปเกี่ยวข้องและมีบทบาทในการทำงานร่วมกับตำรวจพิสูจน์หลักฐาน ศาลคุ้มครองผู้บริโภค อัยการ และโจทย์

ชิ้นส่วนรถบิ๊กไบต์ที่เกิดการแตกหักหลังเกิดอุบัติเหตุและนำมาตรวจสอบว่าจุดเริ่มรอยแตกของชิ้นส่วนอลูมิเนียมมีจุดบกพร่องภายในหรือไม่ หรือว่าเป็นการแตกหักจากอุบัติเหตุ

โดยทั่วไปการเสียหายของชิ้นส่วน/อุปกรณ์/โครงสร้างวิศวกรรมสามารถเกิดจากสาเหตุหลากหลายประการ ดังนี้

- ผู้ใช้งานประมาท เลินเล่อ ใช้งานผิดประเภท ไม่ได้ผ่านการฝึกอบรมหรือถูกอบรมแบบไม่ถูกต้อง

- เกิดจากการซ่อมบำรุงและตรวจสอบที่ไม่ถูกต้องและเหมาะสม

- การออกแบบโครงสร้างที่ไม่ดี หรือการเปลี่ยนแบบที่ไม่ถูกต้อง เช่นมีการก่อสร้างเพิ่มเติม

- เลือกใช้วัสดุ หรือ กระบวนการผลิตที่ผิด

- มีจุดบกพร่องภายในวัสดุ เช่น โพรงอากาศในชิ้นงานหล่อ หรือ จุดบกพร่องจากการประกอบติดตั้ง เช่น รอยร้าวขนาดเล็กในแนวเชื่อม

- การกัดกร่อน (โดยเฉพาะวัสดุประเภท bolt และ nut)

- การใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม เช่น เกิดการสูญเสียความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำ หรือสูญเสียความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง

- เกิดการล้าตัวหรือสึกหรอหลังจากผ่านการใช้งานเป็นระยะเวลานาน

- การรับแรงเกินพิกัดในระยะเวลาอันสั้น เช่น เกิดแผ่นดินไหว ธรณีพิบัติ ทอนาโด รับแรงกระแทก

- เกิดจากหลายสาเหตุร่วมกัน

ในระหว่างกระบวนการตรวจสอบ นิติวิศวกรจะต้องใช้เทคนิคและเครื่องมือในการทดสอบหลายชนิด เพื่อใช้ในการตรวจสอบหาสาเหตุของการเสียหายทุกรูปแบบที่เป็นไปได้ จากการทดสอบด้วยเทคนิคและเครื่องมือต่างๆ จะทำให้วิศวกรสามารถตัดหัวข้อที่ไม่ตรงประเด็นหรือไม่น่าจะเป็นสาเหตุออกไปได้ และทำการประเมินหัวข้ออื่นๆ ที่ใกล้เคียงกว่า โดยหลักปฏิบัติ ทีมวิศวกรที่ตรวจสอบจะต้องรวบรวมข้อมูลให้มีลักษณะเป็นสายโซ่ของเหตุการณ์ต่างๆ (Chain of events) ที่สามารถสนับสนุนผลการตรวจสอบ นำไปสู่การประเมินผล และการค้นหาสาเหตุที่แท้จริงได้         

กระบวนการวิเคราะห์ความเสียหายในงานนิติวิศวกรรม

ถึงแม้ว่าวิศวกรที่ตรวจสอบจะผ่านการฝึกอบรมและมีความเชี่ยวชาญเชิงวิทยาศาสตร์ในการระบุรูปแบบการเสียหายและสาเหตุที่เกิดขึ้น ซึ่งวิธีการที่ใช้ในการตรวจสอบจึงมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง การขาดความรู้หรือการไม่ทราบข้อกฎหมายจะส่งผลกระทบต่อการสร้างความน่าเชื่อถือทั้งกับลูกค้าและตัววิศวกรเอง ดังนั้น นิติวิศวกรควรดำเนินการตรวจสอบตามขั้นตอนพื้นฐานหลังจากที่ถูกมอบหมายให้ทำงาน ดังนี้

การศึกษาและหาข้อมูลเบื้องต้น (Background Information)

ขั้นตอนแรกของการวิเคราะห์ทางนิติวิศวกรรมเชิงโลหะ คือ การรวบรวมข้อมูลพื้นฐานและการเลือกตัวอย่างที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบในห้องปฏิบัติการ ^[4] เรียนรู้และศึกษาทุกอย่างในประเด็นที่คิดว่าเป็นมูลเหตุก่อนที่จะเกิดการเสียหาย  ข้อมูลที่จำเป็นต่อการตรวจสอบได้แก่ ชิ้นงานที่เสียหายทำจากวัสดุอะไร และถูกใช้งานในสภาวะอย่างไร สิ่งที่ต้องจดจำคือ บางครั้งผู้ใช้งานจะให้ข้อมูลที่ไม่ตรงความเป็นจริง โดยเฉพาะข้อมูลที่ทำให้เขาเสียผลประโยชน์ สำหรับการเสียหายของชิ้นส่วน การบันทึกข้อมูลมีรายละเอียดดังนี้

1.  ขนาดและข้อกำหนดของชิ้นส่วน

2.  ระยะเวลาของการใช้งานของชิ้นส่วน

3.  ตารางการทดสอบ วิธีการตรวจสอบ การซ่อมบำรุง และกระบวนการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง

4.  การปรับปรุงและการซ่อมบำรุงที่ผ่านมา

5.  สภาวะแวดล้อมของการใช้งาน (อุณหภูมิ ลม ความชื้น สิ่งแวดล้อมที่กัดกร่อน และ หรือสิ่งที่ผิดปกติอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับความเสียหาย)

การตรวจสอบด้วยสายตาบริเวณที่เกิดความเสียหาย (Onsite Visual Examination)
อุปกรณ์และเครื่องมือที่ควรจัดเตรียมไปในการตรวจสอบบริเวณที่เกิดการเสียหาย ได้แก่ โน้ตบุ๊ก ปากกา เทปวัดระยะ ไฟส่องสว่าง  กล้องถ่ายรูป แว่นขยาย เป็นต้น โดยมีวิธีปฏิบัติดังนี้

1.   ดูภาพรวมของเหตุการณ์ที่นำไปสู่การเสียหาย ถ้าการเสียหายที่เกิดขึ้นมีความซับซ้อน เช่น มีการเสียหายของหลายชิ้นส่วน ให้พยายามสังเกตจุดเริ่มต้นของการเสียหายจากจุดที่เสียหายในลำดับต่อมา สังเกตบริเวณที่เป็นจุดรวมของความเค้น (stress concentrator) บริเวณที่ถูกกัดกร่อน บริเวณที่มีการเปลี่ยนสีเนื่องจากความร้อน บริเวณที่ถูกเสียดสี หรือลักษณะที่ผิดปกติอื่นๆ ที่ปรากฏบนชิ้นงาน

2.   ถ้าชิ้นงานเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและเกิดการแตกหัก ให้ตรวจสอบชนิดและทิศทางของแรงที่กระทำ ซึ่งจะเป็นการบ่งบอกถึงชนิดและทิศทางการแตกหัก ศึกษาภาพรวมของรูปแบบทิศทางการแตกหัก โดยให้ค้นหาจุดเริ่มต้นของการแตกหัก (fracture origin) ซึ่งอาจจะมีมากกว่าหนึ่งจุด และในบริเวณที่เป็นจุดเริ่มต้นของการแตกหัก ให้ตรวจสอบว่ามีจุดบกพร่องใน (material defect) จุดบกพร่องจากการเชื่อม (weld defect) จุดที่มีการสะสมของความเค้น (stress raiser) การกัดกร่อน (corrosion) หรือรอยร้าวจากการล้าตัว (fatigue crack) หรือไม่ สำหรับการแตกหักจากการล้า ในบางกรณีอาจไม่สามารถเคลมประกันได้ กล่าวคือ การล้าที่มีจุดเริ่มมาจากการเกิดแถบการเลื่อน (slip lines) และการกัดกร่อน แต่ถ้าสามารถชี้แจงได้ว่าการขยายตัวของรอยร้าวล้ามาจากอุบัติเหตุในระหว่างใช้งานก็จะสามารถเคลมประกันได้

3.   บันทึกข้อมูลที่ได้จากการตรวจสอบภาคสนามหรือที่หน้างาน ด้วยการถ่ายภาพ บันทึกในสมุด สเกตซ์ภาพ และมีการบอกขนาด ภาพถ่ายแต่ละภาพควรจะระบุตำแหน่งของชิ้นงานได้ รวมทั้งทิศทางและกำลังขยายด้วย โดยจะต้องมีไม้บรรทัด หรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่สามารถใช้ในการบอกขนาดคร่าวๆ ได้ เช่น เหรียญ ปากกา ดินสอ เป็นต้น และควรบันทึกภาพวีดีโอระหว่างทำการตรวจสอบซึ่งโทรศัพท์มือที่ใช้กันอยู่ทุกวันนี้ก็สามารถทำการบันทึกได้อย่างสะดวก

4.   ขั้นตอนสุดท้ายของการตรวจสอบภาคสนาม คือ การเลือกและการเคลื่อนย้ายตัวอย่าง เพื่อนำไปตรวจสอบเชิงลึกในห้องปฏิบัติการ ถ้าเป็นไปได้ควรเลือกมาทั้งชิ้นส่วนที่เกิดการเสียหายและชิ้นส่วนที่มีสภาพปกติ เพื่อใช้ในการเปรียบเทียบ ควรรักษาผิวหน้าชิ้นงานให้มีสภาพสมบูรณ์ที่สุด โดยเฉพาะผิวหน้าแตกหัก ไม่ควรมีการให้ความร้อน เพื่อทำการแยกชิ้นงานออกจากกัน เนื่องจากอาจทำให้ผิวหน้าแตกหักถูกทำลายหรือมีการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ แยกชิ้นส่วนที่ติดกันหรือผิวหน้าแตกหักด้านตรงกันข้ามไว้ในถุงหรืออุปกรณ์เก็บตัวอย่างอีกต่างหาก พยายามใส่หมายเลขกำกับของชิ้นงานแต่ละบริเวณที่เกิดความเสียหาย ตัวอย่างที่เลือกไปตรวจสอบควรเลือกมาจากบริเวณจุดเริ่มต้นจนถึงบริเวณที่เกิดการแตกอย่างรวดเร็วในขั้นตอนสุดท้าย ก่อนที่จะทำการตัดตัวอย่างให้ทำเครื่องหมายบริเวณที่จะตัด พร้อมถ่ายภาพบริเวณดังกล่าวไว้ด้วย และให้เขียนรหัสเพื่อไม่ให้เกิดความสับสนของแต่ละชิ้นส่วน รวมทั้งระบุตำแหน่งและทิศทาง ถ้ากระบวนการตัดทำให้เกิดความร้อนขึ้นกับชิ้นงาน ให้ตัดห่างจากบริเวณที่จะตัดในระยะที่เหมาะสม เพื่อไม่ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของชิ้นงาน เก็บและแยกแต่ละตัวอย่างไว้ในถุงพลาสติกหรือถุงกระดาษที่สามารถปิดผนึกได้ ไม่ควรใช้เศษผ้าหรือสำลีปกคลุมผิวหน้าแตกหักของชิ้นงาน เนื่องจากอาจจะทำให้เกิดการเกาะติดของเส้นใยบนผิวหน้าที่ขรุขระได้ ไม่ควรใช้ถุงบรรจุที่เป็นผ้า พยายามรักษาสิ่งที่ปรากฏของตัวอย่างให้เป็นสายโซ่ด้วยรหัสของชิ้นงานบนถุงที่ปิดผนึก พร้อมทั้งการบันทึกข้อความที่มีสัญลักษณ์ของแต่ละตัวอย่าง และวันที่ของทุกๆ ขั้นตอนของการตรวจสอบ

การระเบิดของท่อลำเลียงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนในโรงกลั่นน้ำมันที่ส่งผลกระทบต่อการหยุดกระบวนการกลั่นน้ำมันหลายวัน

การตรวจสอบด้วยสายตาในห้องปฏิบัติการ (Laboratory Visual Examination)

ถ้าชิ้นงานสกปรก ควรทำความสะอาดอย่างระมัดระวัง  โดยให้นำไปล้างในอ่างอัลตร้าโซนิค (ultrasonic bath) สารทำความสะอาดที่ใช้ควรมีฤทธิ์อ่อน ๆ และไม่ทำปฏิกิริยากับชิ้นงาน  ชิ้นงานที่ผ่านการทำความสะอาดควรทำให้แห้งโดยการราดด้วยแอลกอฮอล์และเป่าลม เพื่อป้องกันการเกิดสนิม  จุดประสงค์พื้นฐานอีกอย่างหนึ่งของการตรวจสอบด้วยสายตาในห้องปฏิบัติการ  คือ เพื่อระบุตำแหน่งและกลไกของการแตกหัก  โดยให้ใช้ตาเปล่าสังเกตบริเวณที่เป็นจุดรวมความเค้น  ถูกกัดกร่อน  เกิดการเปลี่ยนสีเนื่องจากความร้อน  เกิดการเสียดสี  หรือลักษณะที่ผิดปกติอื่น ๆ  ที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักอีกครั้งหนึ่ง  (หลังจากการตรวจสอบที่หน้างานไปแล้ว) กระบวนการตรวจสอบด้วยสายตาจะไปสิ้นสุดที่การตรวจสอบที่กำลังขยายสูงขึ้น  โดยเริ่มตั้งแต่การใช้แว่นขยายแบบพกพา (handheld lens)  กล้องจุลทรรศน์แบบแสง  (optical microscope) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)  จะต้องทำการตรวจสอบความสัมพันธ์กันระหว่างลักษณะของการแตกหัก (เช่น แนวการขยายตัวของรอยร้าวเนื่องจากการล้าระดับจุลภาค (striation)  ระดับมหภาค (beach mark)  และร่องหลุม)  กับกลไกการแตกหัก (เช่น  รับแรงดึงเกินพิกัด  การล้า  การคืบ  และความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน)  จุดบกพร่องในชิ้นงานหล่อ รีด และตีขึ้นรูป มักสามารถชี้ชัดและยืนยันได้ในระหว่างกระบวนการตรวจสอบด้วยสายตา ดังนั้นการวัดค่าต่าง ๆ  ในขั้นตอนดังกล่าวนี้จึงเป็นขั้นตอนที่มีความสำคัญ เพื่อเป็นการพิสูจน์ว่า  ค่าที่ได้จากการตรวจสอบอยู่ในช่วงที่กำหนดหรือไม่

การแตกหักของเพลารถยนต์เพื่อพิสูจน์ว่าการแตกหักเกิดจากกระบวนการผลิตหรือจากอุบัติเหตุ

การทดสอบแบบไม่ทำลาย (Nondestructive Testing)

บางครั้งการตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุการเสียหาย จะเลือกใช้เฉพาะการตรวจสอบด้วยสายตาและการทดสอบแบบไม่ทำลายเพื่อรักษาชิ้นงานให้มีสภาพคงเดิมมากที่สุด  เนื่องจากบางครั้งอาจจำเป็นต้องมีการตรวจสอบซ้ำ (จากทีมตรวจสอบชุดเดิมหรือทีมตรวจสอบชุดอื่น)  เทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลายที่นิยมใช้กันได้แก่  การฉายภาพด้วยรังสี  (Radiography) การทดสอบด้วยผงแม่เหล็ก (Magnetic Particle Test) การทดสอบด้วยคลื่นอัลตร้าโซนิค (Ultrasonic Test) และการทดสอบด้วยกระแสไหลวน (Eddy Current Test) เป็นต้น การทดสอบเหล่านี้จะใช้ในการระบุชนิดและตำแหน่งของจุดบกพร่องบนผิวหน้าและภายในเนื้อวัสดุ เช่น รอยร้าว (Crack) ช่องว่างภายใน (Void) จากการสัมผัสอุณหภูมิสูงหรือได้รับแรงดึงเกินพิกัด สารเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ (Non-metallic Inclusion) โพรงอากาศ (Porosity) รอยเชื่อมต่อ และจุดบกพร่องอื่น ๆ 

         

การทดสอบแบบทำลาย  (Destructive Testing)

บางครั้งชิ้นงานจำเป็นต้องมีการตรวจสอบแบบทำลาย ดังนั้นผู้ที่วางแผนการทดสอบควรดำเนินการอย่างระมัดระวัง การทดสอบแบบทำลายที่นิยมใช้กันเพื่อใช้ในการตรวจสอบสมบัติทางกลของวัสดุ  ได้แก่  การทดสอบแรงดึง (Tensile Test) การทดสอบความแข็ง (Hardness Test)  การทดสอบแรงกระแทก (Impact Test)  การทดสอบแรงบิด (Torsion Test)  การทดสอบแรงดัด  (Bending Test) และการทดสอบการล้า (Fatigue Test)  เป็นต้น นอกจากนั้นยังมีการตรวจสอบแบบทำลายอื่น ๆ เช่น  การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ  เพื่อตรวจสอบว่ามีองค์ประกอบของธาตุเป็นไปตามข้อกำหนดหรือไม่  และการวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะจากภาพถ่าย (Metallography)  โดยใช้ชิ้นงานที่ผ่านการขัดมันและกัดกรดบนผิวหน้า  เพื่อให้ปรากฏโครงสร้างแล้วทำการศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์หรือเทคนิคอื่น ๆ ชิ้นงานที่ผ่านการศึกษาโครงสร้างจุลภาคยังสามารถใช้ตรวจสอบความหนาและความต่อเนื่องของชั้นเคลือบ  ใช้ในการศึกษาความลึกและการขยายตัวของการกัดกร่อน  ใช้ในการตรวจสอบว่าชิ้นงานผ่านกระบวนการทางความร้อนที่ถูกต้องเหมาะสมหรือไม่  และตรวจหาจุดบกพร่อง  เช่น  สารเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ  โพรงอากาศ  รอยร้าวขนาดเล็ก  และอื่น ๆ  การทดสอบที่พิเศษขึ้นไปอีก เช่น  การทดสอบองค์ประกอบทางเคมีของผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน (Corrosion Product) หรือสารเจือปนที่ไม่ใช่โลหะโดยใช้เทคนิค EDS, XRD, EPM  และ  AES 

         

การวิเคราะห์ความเค้น (Stress Analysis)

ในกรณีการเสียหายของโครงสร้างอาจจำเป็นต้องมีการวิเคราะห์แรงและความเค้น  โดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์  เช่น  ทฤษฎีคาน (Beam  Theory)  และไฟไนต์อิลิเมนต์ (FEM) ^[5]  เทคนิคเหล่านี้จะใช้ในการตรวจสอบเพื่อยืนยันว่าพื้นที่ที่เสียหายมีแรงเค้นกระทำเกินค่าวิกฤตหรือไม่  และใช้ศึกษาการเสียรูปที่ปรากฏของชิ้นงานขณะที่มีแรงมากระทำ  การวิเคราะห์นี้ช่วยในการชี้ชัดและระบุสาเหตุของการเสียหาย  เช่น  เกิดจากการออกแบบที่ไม่ถูกต้อง  รับแรงเกินพิกัด  ใช้งานผิดขั้นตอน การเสียหายโดยไม่คาดคิด  การใช้งานที่ไม่ถูกต้อง  การซ่อมบำรุงและการซ่อมแซมที่ไม่ถูกต้อง  การเสื่อมสภาพหรือการเปลี่ยนแปลงขนาดเนื่องจากการกัดกร่อน  การสึกหรอ  การคืบ  และการล้า เป็นต้น

แนวทางการสรุปผล

ผลที่ได้จากการตรวจสอบและทดสอบทั้งหมด ควรจะสนับสนุนลำดับเหตุการณ์การเสียหายที่มีความน่าจะเป็นมากที่สุด  ถ้าการตรวจสอบไม่ให้นัยที่สำคัญหรือมีสาเหตุของการเสียหายมากกว่าหนึ่งอย่าง และไม่สามารถอธิบายผลจากการตรวจสอบได้ จะต้องมีการทดสอบเพิ่มเติม  หรือทดสอบโดยการจำลองสถานการณ์จริง เช่น การศึกษาพฤติกรรมการกัดกร่อนด้วยเทคนิคทางเคมีไฟฟ้า (Electrochemical Test) การศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของโลหะจากการสัมผัสที่อุณหภูมิสูงในเตา เป็นต้น

การเขียนรายงาน

รายงานควรประกอบไปด้วยส่วนต่าง ๆ ดังนี้   จุดประสงค์ของการตรวจสอบ  ข้อมูลเบื้องต้นก่อนการเสียหาย  วิธีการและขั้นตอนในการตรวจสอบ  ผลการทดสอบ  วิจารณ์ผล  และสรุปผล  ควรจะนำเสนอลำดับเหตุการณ์การเสียหายและสาเหตุการเสียหายให้มีความสมบูรณ์เพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจได้ง่ายและชัดเจน

การแตกหักของชุดเพลาในโรงรีดแผ่นเหล็กซึ่งส่งผลให้มีการหยุดกระบวนการผลิตหลายวัน

       

จากประสบการณ์ที่ผ่านมาของผู้เขียนซึ่งได้เข้าไปเกี่ยวข้องหรือทำหน้าที่เป็นนิติวิศวกร (Forensic Engineer) ในงานที่เกิดความเสียหายที่มีการเรียกร้องค่าเสียหายและมีการฟ้องร้องดำเนินคดีมากมายหลายตัวอย่าง เช่น การวิเคราะห์และตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุการเสียหายของใบพัดกวนน้ำตาล ซึ่งทำให้มีการเสียชีวิตของพนักงานที่ควบคุมเครื่องมือ การตรวจสอบหาสาเหตุการร่วงหล่นของผนังอาคารห้องเย็นขนาดใหญ่ (มาก) ซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่จัดเก็บไว้ภายใน การวิเคราะห์และตรวจสอบหาสาเหตุการแตกหักของเพลาที่ใช้ในการลำเลียงตู้ขนส่งสินค้าทางเรือ ซึ่งทำให้เกิดการเสียหายของสินค้าที่บรรจุอยู่ภายใน การวิเคราะห์สาเหตุการเกิดเพลิงไหม้ของโรงงานผลิตสุราที่มอดไหม้ไปทั้งโรงงาน การตรวจสอบการระเบิดของท่อลำเลียงไอน้ำในโรงงานผลิตกระแสไฟฟ้าที่ส่งผลต่อการหยุดการผลิตของโรงงาน การวิเคราะห์การแตกหักของชุดเพลาในโรงรีดแผ่นเหล็กซึ่งส่งผลให้มีการหยุดกระบวนการผลิตหลายวัน การวิเคราะห์การแตกหักของเพลารถยนต์เพื่อพิสูจน์ว่าการแตกหักเกิดจากกระบวนการผลิตหรือจากอุบัติเหตุ การวิเคราะห์การแตกหักของเพลาในอุปกรณ์สำหรับขึ้นรูปฝาขวดที่ส่งให้หยุดการผลิตชั่วคราว การวิเคราะห์การแตกหักของเพลาในโรงงานผลิตชิ้นส่วนอลูมิเนียมส่งให้หยุดการผลิตชั่วคราว และการวิเคราะห์หาสาเหตุการระเบิดของท่อลำเลียงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนในโรงกลั่นน้ำมันที่ส่งผลกระทบต่อการหยุดกระบวนการกลั่นน้ำมันหลายวัน เป็นต้น ในกระบวนการวิเคราะห์และตรวจสอบนั้น มีการใช้ความรู้หลายศาสตร์ โดยใช้ความรู้ทางนิติวิศวกรรมเป็นหลักในการตั้งสมมติฐานและดำเนินการตรวจสอบ ซึ่งข้อมูลที่รายงานออกไปนั้นเป็นการอธิบายโดยใช้ความรู้เฉพาะด้าน ดังนั้น ในบางกรณี ทางศาลหรืออัยการจึงจำเป็นต้องเชิญไปเป็นพยานในการให้ข้อมูลเพิ่มเติม ซึ่งเป็นประสบการณ์อีกอย่างหนึ่งของผู้เขียน และได้เรียนรู้ว่างานนิติวิศวกรรมต้องกระทำด้วยความรอบคอบ ใช้ความรู้ทางด้านวิศวกรรมควบคู่กับนิติศาสตร์และตรรกวิทยาเพื่อช่วยแก้ปัญหาทางกฎหมาย และข้อมูลอีกอย่างหนึ่งที่ได้รับก็คือ การให้ข้อมูลที่ไม่ตรงกับความเป็นจริงของผู้ที่เกี่ยวข้อง เนื่องจากข้อมูลที่เป็นจริงอาจทำให้เขาเสียผลประโยชน์ แต่อย่างว่าล่ะครับ กระบวนการทางศาลสู้กันด้วยข้อเท็จและข้อจริง ขึ้นอยู่กับฝ่ายไหนจะมีข้อมูลมาหักล้างอีกฝ่ายหนึ่งได้

ผู้ที่ทำการวิเคราะห์และตรวจสอบงานนิติวิศวกรรมมีส่วนในการให้คุณและให้โทษ เพราะอาจทำให้ฝ่ายหนึ่งฝ่ายใดได้รับหรือเสียประโยชน์ เราจะต้องระมัดระวังไม่ให้ถูกครอบงำด้วยความคิดเห็นเริ่มต้นของเราเองหรือจากความคิดเห็นของผู้เชี่ยวชาญ เราต้องยึดหลักความเป็นจริงบนพื้นฐานความรู้ทางวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ที่เราศึกษามา เราต้องเชื่อและเชื่อมั่นในข้อสรุปตามหลักฐานที่ได้จากการตรวจสอบ ^[6] ดังนั้นหลักสำคัญของนิติวิศวกร คือ ต้องตรวจสอบ วิเคราะห์ และสรุปอย่างตรงไปตรงมา เป็นกลาง ไม่เข้าข้างฝ่ายใดฝ่ายหนึ่ง เพื่อให้กระบวนการตรวจสอบนั้นๆ ยุติ ด้วยความเป็น ธรรม นั่นเอง 

เอกสารอ้างอิง

1.   RA McCoy. Engineering Forensics at Youngstown State University. JFAPBC (2005) 6:13-17.

2.   S Brown. Forensic engineering: Reduction of risk and improving technology (for all things great and small). Engineering Failure Analysis 14 (2007) 1019–1037.

3.   RA Dean. Legal Issues Involved in Failure Analysis. JFAPBC (2004) 2:7-16.

4.   R Mirshams. A Case Study on Using Corrosion Analysis in Forensic Engineering. J Fail. Anal. and Preven. (2017) 17:642–646.

5.   I Anastasopoulos. Building damage during nearby construction: Forensic analysis. Engineering Failure Analysis 34 (2013) 252–267.

6.   M Louthan. Failure Analysis Lessons Learned from September 11. JFAPBC (2002) 2: 8.