انفجار مرگبار در سيستم بخار

سامانه بخار نیویورک

سامانه بخار نیویورک یک سامانه گرمایش ناحیه ای است که بخار تولید شده از ایستگاه‌های تولید بخار را می‌گیرد و زیر خیابان‌ ها برای گرم کردن و خنک کردن ساختمان‌ها و کسب‌ و کارهای بلند مرتبه حمل می‌کند. برخی کسب و کارها و تأسیسات نیویورک از بخار برای تمیزکاری و ضدعفونی کردن هم استفاده می‌کنند.

انفجار مرگبار در سیستم بخار

بخش اول:

در تاریخ انگلستان چهره های اساطیری زیادی دیده می شوند که یکی از معروف ترین آنها “ریچارد شیردل” است. البته آشنایی من با این شخص فقط از طریق فیلم های “رابین هود”و” آیوانهو” است و دقیقا نمی دانم این لقب “شیردل” به چه دلیل به او داده شده ؛

شاید بخاطر حضورش در جنگ های صلیبی بوده باشد. ولی من ریچارد دیگری را می شناختم که هم بین تاسیسات چی های نیویورک به “ریچارد شیردل” معروف بود چون بخصوص در تاسیسات بخار به کارهای جسورانه ای دست می زد که در واقع نوعی دیوانگی بود.

اما چرا می گویم “بود”؟ برای اینکه سال گذشته در یک حادثه انفجار مرگبار در سیستم بخار جان خود را از دست داد و حالا آخرین خاطره ای که از او دارم شامی است که یک هفته قبل از حادثه در منزلش خوردم.

اواخر شب پانزدهم جولای 2009 زمانی که برای اطلاع از خلاصه اخبار آن روز تلویزیون را گرفتم، بعد از چند خبر معمولی ناگهان یک خبر فوری از انفجار مهیب یک دیگ بخار در یک کارخانه صنایع غذایی که موجب آتش سوزی وسیع، مرگ فجیع 8 نفر و مجروح شدن 6 نفر شده بود، پخش شد.

چون صحبت از دیگ بخار بود به شدت هیجان زده و کنجکاو شدم که جزئیات حادثه را ببینم. عکس پرسنلی کشته شدگان را که نشان داد، ناگهان بند دلم پاره شد؛

پنجمین عکس متعلق به یکی از دوستان وهمکارانم بود:”ریچارد هیگ”معروف به “ریچارد شیردل”. وقتی خبرنگار تلویزیون با دوربین دستی اش به اجساد نزدیک می شد توضیح می داد که اغلب آنها متلاشی شده اند وبه بینندگان توصیه می کرد اگر قلب ضعیفی دارند به این صحنه ها نگاه نکنند.

در همین حال رئیس آتش نشانی نیویورک که قبلا بارها از من بعنوان کارشناس در حوادث مربوط به تاسیسات استفاده کرده بود زنگ زد و برای بررسی علت واقعه و تهیه گزارش کارشناسی از من کمک خواست.

سریعا خودم را به محل حادثه رساندم؛ خدا را شکر کردم که آن شب شام نخورده بودم چون قطعا با مشاهده صحنه همان جا بالا می آوردم.

فکر می کنم تا همین حد برای توصیف عمق فاجعه کافی باشد چون می ترسم شما هم روی این مقاله بالا بیاورید ومن دوست ندارم کسی روی این مقاله استفراغ کند! اما اجازه بدهید بیش از این شما را در انتظار نگذارم وبه اصل مطلب بپردازم.

علت حادثه چه بود؟

آنچه من در گزارشم در مورد علت وقوع این فاجعه نوشتم این بود:”ضربه قوچ ناشی از چگالش”. این در واقع شکل بسیار سریع و برق آسایی از چگالش است که می توان آن را “فروپاشی سریع حبابهای بخار”نامید.

این اتفاق هنگامی روی می دهدکه بخار کاملا درون چگالیده محبوس شود(شکل1).

در چنین حالتی بخار تمام گرمای خود را به چگالیده و دیواره های لوله پس داده و به مایع تبدیل شود حجم بسیار کمتری را اشغال می کند که برحسب فشار بخار اشباع برابر با نسبتی بین چندصدم تا بالای یک هزارم است.

فشار فضای خالی داخل لوله نیز نسبت به فشار بخار چگالیده اطرافش افت می کند و فضای خالی کم فشار فعلی که قبلا توسط بخار اشغال شده بود سریعا توسط چگالیده پر می شود.

نتیجه این هجوم چگالیده ایجاد فشار اضافی در سیستم است که بصورت ضربات چکشی در بخش هایی از لوله توسط چگالیده پر می شود.

نتیجه این هجوم چگالیده ایجاد فشار اضافی در سیستم است که بصورت ضربات چکشی در بخش هایی از لوله که توسط چگالیده پر شده است، ظاهر می شود.

حال سوال این است که آیا این ضربات چکشی یا قوچ خطرناکند؟ در جواب باید گفت البته! می توانند بسیار خطرناک باشند. برای درک موضوع بهتر است اول ببینیم چه عواملی در شدت ضربات قوچ ناشی از چگالیده موثرند:

1. فشار بخار
2. درجه سردشدگی یا ساب کول(subcool)چگالیده موجود در لوله ها
3. وجود گازهای غیر قابل تراکم در فضاهای خالی لوله
4. حجم فضاهای خالی لوله

حال در صورت موجود بودن شرایط یعنی: اگر فشار بخار زیاد باشد، چگالیده کاملا سرد شده باشد، گازهای غیرقابل تراکم در فضاهای خالی داخل لوله ها وجود نداشته باشند و حجم فضای خالی آنقدر بزرگ باشد که آب بتواند سرعت بگیرد، آنوقت فشار اضافی که ایجاد می شود به راحتی از مرز یک هزار پوند بر اینچ عبور می کند.

چنین فشار زیادی برای پاره کردن بدنه شیرهای چدنی کافی است وبالقوه می تواند باعث جراحت وحتی کشته شدن افرادی باشد که در آن نزدیکی حضور دارند. حالا ممکن است بپرسید که مگر در سیستم های بخار معمول نیست که آب و بخار با هم در تماس باشند؟

پاسخ این است که یک طرح وارد خوب می داند که هرگز نبایدبخار پر فشار را به چگالیده باقیمانده از قبل نزدیک کند. این کار با تخلیه مناسب چگالیده توسط تله های بخار و مسدود کردن مسیر بخار زنده در سیستم های برگشت چگالیده انجام می شود؛ ولی باتمام این اوصاف بالاخره تماس حاصل می شود.

تاسیسات چی های درگیر با سیستم های بخار حتما شاهد بوده اند که در صورت عبور بخار حتما شاهد بوده اند که در صورت عبور بخار زنده از تله های بخار معیوب به درون خطوط برگشت چگالیده چه صداهای ناهنجاری به گوش می رسد.

واقعیت این است که فروپاشی حباب های بخار در درون خطوط برگشت چگالیده، در درازمدت سبب تخریب اجزا ء خطوط برگشت چگالیده می شود. دراز مدت از این جهت که فشار موجود در خطوط برگشت چگالیده معمولا کم است (در حد چندpsi)، چگالیده زیاد خنک نمی شود وحبابهای بخار بسیار ریزند. البته در مواردی خاص (مثلا از کار افتادن یک تله بخار در حالت بسته و انباشته شدن چگالیده در بالادست آن)بخار پرفشار با چگالیده تصادم می کند؛

ولی آیا این حالت ها هم منجر به وقوع ضربه قوچ ناشی از چگالش می شوند؟ پاسخ در شکل وهندسه لوله ها نهفته است. یک حباب بخار وقتی فرو می پاشد که توسط چگالیده احاطه شده شده باشد و اگر به لوله های قائم که در آنها بخار بالای چگالیده قرار می گیرد دقت کنیم متوجه می شویم که بخار به دلیل نیروی غوطه وری طبیعی خود به داخل چگالیده وارد نشده و احتمال بروز ضربه قوچ ناشی از چگالش منتفی است؛

ضربه قوچ تنها در حالتی رخ می دهد که لوله قائم به سرعت تخلیه شود. بعلاوه تحقیقات نشان داده اند که چنانچه لوله ای در جهت حرکت جریان بخار شیب کافی (حداقل 1/2 اینچ در فوت)به سمت پایین داشته باشد ضربه قوچ ناشی از چگالش هرگز اتفاق نمی افتد.

ولی در شیب های کمتر از این مقدار و یا شیب های خلاف جهت جریان بخار موضوع کاملا متفاوت است.در بازرسی سیستم بخار این کارخانه متوجه شدم که شیب لوله حاوی بخار در اینجا 1/4 اینچ در هر 10 فوت بود که البته برای خطوط بخار عادی است ولوله بیشتر حالت افقی دارد.حال به شکل1 قوچ در چنین لوله ای را بررسی کنیم:

• بخار موجود در بالای چگالیده سرد شده، حرارت خود را به چگالیده و لوله های اطرافش داده و تقطیر می شود. اتلاف مداوم بخار به این ترتیب سبب ورود بخار تازه جایگزین به درون لوله شده و حرکت بخار روی چگالیده باعث ایجاد موجی از چگالیده می شود (اثر برنولی).
• چنانچه نرخ انتقال حرارت در سطح مشخصی از چگالیده به اندازه کافی زیاد و سریع باشد، سرعت حرکت بخار سبب بزرگ شدن موج چگالیده و بالا آمدن آن تا حدی می شود که لوله مسدود شود.
• بسته شدن دهانه لوله با چگالیده به سرعت حفره ایجاد شده در پایین دست را از جریان تغذیه کننده بخار در بالادست جدا نموده و فضایی خالی ایجاد می شود.

روند رو به گسترش چگالش در فضای خالی فشار آن را کاهش داده و موجب می شود که چگالیده به درون آن کشیده شود.بسته شدن دهانه لوله شرط لازم برای وقوع چگالش سریع درون لوله های افقی است.

البته در اکثر مواقع سرعت انتقال حرارت به اندازه ای نیست که جریان، انتقال حرارت بین بخار و چگالیده به لحاظ وجود لایه ای ساکن از چگالیده داغ و گازهای غیرقابل تراکم در بین آن دو کاهش می یابد و این لایه مرزی حفره بخار را ایزوله می کند.

این لایه از جهتی جلوی چگالش سریع را می گیرد ولی از جهت دیگر به حفره بخار امکان میدهد که مثل بادکنک منبسط شود.در اکثر مواقع که لایه برجای می ماند هیچ گونه چگالش سریعی روی نمی دهد و بخار در بالای چگالیده سرد جمع می شود. در این حالت احتمال دارد فروپاشی های موضعی کوچکی روی دهند.

ضربه قوچ عبارت است از ضربه ناشی از قطع ناگهانی جریان پر سرعت آب؛ و در یک سیستم بخار در صورتی که چگالیده به نحو مناسبی از نقاط زیرین سیستم تخلیه نگردد امواجی در سطح آن تشکیل می شوند و تا جایی پیش می روندکه با حرکت لخته های بزرگ آب، مسیر جریان بخار مسدود گردد. این لخته های آب باسرعتی برابر سرعت بخار(بیش از یک صد مایل در ساعت)حرکت می کنندتا به مانعی برخورد کنند که در این صورت ضربه وارده فاجعه بار خواهد بود.

ولی به دلیل کم بودن نرخ انتقال حرارت تاثیر چندانی نخواهد داشت. حال اگر این لایه حفاظت کننده به هر نحو تخریب گردد چگالیده سرد از درون آن بیرون آمده و با واکنشی زنجیره ای کل این لایه را به هم خواهد ریخت؛

در یک چشم برهم زدن انتقال حرارت با ضریب یک هزار افزایش خواهد یافت و این آغاز چگالش سریع و ضربه قوچ ناشی از آن است. بنابراین وقوع این نوع ضربه قوچ در لوله های افقی به کشیدن ماشه وانفجار چاشنی برمی گردد.

پس بطور خلاصه: ضربه قوچ عبارت است از ضربه ناشی از قطع ناگهانی جریان پر سرعت آب؛ و در یک سیستم بخار در صورتی که چگالیده به نحو مناسبی از نقاط زیرین سیستم تخلیه نگردد امواجی در سطح آن تشکیل می شوند و تا جایی پیش می روندکه با حرکت لخته های بزرگ آب، مسیر جریان بخار مسدود گردد.

این لخته های آب باسرعتی برابر سرعت بخار(بیش از یک صد مایل در ساعت)حرکت می کنندتا به مانعی برخورد کنند که در این صورت ضربه وارده فاجعه بار خواهد بود.

حادثه مرگبار چگونه رخ داد؟

حال به پانزده دقیقه قبل از وقوع این حادثه مرگبار برمیگردیم: ریچارد با شنیدن فریاد اعلام خطر یکی از کارگرانش سرآسیمه خود را به بالای یکی از دریچه های آدم رو دسترسی به داخل حفره محل استقرار دیگ و سیستم در زیرزمین رساند.

ابری سفید از بخار از دریچه های آدم رو بیرون می زد وجهنمی برپا شده بود. دونفر از کارگران موفق شده بودند خود را از طریق یکی از دریچه های آدم رو بیرون بیاورند؛ ولی دو نفر دیگر هنوز درون حفره بودند.

ریچارد که یکی از برجسته ترین متخصصین سیستم های بخار بود وخامت اوضاع را احساس کرده بود وبه همین دلیل به رغم شرایط طاقت فرسای داخل حفره برای جلوگیری از بروز فاجعه از طریق دریچه آدم رو به درون آن رفت.

بقیه کارگران به همراه مدیر کارخانه بیرون از حفره موتورخانه وحشت زده در انتظار بودند.در آن پایین ریچارد با یک بحران دست وپنجه نرم می کرد. می توانم تجسم کنم که چه کاری را انجام داد؛ او که به دلیل مسدود شدن جریان بخار توسط لخته های بزرگ چگالیده در خط افقی با افزایش شدید فشار مواجه بود. برای جلوگیری از بروز فاجعه تلاش کرد شیرc-4 (شکل2) را باز کند

که متاسفانه به دلیلی که قبلا ذکر شد ضربه قوچ مهیبی در این شیر رخ داد که به انفجار شبیه بود(شکل 3).

آب و بخار داغ از محل این شیر ده اینچی فوران کرد وضربه حاصله که به انفجار یک بمب قوی شبیه بود همه کسانی را که پایین بودند به همراه چند تن از کارگران و مدیر کارخانه که بیرون حفره موتورخانه ایستاده بودند به طرز فجیعی کشت.

قدرت این نوع ضربه قوچ به بیش از 100 برابر ضربات قوچ معمولی که توسط جریان بخار ایجاد می شود بالغ می گردد. با این حال هنوز تعداد کمی از مهندسین و راهبران سیستم های بخار علت اصلی آن را درک می کنند.

پیشگیری از انفجار دیگ بخار

آیا می شد از این حادثه جلوگیری کرد؟ بله می شد! اگر من جای ریچارد بودم هرگز شیر c-4 (شکل 2) را باز نمی کردم بلکه اول شیر اصلی بخار را می بستم. بعد چگالیده را از خطوط تخلیه می کردم این تنها روشی بود که می توانست از بروز حادثه جلوگیری کند؛ چون تخلیه چگالیده سرد وقتی بخار پرفشار بالای آن قرار دارد فرآیند چگالش سریع را آغاز می کندکه پی آمد آن ضربه مرگبار قوچ است.

اجازه بدهید در اینجا چند نکته را بعنوان خلاصه مطلب ذکر کنم که توصیه می کنم همکارانی که کارشان راهبری و نگهداری سیستم بخار است آنها راحتما به یاد داشته باشند:

1. بخار پرفشار وقتی با چگالیده تماس حاصل کند نامتعادل شده و میل به انفجار دارد
2. هرگز بخار را وارد لوله ای که پر از چگالیده سرد است نکنید.اگر از تخلیه چگالیده خاطر جمع نیستید بخار را به لوله باز نکنید
3. راه دادن چگالیده سرد به داخل لوله پراز بخار خطرناک تر از وارد کردن بخاربه لوله پر از چگالیده است
4. اگر فکر می کنیدخط پرفشار از چگالیده پرشده، هرگز اقدام به تخلیه آن نکنید.اول جریان بخار را قطع نموده و بعد چگالیده را تخلیه کنید. اگر شیر تخلیه را باز کردید و لوله شروع به ضربه زدن کرد شیر تخلیه را ببندید وجریان بخار را قطع کنید. احتمالا وقتی جریان بخار را قطع کردید لوله ضربه خواهدزد
5. مخلوط بخار و چگالیده سرد در داخل لوله عایقکاری شده مثل اسلحه پر است. بازکردن شیر بخار و یا شیر تخلیه حادثه ایجادخواهد کرد. هرگز به خود و هیچکس دیگر اجازه ندهید بدون اطمینان از خالی بودن این اسلحه ماشه را بچکاند.