Металлические плавучие доки – общие сведения и классификация

В период эксплуатации любого судна неоднократно возникает необходимость в полном осмотре и ремонте подводной части. Для сохранения скорости хода приходится очищать корпус судна от наросших водорослей и ракушек; через определенные промежутки времени суда проходят текущий, средний и капитальный ремонты. Плавучие доки позволяют произвести некоторые из этих видов ремонты.

В первый период деревянного судостроения работы по подъему судов из воды на сушу были относительно простыми – их вытаскивали по лежням на катках при помощи примитивного ворота. Этим способом поднимают из воды небольшие рыболовные суда и катера и теперь.

Обнажение подводной части более крупных судов очень долго велось во всех странах путем “кренгования”. Этот способ заключался в следующем: судно ставили на якоря где-нибудь в закрытой бухте или в устье реки у пологого песчаного берега; после максимально возможной разгрузки судно кренили поочередно на оба борта концами, закрепленными за мачты и вынесенными на берег.

В северных районах (например, на берегах Белого моря) подводную часть судов зимой обнажали “вымораживанием”: вокруг вмерзшего судна через определенные промежутки времени обкалывали лед, пока оно не оказывалось стоящим на ледяных столбах, в ледяной яме.

Однако в связи с увеличением размеров и веса судов эти способы оказались неприемлемыми, и уже в первой четверти XVIII в. были построены специальные сооружения – сухие и плавучие доки.

Первый в мире плавучий док был сооружен в России в Крондштате при Петре I. Он был перестроен из трофейного шведского корабля “Камель”, название которого стало нарицательным (в Западной Европе плавучие доки долгое время называли “камелями”). Это был плавучий “сухой” док, т. е. док со шлюзовыми воротами. Такие плавучие доки непрерывно строили в России, а на реках и озерах их продолжают строить и в настоящее время. Интересно отметить, что плавучие сухие доки запатентованы как “техническая новинка” в XX.

В последнее время у доков появился конкурент – слипы, получающие все большее распространение.

В таблице 1-3 приводятся сведения о количестве сухих и плавучих доков, а также слипов во всех странах (исключая Россию). Естественно, что данные этих таблиц не могут рассматриваться как абсолютно полные; фактически рассматриваемых сооружений больше. Для сравнения дано количество сухих и плавучих доков на 1 января 1939 г.

Изучение таблиц позволяет сделать следующие выводы:

• для докования наиболее крупных судов длиной более 230 м и доковым весов более 15 000 т строятся преимущественно сухие доки;
• для докования небольших и малых судов строятся преимущественно слипы;
• подъемная сила большинства современных плавучих доков не превосходит 4 000 т, т. е. рассчитана на подъем судов длиной до 120-130 м;
• большая часть сухих доков рассчитана на подъем судов длиной не более 120-130 м;
• подъемная сила подавляющего большинства слипов не превосходит 1 000 т.

В двадцатых годах прошлого столетия появились железобетонные плавучие доки, получившие значительное распространение. Самые большие в то время в мире железобетонные доки (подъемной силой 4 000 т и 6 000 т) были спроектированы и построены в РФ под наблюдением виднейших российских судостроителей – А. Н. Крылова, П. Ф. Папковича и Ю. А. Шиманского. Эти доки имели высокие технические показатели: на 1 т подъемной силы приходилось лишь 1,6 т веса дока порожнем, в то время как за границей этот вес составлял не менее 2,0 т.

Дерево, сталь и железобетон в качестве материалов для корпусов плавучих доков имеют свои преимущества и недостатки. Для суждения о правильности выбора материала в таблице 4 приведены элементы дока подъемной силой 6 000 т, спроектированного из различных материалов. Характеристики композитного дока получены расчетом по литературным данным. Котлован рассчитан для глубины акватории 8 м.

Из таблицы 4 можно сделать следующие выводы:

• начальная стоимость железобетонного дока отечественной конструкции при современной технологии несколько превышает 75% стоимости стального дока;
• стоимость постройки железобетонного дока американской конструкции, по-видимому, превышает стоимость постройки стального дока;
• обилие дешевой и качественной древесины при “голоде на металл” может обусловить целесообразность строительства композитных доков.

Исходя из конъюктуры 1962 г., при выборе материала корпуса дока следует руководствоваться данными таблицы 5.

Со временем выхода в свет книги М. А. Ловягина и В. М. Корсакова “Металлические плавучие доки” (Судпромгиз, 1952) в отечественной и иностранной литературе появилось много статей по вопросам проектирования, постройки и эксплуатации плавучих доков. Выработаны новые методики расчетов, накоплен опыт перевода доков по открытым водным пространствам.

Общие сведения о плавучих доках

Плавучий док — инженерное сооружение, предназначенное для подъема судов из воды с целью осмотра и ремонта подводной части, а также для перевозки судов по мелководным внутренним водным путям или морем. Доки для перевозок называются транспортными плавучими доками.

Плавучие доки в основном состоят из понтона, на котором устанавливается поднимаемое из воды судно, и башен, или бортов.

Названия частей плавучего дока (рис. 1):

• топ-палуба — верхняя палуба башни, на которой обычно размещены шпили, швартовное устройство для ввода судов в док, посты управления, гальюны и умывальники для экипажей докуемых судов;
• топ-палуба большинства современных доков оборудована подвижными портальными кранами;
• палуба безопасности — нижняя палуба башен, водонепроницаемая по всей длине и ограничивающая сверху балластные отсеки, а снизу — запас плавучести дока;
• стапель-палуба — палуба понтона, на которой устанавливаются кильблоки и клетки — опоры докуемого судна;
• нижняя, или жилая палуба — непрерывная палуба в башне, иногда совпадающая с палубой безопасности, и расположенная ниже топ-палубы;
• платформа — палуба, расположенная ниже топ-палубы и прерывающаяся по длине (рис. 2);
• концевая платформа — легкий настил на кронштейнах, укрепленных на концевых переборках понтона.

По своей конструкции плавучие доки могут быть монолитными, секционными, понтонными и секционно-понтонными.

Предлагается к прочтению: Общие сведения о средствах управления судами

Секционный док может быть разъединен по длине на две или несколько секций — частей. Отдельные секции могут работать самостоятельно (рис. 3).

У понтонного дока башни сплошные, тогда как понтон состоит из отдельных, конструктивно независимых частей. Обычно на понтонных доках башни крепят к понтонам при помощи болтовых соединений, и любой понтон для ремонта может быть отделен от дока и выведен из-под башен (рис. 4).

Секционно-понтонный док может быть разделен на две или несколько самостоятельных секций, причем в каждой секции два или несколько понтонов.

Плавучие доки имеют отсеки, расположенные ниже палубы безопасности, в зависимости от назначения делятся на три категории: балластные, сухие и креновые, или запасные.

Балластными называют отсеки, предназначенные для заполнения балластом при погружении дока при любой нагрузке на заданную глубину.

Сухие отсеки не заполняются балластом и во время погружения дока остаются пустыми; в них часто размещают доковое оборудование, запасы и снабжение.

Запасные отсеки заполняют балластом только при выравнивании крена, возникшего от неравномерной нагрузки или для компенсации израсходованных запасов. Их часто совмещают с балластными отсеками, заполняемыми в некоторых случаях неполностью.

Типы и конструкции современных плавучих доков можно классифицировать по материалу корпуса, назначению, числу башен, методу самодокования, степени автономности и методу балластировки.

Классификация плавучих доков по материалу корпуса

По материалу корпуса плавучие доки подразделяются на деревянные, композитные, железобетонные и стальные. Деревянные доки теперь строят редко. В СССР деревянные доки применяли в основном для докования речных судов; их подъемная сила не превосходит 1 000 т. Во время второй мировой войны деревянные доки строили в США.

Несмотря на ряд преимуществ деревянных доков (простота постройки и ремонта, низкая стоимость постройки и эксплуатации), они почти исчезли из практики. Это объясняется следующими существенными их недостатками:

• недолговечность из-за подверженности загниванию; расходование до 30—35% подъемной силы на прием твердого балласта для гашения плавучести дерева, входящего в состав корпуса;
• ограниченность подъемной силы, обусловливаемая тем, что по мере увеличения размеров и подъемной силы дока растет относительный вес корпуса, который становится равен подъемной силе, когда она достигает 1 000—1 200 т;
• малая жесткость соединений отдельных частей деревянных конструкций, а следовательно, невозможность создания значительных размеров доков для ремонта аварийных судов;
• поражаемость древоточцами и поэтому малая долговечность; трудность поддержания водонепроницаемости корпуса; повышенная пожароопасность.

У композитных доков набор стальной, обшивка деревянная. Во время второй мировой войны в США было построено более десятка таких доков подъемной силой до 15 000 т. Это композитные доки секционного типа, с гибким соединением секций. Недостатки те же, что у деревянных доков. Разница заключается лишь в том, что продольная и поперечная прочность, а также жесткость сооружения могут быть обеспечены в широких пределах при затрате значительно меньшего количества материалов.

Железобетонные доки получили в РФ значительное распространение. Серьезное преимущество применения железобетона в качестве материала для корпуса дока заключается в том, что это позволяет значительно снизить расход стали и исключает необходимость в периодическом доковании с целью окраски подводной части.

Основным препятствием для строительства секционных железобетонных доков является невозможность достигнуть надлежащей жесткости соединения секций, вследствие чего железобетонные доки строят главным образом монолитными.

Читайте также: Ремонт корпусных конструкций и судовых устройств

Классификация доков по назначению

По назначению доки условно можно разделить на следующие группы: для капитального ремонта судов, для осмотра и текущего ремонта, транспортные и (только появляющиеся) доки для ремонта атомных подводных лодок.

В доки для капитального ремонта ставятся суда со значительными повреждениями и ослабленной общей прочностью. Поэтому корпус такого дока должен обладать прочностью, достаточной, чтобы воспринимать не менее ⅔ момента, изгибающего систему док — судно. Если док секционный, то соединение секций должно выдержать действие изгибающего момента и перерезывающей силы. Такое требование обусловливает утяжеление на 25—35% продольных связей по сравнению с таковыми у доков текущего ремонта и осмотра (при одинаковой конструкции набора). Чтобы избежать этого, можно использовать маневрирование водяным разгружающим балластом, для чего достаточно доку с прямоугольными понтонами иметь запас маневренной воды, равный

$v_{м.в} = (1–\phi )D_{с‘}$

• где υ_{м. в} — запас маневренной воды, т;
• φ — коэффициент полноты кривой нагрузки судна (редко падающий ниже 0,65);
• D_с — расчетный вес докуемого судна, m.

Доки для осмотра и текущего (мелкого) ремонта предназначаются для осмотра подводной части при очередных освидетельствованиях судов инспекцией классификационных обществ, очистки и окраски обшивки, смены гребных винтов и т. п. Их довольно часто строят секционными, с гибким соединением секций. Они предусматриваются для службы в крупных портах с большим грузооборотом.

Транспортные доки преимущественно служат для перевозки судов по мелководным внутренним водным путям. Необходимость в такой перевозке возникает в тех случаях, когда осадка судна больше глубины фарватера реки или канала. Обычно транспортные доки имеют судовые обводы в носовой части и корму с плоским транцем, в котором устроены ворота для ввода перевозимого судна и ограничения доковой камеры. Большинство этих доков несамоходные, но с автономной энергетической установкой. Реже строятся самоходные доки для перевозки морем поврежденных судов (США).

В последние годы в зарубежной печати появились сведения о плавучих доках для обслуживания и ремонта атомных подводных лодок. В 1960 г. в Англии закончен постройкой плавучий док AFD-59, предназначенный для обслуживания первой английской атомной подводной лодки. Поскольку работа предусмотрена вдали от населенных пунктов, он полностью автономен. Длина дока 122 м, ширина 23,5 м (по-видимому, это полная ширина дока; ширина в свету, вероятно, не превосходит 17—17,5 м). Док рассчитан на размещение более 200 чел., включая личный состав лодки, состоящий из 8 офицеров и 75 рядовых. Водоизмещение этих лодок 5 600 т.

Плавучие доки по числу башен и секций

Плавучие доки бывают безбашенные, однобашенные и двухбашенные. К безбашенным докам следует также отнести некоторые транспортные доки и док-понтоны. Транспортные безбашенные доки состоят из сплошного днищевого понтона и одинарных бортов.

Бортовая обшивкаНаружная обшивка, настил палуб и переборки и кормовая переборка с воротами образуют замкнутую, водонепроницаемую доковую камеру. Таким образом, в число балластных отсеков такого дока входят отсеки днищевого понтона и доковая камера; подбашенные отсеки отсутствуют.

Док-понтоны не имеют ни башен, ни бортов; они состоят из понтона и бортовых ферм.

Первые однобашенные доки были построены во второй половине XIX в. На рис. 5, а показан однобашенный док с поплавковым противовесом; на рис. 5, б изображен док, в котором понтон- противовес заменен шарнирной конструкцией, соединяющей башню дока с набережной.

Однобашенные доки, как правило, используются на речных судоремонтных заводах; на некоторых заводах они скомбинированы с эстакадой, на которую передаются поднятые суда для ремонта. На рис. 6 показана конструкция такого дока с разрезным понтоном и понтоном-противовесом.

Достоинством однобашенных доков является возможность бокового ввода, что имеет значение для судов с сильными подрезами оконечностей или судов, ширина которых превышает рабочую ширину стапель-палубы. Недостатком этих доков является большая их ширина (с понтонами-противовесами), что неудобно на тесных акваториях. Кроме того, эти доки неудобны для перебуксировки; они не получили большого распространения.

По числу секций доки разделяются на монолитные (односекционные) и состоящие из двух или более секций. Выбор числа секций дока тесно связан с возможностями ремонта его подводной части.

Монолитный док значительно проще в эксплуатации, и стоимость его постройки ниже стоимости дока любой другой конструкции. Поэтому, если размеры дока позволяют поставить его на ремонт в какой-либо сухой или плавучий док, расположенный поблизости, то доковладельцы предпочитают заказывать монолитный док. Однако вследствие большой ширины (сравнительно с обычными судами) плавучих доков подобрать сухой док с достаточной шириной ворот затруднительно (а для более крупных доков невозможно), поэтому значительная часть доков строится самодокующимися-понтонными, секционными или секционно-понтонными.

В понтонном доке разъединение понтона на несколько частей позволяет доковать отдельные понтоны (см. рис. 4).

Второй способ обеспечить возможность ремонта подводной частиРемонт подводной части судов плавучего дока, не прибегая к постановке его в сухой док, это разделение на секции. Длина каждой секции должна быть меньше ширины дока в свету между башнями (см. рис. 3). За границей получили распространение патентованные трехсекционные доки (рис. 7), особенность которых заключается в том, что наибольший изгибающий момент приходится на неразъемную часть. Это позволяет использовать такие доки для капитального ремонта судов. Однако разъем секций этих доков затруднен, вследствие чего некоторые патенты предусматривают гибкие соединения секций. В последнем случае доки непригодны для ремонта аварийных судов предельного водоизмещения.

Автоматизация процессов затопления и всплытия дока в значительной мере устранит это неудобство. Можно считать, что секционные доки с гибким соединением секций и автоматизированным всплытием и затоплением имеют широкие перспективы развития.

Во время второй мировой войны в США было построено несколько комплектов семи- и десятисекционных доков оригинальной конструкции. Каждая секция состояла из широкого понтона баржеподобной формы, поперек которого были установлены башни (рис. 8 и 9), заваливающиеся по-походному на палубу понтона и поднимающиеся гидравлическими домкратами в вертикальное положение.

При самостоятельной работе одной секции такого дока ее подъемная сила может быть использована не более, чем на 15%, из-за ограниченной остойчивости и сравнительно небольших габаритов стапель-палубы. На сборку такого десятисекционного дока, прибуксированного отдельными секциями к месту работы, потребовалось около 2 мес. Основное их преимущество — простота и легкость буксировки морем.

Необычна большая численность личного состава дока, превышающая, по меньшей мере, вчетверо экипаж дока секционно-понтонной системы и в пять раз численность команды монолитного дока такого же размера.

Рекомендуется к прочтению: Материалы, применяемые в судоремонте

Классификация доков по автономности

По степени автономности и механизации ремонтных работ плавучие доки можно разделить на несамоходные неавтономные и автономные, самоходные автономные и самоходные доки-заводы. Несамоходные неавтономные доки обычно строятся по заказам судоремонтных заводов и портовых управлений и предназначаются для работы на строго определенном месте в непосредственной близости от береговых энергетических установок и кранов.

Примером предельной связи с берегом может служить док подъемной силой 400 т, построенный для докования плавучих средств ж. д. компании Эри в 1949 г. Этот док соединен с берегом не только электрическим кабелем, но и двумя шарнирными стрелами (рис. 10) для постоянной фиксации его места относительно набережной.

Автономные доки могут работать в любой точке побережья, если место стоянки достаточно укрыто от волнения и ветров и имеет требуемую глубину.

Степень автономности дока может быть различной, в зависимости от условий его работы.

Автономным считается плавучий док, располагающий:

• собственной энергетической установкой (электроэнергия, пар, сжатый воздух, ацетилен и т. д.), обеспечивающей все режимы работы дока;
• запасами топлива, смазочных материалов, пресной воды и продовольствия, достаточными для работы дока и докового персонала в течение заданного времени;
• жилыми помещениями для всего экипажа дока и ремонтных рабочих, обусловливающими возможность стоянки и работы дока вне населенного пункта;
• цистернами для слива с докуемых судов запасов топлива и смазочных масел, благодаря чему отпадает необходимость в каких-либо дополнительных плавучих или береговых емкостях;
• мастерскими и станочным оборудованием для ремонта собственной материальной части;
• складами и кладовыми для требуемых при ремонте судов материалов и инструмента;
• собственными грузоподъемными средствами (кранами) для основных ремонтных работ.

Подавляющее большинство автономных доков имеет собственные энергетические установки, запасы топлива, воды, продовольствия и жилые помещения для персонала (включая ремонтных рабочих). Мастерские и станочное оборудование, позволяющие производить ремонт докуемого судна, размещаются на доках редко.

Следует отметить, что в доках длиной менее 140—120 м разместить, кроме жилых помещений, мастерские и склады материалов (т. е. плавучую мастерскую) не представляется возможным. Поэтому сочетание дока и мастерских в едином «док-заводе» возможно лишь на крупных доках. Несколько док-заводов было построено США в годы второй мировой войны.

За границей доки с большой степенью автономности строились и строятся только для нужд военного ведомства. Высокая стоимость постройки оправдана возможностью рассредоточить судоремонтные средства в необорудованных пунктах побережья.

Предельной степенью автономности обладают самоходные доки-заводы, построенные в США во время второй мировой войны. Они имеют транцевую корму, в которой устроены ворота для ввода судов. У носовой части обычные судовые обводы. Доковая камера занимает примерно 55—60% длины дока.

В последнее время получает развитие появившийся в США новый тип дока — для гидросамолетов дальнего действия. Эти доки предназначены для осмотра подводной части гидросамолетов перед полетом, а также для ремонтных работ. Так как крылья самолета имеют большой размер, часть башен дока срезана, что дает значительную экономию в ширине дока. Гидросамолет вводится в док только с кормовой стороны.

Кроме перечисленных, имеются разновидности плавучих доков: Доки с выдвижными понтонами или док-матки и «док-понтоны». Док-матка (рис. 11) был впервые построен в 1907 г. в Германии.

В последнее время эти доки получили распространение в крупных судоремонтных центрах, и в-некоторых случаях они успешно конкурируют со слипами.

Методы балластировки плавучих доков

В зависимости от метода балластировки плавучие доки можно разделить на доки с сухими отсеками, без сухих отсеков и доки с независимым сливом воды.

Устройство центральных сухих отсеков, расположенных в средней части по ширине дока, обусловлено стремлением конструкторов сократить работу насосной станции при откачке дока, а следовательно, снизить эксплуатационные расходы. Кроме того, наличие среднего сухого отсека под центральной кильблоковой дорожкой несколько разгружает поперечные фермы днищевой конструкции в разных стадиях всплытия или погружения дока, а также во время стоянки с судном на стапель-палубе.

Док с центральным сухим отсеком показан на рис. 12, а. Разновидностью его является док с компрессией воздуха в центральном сухом отсеке, облегчающей работу водонепроницаемых переборок отсека (рис. 12, б).

Иногда сухие отсеки служат резервными балластными отсеками, и при постановке особо тяжелого судна заполняются водой. Размещение в таких отсеках какого-либо электрооборудования, разумеется, недопустимо.

Доки без сухих отсеков строят сравнительно редко. Их главный недостаток — затрудненность доступа к насосам и клинкетам, расположенным в понтоне.

Читайте также: Ремонт деревянных частей корпуса судна и изоляционные работы

Независимый слив воды из башен за борт и откачка ее только из понтона позволяют несколько уменьшить количество воды, проходящей через насосы, что сокращает расход электроэнергии на всплытие дока.