船舶仪表现场计量保障问题研究

宋剑波 刘 方

(北京市7220信箱，北京 100072)

1 引 言

当前,以维护我国海洋权益为核心,以远涉大洋、深入两极的远洋船舶进行远海测控及科学试验为标志，中国船舶技术取得了跨越式发展。从船舶制造技术发展的规律看，系统越复杂、技术越先进，对计量工作的要求就越高、依赖性也就越强。但是，受种种因素影响，尚无法在现场高效率实施原位计量保障工作，造成这些仪表计量保障周期长，总体效果差[1]。如果不及时扭转这种被动局面，则船舶上相当数量的仪表将超期使用，给船舶航行安全和设备可靠性带来负面影响。为保证船舶航行安全和船载设备效能的可靠发挥，现场计量保障工作显得尤为重要。

随着人们对船舶设备全寿命保障意识的提高，现场计量保障工作越来越受到重视。我国船舶仪表计量保障工作，经多年来的发展，已具备较强保障能力，但还存在一些突出问题，需进一步分析解决。

2 我国船舶仪表计量保障工作面临的问题

目前，我国船舶仪表的计量保障工作基本上是在船舶使用阶段才展开的，通过广泛调研，当前我国多数船载仪表所面临的问题[2]，主要有三点。

2.1 船载仪表检定不及时

一般而言，船舶等级修理周期长于船载仪表计量检定周期，且二者基本无法同步，这也是目前船舶上多数仪表超出使用有效期的症结所在。此外，坞修、小修时基本上不会对无明显故障的仪表(但很可能示值已超差)进行拆检，中修时虽拆检大部分仪表，但其周期一般很长，特别是当前船舶上许多设备或仪表在研制时没有设计原位校准接口，无法在现场快速实施计量保障，致使船载仪表检定不及时，造成超期使用。

2.2 船舶嵌入式仪表拆检周期长

随着科学技术的迅猛发展，特别是信息化技术的广泛应用，船舶上的设备，其自动化、智能化程度和集成度越来越高，为监测设备的技术状态，在设备中集成了相关仪器仪表或传感器，如状态监视设备中嵌入的指示仪表、飞行设备中嵌入的大气数据传感器等。这些仪器仪表的计量性能是否符合要求，决定着母体设备的监视测量数据是否准确可靠，也会对系统运行的安全性造成影响。

2.3 未充分考虑现场环境影响

未充分考虑现场环境影响的情况有两种：一是仪表使用环境与检定环境条件不吻合，在实验室标准环境条件中检定合格的被检仪表，带到仪表实际使用现场后，使仪表指示数据出现偏离，检定结果的有效性大打折扣；二是为了保证仪表的受检率,主动将检定工作推进到现场,但未考虑现场环境条件因素变化对测量标准和检定过程的影响,致使误判风险增加,降低了检定工作的有效性。

综上所述，船舶仪表存在时效性差、受检率低等计量保障问题，有两个主要原因：一是船舶论证研制阶段未考虑后期计量问题；二是缺乏对现场开展仪表计量保障合理性的明确认识。

3 船舶仪表现场检定和原位检测设计可行性分析

为保证船舶具备随时准确执行预定任务的能力，有必要在保证检测活动有效的前提下，开展现场计量保障工作。这些计量保障工作，不只包含检定，也包括校准、测试等活动。而为了使上述计量保障工作有章可循，就必须有针对性地研究仪表的现场检定技术,针对不同参数的仪表,给出适用的现场检定条件,推荐适用的标准设备,提出合理的检定流程和现场数据处理方法,使现场检定工作能符合现场实际情况,满足船舶计量保障工作的实际需要。船舶仪表原位可测性设计是为现场检定提供条件的，下面，先讨论开展船舶仪表现场检定工作的可行性[3]。

3.1 开展船舶仪表现场检定工作的可行性

3.1.1 影响现场检定工作有效性的因素

影响现场检定工作有效性的因素汇总如下：

(1)测量标准的准确性。影响测量标准准确性和测量过程的最突出因素是温度，就船舶上大量配备的压力仪表的计量检定而言，目前，多数计量技术机构所用的便携类测量标准，由于利用温度补偿措施，(0～40)℃内，其准确度可达0.05级。对于电学类仪表，在(0～40)℃内，相应测量标准的不确定度虽然由于温度附加误差，造成其不确定度有所扩大，但船舶上用于监视测量电学参数的仪表，其准确度等级较低，检定时依然满足1:4的量值传递要求。

(2)检定条件的可控性。船舶舱室一般都有温湿度控制措施，即使没有这种空调设备，在实施检修维护工作时，(0～40)℃的温度范围是容易满足的。

(3)检定操作的有效性。检定过程要求检定环境中无明显振动。船舶在停泊期间，舱室内一般无明显晃动，此时，检定操作有效，检定工作可顺利实施。

总之，在船舶舱室现场开展仪表的检定工作，测量标准的准确性能满足量值传递要求，检定条件可控，检定操作有效，技术上可行。

3.1.2 船舶靠泊港口环境条件分析

传统意义上的检定工作，一般是在校准实验室中进行的。综观大部分仪器仪表的检定规程或校准规范，其中有一条，即是对检定或校准工作开展时的环境条件进行约定，约束的环境要素涉及到以下一条或多条：温度、湿度、供电质量、电磁干扰、机械振动，在这样的环境中，要求环境温度、湿度可控，供电质量易于保证。

一般而言，影响检定过程和检定结果的因素有温度、湿度、震动和电磁干扰等。其中最突出的影响因素是温度，确定检定工作温度范围对分析现场检定工作开展的可行性具有重要意义。

船舶的活动区域一般是在海上或沿海港口城市。自南向北，通过调研三亚、青岛、兴城等地的温度变化情况，并对数据进行统计分析，确定现场检定工作温度范围。以下是三亚、青岛和兴城等3个地区自1971年至2000年共30年的温度变化情况。

(1)三亚

三亚地处海南岛最南端，极端气温:(5.1～35.9)℃，平均气温:(18.5～32.0)℃。表1是三亚基本气候情况，图1示出了该地区全年温度变化趋势。

图1 三亚全年温度变化趋势图Fig.1 Temperature variation tendency yearly in Sanya

表1 三亚基本气候情况(据1971～2000年统计)

(2)青岛

青岛地处山东半岛南部，极端气温:( -14.3～37.4)℃，平均气温:(-3.3～28.4)℃。表2是青岛基本气候情况，图2示出了该地区全年温度变化趋势。

表2 青岛基本气候情况(据1971～2000年统计)

(3)兴城

兴城坐落于辽宁省葫芦岛市，极端气温:(-27.5～40.8)℃，平均气温: (-12.8～27.8)℃。表3是兴城基本气候情况，图3示出了该地区全年温度变化趋势。

图3 兴城全年温度变化趋势图Fig.3 Temperature variation tendency yearly in Xingcheng

表3 兴城基本气候情况(据1971～2000年统计)

通过以上地区温度变化情况分析可知，各地平均最高温度均不高于35℃。在船舶系泊期间，当船舶外温度过低时，船舶内一般也都有供暖设施，一般可保证船舶内温度不低于5℃。再综合考虑测量标准设备一般可正常工作的温度范围，故设定(5～35)℃为现场检定温度区间。但是，对于强制检定项目而言，还要结合实际情况，适当缩小温度变化范围，在具备强制检定条件的环境中开展现场检定工作。

3.2 开展船舶设备仪表原位可测性设计分析

为保证船舶技术状态监控仪表具备原位可测试性，在论证时，就必须从管理层面提出要求，而后由船舶论证和研制、生产部门按要求实施，并对所负责的船舶设备细化可测试性技术设计。

3.2.1 船舶设备监控仪表原位可测试性论证要求

由计量技术管理部门论证提出包括总体要求、管理要求和技术要求在内的可测试性设计要求，报请主管机关批准，下发船舶各论证研制和生产单位严格执行[4]。

(1)总体要求

对船舶关键舱室和部位的仪表实施原位可测试性设计，同时，保证仪表可视并方便拆卸修理，以保证能够实施原位计量保障工作。

(2)管理要求

船舶建造管理部门，应结合监控仪表可测试性设计要求，专门成立计量管理机构，或结合已成立的型号计量师制度，对论证研制部门开展的可测试性设计过程进行统一管理和协调，保证可测试性设计符合维修性、安全性等质量要求。

(3)技术要求

船舶论证研制部门应在管理部门的统一协调下，在船舶论证研制过程中，认真听取计量保障部门的意见建议，对关键仪表的可测试性、可视性和可拆卸性进行充分论证；船舶计量保障部门应按管理部门的要求，在船舶论证研制过程中，应积极配合船舶论证研制部门，对关键仪表的可测试性设计进行充分的技术论证，使所配仪表准确度适当，且便于实施现场计量保障；根据需要，船舶计量保障部门应视情进行原位计量检定测试，以验证可测试性设计效果，保证可实施对仪表的现场计量保障工作。

要开展现场检测的仪表对象很多，按专业参数分，有力学、电学、热学等，其中电学和压力仪表占舱内仪表总数的60%以上，特别是压力仪表，它们在监视测量动力系统状态过程中起着至关重要的作用。

下面以船舶动力舱室压力监控仪表的可测试性设计为例，简要说明船舶仪表现场可测试性设计思路。

3.2.2 船舶动力舱室压力监控仪表的原位可测试性设计

所谓原位可测性设计，在此是指能够在对仪表实施计量检定时，相关部位具有将仪表与船舶被监测系统安全切断的能力。以压力仪表为例，其原位可测性设计的意思是在保证管道密封性和可靠性的前提下，具备三通接口，在对压力仪表实施原位检定时，能够利用三通接口，切断被检压力表与系统管道的联系，便于在原位实施压力表计量检定工作。

如前所述，以往船舶在建造之初，并没有考虑对这些仪表进行原位可测性设计，发现问题需要维修检测时，只能拆卸下来开展相关作业活动。从地方工业部门反馈的情况看，有以下两种主要观点：

(1)在船舶压力技术状态监控仪表所在部位设计可测性接口可能会影响密封性。通过调研，船舶上相当一部分压力仪表已设计了泄压检测阀体，在原有阀体基础上增加一个系统切换通路，不会额外增加泄漏风险。

(2)在船舶技术状态监控仪表所在部位设计可测性接口，对仪表所在管路安全性不会增加风险，只是会增加一定的硬件成本。但带来的好处是可方便实施现场计量检定，还可便于对管道和仪表实施维修检测和调试，使得仪表和管路的测试性更趋完善，示值准确性更易于得到保障。

船舶动力舱室分布着大量不同规格、监测不同部位压力的压力仪表、压力变送器和压力传感器。这些仪表对掌握动力舱室各分系统的压力技术状态起着举足轻重的重要作用，必须按期检定。随着船舶管理机关对船舶航行安全性认识的逐步提高，以及船舶使用部门对仪表原位可测试性技术需求日益迫切，船舶论证和建造部门对此也给予了重视。在船舶上开展可测性设计，并在舱室现场实施仪表原位检定工作是可行的。

从总体情况看，船舶动力舱室水、气、油管路上在安装各类压力表或压力传感器部位只要安装原位可测试转换装置，通过旋钮实现压力测量通道与校验通道的切换，即可解决现场原位计量校准的问题。

图4 压力表与传压管路常规连接情况示意图Fig.4 Schematic diagram of the pressure

如图4所示，目前，被检压力表直接与传压管路相连。图5所示是安装了所研制的三通阀体的原位可测试性设计示意图。其中的三通阀体的设计是被检压力表具备原位可测试性的关键，该阀体的作用是：在船舶执行正常任务时，传压管路与压力表直接相通；而在原位检定压力表时，通过旋转阀门(90度旋转)，压力表与传压管路截止，而与压力表(这里是气压表)原位可测试转换装置相通，启动压力表现场检定装置，完成对压力表的原位检定。

图5 压力表原位可测试性设计示意图Fig.5 Schematic diagram of the testability at the installation site of the pressure gauge

实际改装和现场原位检测试验情况表明，原位可测试性设计方案合理可行，能节省船舶在航计量保障时间和人力成本，船舶靠泊期间，可随时进行应急计量保障或伴随计量保障，这为开展其它仪器仪表现场可测试性设计提供了借鉴。

与压力仪表相比，电学类仪表(包括电压表、电流表等)，其可测性设计只要在电信号进出端设计触头开关即可解决，对系统的安全性影响较小，成本更为低廉，实现的难度较低[5]。

4 结束语

本文从船舶计量保障工作重要性分析出发，分析了船舶计量保障工作面临的突出问题及解决相应问题的依据，探讨了船舶仪表现场检定和原位检测性设计的可行性，初步确定了合理的现场检定温度范围，并对开展船舶仪表原位可测性论证设计的流程进行了论述，供船舶论证和综合保障人员在开展相应工作时参考。