【论文推荐】| 风浪流联合激励下FLNG-LNGC旁靠外输作业动力响应试验研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

浮式液化天然气生产装置（FLNG）是中国南海天然气资源开发的关键装备。根据自然资源部南海海域油气资源综合评估结果，中国南海天然气储量达到36万亿至40万亿立方米，且大多分布在风、浪、流联合作用下的复杂海洋环境中。FLNG能够有效降低基础设施建设成本，尤其在资源分散或海域条件复杂的地区，其灵活性优势更为显著，可根据需要在不同海域之间移动。天然气的卸载与输运是资源开采的关键挑战之一，液化天然气运输船（LNGC）作为连接FLNG与目的地的关键运输介质，其容量通常在10万立方米以上，能够实现液化天然气的高效运输。

工作条件下FLNG与LNGC距离较近，多采用连接缆进行连接，导致恶劣海况下二者会产生较明显的耦合动力响应特征，并改变两船的相对运动状态，进而直接影响卸载作业效率和安全性。当前，国内外学者针对FLNG-LNGC旁靠外输作业时的耦合响应问题开展了大量数值和物理模型试验研究，但现有物理模型试验研究未充分考虑旁靠作业时的相对运动模式与FLNG自身固有运动属性的关系，且忽略了相对运动对不同连接缆受力的影响。

因此，本文聚焦于FLNG与LNGC进行旁靠作业时的水动力特性，在深水试验池中开展风浪流联合激励下的大型海洋工程水池试验研究，通过精确控制风速、波浪谱和海流速度模拟复杂海况下的环境载荷，旨在揭示FLNG船的运动固有属性特征及其与LNGC运输船之间的相互作用机制，为FLNG-LNGC旁靠作业的工程设计和安全运营提供重要的理论依据和技术支持。

二、研究方法

本研究在深水试验池中开展了38万吨级FLNG船旁靠外输作业的动力响应物理模型试验。试验模型主体分为三部分：满载FLNG船、LNGC运输船及系泊缆和连接缆。

FLNG船模型以一艘作业于2100米水深的38万吨级FLNG船为研究对象，船长374.50米、型宽68.00米、型深38.75米，满载和压载条件下吃水分别为17米和12米，对应排水量分别为38.5万吨和26.8万吨。模型试验采用1:64缩尺比，设计考虑重力相似准则，模型制作材料为有机玻璃，通过精确调整压载块的位置和重量对模型的排水量、重心位置以及纵摇和横摇惯性半径进行优化。

LNGC运输船模型全长307.0米、型宽54.0米、型深28.8米，仅关注压载条件下旁靠作业动力响应特性，对应排水量95000吨。模型试验同样选取缩尺比1:64，模型制作材料为有机玻璃。

FLNG船的系泊方式为内转塔3×4单点系泊，共12根系泊缆，编号为1至12，导缆孔位于船首部，每组系泊缆之间的夹角为120度。旁靠外输试验时，FLNG船与LNGC运输船通过艏艉各3根共6根连接缆实现连接，并布置传感器测量连接缆张力。系泊缆制作方式采取三段式，即锚链—钢丝绳—锚链。

试验工况设计分为三个部分：（1）满载FLNG船白噪声测试，分析FLNG船的运动固有属性，白噪声分析波周期范围确定为5至25秒，包含0度和90度两种来浪方向；（2）风浪流联合激励下满载FLNG船动力响应测试，关注极端随机波况，有效波高达到4.7米；（3）满载FLNG船与压载LNGC运输船旁靠试验测试，关注作业波况，有效波高为3.1米。随机波况波谱分布遵循JONSWAP谱。

试验过程中通过精确控制风速、波浪谱和海流速度模拟复杂海况下的环境载荷，利用运动测量系统和拉力传感器采集FLNG船和LNGC运输船的运动响应数据及系泊缆张力数据。此外，通过静水锚链刚度标定试验验证了试验模型的工程适用性，实测纵荡方向恢复力与理论值的最大相对误差控制在8.0%以内，横荡方向刚度曲线则近似完全吻合。每个工况均重复进行了2至3次试验，重复性测试各参数误差控制在5%以内，确保了试验结果的可靠性和可重复性。

三、研究结果

白噪声测试结果表明，在0度来浪条件下，FLNG船垂荡和横摇运动的能量分别集中在0.25 rad/s和0.44 rad/s；而在90度来浪条件下，能量则分别集中在0.44 rad/s和0.44 rad/s。值得注意的是，对于90度来浪方向工况，垂荡运动的能量在频谱上的分布与横摇运动基本一致，表明90度来浪方向激发了显著的横摇运动，进而与垂荡运动发生耦合现象（Froude效应），导致垂荡运动能量在该条件下主要集中在横摇固有频率附近。此外，相对0度来浪条件，90度来浪更易激发剧烈运动响应。

在极端海况下，满载FLNG船不同运动自由度之间均发生了不同程度的耦合效应。相对于0度激励条件，风浪流角度转至60度降低了垂荡和横摇幅值，但致使纵摇幅值增加，表明激励角度不同改变了船体各运动自由度的耦合响应机制，导致能量在不同运动模式之间传递。频谱分析显示，垂荡与横摇的谱峰能量均聚集在0.44 rad/s附近，进一步激励角度增加至60度不仅并未激发更强的横摇运动模式，而且使得垂荡运动的频谱分布更加复杂。研究对象的横摇运动与垂荡运动发生了Froude效应，该效应导致船体运动能量由横摇运动向垂荡运动转移，激发出了垂荡运动的固有属性。

系泊缆载荷分析表明，在0度激励条件下，位于船首的1号至4号系泊缆所承受的载荷幅值最大，由于外部激励载荷的对称性，5号至12号系泊缆的载荷大小基本一致且其幅值明显低于1号至4号系泊缆。在60度激励条件下，迎风/浪/流侧的系泊缆载荷显著高于背风/浪/流侧，最大载荷出现在与外部激励方向夹角最小的下游位置，即12号系泊缆。

旁靠试验中，LNGC运输船的运动响应幅度均高于FLNG船。采用Morlet小波变换技术分析横摇运动响应发现，随着激励角度从0度增加至60度，FLNG船和LNGC运输船的运动响应能量均呈逐渐增加的趋势，高能量区域对应的带宽也随之增大，能量在频谱上的分布变得更加紊乱，即包含更多的频率成分，且与入射波浪的高阶倍频无关。该现象是由于随着入射角度增加，LNGC运输船受波浪载荷作用向FLNG船的反方向运动，增强了两船运动响应的相互干扰。

随着外部激励环境角度的不断增加，首缆（1至4号）以及背风/浪/流侧尾缆（5至8号）承受的载荷不断减小，迎风/浪/流位置的尾缆（9至12号）载荷不断增加，即小激励角度条件下需要注意首缆安全性，大激励角度时则需要加强对尾缆的监控。连接缆载荷分析发现，连接缆最大载荷出现在小激励角度（30度）条件下的首缆位置，这是由于小角度条件更易诱发FLNG船与LNGC运输船之间产生窄缝共振，导致两者背向漂移，连接缆载荷突增，甚至高于系泊缆承受的最大幅值。

四、研究结论

本研究基于深水试验池开展了风浪流联合激励下38万吨级FLNG船旁靠外输作业动力响应物理模型试验，分别针对满载FLNG船的固有属性、风浪流联合作用下的动力响应特性及旁靠外输试验工况进行了测试分析，主要结论如下：

第一，在极端海况条件下，满载FLNG船不同运动自由度之间均发生了不同程度的耦合效应。随着外部环境激励角度从0度增加至60度，不同运动自由度之间的Froude耦合效应显著增强，运动能量在频谱上的分布也变得更加紊乱，表明激励角度的变化对多体耦合响应具有显著影响，能量在不同运动模式之间的传递机制复杂。

第二，系泊缆安全监控需根据激励角度进行差异化关注：小激励角度（小于等于30度）条件下需要注意首缆安全性能，大激励角度（大于等于60度）则需要加强对尾缆的监控，为工程实践中系泊系统的安全评估和缆绳配置优化提供了明确指导。

第三，旁靠测试时需特别关注小激励角度（30度）时船首位置的连接缆，该环境下更易诱发FLNG船与LNGC运输船之间的窄缝共振，最终导致连接缆载荷幅值突增，甚至超过了系泊缆绳所承受的载荷幅值，这一发现对旁靠作业的安全设计具有重要工程意义。

本研究为FLNG-LNGC旁靠外输作业的水动力特性分析提供了宝贵的试验数据和理论依据，对保障海洋油气生产安全和提升运输效率具有重要的工程应用价值。未来将进一步采用数值模拟和模型试验结合的方法定量分析浮体不同自由度间的耦合效应及能量传递机制。

相关图表

本文引用格式：宋斌, 王森, 杨舟, 等. 风浪流联合激励下FLNG-LNGC旁靠外输作业动力响应试验研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(5): 104-114.  (SONG Bin, WANG Sen, YANG Zhou, et al. Experimental study on dynamic response of FLNG-LNGC side-by-side offloading operations under wind, wave, and current excitations[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(5): 104-114.  (in Chinese)）

作者简介：   

宋 斌（1987—），男，山东枣庄人，博士研究生，工程师，主要从事浮体水动力特性研究。E-mail： songbin2009@sjtu.edu.cn

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