海洋工程防腐涂層體系的優(yōu)化設(shè)計軟件的開發(fā)與實現(xiàn)

施以航，王謙，譚珮琮，黃一，*

（1.大連理工大學船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000）

【涂裝】

海洋工程防腐涂層體系的優(yōu)化設(shè)計軟件的開發(fā)與實現(xiàn)

施以航1，王謙2，譚珮琮2，黃一1，*

（1.大連理工大學船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000）

介紹了可用于設(shè)計南海北部服役的導管架平臺、海底管道和管匯防腐涂層體系的設(shè)計軟件的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法。通過調(diào)研建立了涂層方案、涂料品種、涂料品牌、規(guī)范設(shè)計校核等資料庫，經(jīng)過優(yōu)化篩選和參數(shù)化處理后作為優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)庫。應用專家系統(tǒng)思想編寫的優(yōu)化設(shè)計軟件為設(shè)計人員提供了數(shù)據(jù)庫交互接口，能有效提高工作效率和信息化水平，具有較高的應用價值。關(guān)鍵詞：海洋工程；防腐涂層；設(shè)計；優(yōu)化；數(shù)據(jù)庫；軟件

First-author’s address: School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Dalian University Technology， Dalian 116024， China

據(jù)資料統(tǒng)計，全世界每年因腐蝕導致的經(jīng)濟損失約為 9 000億美元［1］。實踐證明，防腐涂層是最經(jīng)濟有效、應用也最普遍的防護手段，其在海洋工程中應用廣泛，發(fā)展歷程悠久［2］。

學術(shù)界的研究熱點集中在提高涂料的防腐性能上。國外大型涂料供應商（如挪威佐敦、海虹老人、英國 IP國際涂料、美國 PPG等）早已意識到信息化技術(shù)在涂層設(shè)計領(lǐng)域廣闊的應用前景，均有自主的涂層設(shè)計軟件，大大提高了工作效率和精細化程度。而國內(nèi)針對防腐涂層配套體系設(shè)計的研究尚存在技術(shù)空白，僅有少量關(guān)于開發(fā)船舶涂裝作業(yè)的輔助管理軟件的文獻［3-4］發(fā)表。國內(nèi)主要涂料供應商在設(shè)計涂層時仍采用基于經(jīng)驗的設(shè)計方法，通過與生產(chǎn)單位、船級社的三方協(xié)商來確定最終的涂層配套方案，生產(chǎn)效率和信息化水平低下，與國外同行差距明顯。

以佐敦公司由IBM公司負責開發(fā)的Protective JOTSPEC系統(tǒng)為例，該軟件集成化程度較高，功能豐富，可實現(xiàn)全球聯(lián)網(wǎng)，涂層數(shù)據(jù)庫更新頻繁，但軟硬件成本高達上千萬美元，而且對硬件配置要求較高，普通計算機響應緩慢。其軟件的使用方法如下：首先選取海洋工程結(jié)構(gòu)類型，進入系統(tǒng)界面后選取需要進行涂裝作業(yè)的具體區(qū)域。針對每種結(jié)構(gòu)區(qū)域，設(shè)計人員基于自身經(jīng)驗，考慮實際工程要求，在佐敦公司涂料品牌數(shù)據(jù)庫中選取防腐性能、經(jīng)濟性能、施工性能和設(shè)計年限滿足要求的具體涂料，最終確認生成的設(shè)計方案，導出設(shè)計報告［5］?？梢妵庵髁鞯耐繉釉O(shè)計軟件完全基于設(shè)計人員經(jīng)驗，對其專業(yè)水平要求較高，同時對不同結(jié)構(gòu)區(qū)域、預算和參考規(guī)范的工程項目需要大幅調(diào)整設(shè)計方案，并不具備優(yōu)化設(shè)計的功能。

本文通過大量的調(diào)研工作，從學術(shù)界、工程界、涂料市場等多角度獲取資料，再進行資料參數(shù)化處理，分析調(diào)研資料間的邏輯索引關(guān)系，實現(xiàn)“環(huán)境-材料體系”、“環(huán)境-電偶體系”以及“環(huán)境-涂層體系”的清晰映射，并搭建了防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)庫，完成了數(shù)據(jù)錄入。然后基于專家系統(tǒng)［6］思想，設(shè)計了優(yōu)化設(shè)計知識庫及匹配擇優(yōu)算法，可輸出與結(jié)構(gòu)所處環(huán)境和介質(zhì)相匹配的防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計方案。最后匯總相關(guān)研究成果，編寫了防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計軟件。

1 研究對象

我國南海油氣資源十分豐富，是勘探開發(fā)的熱點區(qū)域［7］。圖 1示意了典型的油氣田開發(fā)模式。用水下采油樹采集深水油氣資源，利用水下管匯集散并進行初步處理，由海底管道輸送到淺水區(qū)的導管架平臺或者岸上終端處理工廠。這也是我國目前油氣開采作業(yè)中應用最廣泛的體系之一?？紤]到水下開采設(shè)備的國產(chǎn)化水平很低，本文的研究對象為導管架平臺、海底管道以及管匯，研究海域為南海北部。

圖1 南海典型油氣田開發(fā)模式示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the typical development model of oil and gas fields at South China Sea

2 防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)庫的搭建

典型海洋工程結(jié)構(gòu)防腐涂層配套體系調(diào)研的內(nèi)容有南海海洋腐蝕環(huán)境、導管架平臺防腐涂層配套體系、不同海洋腐蝕環(huán)境下的導管架結(jié)構(gòu)部件、海底管道外表面防腐涂層配套體系、管匯防腐涂層配套體系以及 8種典型的涂層設(shè)計參考規(guī)范，詳細情況參考文獻［8］。為實現(xiàn)防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計功能信息化，需要將調(diào)研資料凝煉成數(shù)據(jù)庫，并提供數(shù)據(jù)庫更新接口以滿足可持續(xù)應用［9］。數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容包括：

（1） 導管架平臺、海底管道和管匯的具體結(jié)構(gòu)區(qū)域名稱、所處海洋腐蝕環(huán)境、工作環(huán)境特征等信息；

（2） 導管架平臺、海底管道外表面和管匯防腐涂層配套體系用涂料的種類名稱、干膜厚、性能指標、主要優(yōu)缺點等信息；

（3） 導管架平臺、海底管道外表面和管匯防腐涂層配套體系用涂料的品牌名稱、推薦用途、性能指標、施工要求、參考規(guī)范號等信息；

（4） 規(guī)范推薦的防腐涂層體系設(shè)計方案，基于規(guī)范的涂層體系校核等信息。

上述信息互相聯(lián)系，如某種結(jié)構(gòu)區(qū)域可對應一種或多種涂層種類，而某一種涂料也有多種涂料產(chǎn)品；對完成的涂層方案，還需考慮規(guī)范校核的內(nèi)容。因此采用關(guān)系數(shù)據(jù)模型搭建了上述信息的有效存儲方式，設(shè)計了3層的數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)。建立了包含參考規(guī)范分類（Code表）、涂料廠商聯(lián)系方式分類（Contact表）、基于規(guī)范的設(shè)計方案分類表（CodeDesign表）、基于規(guī)范的校核分類表（CodeRegulation表）、腐蝕環(huán)境分類表（Environment表）、結(jié)構(gòu)類別分類表（StructuralType表）、結(jié)構(gòu)材料分類表（Material表）、結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分分類表（StructuralMember表）、結(jié)構(gòu)區(qū)域所處環(huán)境分類表（StructuralEnvironment表）、涂料廠商品牌對應分類表（Manufacturer表）、涂料品牌分類表（Brand表）、涂料種類分類表（Kind表）和種類-品牌-結(jié)構(gòu)映射表（Ghost表）這13張二維數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)庫來表達實體之間的關(guān)系。圖 2為它們在數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系連接圖。通過合理地定義數(shù)據(jù)表主鍵和外鍵，可有效避免數(shù)據(jù)冗余，提高各表間的邏輯清晰度。

圖2 防腐涂層體系優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)表及其相互關(guān)系Figure 2 Basic datasheets in anticorrosive coating system design and optimization database and their relationship

選取 Microsoft?SQL Server?作為數(shù)據(jù)庫搭建平臺及開發(fā)環(huán)境。SQL是一種關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具備優(yōu)異的數(shù)據(jù)存儲與交互功能，同時能保證較高的安全性，是業(yè)內(nèi)主流的數(shù)據(jù)庫管理工具。同時為實現(xiàn)與 SQL Server的交互，采用ADO.NET技術(shù)［10］，利用C#編程語言，基于.NET Framework 4.0開發(fā)平臺進行數(shù)據(jù)庫的搭建和管理。

3 防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計軟件的開發(fā)

3.1 設(shè)計思路

本文針對防腐涂層配套體系的優(yōu)化設(shè)計基于專家系統(tǒng)，這是一種基于知識的人工智能應用手段，通過在知識庫中存儲大量的信息，以推理控制機制來模擬人類思維，最終給出解決方案。其技術(shù)核心為專家知識庫和擇選算法。

以優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)庫作為專家系統(tǒng)的知識庫，為實現(xiàn)優(yōu)化方案的輸出功能，還需設(shè)計推理控制算法，其核心是明確知識庫中各數(shù)據(jù)表間的連接關(guān)系。針對某種海洋工程結(jié)構(gòu)（StructuralType表），軟件提供基于規(guī)范的設(shè)計（CodeDesign表）和自主設(shè)計2種功能。以自主設(shè)計模式為例，可以給出具體的結(jié)構(gòu)區(qū)域種類（StructuralMember表）和結(jié)構(gòu)材料類型（Material表），根據(jù)該結(jié)構(gòu)區(qū)域所處腐蝕環(huán)境的特點（StructuralEnvironment表），給出優(yōu)化的涂層種類（Kind表）。針對某一種涂層，提供多個涂料品牌的選擇（Brand表）。完成設(shè)計之后，還可根據(jù)規(guī)范的要求校核（CodeRegulation表）方案。實現(xiàn)上述思想的關(guān)鍵是設(shè)計表與表之間的映射紐帶，本文通過結(jié)構(gòu)-種類-品牌映射表（Ghost表）來滿足這一功能。

有了防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計知識庫和推理控制算法，還需要明確軟件輸入輸出參數(shù)以及基于映射表的軟件實現(xiàn)方式。本文設(shè)計了優(yōu)化設(shè)計特征數(shù)組，記錄輸入?yún)?shù)，并為映射功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)流程見圖3。

圖3 基于特征數(shù)組的映射功能實現(xiàn)方式Figure 3 Mapping function based on characteristic dimensions

軟件的推理機采用正向推理的方式。在“詳細設(shè)計”模式下，針對新建海洋工程結(jié)構(gòu)，通過用戶輸入結(jié)構(gòu)類型和所處腐蝕環(huán)境（如圖4所示），結(jié)合數(shù)據(jù)庫中結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分及用戶自定義選取功能，導出結(jié)構(gòu)區(qū)域1-N。如設(shè)計結(jié)構(gòu)區(qū)域1的涂層，則特征數(shù)組第一列數(shù)值為1，通過數(shù)據(jù)庫中“結(jié)構(gòu)區(qū)域-涂料種類”的映射關(guān)系，得到結(jié)構(gòu)區(qū)域 1對應的涂料種類序號 1-3以及性能評價（性能評價機制是開發(fā)人員在建立數(shù)據(jù)庫時制訂的，在調(diào)研的基礎(chǔ)上對各種類各品牌的涂料各性能進行打分并存儲到“Brand”表，系統(tǒng)管理員可根據(jù)實際情況做相應的調(diào)整）最優(yōu)的種類 4。如選用第 4種涂料，則特征數(shù)組第二列數(shù)值為 4，通過“涂料種類-品牌”映射關(guān)系和用戶對涂料性能的需求權(quán)重（見圖5），獲得涂料品牌1-3及系統(tǒng)推薦品牌4。若用戶確定選取品牌4，則特征數(shù)組第三列取值為4。在所有區(qū)域確定后將形成維度為N × 3的矩陣。因為并未復制移動數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，只需修改特征數(shù)組的值即可修改整體設(shè)計方案，所以能便捷地再優(yōu)化設(shè)計方案。

在“優(yōu)化設(shè)計”模式下，軟件則會根據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)域 1直接導出涂料種類及品牌庫中最優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，并返回特征數(shù)組值。

圖4 軟件的參數(shù)輸入模塊Figure 4 Parameters input module of the software

圖5 性能權(quán)重輸入模塊Figure 5 Performance weight input module of the software

需要說明的是，性能權(quán)重由用戶根據(jù)需求自主設(shè)定，可選值為0.1、0.2、……、1.0。權(quán)重之和等于1為合理輸入，反之則不合理，系統(tǒng)會提示重新輸入。另外，各項性能權(quán)重都設(shè)有下限。

在導出優(yōu)化設(shè)計方案后，在軟件菜單欄的幫助選項中能打開解釋窗口，點擊問題后邊的問號可得到相應的解釋，以圖6a中第二個問題為例，回答如圖6b所示。

圖6 軟件的解釋窗口Figure 6 Explanation window of the software

根據(jù)上述設(shè)計思想開發(fā)的海洋工程防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計軟件的主界面如圖7所示。

圖7 防腐涂層體系優(yōu)化設(shè)計軟件的主界面Figure 7 Main interface of the design and optimization software for anticorrosive coating system

3.2 軟件的主要特點

（1） 項目管理。設(shè)計人員可設(shè)置項目目錄，保存詳細或優(yōu)化設(shè)計完成的方案或草稿，下次打開能在已有數(shù)據(jù)上繼續(xù)進行。

（2） 詳細設(shè)計。軟件能提供結(jié)構(gòu)區(qū)域庫、涂料種類庫、涂料品牌庫、參考規(guī)范庫等多種數(shù)據(jù)庫，用戶可根據(jù)實際需要自行選取合理恰當?shù)脑O(shè)計方案。

（3） 優(yōu)化設(shè)計。軟件能基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境特點、當前項目的設(shè)計年限、防腐性能和經(jīng)濟性能要求，導出優(yōu)化設(shè)計方案供用戶參考。

（4） 擴展接口。因為學術(shù)界、工程界以及涂料市場中防腐涂層配套體系更新很快，所以為種類庫、品牌庫以及結(jié)構(gòu)區(qū)域庫預留有擴展接口以增強軟件的實用性。

（5） 后處理。軟件能針對結(jié)構(gòu)對象提供規(guī)范推薦的設(shè)計方案及前處理、涂裝施工、檢測檢驗等相關(guān)規(guī)定。在設(shè)計人員完成防腐涂層配套體系設(shè)計后，可將上述內(nèi)容打包，按照指定的模板導出設(shè)計報告。

3.3 軟件測試

用許多工程實例測試本軟件均能獲得較好的結(jié)果。以設(shè)計惠州21-1平臺涂層配套體系為例，輸入的事實分別為“導管架，大氣區(qū)/飛濺區(qū)/全浸區(qū)，碳鋼/不銹鋼，耐久性/機械性/防腐性”，得到并導出涂層配套體系設(shè)計方案，部分如表1所示。

表1 軟件設(shè)計的惠州21-1平臺的部分涂層方案Table 1 Part of the coating scheme for Huizhou 21-1 platform designed by the software

為與本軟件輸出結(jié)果進行比較，由中海油提供了惠州 21-1導管架外表面（包括導管架腿、泵體、水下 3.5 m以上的電纜護管、防撞護墊、登上結(jié)構(gòu)等）實際涂層方案，如表2所示。

表2 惠州21-1導管架外表面實際涂層體系Table 2 Actual coating system coated on the surface of Huizhou 21-1 jacket

采用相同的設(shè)計參數(shù)，以導管架腿為例，本軟件生成的涂層方案見表3，與表2實際涂層方案基本一致。

表3 本軟件設(shè)計的惠州21-1導管架腿涂層體系Table 3 Coating system designed by the software for the legs of Huizhou 21-1 jacket

4 結(jié)論

（1） 在實際工程中，導管架平臺、海底管道外表面和管匯防腐涂層配套體系的數(shù)量較多。在經(jīng)濟與防腐性能要求差別不大的前提下，設(shè)計方案趨向標準化。可利用信息化技術(shù)實現(xiàn)防腐涂層配套體系的優(yōu)化設(shè)計。

（2） 研究先進的防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，開發(fā)有效的優(yōu)化設(shè)計工具，縮小與國外同行的差距，是國內(nèi)涂層設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展方向。

（3） 本文搭建的優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)庫可涵蓋實際工程中大多數(shù)海洋工程結(jié)構(gòu)防腐涂層配套體系設(shè)計案例。開發(fā)的優(yōu)化設(shè)計軟件功能豐富，可以顯著提高涂層設(shè)計效率，具有較高的工程應用價值。

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［ 編輯：杜娟娟 ］

Development and execution of a software for design and optimization of anticorrosive coating system in oceanengineering

// SHI Yi-hang， WANG Qian， TAN Pei-cong， HUANG Yi*

The design idea and execution method of a software used to design anticorrosive coating system for jacket platforms， submarine pipelines and subsea manifolds serving in the northern district of South China Sea were introduced.A database including coating schemes， coating types， coating brands， design specification and check regulation was established via investigation and survey and used for design and optimization after screening and parameterization.The design and optimization software developed based on expert system can provide a mutual interface between designers and the database，and improve the design efficiency and informatization level， showing a high application value.

ocean engineering； anticorrosive coating system； design； optimization； database； software

TG172.5； TP319

B

1004 - 227X （2016） 06 - 0303 - 07

2015-07-29

2015-12-08

“十二五”國家重大科技專項（2011ZX05056）。

施以航（1988-），男，安徽蕪湖人，碩士，主要研究方向為腐蝕控制。

黃一，教授，（E-mail） huangyi@dlut.edu.cn。