แก๊สธรรมชาติกับการเสื่อมสภาพของวัสดุ

ปัจจุบันนี้โรงงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ หรือแม้แต่ประชาชนทั่วไปที่ใช้รถยนต์เป็นพาหนะ ได้หันมาใช้เชื้อเพลิงทางเลือกใหม่ คือ แก๊สธรรมชาติ เนื่องจากเป็นเชื้อเพลิงที่สะอาดและมีราคาถูกเมื่อเปรียบเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดอื่น ให้ประสิทธิภาพด้านความร้อนที่สูง และมีแหล่งผลิตภายในประเทศและรัฐบาลก็ได้มีการรณรงค์และสนับสนุนเป็นอย่างยิ่ง เมื่อก่อนโรงงานอุตสาหกรรมมักจะใช้น้ำมันเตาเป็นเชื้อเพลิง แต่ในระยะหลังมีปัญหาเรื่องราคาน้ำมันที่เพิ่มสูงขึ้นและไม่มีทีท่าว่าจะลดลง ส่งผลต่อต้นทุนการผลิตที่เพิ่มขึ้น และทำให้ไม่สามารถแข่งขันทางการค้ากับผู้ผลิตรายอื่นที่มีต้นทุนการผลิตต่ำกว่าได้ รวมทั้งส่งผลกระทบต่อผู้บริโภคด้วย


แก็สธรรมชาติเป็นสารที่เกิดจากการรวมตัวกันของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ที่สามารถลุกติดไฟได้ โดยมีสารมีเทน (Methane) เป็นองค์ประกอบหลัก นอกจากนั้นยังมีส่วนผสมของอีเทน (Ethane) โพรเพน (Propane) บิวเทน (Butane) และเพนเทน (Pentane) ส่วนผสมของแก็สธรรมชาติมีความผันแปรขึ้นอยู่กับแหล่งธรรมชาติที่ค้นพบ


เนื่องจากการเลือกใช้แก๊สธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงยังเป็นสิ่งที่ใหม่กับอุตสาหกรรมในประเทศไทย ดังนั้นจึงทำให้เกิดปัญหาตามมามากมาย โดยเฉพาะปัญหาที่เกิดขึ้นจากการใช้งานที่อุณหภูมิสูง แต่จากประสบการณ์ของผู้เขียนซึ่งได้คลุกคลีอยู่กับชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่เป็นโลหะประเภทเหล็กกล้าไร้สนิม โดยเฉพาะที่มีลักษณะเป็นท่อ พบว่าปัญหาที่เกิดขึ้นทำให้ทางบริษัทสูญเสียงบประมาณในการจัดซื้อชุดอุปกรณ์เพื่อถอดเปลี่ยนเป็นจำนวนมาก ซึ่งในบางครั้งต้องมีการหยุดการทำงานของเครื่องจักร ทำให้สูญเสียกำลังการผลิต นอกจากนั้นยังเพิ่มต้นทุนการผลิตอีกด้วย เมื่อได้นำมาตรวจสอบและวิเคราะห์ความเสียหายแล้ว พบว่าเป็นการเสียหายด้วยรูปแบบคาร์บูไรเซชัน (Carburization)


คาร์บูไรเซชันเป็นการเสียหายของวัสดุที่ใช้งานในสภาวะอุณหภูมิสูงอีกรูปแบบหนึ่ง โดยวัสดุสัมผัสกับสภาวะแวดล้อมที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ (Carbon Bearing Environment) การเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าวมักจะเกิดขึ้นกับอุตสาหกรรมจำพวกโรงงานผลิตสารเคมี ปิโตรเคมี ผลิตวัสดุทนไฟ และพลังงานไฟฟ้านิวเคลียร์ เป็นต้น ซึ่งโรงงานอุตสาหกรรมดังกล่าวนี้ จะเลือกใช้วัสดุจำพวกเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีความต้านทานการกัดกร่อนได้เกือบทุกสภาวะ หลักการเบื้องต้นของวัสดุจำพวกเหล็กกล้าไร้สนิมที่เสียหายด้วยรูปแบบคาร์บูไรเซชัน คือ การเสื่อมสภาพของสมบัติทางกลที่เกิดจากการแพร่ของธาตุคาร์บอนเข้าไปในเนื้อวัสดุ และเกิดการฟอร์มตัวเป็นคาร์ไบด์ขึ้นภายใน ในสภาวะแวดล้อมที่เป็นแบบคาร์บูไรซิ่ง โดยเฉพาะที่ช่วงอุณหภูมิมากกว่า 800 องศาเซลเซียส ยกตัวอย่างเช่นเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกเกรด AISI 310 (310SS) ซึ่งเป็นโลหะผสมที่มีธาตุเหล็ก-นิกเกิล-โครเมียม (Fe-Ni-Cr) เป็นองค์ประกอบหลักและเป็นโลหะผสมที่มักถูกเลือกมาใช้งานในสภาวะที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เนื่องจากโลหะผสมดังกล่าวได้ถูกพัฒนาเพื่อต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง จากการตรวจสอบพบการเสื่อมสภาพของท่อด้วยรูปแบบคาร์บูไรเซชันที่เกิดขึ้นเนื่องจากการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเกินค่าที่ออกแบบไว้ โดยพบการแยกตัวตกตะกอน (Segregation) ของเฟสที่มีโครเมียมปริมาณสูง (Chromium Rich Phase) ซึ่งเป็นผลมาจากอุณหภูมิการใช้งานที่สูงและส่งผลให้เกิดการฟอร์มตัวชั้นสเกลที่ไม่มีความต่อเนื่องหรือกึ่งต่อเนื่อง


ยกตัวอย่างการใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกเกรด AISI 310 ที่อุณหภูมิสูงเกิน 900 องศาเซลเซียสและในสภาวะที่ความดันย่อยของออกซิเจน (Oxygen Partial Pressure, Po2) มีค่าต่ำ และมีค่า Carbon Activity (Ac) สูง ชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นจะไม่เสถียรและมีโอกาสเปลี่ยนไปเป็นคาร์ไบด์แทน การเสื่อมสภาพจากคาร์บูไรเซชัน โดยทั่วไปจะทำให้เกิดคาร์ไบด์ภายในวัสดุที่อยู่ในโครงสร้างพื้นฐานหรือตามขอบเกรน ส่งผลให้วัสดุมีความเปราะและมีสมบัติทางกลที่ลดลง
ในชิ้นส่วนรถยนต์นั้นผู้เขียนยังไม่มีประสบการณ์ในการวิเคราะห์วัสดุที่สัมผัสอยู่กับแก๊สธรรมชาติในระหว่างที่มีการสันดาปและอุณหภูมิสูง จึงยังไม่สามารถถ่ายทอดประสบการณ์ส่วนนี้ออกมาได้ ถ้าท่านใดมีประสบการณ์ในการวิเคราะห์ชิ้นส่วนรถยนต์ที่สัมผัสกับแก็สธรรมชาติแล้วอย่าลืมนำมาแบ่งบันกันนะครับ หรือถ้าท่านพบว่าชิ้นส่วนรถยนต์ของท่านเสียหายจากการใช้แก๊สธรรมชาติแล้วอยากทราบสาเหตุก็สามารถส่งชิ้นส่วนดังกล่าวมาให้ผมช่วยวิเคราะห์ได้เช่นกันครับ


แก๊สธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงที่ราคาถูกก็จริงแต่ถ้ามีการนำมาใช้งานในสภาวะที่ไม่เหมาะสม เช่นบรรยากาศจากการเผาไหม้มีลักษณะเป็นแบบ Reducing/Carburizing อุณหภูมิของแก็สที่เกิดจากการสันดาปมีค่าสูงกว่าค่าวิกฤติของวัสดุ และการเลือกใช้วัสดุที่ไม่เหมาะสมแล้ว ก็มีโอกาสที่จะเกิดการเสียหายอย่างใหญ่หลวงตามมาได้เช่นกัน