Особые случаи докования судов

Докование судов, т. е. постановка в док требует соблюдение определенных правил. Иногда необходимо совершить непредусмотренное докование по тем или иным причинам. В материале мы рассмотрим такие особые случаи.

Неполный подъем судна из воды

В случае, когда аварийное судно необходимо поднять из воды хотя бы частично, а достаточно мощные грузоподъемные средства отсутствуют, можно провести так называемое «частичное», или «неполное», докование судов.

В зависимости от соотношений подъемной силы и длины дока или понтонов с весом (водоизмещением) и длиной поднимаемого судна, могут быть рассмотрены следующие случаи:

а)подъемная сила дока (понтонов) значительно меньше докового веса судна, однако длина судна меньше или примерно равна (в пределах ±15—20%) длине дока;

б)подъемная сила дока (понтонов) также значительно ниже докового веса судна, но длина дока или суммарная длина понтонов значительно (более чем на 20%) меньше длины поднимаемого судна.

В первом случае судно поднимается параллельно своей первоначальной ватерлинии, но, в отличие от обычного докования, не может быть поднято из воды на полную высоту осадки (рис. 1).

Во втором случае, с помощью подъемных средств, сосредоточенных в районе поднимаемой оконечности, судно дифферентуется. Рассмотрим эти случаи.

Неполное докование судов

Если поднимаемое из воды судно устанавливается по длине симметрично мидель-шпангоуту дока, то расчеты сводятся к проверке достаточности остойчивости при наличии воды на стапель-палубе и проверке общей и местной прочности. Отметим, что в рассматриваемом случае остойчивость будет значительно ниже чем остойчивость системы док—судно при полном выходе судна из воды и полном осушении стапель-палубы.

Читайте также: Металлические плавучие доки — общие сведения и классификация

Так, если подъемная сила дока равна 4 500 т, а вес судна 9 000 т, то поперечная метацентрическая высота системы док—судно составит 4,2 м вместо 20,8 м. Поэтому неполное докование судов следует вести в штилевую погоду или предусмотреть специальные меры по повышению остойчивости системы док—судно: прочную и надежную пришвартовку к бортам дока порожних барж плашкоутов, понтонов и т. д.

Подъем оконечности судна

В том случае, когда ремонту подлежит какая-либо из оконечности судна, а длина его значительно превосходит (более чем на 20%) длину дока или суммарную длину половины имеющихся судоподъемных понтонов ^[1]1Понтоны крепятся с обоих бортов.x, приходится поднимать не все судно целиком, а лишь одну его оконечность.

В этих условиях следует обращать особое внимание на предотвращение сдвига судна со стапельной дорожки и выскальзывания дока из-под судна. В случае подъема оконечности судна при помощи понтонов необходимо учитывать напряжения в тросах, крепящих линию понтонов к судну в продольном направлении.

Подробно этот вопрос изложен в руководстве по аварийно-спасательному делу. Рассматривая случаи подъема оконечности судна при помощи дока (см. рис. 1), следует отметить, что если угол наклона стапель-палубы дока больше угла трения ^[2]2Величина угла трения обычно принимается в пределах 6,5-4,5°.x, то силы, вызывающие соскальзывание, настолько велики, что удержать судно на доке при помощи швартовов невозможно. Рекомендуется рассчитать не только величину необходимой силы поддержания Р и ее координату по длине, но и величину угла наклона α. Получив удовлетворительные величины Р и α, производят расчеты остойчивости, прочности, швартовки дока к бочкам или якорям и судна к доку.

Основным расчетом является определение силы поддержания дока и координаты ее приложения. Вначале следует задаться желаемой ватерлинией судна; затем определяют угол дифферента и по масштабу Бонжана и теоретическим кривым определяют для желаемой или заданной ватерлинии судна водоизмещение V_c и координаты ЦВ — х_с и z_c.

Потребная сила поддержания дока Р определится как разность между весом судна D_c и его водоизмещением V_c. Если для облегчения операции подъема оконечности судно принимает балласт в опускаемую оконечность (в нашем примере — в форпик) весом G_б, то:

Координата силы поддержания по длине судна определится из условия равенства моментов относительно мидель-шпангоута судна:

Дифферент дока в общем случае определяется наклоном основной линии судна и условием, чтобы сила Р была приложена на расстоянии х_р от миделя судна.

Док должен быть подведен под судно так, чтобы длина соприкосновения судна с кильблоковой дорожкой была возможно максимальной. Ограничить длину соприкосновения может недостаточная высота башен.

Пример. Судно длиной 120 м, водоизмещением 6 000 т, осадкой Т_н = 3,8 м и Т_м = 4,5 м и координатами ЦТ z_c = 6,0 м и х_c = —1 м требуется поставить в док, характеристика которого следующая:

• подъемная сила 4 500 т;
• собственный вес 4 000 т;
• длина 100 м;
• ордината ЦТ по высоте 4,5 м;
• поперечный момент инерции ватерлинии 27×10 м⁴.

Судно поднимается для смены винта и ремонта пятки руля. Задача решается последовательными приближениями. Примем, что пятка ахтерштевня должна быть на 1 м выше уровня воды, а угол дифферента равен 3,3°, то есть меньше угла трения. Следовательно, осадка носом будет равна 6 м. Проведем на масштабе Бонжана судна ватерлинию и вычислим величину силы, поддержания, необходимую для удержания судна на указанной ватерлинии. Расчет ведем для пресной воды. Определяем, что водоизмещение судна при указанной ватерлинии равно V_c — 3 000 м³. Вычисляем положение ЦВ судна по длине относительно мидель-шпангоута судна. Получим Х_цв = 38,5 м.

Если ЦТ судна находится на расстоянии 1 м в корму от миделя и решено принять в форпик 200 т балласта, получим величину силы поддержания Р и координаты точки ее приложения по длине:

Для уничтожения выворачивающего момента необходимо иметь в доке количество балласта, обеспечивающее положение точки приложения равнодействующей силы поддержания и сил веса на расстоянии 34,3 м от миделя судна.

По масштабу Бонжана для дока (рис. 2) определяем его водоизмещение и абсциссу ЦВ относительно миделя. Расчет ведем следующим способом (табл. 1):

плавучесть дока равна:

Координата ЦВ влево от миделя (рис. 3):

Момент веса дока относительно миделя дока принимается равным нулю. Точка приложения равнодействующей относительно миделя дока должна быть (при смещении миделя дока от миделя судна на А = 14,3 м):

Количество балласта определяется как разность между плавучестью, силой Р и весом дока:

Уравнение моментов относительно миделя дока:

откуда:

Предположим, что балласт распределен следующим образом: отсек IV осушен полностью, в отсеки III и II балласт принят в одинаковом количестве, в отсек I балласт принят в наибольшем количестве (см. рис. 13).

Рассчитаем координату по длине ЦТ всего балласта в целом и его распределение по отсекам I, II, III:

Уравнение моментов балласта, принятого в отсеки, имеет вид:

где:

• v₂, v₃ — вес балласта, принятого в отсеки II и III (порознь); v₂ — v₃ = v;
• х₁, х₂, х₃ — координаты центров тяжести балласта, принятого в отсеки I, II, III соответственно.

Подставляя цифровые величины в приведенное выше уравнение, получаем:

Следовательно, в расчете с достаточной практической точностью соблюдены условия: получена достаточная величина подъемной силы Р и угол, равный 3,3°, меньший угла трения, равного 4,5°.

Затем обычными методами проверяют достаточность остойчивости и местную прочность. Для случаев неполного докования можно рекомендовать те же нормы остойчивости и давление ветра, что и для обычного докования.

Докование на понтонах

В том случае, если док отсутствует, для обнажения подводной части судна можно прибегнуть к неполному или полному подъему (докованию) на понтонах.

Будет интересно: Некоторые вопросы по эксплуатации плавучих доков

При неполном доковании под оконечность судна, подлежащую осмотру или ремонту, подводят на стропах или полотенцах судоподъемные понтоны, плавучесть которых подобрана так, что после продувания их судно получает требуемые осадку и дифферент.

Расчет дифферента ведется по формулам «посадки на камень», выведенным на основании метацентрической формулы остойчивости.

Сила Р, создающая дифферент (Т_к — Т_н), равна:

где:

• D — водоизмещение судна.
• Н — продольная метацентрическая высота.
• (Т_к — Т_н) — дифферент судна.
• L — длина судна.
• х_с — отстояние ЦВ судна от миделя.

Определив необходимую подъемную силу всех понтонов и каждой пары понтонов в отдельности с учетом их выхода из воды, проверяют остойчивость системы судно—понтоны в процессе продувания понтонов и при конечной ватерлинии.

Предлагаемый ниже метод полного подъема на понтонах, разработанный группой советских конструкторов, осуществлен впервые на практике в 1951 г. на одном из судостроительных заводов. Метод проверен на подъеме нескольких тяжелых понтонов (весом до 2 400 т) и на плавучем доке весом около 3 000 т, для чего на судоподъемных понтонах были установлены специальные кронштейны, показанные на рис. 4. Как показал опыт, при этом может быть использовано не более 60% номинальной подъемной силы понтонов, поскольку для обеспечения остойчивости необходимо оставить значительный объем понтона выше конечной ватерлинии.

Основным в расчете возможности подъема является определение подъемной силы понтонов, обеспечивающей требуемую высоту подъема обнажаемой части судна, а также расчет остойчивости системы судно—понтоны.

Последовательность расчета такая:

1)Составляется схема расположения понтонов относительно судна и задаются промежуточные ватерлинии. Расположение понтонов по высоте поднимаемого судна должно быть таково, чтобы на всем протяжении операции моменты инерции ватерлинии относительно продольной и поперечной осей обеспечивали положительную величину остойчивости.

Так как при подъеме верхняя кромка понтонов отстоит от основной линии судна на значительную величину и при прямом подъеме, без крена и дифферента, момент инерции ватерлинии практически равен нулю, остойчивость системы судно-понтоны отрицательна. Вследствие этого возможен крен судна, приводящий к аварии. Рекомендуется производить подъем при заранее вычисленном дифференте (рис. 5).

2) Составляется нагрузка системы док—понтоны, пример которой дан в табл. 2.

3) Для каждой из ватерлиний находится плавучесть и остойчивость;

4) Строится график изменения остойчивости в процессе подъема понтонов (рис. 6).

Пример. Требуется поднять на понтонах док следующих размерений:

• вес порожнем 4 000 т;
• длина 120 м,
• момент инерции ватерлинии:
• поперечный 27×10⁴м⁴;
• продольный 432×10⁴ м⁴;
• конечная ватерлиния — 3 м ниже основной линии дока;

характеристики понтонов:

• длина 15 м;
• диаметр 7 м;
• водоизмещение полностью продутого и погруженного понтона 570 т;
• водоизмещение заполненного понтона — 114 т (плавучесть полностью затопленного понтона — 6 т).

Определяем число понтонов в предположении, что при конечной ватерлинии подъема их плавучесть используется на 60% .Тогда число понтонов n равно:

Принимаем n = 16, так как четное число удобнее. Подводим под док понтоны, как показано на рис. 5 (такая расстановка обеспечивает остойчивость системы в процессе подъема одной оконечности). Подъем ведется с постепенным образованием дифферента. Определяем положение ЦТ системы док—понтоны.

Задаваясь несколькими характерными ватерлиниями (рис. 7) и построив их на чертеже, вычисляем для них элементы плавучести, положение ЦВ, моменты инерции ватерлиний и метацентрические высоты.

Результаты вычислений для дока, поднятого на понтонах, даны в табл. 3.

Спуск судов на воду и подъем их на стапель при помощи плавучего дока

На ряде судостроительных и судоремонтных заводов вместо спуска вновь построенных или отремонтированных судов на воду по поперечным или продольным наклонным спусковым фундаментам, а также вместо подъема судов из воды на стапельную площадку по слипу применяется спуск судов на воду и подъем их из воды при помощи плавучего дока. В этом случае завод освобождается от дорогостоящей постройки наклонного спускового фундамента или слипа. В промежутках между спусками и подъемами док может быть занят по прямому назначению.

Предлагается к прочтению: Вопросы теории корабля и технические графики

Для спуска или подъема судов при помощи дока должен быть оборудован горизонтальный стапельный участок с укрепленной береговой линией. Взаимное расположение дока и стапелей, а также места погружения дока и места его постоянной стоянки схематически представлены на рис. 8. Здесь док, постоянно стоящий в определенном месте (I), является одним из ремонтных цехов; ко времени приема судна док подводят в специально оборудованный пункт набережной завода, где производят состыковку с береговыми дорожками стапеля (II); место расположения котлована, предназначенного для погружения дока (III), оборудовано мертвыми якорями или бочками для установки дока точно над котлованом.

Наиболее удачным взаиморасположением мест I, II и III следует считать такое, при котором док может быть передвинут перетяжкой на швартовах с помощью собственных шпилей, без помощи буксиров.

Для передвижки судна на док используют цеховые краны либо специальные лебедки, так как мощность доковых шпилей для этой цели недостаточна. Последнее легко доказать. При установке вводимого в док судна на тележки коэффициент трения страгивания φ редко бывает менее φ — 1 : 50, следовательно, для судна весом 3 000 т усилие страгивания при указанной величине коэффициента трения будет равно 60 т, тогда как на доках подъемной силой около 3 000 т тяговое усилие шпилей обычно не превосходит 3 т. Применение многошкивных талей слишком сложно и трудоемко.

При использовании дока для спуска судов, чтобы избежать аварии во время передвижки судна на док (или стягивания его с дока), необходимо фиксировать положение дока относительно берегового стапеля как по вертикали, так и по горизонтали. С этой целью, для предупреждения схода тележек с рельс, док наводится носовой частью на специально сделанные подводные опоры, притапливается и плотно на них опирается.

Док, плотно опертый на подводные опоры, не может дифферентоваться на нос, когда передвигаемое судно передает свой вес на носовую оконечность (рис. 9). Прием балласта перед началом передвижки судна нужен в любом случае, независимо от того, передвигается судно с берега на док или с дока на берег.

В первом случае балласт нужен для снятия дока с опор после того, как судно установлено в требуемое положение. По окончании установки балласт откачивают, док всплывает и его отводят к месту погружения для спуска судна на воду.

Во втором случае балласт следует принять для того, чтобы док не начал всплывать по мере перемещения центра тяжести судна на береговые стапельные дорожки.

Таким образом, подъемная сила дока, вследствие необходимости принимать упомянутый выше маневренный балласт, не может быть полностью использована или, что то же, док должен иметь запас плавучести, обеспечивающий снятие с опор и возможный «сгон» ^[3]3Понижение уровня воды акватории от ветра или при отливе.x воды во время передвижки судна.

Считая минимальный зазор при съемке с опор равным 0,1 м, а запас на возможный «сгон» воды равным Δ, получим потребный запас в подъемной силе Δv, равный:

где:

• S — площадь ватерлинии дока.

Операция по передвижке судна (с момента установки дока до момента всплытия с опор) занимает обычно 5—10 час., и при угонном ветре величина падения уровня воды может за это время в несколько раз превысить зазор, необходимый для снятия с опор. В одном из случаев поправка на сгон воды оказалась равной 0,5 м.

Береговая опора обычно является «фиксирующей» и имеет вид опоры для мостовых ферм, поэтому док устанавливают в строго определенном положении с точностью до 2—3 см в продольном и боковом направлениях.

В боковом направлении правильная установка дока регулируется швартовами с талрепами на концах (рис. 8). В тех местах, где имеется течение вдоль берега или дуют более или менее постоянные ветры и есть реальная опасность поворота дока относительно береговой опоры, применяют вторую опору, располагаемую мористее первой (рис. 10).

Уровень берегового стапеля обычно значительно выше уровня стапель-палубы дока, полностью в него судном. Выравнивание этих поверхностей достигается устройством на доковой стапель-палубе специальных эстакад (рис. 10). Отметим, что весом такой эстакады пренебрегать нельзя; так, вес эстакады высотой 2,5 м для спуска судна весом 2 000 т и длиной 100 м оказался равным 180 т (около 10% веса судна).

Для бокового спуска могут быть использованы так называемые «гребенчатые» однобашенные доки, на которые суда надвигаются (или сдвигаются) с «гребенчатой» стенки (см. рис. 6). Эта операция не требует специальных расчетов.

Основным расчетом докования для спуска судна на воду, определяющим все основные параметры сооружения, является расчет балластировки дока, производимой в процессе передвижки судна, и определение давления на опоры.

Определение усилий при одной опоре. Передвижка судна с берега на док вызывает не только увеличение давления дока на опору, но и появление дифферента (рис. 11).

Величину первоначального давления Q₀ назначают, исходя из требования обеспечить невозможность передвижки дока под воздействием бокового ветра или нагона воды, возможного в течение какого-то определенного промежутка времени. Конструкции опоры и швартовов должны противостоять моменту, выворачивающему док с опоры, создаваемому ветром.

Обозначим площадь силуэта дока, с поставленным в него судном, через Ω, расчетное давление ветра примем статическим и равным 25 кг/м², длину дока обозначим L, м.

Сила первоначального прижима будет равна:

где:

• η — коэффициент трения на опоре, который можно принять равным 0,2.
• Р — давление ветра.

Момент, на который должно быть рассчитано швартовное устройство, равен:

Начальные условия равновесия выражаются в виде:

где:

• М_б — момент веса балласта относительно центра опоры, тм.
• b — расстояние между мидель-шпангоутом дока и центром опоры, м;
• v₀ — водоизмещение дока при посадке на опору, т;
• D_д — вес дока, т;
• G_б — вес балласта, т.

Расчетное усилие в опоре складывается из силы первоначального прижима и силы давления P₁, возникающего от веса первой группы тележек:

Обычно это усилие на опору оказывается наибольшим, однако во время расчета следует проверить, какое из ниже приводимых равенств дает наибольшее давление:

либо:

Величина дифферента t и величина дополнительного водоизмещения Δv₁ от натаскивания первой группы тележек для призматического дока определится из уравнений:

где:

• ΔQ₁ — приращение прижимной силы;
• Δv₁ — приращение балласта;
• α — расстояние между мидель-шпангоутом дока и точкой приложения силы Р₁;
• В — ширина дока, м.

Величину дифферента нельзя назначить произвольно, так как она ограничена допустимой стрелкой прогиба судна и предельным давлением второй группы тележек, подошедших к порогу стапеля. Для большинства судов допустимая стрелка прогиба не должна превышать величины t_c = 0,001 L_c.

Принимая упругую линию прогиба судна параболической и зная расстояние между первой и второй группами тележек (или задаваясь величиной этого расстояния), легко определить предельно допустимую просадку в каждом конкретном случае. Минимальное количество балласта, подлежащего откачке для приведения дока вновь в горизонтальное положение, определяется из уравнения:

где:

• х — отстояние центра тяжести откачиваемого балласта от опоры.

Определение действующих при этом моментов, изгибающих док, приводится ниже.

Определение усилий при двух опорах. При установке дока на две опоры (см. рис. 10) расчеты по определению дифферента отпадают, остаются лишь расчеты прочности.

Определяют изгибающий момент, соответствующий моменту окончания накатки судна с минимальным балластом. Если это условие удовлетворено, проверяют изгибающие моменты при последовательной накатке судна, определяя количество балласта, которое нужно откачать после каждой подвижки судна. Увеличением водоизмещения дока от стрелки прогиба обычно пренебрегают, так как оно относительно невелико.

Приращение усилий на опорах при накатке i-вой тележки легко определяется из формул:

Схема сил показана на рис. 10, 11.

Аппаратура. Для безопасного спуска судна рекомендуется пользоваться аппаратурой, предотвращающей возможность поломок дока вследствие неправильной откачки. Операция эта особенно опасна при необходимости часто останавливать судно и откачивать балласт понемногу, так как ошибки суммируются и могут вызвать перенапряжения связей корпуса дока и судна.

Для дока, работающего на одной опоре, желательно иметь нивелир, позволяющий с помощью откачки заранее вычисленной группы отсеков приводить на одну горизонталь мидель дока и обе его оконечности. Это гарантирует от ошибок в конце каждого «четного» периода операции (см. далее пример), а также позволяет получать расчетные величины просадок t в конце «нечетных» операций.

Рекомендуется к прочтению: Взаимодействие плавучего дока и судна: усилия между ними и моменты изгиба

В случае необходимости очень «мельчить» операцию (15—20 остановок) работу балластной системы и лебедки желательно автоматизировать. На базе оправдавшей себя схемы дистанционного управления клинкетами балластной системы и уже имеющегося на одном из крупных доков автомата по выравниванию крена (рис. 12) можно сконструировать следящую систему с таким, например, заданием:

а)при достижении дифферента 0°10′ (предельно допустимого) отключается лебедка, натаскивающая судно;

б)при продвижении первой группы тележек на 10% пути на доке включается откачка I группы отсеков и продолжается до получения дифферента 0 ± 3′ (открывается группа клинкетов); при продвижении на 15% отключается лебедка, автоматически включающаяся вновь, как только откачка выключена;

в)после подвижки судна еще на 10% включается на откачку следующая группа отсеков, отключающаяся при достижении дифферента ±3′, и т. д.

Приведенные выше требования к автоматике могли бы быть заданы для дока с элементами, оговоренными в примере и табл. 4. В любом другом случае они должны задаваться с учетом конкретных условий спуска.

Для дока, работающего при спуске судов на двух опорах, достаточно иметь один трехточечный прогибомер, входящий в оборудование любого крупного или среднего дока.

Пример. Рассмотрим док, имеющий следующие характеристики:

• длина 120 м;
• ширина 30 м;
• высота понтона 3,0 м;
• допустимый изгибающий момент 25×103 тм;
• площадь парусности 1 200 м²;
• собственный вес с неоткачиваемым балластом 4 500 т;
• сгон воды за 3 часа 0,3 м;
• зазор между доком и опорой 0,1 м;
• вес судна 2 500 т;
• число групп тележек 3.

Распределение отсеков показано на рис. 13.

Натаскивание судна на док разобьем на восемь операций и составим в табличной форме состояние балластировки в конце каждого этапа. Вычислим начальный этап I; если при посадке на опору без дифферента док имеет водоизмещение 9 560 м³ и необходимое прижимное усилие, определенное по формуле

, равно 150 т, то потребное количество балласта составит 5 060 м³ (по 1 265 м³ в каждой из четырех групп отсеков) плюс 150 м³ прижимного груза в отсеках, ближайших к опоре.

При натаскивании первой группы тележек (операция II) обычно возникают наибольшие изгибающие моменты (при малом числе групп тележек). Для этой операции графо-аналитический расчет прочности приведен на рис. 14, остальные операции даны в табл. 4.

В тот момент, когда вторая группа тележек подходит к порогу берегового стапеля, равновесие наступает при следующих соотношениях: сила Δv₁ (показанная прямоугольником 3) равна по величине силам поддержания Р₁, а моменты их относительно силы Q равны. Полученные результаты нанесены на диаграмму (рис. 14).

Взаимно уравновешивающиеся силы веса дока, балласта и равномерно распределенных сил поддержания на рис. 14 отсутствуют.

Как видно из диаграммы, прочность дока достаточна, так как действующий момент М = 9 600 тм меньше допустимого момента М_доп.

Просадка дока оконечностью Б:

Просадка дока в точке приложения Р_1:

Определяем (ориентировочно) возможное уменьшение силы Р₁, от появления изгибающего момента в корпусе судна при просадке тележек первой группы на 3 см.

Так как нам нужно определить лишь порядок величины Р₁, расчет сводим к схеме, представленной на рис. 15 (к определению силы, вызывающей у консольной балки длиной 80 м и лежащей на двух опорах стрелку прогиба 3 см):

Стрелка прогиба, равная 3 см, приравнивается выражению:

Подставляя цифры, получим: Р₁ ≈ 39 т, то есть менее 5% ΔР₁, чем можно пренебречь.

Расчет накатки при двух опорах аналогичен. Можно лишь не проверять Δv₁ получаемое в результате стрелок прогиба дока, как величину малую по сравнению с весами натаскиваемого судна и откачиваемым балластом.