PROcess Safety TASK

ทฤษฎีการคำนวนหาปริมาณ Foam Demand, Minimum Discharge Time และ Foam Minimum Application Rate จะอ้างอิงจากมาตรฐานสากล NFPA 11 (Standard for Low-, Medium-, and High-Expansion Foam) และ NFPA 16 (Standard for the Installation of Foam-Water Sprinkler and Foam-Water Spray Systems) โดยที่แนวคิดหลักคือ การดับเพลิงประเภท Class B (เพลิงไหม้จากของเหลวไวไฟ) ซึ่งน้ำเปล่าไม่สามารถดับได้เนื่องจากน้ำมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำมัน ทำให้น้ำมันลอยตัวขึ้นมาเหนือน้ำและลุกไหม้ต่อ รวมถึงอาจทำให้เพลิงแพร่กระจายกว้างขึ้น ระบบโฟมจึงเข้ามาแก้ปัญหานี้

กลไกการดับไฟของโฟม (Foam Fire Extinguishing Mechanism)

ระบบโฟมดับเพลิงทำหน้าที่ 4 ประการในการควบคุมและดับไฟของเหลวไวไฟ:

1. Smothering (การทำให้สำลัก): ชั้นโฟมจะปกคลุมผิวหน้าของเหลวเพื่อตัดการติดต่อระหว่างอ็อกซิเจนในอากาศกับไอระเหยของเชื้อเพลิง
2. Separation (การแยก): แยกเปลวไฟออกจากผิวหน้าของเหลวไวไฟ
3. Cooling (การหล่อเย็น): น้ำที่ผสมอยู่ในสารละลายโฟมจะช่วยดูดซับความร้อนและลดอุณหภูมิของเชื้อเพลิง
4. Suppressing (การกดไอระเหย): ป้องกันไม่ให้ไอระเหยของของเหลวไวไฟฟุ้งกระจายขึ้นมาติดไฟซ้ำ

อัตราการฉีดโฟมขั้นต่ำ (Minimum Application Rate)

ทฤษฎีที่สำคัญที่สุดคือ Application Rate (หน่วยในสมการคือ gpm/ft2 หรือ แกลลอนต่อนาที ต่อพื้นที่ 1 ตารางฟุต) มันคือ “ความเข้มข้นหรือปริมาณของสารละลายโฟมขั้นต่ำที่ต้องฉีดลงไปบนพื้นที่ผิวต่อหนึ่งหน่วยเวลา เพื่อให้สามารถเอาชนะความร้อนของไฟและดับไฟได้สำเร็จ”

โดยใน NFPA มีการกำหนดอัตรานี้ไว้ต่างกันตามความเสี่ยง:

• Fixed Roof Type II (0.10 gpm/sq ft): ถังเก็บน้ำมันแบบหลังคาคงที่ที่มีการติดตั้งรางเทโฟม (Foam Chamber) ที่ขอบถัง เนื่องจากเป็นการจ่ายโฟมลงผิวหน้าโดยตรงอย่างนุ่มนวลและจำกัดพื้นที่ จึงใช้อัตราการไหลที่ต่ำกว่า
• Monitor / Handline (0.16 gpm/sq ft): การใช้ปืนฉีดโฟมหรือสายฉีดโดยเจ้าหน้าที่ อัตราการฉีดต้องสูงขึ้น (0.16) เพื่อชดเชยการสูญเสียโฟมจากแรงลม, ความร้อนของเปลวไฟที่เผาทำลายโฟมระหว่างลอยในอากาศ และความแม่นยำในการฉีด
• Foam-Water Sprinkler (0.16 gpm/sq ft): ระบบหัวกระจายน้ำโฟมเหนือพื้นที่เปิด โฟมจะตกลงมาจากที่สูงและโดนความร้อนทำลายได้ง่าย จึงต้องใช้อัตราที่สูงเช่นกัน

ระยะเวลาการฉีดโฟมขั้นต่ำ (Minimum Discharge Time)

เวลาในการฉีด (หน่วย: นาที) ถูกกำหนดขึ้นเพื่อให้มั่นใจว่า หลังจากไฟดับลงแล้ว ชั้นโฟม (Foam Blanket) จะยังคงหนาแน่นพอและอยู่ตัวได้นานพอ เพื่อป้องกันไม่ให้ไฟกลับมาลุกไหม้ซ้ำ (Post-fire suppression & Vapor securing)

System & Device Type	Fuel Type & Flash Point (oF)	Min. Application Rate (gpm/ft2)	Min. Discharge Rate (min)	Reference
Fixed Roof Type II	Hydrocarbon 100 < Tf <140 i.e. Diesel, Gasoline	0.10	30 min	NFPA 11 Table 5.2.5.2.2
	Hydrocarbon Tf < 100 i.e. Benzene	0.10	55 min	NFPA 11 Table 5.2.5.2.2
	Crude Petroleum	0.10	55 min	NFPA 11 Table 5.2.5.2.2
Monitor Handline	Hydrocarbon 100 < Tf <140 i.e. Diesel, Gasoline	0.16	50 min	NFPA 11 Table 5.2.4.2.2
	Hydrocarbon Tf < 100 i.e. Benzene	0.16	65 min	NFPA 11 Table 5.2.4.2.2
	Crude Petroleum	0.16	65 min	NFPA 11 Table 5.2.4.2.2
Foam Sprinkler	Hydrocarbon & Crude	0.16	10 min	NFPA 16 Section 7.3

ข้อสังเกตุเพิ่มเติม

• ทำไม Foam-Water Sprinkler ใช้เวลาแค่ 10 นาที? เพราะระบบสปริงเกลอร์เป็นระบบที่ติดตั้งประจำที่เหนือพื้นที่เสี่ยงภัยโดยตรง (มักจะอยู่ในอาคาร เช่น โรงจอดเครื่องบิน หรือคลังเก็บสารเคมี) เมื่อเกิดไฟไหม้ หัวกระจายน้ำโฟมจะทำงานพร้อมกันครอบคลุมพื้นที่ทันที ทำให้ควบคุมเพลิงได้เร็วมากในระยะเริ่มต้น และโดยทั่วไปจะมีระบบน้ำดับเพลิงธรรมดา (Water Sprinkler) ทำงานต่อเนื่องหลังจากระบบโฟมหมดเพื่อหล่อเย็นต่อ
• น้ำมันดิบ (Crude Petroleum) มีความเสี่ยงพิเศษ: นอกจากจุดวาบไฟต่ำแล้ว น้ำมันดิบยังมีคุณสมบัติเกิดปรากฏการณ์ Boilover (น้ำที่ก้นถังเดือดและดันน้ำมันร้อนจัดล้นทะลักออกจากถัง) ได้ มาตรฐาน NFPA จึงกำหนดให้ใช้เวลาฉีดสูงถึง 55-65 นาทีเท่ากับน้ำมันเบนซิน

เคมีของโฟมและการผสม (Foam Proportioning Theory)

โฟมดับเพลิงที่เราเห็นไม่ได้ออกมาจากถังในสภาพนั้นทันที แต่เกิดจากการผสมสาร 3 ส่วนเข้าด้วยกัน เรียกว่า Foam Triangle:

• Foam Concentrate: น้ำยาโฟมเข้มข้น (เช่น 1%, 3%, หรือ 6%)
• Water: น้ำเปล่า
• Air: อากาศ (ใส่อากาศทีหลังตอนพ่นออกจากหัวฉีดเพื่อให้เกิดฟองขยายตัว)

Step of Foam Demand Determination

ขั้นตอนการคำนวนหาปริมาณ Foam ที่ต้องการมีดังต่อไปนี้

1. Hazard Identification เราต้องรู้ก่อนว่าเราจะเอา Foam ไปใช้กับ Hazard ประเภทไหน เช่น Liquid Pool Fire ในถังหรือพื้นที่เปิดกว้างที่ล้อมด้วย Dike หรือ Curb
2. Type of Protection จะใช้ Foam Extinguisher แบบไหนเป็นแบบ Fixed Type หรือเป็น Foam Monitor ฉีดจากพื้นที่ข้างนอกเข้าสู่ตัว Dike หรือ Curb
3. Hazard Fluid Characteristics เราจะต้องทราบว่าสารที่เราต้องการจะใช้โฟมไปดับนั้นมีค่า Flash Point เป็นเท่าไร เป็นลักษณะที่เป็น Crude หรือ Petroleum Product ซึ่งจากขั้นตอน 1-3 นี้ เราจะได้ Minimum Application Rate กับ Minimum Discharge Time
4. Calculate liquid surface area ในการหาปริมาณตัวแปรที่สำคัญคือ Liquid Surface Area ซึ่งอาจจะเป็น Tank Diameter ถ้าเป็นกรณีที่ใช้ Fixed Foam Poring เข้าไปในถัง หรือพื้นที่ Dike ที่หักลบกับพื้นที่ถัง ถ้าเป็นพื้นที่โล่งด้านนอก ซึ่งพอถึงขั้นตอนนี้เราจะได้ Foam Solution Demand จาก
   • Foam Solution Rate (gpm) = Minimum Application (gpm/ft2) X Liquid Surface Area (ft2)
   • และค่านี้มีความสำคัญใช้สำหรับการศึกษา Hydraulic Calculation ในส่วน Foam Solution
5. Calculate Foam Concentration Rate, Water Application Rate และ Foam Concentration Required โดยการจะหาค่าเหล่านี้ จำเป็นที่จะต้องทราบ Foam Concentrate Percentage เช่น 1%, 3% หรือ 6% แล้วจึงคำนวนหาได้ เช่น ยกตัวอย่าง 3% Foam Concentrate
   • Foam Concentrate Rate Required (gpm) = 0.03 x Foam Solution Rate (gpm)
   • Water Rate Required (gpm) = 0.97 x Foam Solution Rate (gpm)
   • Foam Concentration Required (gallon) = Foam Concentrate Rate Required (gpm) x Minimum Discharge Time
   • นอกจากนี้ค่า Foam Concentration & Water Required Rate ยังมีความสำคัญมากในการศึกษา Hydraulic Calculation ในส่วน Foam Concentration และ Fire Water Supply Systemต่อไป

ตัวอย่างการคำนวน

หาปริมาณ Foam Concentration 3% สำหรับ Gasoline Storage Tank ขนาด diameter 120 ft

จากข้อมูลข้างบนเราจะได้

• Hazard Identification: Pool Fire inside storage tank
• Type of protection: Fixed Roof Type II (Required application rate = 0.1 gpm/ft2)
• Hazard Fluid Characteristic: Gasoline (Minimum Discharge Time = 55 min)
• Liquid Surface Area = 0.785 x (120^2) = 11304 ft2
• Foam Concentration Percentage = 3%

ผลลัพท์เราจะได้

• Foam Solution Required Rate (gpm) = 0.1 x 11,304 = 1,130.4 gpm
• Foam Solution Required (gallons) = 1,130.4 x 55 = 62,172 gallons
• Foam Concentration Required (gallons) = 0.03 x 62,172 = 1,865 gallons

จากตัวอย่างการคำนวนจะเห็นได้ว่าความต้องการการใช้โฟม Foam Demand ขึ้นอยู่โดยตรงกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของถัง ซึ่งถ้าเรามีการเปลี่ยนแปลงขนาดของถังปริมาณของโฟมที่ต้องการใช้ก็จะมีค่าที่แตกต่างกันดังรูปข้างล้าง