ดร.อัญธิกา ละครไชย และคณะ
นวัตกรรมเครื่องต้นแบบการเคลือบฟิล์ม DLC ภายในท่อเหล็กกล้าคาร์บอนสำหรับอุตสาหกรรมปิโตรเลียม เป็นผลงานความร่วมมือระหว่างสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) และบริษัท ปตท. สำรวจและผลิตปิโตรเลียม จำกัด (มหาชน) โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบและสร้างเครื่องต้นแบบที่สามารถเคลือบฟิล์มภายในท่อได้อย่างสม่ำเสมอ โดยอาศัยเทคโนโลยีการใช้พลาสมาช่วยในการตกสะสมของไอเชิงเคมี (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition หรือ PECVD) ดังแสดงในรูปที่ 1 เพื่อยกระดับสมรรถนะของท่อเหล็กกล้าคาร์บอนที่ใช้ในระบบลำเลียงก๊าซธรรมชาติ เนื่องจากท่อเหล็กกล้าคาร์บอนในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมถือเป็นโครงสร้างพื้นฐานที่มีบทบาทสำคัญในการลำเลียงของไหลภายใต้สภาวะที่มีความดันและอุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตามท่อดังกล่าวมีความเสี่ยงสูงต่อการกัดกร่อนจากสารปนเปื้อน เช่น ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์(CO2) และไอน้ำ ซึ่งสามารถรวมตัวกันก่อให้เกิดสภาวะกรดและเร่งปฏิกิริยาการกัดกร่อนทั้งในรูปแบบการกัดกร่อนสม่ำเสมอและการกัดกร่อนเฉพาะจุด (Pitting corrosion) ปัญหานี้นำไปสู่การเสื่อมสภาพของท่อ การลดอายุการใช้งาน และการเพิ่มต้นทุนในการบำรุงรักษา ฟิล์ม DLC เป็นวัสดุเคลือบผิวที่มีคุณสมบัติโดดเด่น เช่น มีความแข็งสูง มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ และทนทานต่อการกัดกร่อน จึงเหมาะสมสำหรับการนำมาใช้เคลือบผิวภายในท่อเหล็กกล้าคาร์บอนเพื่อเพิ่มอายุการใช้งานและลดความเสียหายจากการใช้งานในสภาวะรุนแรง จากผลการศึกษาพบว่าสามารถเคลือบฟิล์ม DLC ลงบนพื้นผิวท่อเหล็กกล้าคาร์บอนได้สำเร็จ และเมื่อทดสอบภายใต้สภาวะจำลองการใช้งานจริง พบว่าฟิล์มดังกล่าวช่วยเพิ่มความแข็งของผิว ลดอัตราการสึกหรอ และเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนได้อย่างมีนัยสำคัญ
การออกแบบการเคลือบฟิล์ม DLC (Diamond-Like Carbon Model) ภายในท่อมีพื้นฐานจากแนวคิดการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงผิววัสดุ (Surface Engineering) เพื่อเพิ่มความทนทานต่อสภาวะการใช้งานในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม โดยโครงสร้างการเคลือบจะประกอบด้วย 3 ชั้นหลัก ได้แก่ ชั้นฐานที่เป็นเหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel Substrate) ชั้นยึดเกาะซิลิกอน (Silicon Adhesion Layer) และชั้นฟิล์ม DLC ดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งฟิล์ม DLC มีคุณสมบัติเด่นด้านความแข็งสูง ทนต่อการกัดกร่อน และสามารถลดแรงเสียดทานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ชั้นยึดเกาะซิลิกอนมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มความสามารถในการยึดติดระหว่างผิวเหล็กและฟิล์ม DLC เนื่องจากวัสดุทั้งสองมีความแตกต่างกันทั้งในด้านกายภาพและเคมี การเคลือบฟิล์ม DLC ลงบนผิวเหล็กโดยตรงอาจก่อให้เกิดปัญหาการลอกหลุดหรือแตกร้าวได้ง่าย ดังนั้น ชั้นยึดเกาะจึงทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการลดความเค้นตกค้าง และปรับปรุงความเข้ากันได้ของผิวสัมผัส ส่งผลให้ชั้นเคลือบยึดติดได้ดี ทนต่อสภาวะการใช้งานที่รุนแรง และช่วยยืดอายุการใช้งานของท่อได้อย่างมีนัยสำคัญ
รูปที่ 1 ภาพถ่ายเครื่องต้นแบบเคลือบฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรภายในท่อเหล็กกล้าคาร์บอน
รูปที่ 2 รูปแบบการเคลือบฟิล์ม DLC (Diamond-Like Carbon Model)