施以航，王謙，譚珮琮，黃一，*

（1.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.中海石油深海開(kāi)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(jì)軟件的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

施以航1，王謙2，譚珮琮2，黃一1，*

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

介紹了可用于設(shè)計(jì)南海北部服役的導(dǎo)管架平臺(tái)、海底管道和管匯防腐涂層體系的設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)調(diào)研建立了涂層方案、涂料品種、涂料品牌、規(guī)范設(shè)計(jì)校核等資料庫(kù)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化篩選和參數(shù)化處理后作為優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)思想編寫(xiě)的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件為設(shè)計(jì)人員提供了數(shù)據(jù)庫(kù)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(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：海洋工程；防腐涂層；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；數(shù)據(jù)庫(kù)；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(jì)，全世界每年因腐蝕導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失約為 9 000億美元［1］。實(shí)踐證明，防腐涂層是最經(jīng)濟(jì)有效、應(yīng)用也最普遍的防護(hù)手段，其在海洋工程中應(yīng)用廣泛，發(fā)展歷程悠久［2］。

學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)集中在提高涂料的防腐性能上。國(guó)外大型涂料供應(yīng)商（如挪威佐敦、海虹老人、英國(guó) IP國(guó)際涂料、美國(guó) PPG等）早已意識(shí)到信息化技術(shù)在涂層設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，均有自主的涂層設(shè)計(jì)軟件，大大提高了工作效率和精細(xì)化程度。而國(guó)內(nèi)針對(duì)防腐涂層配套體系設(shè)計(jì)的研究尚存在技術(shù)空白，僅有少量關(guān)于開(kāi)發(fā)船舶涂裝作業(yè)的輔助管理軟件的文獻(xiàn)［3-4］發(fā)表。國(guó)內(nèi)主要涂料供應(yīng)商在設(shè)計(jì)涂層時(shí)仍采用基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)與生產(chǎn)單位、船級(jí)社的三方協(xié)商來(lái)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(guó)外同行差距明顯。

以佐敦公司由IBM公司負(fù)責(zé)開(kāi)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(shí)現(xiàn)全球聯(lián)網(wǎng)，涂層數(shù)據(jù)庫(kù)更新頻繁，但軟硬件成本高達(dá)上千萬(wàn)美元，而且對(duì)硬件配置要求較高，普通計(jì)算機(jī)響應(yīng)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(lèi)型，進(jìn)入系統(tǒng)界面后選取需要進(jìn)行涂裝作業(yè)的具體區(qū)域。針對(duì)每種結(jié)構(gòu)區(qū)域，設(shè)計(jì)人員基于自身經(jīng)驗(yàn)，考慮實(shí)際工程要求，在佐敦公司涂料品牌數(shù)據(jù)庫(kù)中選取防腐性能、經(jīng)濟(jì)性能、施工性能和設(shè)計(jì)年限滿足要求的具體涂料，最終確認(rèn)生成的設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)出設(shè)計(jì)報(bào)告［5］?？梢?jiàn)國(guó)外主流的涂層設(shè)計(jì)軟件完全基于設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其專(zhuān)業(yè)水平要求較高，同時(shí)對(duì)不同結(jié)構(gòu)區(qū)域、預(yù)算和參考規(guī)范的工程項(xiàng)目需要大幅調(diào)整設(shè)計(jì)方案，并不具備優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能。

本文通過(guò)大量的調(diào)研工作，從學(xué)術(shù)界、工程界、涂料市場(chǎng)等多角度獲取資料，再進(jìn)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(shí)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(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成了數(shù)據(jù)錄入。然后基于專(zhuān)家系統(tǒng)［6］思想，設(shè)計(jì)了優(yōu)化設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)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(jì)方案。最后匯總相關(guān)研究成果，編寫(xiě)了防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。

1 研究對(duì)象

我國(guó)南海油氣資源十分豐富，是勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域［7］。圖 1示意了典型的油氣田開(kāi)發(fā)模式。用水下采油樹(shù)采集深水油氣資源，利用水下管匯集散并進(jìn)行初步處理，由海底管道輸送到淺水區(qū)的導(dǎo)管架平臺(tái)或者岸上終端處理工廠。這也是我國(guó)目前油氣開(kāi)采作業(yè)中應(yīng)用最廣泛的體系之一?？紤]到水下開(kāi)采設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化水平很低，本文的研究對(duì)象為導(dǎo)管架平臺(tái)、海底管道以及管匯，研究海域?yàn)槟虾１辈俊?/p>

圖1 南海典型油氣田開(kāi)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(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(dǎo)管架平臺(tái)防腐涂層配套體系、不同海洋腐蝕環(huán)境下的導(dǎo)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(jì)參考規(guī)范，詳細(xì)情況參考文獻(xiàn)［8］。為實(shí)現(xiàn)防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計(jì)功能信息化，需要將調(diào)研資料凝煉成數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供數(shù)據(jù)庫(kù)更新接口以滿足可持續(xù)應(yīng)用［9］。數(shù)據(jù)庫(kù)主要內(nèi)容包括：

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

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

（3） 導(dǎo)管架平臺(tái)、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(chēng)、推薦用途、性能指標(biāo)、施工要求、參考規(guī)范號(hào)等信息；

（4） 規(guī)范推薦的防腐涂層體系設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)一種或多種涂層種類(lèi)，而某一種涂料也有多種涂料產(chǎn)品；對(duì)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(chǔ)方式，設(shè)計(jì)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(lèi)（Code表）、涂料廠商聯(lián)系方式分類(lèi)（Contact表）、基于規(guī)范的設(shè)計(jì)方案分類(lèi)表（CodeDesign表）、基于規(guī)范的校核分類(lèi)表（CodeRegulation表）、腐蝕環(huán)境分類(lèi)表（Environment表）、結(jié)構(gòu)類(lèi)別分類(lèi)表（StructuralType表）、結(jié)構(gòu)材料分類(lèi)表（Material表）、結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分分類(lèi)表（StructuralMember表）、結(jié)構(gòu)區(qū)域所處環(huán)境分類(lèi)表（StructuralEnvironment表）、涂料廠商品牌對(duì)應(yīng)分類(lèi)表（Manufacturer表）、涂料品牌分類(lèi)表（Brand表）、涂料種類(lèi)分類(lèi)表（Kind表）和種類(lèi)-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(kù)來(lái)表達(dá)實(shí)體之間的關(guān)系。圖 2為它們?cè)跀?shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系連接圖。通過(guò)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(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)搭建平臺(tái)及開(kāi)發(fā)環(huán)境。SQL是一種關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，具備優(yōu)異的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交互功能，同時(shí)能保證較高的安全性，是業(yè)內(nèi)主流的數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)與 SQL Server的交互，采用ADO.NET技術(shù)［10］，利用C#編程語(yǔ)言，基于.NET Framework 4.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建和管理。

3 防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)

3.1 設(shè)計(jì)思路

本文針對(duì)防腐涂層配套體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)基于專(zhuān)家系統(tǒng)，這是一種基于知識(shí)的人工智能應(yīng)用手段，通過(guò)在知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)大量的信息，以推理控制機(jī)制來(lái)模擬人類(lèi)思維，最終給出解決方案。其技術(shù)核心為專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)和擇選算法。

以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)作為專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案的輸出功能，還需設(shè)計(jì)推理控制算法，其核心是明確知識(shí)庫(kù)中各數(shù)據(jù)表間的連接關(guān)系。針對(duì)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(jì)（CodeDesign表）和自主設(shè)計(jì)2種功能。以自主設(shè)計(jì)模式為例，可以給出具體的結(jié)構(gòu)區(qū)域種類(lèi)（StructuralMember表）和結(jié)構(gòu)材料類(lèi)型（Material表），根據(jù)該結(jié)構(gòu)區(qū)域所處腐蝕環(huán)境的特點(diǎn)（StructuralEnvironment表），給出優(yōu)化的涂層種類(lèi)（Kind表）。針對(duì)某一種涂層，提供多個(gè)涂料品牌的選擇（Brand表）。完成設(shè)計(jì)之后，還可根據(jù)規(guī)范的要求校核（CodeRegulation表）方案。實(shí)現(xiàn)上述思想的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)表與表之間的映射紐帶，本文通過(guò)結(jié)構(gòu)-種類(lèi)-品牌映射表（Ghost表）來(lái)滿足這一功能。

有了防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)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(shí)現(xiàn)方式。本文設(shè)計(jì)了優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖3。

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

軟件的推理機(jī)采用正向推理的方式。在“詳細(xì)設(shè)計(jì)”模式下，針對(duì)新建海洋工程結(jié)構(gòu)，通過(guò)用戶(hù)輸入結(jié)構(gòu)類(lèi)型和所處腐蝕環(huán)境（如圖4所示），結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分及用戶(hù)自定義選取功能，導(dǎo)出結(jié)構(gòu)區(qū)域1-N。如設(shè)計(jì)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(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中“結(jié)構(gòu)區(qū)域-涂料種類(lèi)”的映射關(guān)系，得到結(jié)構(gòu)區(qū)域 1對(duì)應(yīng)的涂料種類(lèi)序號(hào) 1-3以及性能評(píng)價(jià)（性能評(píng)價(jià)機(jī)制是開(kāi)發(fā)人員在建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)制訂的，在調(diào)研的基礎(chǔ)上對(duì)各種類(lèi)各品牌的涂料各性能進(jìn)行打分并存儲(chǔ)到“Brand”表，系統(tǒng)管理員可根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)的調(diào)整）最優(yōu)的種類(lèi) 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(guò)“涂料種類(lèi)-品牌”映射關(guān)系和用戶(hù)對(duì)涂料性能的需求權(quán)重（見(jiàn)圖5），獲得涂料品牌1-3及系統(tǒng)推薦品牌4。若用戶(hù)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?yàn)椴⑽磸?fù)制移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)方案，所以能便捷地再優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

在“優(yōu)化設(shè)計(jì)”模式下，軟件則會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)域 1直接導(dǎo)出涂料種類(lèi)及品牌庫(kù)中最優(yōu)化的設(shè)計(jì)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(shuō)明的是，性能權(quán)重由用戶(hù)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(huì)提示重新輸入。另外，各項(xiàng)性能權(quán)重都設(shè)有下限。

在導(dǎo)出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后，在軟件菜單欄的幫助選項(xiàng)中能打開(kāi)解釋窗口，點(diǎn)擊問(wèn)題后邊的問(wèn)號(hào)可得到相應(yīng)的解釋?zhuān)詧D6a中第二個(gè)問(wèn)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(jì)思想開(kāi)發(fā)的海洋工程防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)

（1） 項(xiàng)目管理。設(shè)計(jì)人員可設(shè)置項(xiàng)目目錄，保存詳細(xì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)完成的方案或草稿，下次打開(kāi)能在已有數(shù)據(jù)上繼續(xù)進(jìn)行。

（2） 詳細(xì)設(shè)計(jì)。軟件能提供結(jié)構(gòu)區(qū)域庫(kù)、涂料種類(lèi)庫(kù)、涂料品牌庫(kù)、參考規(guī)范庫(kù)等多種數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要自行選取合理恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案。

（3） 優(yōu)化設(shè)計(jì)。軟件能基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境特點(diǎn)、當(dāng)前項(xiàng)目的設(shè)計(jì)年限、防腐性能和經(jīng)濟(jì)性能要求，導(dǎo)出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案供用戶(hù)參考。

（4） 擴(kuò)展接口。因?yàn)閷W(xué)術(shù)界、工程界以及涂料市場(chǎng)中防腐涂層配套體系更新很快，所以為種類(lèi)庫(kù)、品牌庫(kù)以及結(jié)構(gòu)區(qū)域庫(kù)預(yù)留有擴(kuò)展接口以增強(qiáng)軟件的實(shí)用性。

（5） 后處理。軟件能針對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象提供規(guī)范推薦的設(shè)計(jì)方案及前處理、涂裝施工、檢測(cè)檢驗(yàn)等相關(guān)規(guī)定。在設(shè)計(jì)人員完成防腐涂層配套體系設(shè)計(jì)后，可將上述內(nèi)容打包，按照指定的模板導(dǎo)出設(shè)計(jì)報(bào)告。

3.3 軟件測(cè)試

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

表1 軟件設(shè)計(jì)的惠州21-1平臺(tái)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(jìn)行比較，由中海油提供了惠州 21-1導(dǎo)管架外表面（包括導(dǎo)管架腿、泵體、水下 3.5 m以上的電纜護(hù)管、防撞護(hù)墊、登上結(jié)構(gòu)等）實(shí)際涂層方案，如表2所示。

表2 惠州21-1導(dǎo)管架外表面實(shí)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(jì)參數(shù)，以導(dǎo)管架腿為例，本軟件生成的涂層方案見(jiàn)表3，與表2實(shí)際涂層方案基本一致。

表3 本軟件設(shè)計(jì)的惠州21-1導(dǎo)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(shí)際工程中，導(dǎo)管架平臺(tái)、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(jì)與防腐性能要求差別不大的前提下，設(shè)計(jì)方案趨向標(biāo)準(zhǔn)化?？衫眯畔⒒夹g(shù)實(shí)現(xiàn)防腐涂層配套體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2） 研究先進(jìn)的防腐涂層配套體系優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，縮小與國(guó)外同行的差距，是國(guó)內(nèi)涂層設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展方向。

（3） 本文搭建的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)可涵蓋實(shí)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(jì)案例。開(kāi)發(fā)的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件功能豐富，可以顯著提高涂層設(shè)計(jì)效率，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)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(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)（2011ZX05056）。

施以航（1988-），男，安徽蕪湖人，碩士，主要研究方向?yàn)楦g控制。

黃一，教授，（E-mail） huangyi@dlut.edu.cn。