船舶儀表現(xiàn)場計量保障問題研究

宋劍波 劉 方

(北京市7220信箱，北京 100072)

1 引 言

當(dāng)前,以維護我國海洋權(quán)益為核心,以遠涉大洋、深入兩極的遠洋船舶進行遠海測控及科學(xué)試驗為標(biāo)志，中國船舶技術(shù)取得了跨越式發(fā)展。從船舶制造技術(shù)發(fā)展的規(guī)律看，系統(tǒng)越復(fù)雜、技術(shù)越先進，對計量工作的要求就越高、依賴性也就越強。但是，受種種因素影響，尚無法在現(xiàn)場高效率實施原位計量保障工作，造成這些儀表計量保障周期長，總體效果差[1]。如果不及時扭轉(zhuǎn)這種被動局面，則船舶上相當(dāng)數(shù)量的儀表將超期使用，給船舶航行安全和設(shè)備可靠性帶來負面影響。為保證船舶航行安全和船載設(shè)備效能的可靠發(fā)揮，現(xiàn)場計量保障工作顯得尤為重要。

隨著人們對船舶設(shè)備全壽命保障意識的提高，現(xiàn)場計量保障工作越來越受到重視。我國船舶儀表計量保障工作，經(jīng)多年來的發(fā)展，已具備較強保障能力，但還存在一些突出問題，需進一步分析解決。

2 我國船舶儀表計量保障工作面臨的問題

目前，我國船舶儀表的計量保障工作基本上是在船舶使用階段才展開的，通過廣泛調(diào)研，當(dāng)前我國多數(shù)船載儀表所面臨的問題[2]，主要有三點。

2.1 船載儀表檢定不及時

一般而言，船舶等級修理周期長于船載儀表計量檢定周期，且二者基本無法同步，這也是目前船舶上多數(shù)儀表超出使用有效期的癥結(jié)所在。此外，塢修、小修時基本上不會對無明顯故障的儀表(但很可能示值已超差)進行拆檢，中修時雖拆檢大部分儀表，但其周期一般很長，特別是當(dāng)前船舶上許多設(shè)備或儀表在研制時沒有設(shè)計原位校準(zhǔn)接口，無法在現(xiàn)場快速實施計量保障，致使船載儀表檢定不及時，造成超期使用。

2.2 船舶嵌入式儀表拆檢周期長

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是信息化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，船舶上的設(shè)備，其自動化、智能化程度和集成度越來越高，為監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，在設(shè)備中集成了相關(guān)儀器儀表或傳感器，如狀態(tài)監(jiān)視設(shè)備中嵌入的指示儀表、飛行設(shè)備中嵌入的大氣數(shù)據(jù)傳感器等。這些儀器儀表的計量性能是否符合要求，決定著母體設(shè)備的監(jiān)視測量數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠，也會對系統(tǒng)運行的安全性造成影響。

2.3 未充分考慮現(xiàn)場環(huán)境影響

未充分考慮現(xiàn)場環(huán)境影響的情況有兩種：一是儀表使用環(huán)境與檢定環(huán)境條件不吻合，在實驗室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件中檢定合格的被檢儀表，帶到儀表實際使用現(xiàn)場后，使儀表指示數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏離，檢定結(jié)果的有效性大打折扣；二是為了保證儀表的受檢率,主動將檢定工作推進到現(xiàn)場,但未考慮現(xiàn)場環(huán)境條件因素變化對測量標(biāo)準(zhǔn)和檢定過程的影響,致使誤判風(fēng)險增加,降低了檢定工作的有效性。

綜上所述，船舶儀表存在時效性差、受檢率低等計量保障問題，有兩個主要原因：一是船舶論證研制階段未考慮后期計量問題；二是缺乏對現(xiàn)場開展儀表計量保障合理性的明確認識。

3 船舶儀表現(xiàn)場檢定和原位檢測設(shè)計可行性分析

為保證船舶具備隨時準(zhǔn)確執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的能力，有必要在保證檢測活動有效的前提下，開展現(xiàn)場計量保障工作。這些計量保障工作，不只包含檢定，也包括校準(zhǔn)、測試等活動。而為了使上述計量保障工作有章可循，就必須有針對性地研究儀表的現(xiàn)場檢定技術(shù),針對不同參數(shù)的儀表,給出適用的現(xiàn)場檢定條件,推薦適用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,提出合理的檢定流程和現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理方法,使現(xiàn)場檢定工作能符合現(xiàn)場實際情況,滿足船舶計量保障工作的實際需要。船舶儀表原位可測性設(shè)計是為現(xiàn)場檢定提供條件的，下面，先討論開展船舶儀表現(xiàn)場檢定工作的可行性[3]。

3.1 開展船舶儀表現(xiàn)場檢定工作的可行性

3.1.1 影響現(xiàn)場檢定工作有效性的因素

影響現(xiàn)場檢定工作有效性的因素匯總?cè)缦拢?/p>

(1)測量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。影響測量標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確性和測量過程的最突出因素是溫度，就船舶上大量配備的壓力儀表的計量檢定而言，目前，多數(shù)計量技術(shù)機構(gòu)所用的便攜類測量標(biāo)準(zhǔn)，由于利用溫度補償措施，(0～40)℃內(nèi)，其準(zhǔn)確度可達0.05級。對于電學(xué)類儀表，在(0～40)℃內(nèi)，相應(yīng)測量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度雖然由于溫度附加誤差，造成其不確定度有所擴大，但船舶上用于監(jiān)視測量電學(xué)參數(shù)的儀表，其準(zhǔn)確度等級較低，檢定時依然滿足1:4的量值傳遞要求。

(2)檢定條件的可控性。船舶艙室一般都有溫濕度控制措施，即使沒有這種空調(diào)設(shè)備，在實施檢修維護工作時，(0～40)℃的溫度范圍是容易滿足的。

(3)檢定操作的有效性。檢定過程要求檢定環(huán)境中無明顯振動。船舶在停泊期間，艙室內(nèi)一般無明顯晃動，此時，檢定操作有效，檢定工作可順利實施。

總之，在船舶艙室現(xiàn)場開展儀表的檢定工作，測量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性能滿足量值傳遞要求，檢定條件可控，檢定操作有效，技術(shù)上可行。

3.1.2 船舶靠泊港口環(huán)境條件分析

傳統(tǒng)意義上的檢定工作，一般是在校準(zhǔn)實驗室中進行的。綜觀大部分儀器儀表的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，其中有一條，即是對檢定或校準(zhǔn)工作開展時的環(huán)境條件進行約定，約束的環(huán)境要素涉及到以下一條或多條：溫度、濕度、供電質(zhì)量、電磁干擾、機械振動，在這樣的環(huán)境中，要求環(huán)境溫度、濕度可控，供電質(zhì)量易于保證。

一般而言，影響檢定過程和檢定結(jié)果的因素有溫度、濕度、震動和電磁干擾等。其中最突出的影響因素是溫度，確定檢定工作溫度范圍對分析現(xiàn)場檢定工作開展的可行性具有重要意義。

船舶的活動區(qū)域一般是在海上或沿海港口城市。自南向北，通過調(diào)研三亞、青島、興城等地的溫度變化情況，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，確定現(xiàn)場檢定工作溫度范圍。以下是三亞、青島和興城等3個地區(qū)自1971年至2000年共30年的溫度變化情況。

(1)三亞

三亞地處海南島最南端，極端氣溫:(5.1～35.9)℃，平均氣溫:(18.5～32.0)℃。表1是三亞基本氣候情況，圖1示出了該地區(qū)全年溫度變化趨勢。

圖1 三亞全年溫度變化趨勢圖Fig.1 Temperature variation tendency yearly in Sanya

表1 三亞基本氣候情況(據(jù)1971～2000年統(tǒng)計)

(2)青島

青島地處山東半島南部，極端氣溫:( -14.3～37.4)℃，平均氣溫:(-3.3～28.4)℃。表2是青島基本氣候情況，圖2示出了該地區(qū)全年溫度變化趨勢。

表2 青島基本氣候情況(據(jù)1971～2000年統(tǒng)計)

(3)興城

興城坐落于遼寧省葫蘆島市，極端氣溫:(-27.5～40.8)℃，平均氣溫: (-12.8～27.8)℃。表3是興城基本氣候情況，圖3示出了該地區(qū)全年溫度變化趨勢。

圖3 興城全年溫度變化趨勢圖Fig.3 Temperature variation tendency yearly in Xingcheng

表3 興城基本氣候情況(據(jù)1971～2000年統(tǒng)計)

通過以上地區(qū)溫度變化情況分析可知，各地平均最高溫度均不高于35℃。在船舶系泊期間，當(dāng)船舶外溫度過低時，船舶內(nèi)一般也都有供暖設(shè)施，一般可保證船舶內(nèi)溫度不低于5℃。再綜合考慮測量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備一般可正常工作的溫度范圍，故設(shè)定(5～35)℃為現(xiàn)場檢定溫度區(qū)間。但是，對于強制檢定項目而言，還要結(jié)合實際情況，適當(dāng)縮小溫度變化范圍，在具備強制檢定條件的環(huán)境中開展現(xiàn)場檢定工作。

3.2 開展船舶設(shè)備儀表原位可測性設(shè)計分析

為保證船舶技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控儀表具備原位可測試性，在論證時，就必須從管理層面提出要求，而后由船舶論證和研制、生產(chǎn)部門按要求實施，并對所負責(zé)的船舶設(shè)備細化可測試性技術(shù)設(shè)計。

3.2.1 船舶設(shè)備監(jiān)控儀表原位可測試性論證要求

由計量技術(shù)管理部門論證提出包括總體要求、管理要求和技術(shù)要求在內(nèi)的可測試性設(shè)計要求，報請主管機關(guān)批準(zhǔn)，下發(fā)船舶各論證研制和生產(chǎn)單位嚴(yán)格執(zhí)行[4]。

(1)總體要求

對船舶關(guān)鍵艙室和部位的儀表實施原位可測試性設(shè)計，同時，保證儀表可視并方便拆卸修理，以保證能夠?qū)嵤┰挥嬃勘Ｕ瞎ぷ鳌?/p>

(2)管理要求

船舶建造管理部門，應(yīng)結(jié)合監(jiān)控儀表可測試性設(shè)計要求，專門成立計量管理機構(gòu)，或結(jié)合已成立的型號計量師制度，對論證研制部門開展的可測試性設(shè)計過程進行統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)，保證可測試性設(shè)計符合維修性、安全性等質(zhì)量要求。

(3)技術(shù)要求

船舶論證研制部門應(yīng)在管理部門的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，在船舶論證研制過程中，認真聽取計量保障部門的意見建議，對關(guān)鍵儀表的可測試性、可視性和可拆卸性進行充分論證；船舶計量保障部門應(yīng)按管理部門的要求，在船舶論證研制過程中，應(yīng)積極配合船舶論證研制部門，對關(guān)鍵儀表的可測試性設(shè)計進行充分的技術(shù)論證，使所配儀表準(zhǔn)確度適當(dāng)，且便于實施現(xiàn)場計量保障；根據(jù)需要，船舶計量保障部門應(yīng)視情進行原位計量檢定測試，以驗證可測試性設(shè)計效果，保證可實施對儀表的現(xiàn)場計量保障工作。

要開展現(xiàn)場檢測的儀表對象很多，按專業(yè)參數(shù)分，有力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等，其中電學(xué)和壓力儀表占艙內(nèi)儀表總數(shù)的60%以上，特別是壓力儀表，它們在監(jiān)視測量動力系統(tǒng)狀態(tài)過程中起著至關(guān)重要的作用。

下面以船舶動力艙室壓力監(jiān)控儀表的可測試性設(shè)計為例，簡要說明船舶儀表現(xiàn)場可測試性設(shè)計思路。

3.2.2 船舶動力艙室壓力監(jiān)控儀表的原位可測試性設(shè)計

所謂原位可測性設(shè)計，在此是指能夠在對儀表實施計量檢定時，相關(guān)部位具有將儀表與船舶被監(jiān)測系統(tǒng)安全切斷的能力。以壓力儀表為例，其原位可測性設(shè)計的意思是在保證管道密封性和可靠性的前提下，具備三通接口，在對壓力儀表實施原位檢定時，能夠利用三通接口，切斷被檢壓力表與系統(tǒng)管道的聯(lián)系，便于在原位實施壓力表計量檢定工作。

如前所述，以往船舶在建造之初，并沒有考慮對這些儀表進行原位可測性設(shè)計，發(fā)現(xiàn)問題需要維修檢測時，只能拆卸下來開展相關(guān)作業(yè)活動。從地方工業(yè)部門反饋的情況看，有以下兩種主要觀點：

(1)在船舶壓力技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控儀表所在部位設(shè)計可測性接口可能會影響密封性。通過調(diào)研，船舶上相當(dāng)一部分壓力儀表已設(shè)計了泄壓檢測閥體，在原有閥體基礎(chǔ)上增加一個系統(tǒng)切換通路，不會額外增加泄漏風(fēng)險。

(2)在船舶技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控儀表所在部位設(shè)計可測性接口，對儀表所在管路安全性不會增加風(fēng)險，只是會增加一定的硬件成本。但帶來的好處是可方便實施現(xiàn)場計量檢定，還可便于對管道和儀表實施維修檢測和調(diào)試，使得儀表和管路的測試性更趨完善，示值準(zhǔn)確性更易于得到保障。

船舶動力艙室分布著大量不同規(guī)格、監(jiān)測不同部位壓力的壓力儀表、壓力變送器和壓力傳感器。這些儀表對掌握動力艙室各分系統(tǒng)的壓力技術(shù)狀態(tài)起著舉足輕重的重要作用，必須按期檢定。隨著船舶管理機關(guān)對船舶航行安全性認識的逐步提高，以及船舶使用部門對儀表原位可測試性技術(shù)需求日益迫切，船舶論證和建造部門對此也給予了重視。在船舶上開展可測性設(shè)計，并在艙室現(xiàn)場實施儀表原位檢定工作是可行的。

從總體情況看，船舶動力艙室水、氣、油管路上在安裝各類壓力表或壓力傳感器部位只要安裝原位可測試轉(zhuǎn)換裝置，通過旋鈕實現(xiàn)壓力測量通道與校驗通道的切換，即可解決現(xiàn)場原位計量校準(zhǔn)的問題。

圖4 壓力表與傳壓管路常規(guī)連接情況示意圖Fig.4 Schematic diagram of the pressure

如圖4所示，目前，被檢壓力表直接與傳壓管路相連。圖5所示是安裝了所研制的三通閥體的原位可測試性設(shè)計示意圖。其中的三通閥體的設(shè)計是被檢壓力表具備原位可測試性的關(guān)鍵，該閥體的作用是：在船舶執(zhí)行正常任務(wù)時，傳壓管路與壓力表直接相通；而在原位檢定壓力表時，通過旋轉(zhuǎn)閥門(90度旋轉(zhuǎn))，壓力表與傳壓管路截止，而與壓力表(這里是氣壓表)原位可測試轉(zhuǎn)換裝置相通，啟動壓力表現(xiàn)場檢定裝置，完成對壓力表的原位檢定。

圖5 壓力表原位可測試性設(shè)計示意圖Fig.5 Schematic diagram of the testability at the installation site of the pressure gauge

實際改裝和現(xiàn)場原位檢測試驗情況表明，原位可測試性設(shè)計方案合理可行，能節(jié)省船舶在航計量保障時間和人力成本，船舶靠泊期間，可隨時進行應(yīng)急計量保障或伴隨計量保障，這為開展其它儀器儀表現(xiàn)場可測試性設(shè)計提供了借鑒。

與壓力儀表相比，電學(xué)類儀表(包括電壓表、電流表等)，其可測性設(shè)計只要在電信號進出端設(shè)計觸頭開關(guān)即可解決，對系統(tǒng)的安全性影響較小，成本更為低廉，實現(xiàn)的難度較低[5]。

4 結(jié)束語

本文從船舶計量保障工作重要性分析出發(fā)，分析了船舶計量保障工作面臨的突出問題及解決相應(yīng)問題的依據(jù)，探討了船舶儀表現(xiàn)場檢定和原位檢測性設(shè)計的可行性，初步確定了合理的現(xiàn)場檢定溫度范圍，并對開展船舶儀表原位可測性論證設(shè)計的流程進行了論述，供船舶論證和綜合保障人員在開展相應(yīng)工作時參考。