海洋工程防腐涂层体系的优化设计软件的开发与实现

施以航，王谦，谭珮琮，黄一，*

（1.大连理工大学船舶工程学院，辽宁 大连 116024；2.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000）

【涂装】

海洋工程防腐涂层体系的优化设计软件的开发与实现

施以航1，王谦2，谭珮琮2，黄一1，*

（1.大连理工大学船舶工程学院，辽宁 大连 116024；2.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000）

介绍了可用于设计南海北部服役的导管架平台、海底管道和管汇防腐涂层体系的设计软件的设计思路和实现方法。通过调研建立了涂层方案、涂料品种、涂料品牌、规范设计校核等资料库，经过优化筛选和参数化处理后作为优化设计数据库。应用专家系统思想编写的优化设计软件为设计人员提供了数据库交互接口，能有效提高工作效率和信息化水平，具有较高的应用价值。关键词：海洋工程；防腐涂层；设计；优化；数据库；软件

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

据资料统计，全世界每年因腐蚀导致的经济损失约为 9 000亿美元［1］。实践证明，防腐涂层是最经济有效、应用也最普遍的防护手段，其在海洋工程中应用广泛，发展历程悠久［2］。

学术界的研究热点集中在提高涂料的防腐性能上。国外大型涂料供应商（如挪威佐敦、海虹老人、英国 IP国际涂料、美国 PPG等）早已意识到信息化技术在涂层设计领域广阔的应用前景，均有自主的涂层设计软件，大大提高了工作效率和精细化程度。而国内针对防腐涂层配套体系设计的研究尚存在技术空白，仅有少量关于开发船舶涂装作业的辅助管理软件的文献［3-4］发表。国内主要涂料供应商在设计涂层时仍采用基于经验的设计方法，通过与生产单位、船级社的三方协商来确定最终的涂层配套方案，生产效率和信息化水平低下，与国外同行差距明显。

以佐敦公司由IBM公司负责开发的Protective JOTSPEC系统为例，该软件集成化程度较高，功能丰富，可实现全球联网，涂层数据库更新频繁，但软硬件成本高达上千万美元，而且对硬件配置要求较高，普通计算机响应缓慢。其软件的使用方法如下：首先选取海洋工程结构类型，进入系统界面后选取需要进行涂装作业的具体区域。针对每种结构区域，设计人员基于自身经验，考虑实际工程要求，在佐敦公司涂料品牌数据库中选取防腐性能、经济性能、施工性能和设计年限满足要求的具体涂料，最终确认生成的设计方案，导出设计报告［5］。可见国外主流的涂层设计软件完全基于设计人员经验，对其专业水平要求较高，同时对不同结构区域、预算和参考规范的工程项目需要大幅调整设计方案，并不具备优化设计的功能。

本文通过大量的调研工作，从学术界、工程界、涂料市场等多角度获取资料，再进行资料参数化处理，分析调研资料间的逻辑索引关系，实现“环境-材料体系”、“环境-电偶体系”以及“环境-涂层体系”的清晰映射，并搭建了防腐涂层配套体系优化设计数据库，完成了数据录入。然后基于专家系统［6］思想，设计了优化设计知识库及匹配择优算法，可输出与结构所处环境和介质相匹配的防腐涂层配套体系优化设计方案。最后汇总相关研究成果，编写了防腐涂层配套体系优化设计软件。

1 研究对象

我国南海油气资源十分丰富，是勘探开发的热点区域［7］。图 1示意了典型的油气田开发模式。用水下采油树采集深水油气资源，利用水下管汇集散并进行初步处理，由海底管道输送到浅水区的导管架平台或者岸上终端处理工厂。这也是我国目前油气开采作业中应用最广泛的体系之一。考虑到水下开采设备的国产化水平很低，本文的研究对象为导管架平台、海底管道以及管汇，研究海域为南海北部。

图1 南海典型油气田开发模式示意图Figure 1 Schematic diagram showing the typical development model of oil and gas fields at South China Sea

2 防腐涂层配套体系优化设计数据库的搭建

典型海洋工程结构防腐涂层配套体系调研的内容有南海海洋腐蚀环境、导管架平台防腐涂层配套体系、不同海洋腐蚀环境下的导管架结构部件、海底管道外表面防腐涂层配套体系、管汇防腐涂层配套体系以及 8种典型的涂层设计参考规范，详细情况参考文献［8］。为实现防腐涂层配套体系优化设计功能信息化，需要将调研资料凝炼成数据库，并提供数据库更新接口以满足可持续应用［9］。数据库主要内容包括：

（1） 导管架平台、海底管道和管汇的具体结构区域名称、所处海洋腐蚀环境、工作环境特征等信息；

（2） 导管架平台、海底管道外表面和管汇防腐涂层配套体系用涂料的种类名称、干膜厚、性能指标、主要优缺点等信息；

（3） 导管架平台、海底管道外表面和管汇防腐涂层配套体系用涂料的品牌名称、推荐用途、性能指标、施工要求、参考规范号等信息；

（4） 规范推荐的防腐涂层体系设计方案，基于规范的涂层体系校核等信息。

上述信息互相联系，如某种结构区域可对应一种或多种涂层种类，而某一种涂料也有多种涂料产品；对完成的涂层方案，还需考虑规范校核的内容。因此采用关系数据模型搭建了上述信息的有效存储方式，设计了3层的数据体系结构。建立了包含参考规范分类（Code表）、涂料厂商联系方式分类（Contact表）、基于规范的设计方案分类表（CodeDesign表）、基于规范的校核分类表（CodeRegulation表）、腐蚀环境分类表（Environment表）、结构类别分类表（StructuralType表）、结构材料分类表（Material表）、结构区域划分分类表（StructuralMember表）、结构区域所处环境分类表（StructuralEnvironment表）、涂料厂商品牌对应分类表（Manufacturer表）、涂料品牌分类表（Brand表）、涂料种类分类表（Kind表）和种类-品牌-结构映射表（Ghost表）这13张二维数据表的数据库来表达实体之间的关系。图 2为它们在数据库中的关系连接图。通过合理地定义数据表主键和外键，可有效避免数据冗余，提高各表间的逻辑清晰度。

图2 防腐涂层体系优化设计数据库基础表及其相互关系Figure 2 Basic datasheets in anticorrosive coating system design and optimization database and their relationship

选取 Microsoft®SQL Server®作为数据库搭建平台及开发环境。SQL是一种关系型的数据库管理系统，具备优异的数据存储与交互功能，同时能保证较高的安全性，是业内主流的数据库管理工具。同时为实现与 SQL Server的交互，采用ADO.NET技术［10］，利用C#编程语言，基于.NET Framework 4.0开发平台进行数据库的搭建和管理。

3 防腐涂层配套体系优化设计软件的开发

3.1 设计思路

本文针对防腐涂层配套体系的优化设计基于专家系统，这是一种基于知识的人工智能应用手段，通过在知识库中存储大量的信息，以推理控制机制来模拟人类思维，最终给出解决方案。其技术核心为专家知识库和择选算法。

以优化设计数据库作为专家系统的知识库，为实现优化方案的输出功能，还需设计推理控制算法，其核心是明确知识库中各数据表间的连接关系。针对某种海洋工程结构（StructuralType表），软件提供基于规范的设计（CodeDesign表）和自主设计2种功能。以自主设计模式为例，可以给出具体的结构区域种类（StructuralMember表）和结构材料类型（Material表），根据该结构区域所处腐蚀环境的特点（StructuralEnvironment表），给出优化的涂层种类（Kind表）。针对某一种涂层，提供多个涂料品牌的选择（Brand表）。完成设计之后，还可根据规范的要求校核（CodeRegulation表）方案。实现上述思想的关键是设计表与表之间的映射纽带，本文通过结构-种类-品牌映射表（Ghost表）来满足这一功能。

有了防腐涂层配套体系优化设计知识库和推理控制算法，还需要明确软件输入输出参数以及基于映射表的软件实现方式。本文设计了优化设计特征数组，记录输入参数，并为映射功能提供基础数据，实现流程见图3。

图3 基于特征数组的映射功能实现方式Figure 3 Mapping function based on characteristic dimensions

软件的推理机采用正向推理的方式。在“详细设计”模式下，针对新建海洋工程结构，通过用户输入结构类型和所处腐蚀环境（如图4所示），结合数据库中结构区域划分及用户自定义选取功能，导出结构区域1-N。如设计结构区域1的涂层，则特征数组第一列数值为1，通过数据库中“结构区域-涂料种类”的映射关系，得到结构区域 1对应的涂料种类序号 1-3以及性能评价（性能评价机制是开发人员在建立数据库时制订的，在调研的基础上对各种类各品牌的涂料各性能进行打分并存储到“Brand”表，系统管理员可根据实际情况做相应的调整）最优的种类 4。如选用第 4种涂料，则特征数组第二列数值为 4，通过“涂料种类-品牌”映射关系和用户对涂料性能的需求权重（见图5），获得涂料品牌1-3及系统推荐品牌4。若用户确定选取品牌4，则特征数组第三列取值为4。在所有区域确定后将形成维度为N × 3的矩阵。因为并未复制移动数据库中数据，只需修改特征数组的值即可修改整体设计方案，所以能便捷地再优化设计方案。

在“优化设计”模式下，软件则会根据结构区域 1直接导出涂料种类及品牌库中最优化的设计结果，并返回特征数组值。

图4 软件的参数输入模块Figure 4 Parameters input module of the software

图5 性能权重输入模块Figure 5 Performance weight input module of the software

需要说明的是，性能权重由用户根据需求自主设定，可选值为0.1、0.2、……、1.0。权重之和等于1为合理输入，反之则不合理，系统会提示重新输入。另外，各项性能权重都设有下限。

在导出优化设计方案后，在软件菜单栏的帮助选项中能打开解释窗口，点击问题后边的问号可得到相应的解释，以图6a中第二个问题为例，回答如图6b所示。

图6 软件的解释窗口Figure 6 Explanation window of the software

根据上述设计思想开发的海洋工程防腐涂层配套体系优化设计软件的主界面如图7所示。

图7 防腐涂层体系优化设计软件的主界面Figure 7 Main interface of the design and optimization software for anticorrosive coating system

3.2 软件的主要特点

（1） 项目管理。设计人员可设置项目目录，保存详细或优化设计完成的方案或草稿，下次打开能在已有数据上继续进行。

（2） 详细设计。软件能提供结构区域库、涂料种类库、涂料品牌库、参考规范库等多种数据库，用户可根据实际需要自行选取合理恰当的设计方案。

（3） 优化设计。软件能基于现有结构的腐蚀环境特点、当前项目的设计年限、防腐性能和经济性能要求，导出优化设计方案供用户参考。

（4） 扩展接口。因为学术界、工程界以及涂料市场中防腐涂层配套体系更新很快，所以为种类库、品牌库以及结构区域库预留有扩展接口以增强软件的实用性。

（5） 后处理。软件能针对结构对象提供规范推荐的设计方案及前处理、涂装施工、检测检验等相关规定。在设计人员完成防腐涂层配套体系设计后，可将上述内容打包，按照指定的模板导出设计报告。

3.3 软件测试

用许多工程实例测试本软件均能获得较好的结果。以设计惠州21-1平台涂层配套体系为例，输入的事实分别为“导管架，大气区/飞溅区/全浸区，碳钢/不锈钢，耐久性/机械性/防腐性”，得到并导出涂层配套体系设计方案，部分如表1所示。

表1 软件设计的惠州21-1平台的部分涂层方案Table 1 Part of the coating scheme for Huizhou 21-1 platform designed by the software

为与本软件输出结果进行比较，由中海油提供了惠州 21-1导管架外表面（包括导管架腿、泵体、水下 3.5 m以上的电缆护管、防撞护垫、登上结构等）实际涂层方案，如表2所示。

表2 惠州21-1导管架外表面实际涂层体系Table 2 Actual coating system coated on the surface of Huizhou 21-1 jacket

采用相同的设计参数，以导管架腿为例，本软件生成的涂层方案见表3，与表2实际涂层方案基本一致。

表3 本软件设计的惠州21-1导管架腿涂层体系Table 3 Coating system designed by the software for the legs of Huizhou 21-1 jacket

4 结论

（1） 在实际工程中，导管架平台、海底管道外表面和管汇防腐涂层配套体系的数量较多。在经济与防腐性能要求差别不大的前提下，设计方案趋向标准化。可利用信息化技术实现防腐涂层配套体系的优化设计。

（2） 研究先进的防腐涂层配套体系优化设计技术，开发有效的优化设计工具，缩小与国外同行的差距，是国内涂层设计领域的发展方向。

（3） 本文搭建的优化设计数据库可涵盖实际工程中大多数海洋工程结构防腐涂层配套体系设计案例。开发的优化设计软件功能丰富，可以显著提高涂层设计效率，具有较高的工程应用价值。

［1］ 涂湘缃.实用防腐蚀工程施工手册［M］.北京: 化学工业出版社， 2000.

［2］ 宋雪曙.海洋采油平台重防腐涂料应用现状及发展［J］.涂料技术与文摘， 2010， 31 （11）: 25-30.

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［ 编辑：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”国家重大科技专项（2011ZX05056）。

施以航（1988-），男，安徽芜湖人，硕士，主要研究方向为腐蚀控制。

黄一，教授，（E-mail） huangyi@dlut.edu.cn。