Платформы для ремонта и переправления судов разных величин разделяются на некоторые категории. Плавучий док специального назначения относится к транспортным докам.
Транспортные доки
Транспортными называются плавучие доки, предназначенные для перевозки судов по морю или по внутренним водным путям к месту эксплуатации. Доки для переводов через бары в пределах одного порта не строят, так как при современном развитии механизации дноуглубительных работ прорыть через бар короткий канал несложно.
Основное назначение морских транспортных доков, строившихся в особенно большом количестве в США во время войны 1939—1945 гг., — перевозка маломореходных мелких плавучих десантных средств (рис. 1). Эти доки обладают неограниченной мореходностью, скоростью хода, позволяющей идти в составе быстроходного конвоя, и по существу отличаются от обычных военно-транспортных судов наличием в кормовой половине большой доковой камеры с откидывающимся в корму транцем. Поскольку технические особенности проектирования морских доков зависят преимущественно от особенностей предполагаемого использования, на вопросах проектирования морских транспортных доков останавливаться не будем.
При проектировании речных транспортных доков конструктор, будучи ограничен глубиной и шириной судового хода на речном фарватере, а также размерами шлюза стремится максимально уменьшить размеры создаваемого дока и снизить вес его корпуса. Поэтому речные транспортные доки, как правило, несамоходные, их механическая установка обеспечивает лишь минимальные потребности в электроэнергии во время похода и на стоянке в необорудованном пункте.
Так как на транспортных доках, как правило, перевозят суда с исправными, неразрушенными корпусами, целесообразно уменьшить продольную прочность дока с тем, чтобы часть момента, изгибающего систему док—судно, воспринималась судном (на судно можно переложить не менее 25% изгибающего момента; см. “Постановка судна в плавучий док”Прочность плавучих доков и общие характеристики внешних сил).
Некоторые специалисты, стремясь по возможности снизить вес корпуса, отказываются от стапель-палубы и устанавливают перевозимое судно на флоры днищевого набора, однако в данном случае мы считаем этот риск неоправданным. Доковую камеру, в которой стоит судно, невозможно разделить на отдельные водонепроницаемые отсеки и при получении пробоин док со стоящим в нем судном неизбежно затонет.
Если предполагается, что плавучий док специального назначения должен иметь свою энергетическую установку, мощность которой обеспечивает и режим откачки, то при определении производительности насосов время откачки следует увеличить (сравнительно с временем откачки обычных доков). Рекомендуемое время на подъем речного транспортного дока примерно 2,5 часа.
Для первого определения возможности проводки через шлюз с данными размерами судна водоизмещением Dc можно пользоваться следующей формулой:
где:
- Dc — предельное водоизмещение подготовленного к постановке в док для перевозки судна, м³;
- Lш — полная длина шлюза, м;
- Вш — ширина ворот шлюза, м;
- Тш — глубина на пороге (на короле), м.
При необходимости шлюзовать док и буксир одновременно (что неизбежно при невозможности ввести док или судно на понтонах в шлюз без помощи буксира) первый двучлен формулы следует принять в виде:
где:
- Lб — длина буксирного судна, м;
После ознакомления с особенностями заданной трассы следует рассмотреть возможность разгрузки судна или даже некоторого демонтажа его оборудования. Иногда целесообразнее снять с судна легко снимающееся оборудование и отправить его на барже или по железной дороге, чем строить док с предельно допустимыми размерами. Особое внимание должно быть обращено на мачты и другие наиболее высоко расположенные предметы, так как через каналы и реки переброшены телефонные и силовые провода, которые можно зацепить и оборвать.
С навигационной точки зрения плавучий док специального назначения является несамоходным транспортным средством и должен быть оборудован рулевым, якорным, швартовным и другими устройствами, а также жилыми помещениями для постоянной команды.
Док-матки и док-понтоны
При наличии большой и постоянной загрузки ремонтом судов сходных размеров наиболее экономичным доковым средством является док-матка с док-понтоном. Установленные на док-матке силовая и насосная установки имеют более полную загрузку и, следовательно, более экономичны, чем силовые установки обычных доков. Подъемная сила этих сооружений обычно не превосходит 2 500—3 000 т.
Процесс докования следующий. Док-матку притапливают и в нее заводят и точно устанавливают на место док-понтон с подготовленными на его стапель-палубе кильблоками и клетками. Затем открывают клинкеты док-понтона и он вместе с док-маткой погружается на глубину, достаточную для ввода докуемого судна.
После того как судно введено в док-понтон и установлено, насосная станция док-матки начинает ее откачку. По мере подъема вода из док-понтона выливается через открытые клинкеты. После осушения док-понтона клинкеты закрывают, а док-матку притапливают, чтобы освободить док-понтон. Всплывший док-понтон выводят вместе со стоящим в нем судном из док-матки и отводят к месту ремонта судна. Для постановки второго судна на второй док-понтон процесс повторяют. Для вывода из док-понтона процесс ведут в обратном порядке.
Некоторые специально оборудованные док-матки могут принимать суда непосредственно на свою стапель-палубу. Это целесообразно, если перерыв в постановке док-понтонов достаточно велик, чтобы продоковать судно в док-матке. Подъемная сила такой док-матки равна сумме подъемной силы док-понтона и его собственного веса (например, для док-понтона подъемной силой 2 000 т подъемная сила док-матки должна быть не менее 3 000 т).
Использование док-матки при наличии пяти-шести понтонов как самостоятельного докового места возможно лишь зимой, когда суда поставлены в док-понтоны на более продолжительный срок.
Приведем краткое описание док-матки и док-понтона. Док-матка (рис. 2), в отличие от обычных двухбашенных плавучих доков, может не иметь понтонной части; в таком случае она состоит из двух башен, соединенных между собой в нижней части поперечными балками-фермами, на которые садится док-понтон. В каждой башне имеется палуба безопасности, ниже которой расположены балластные отсеки. В балластных отсеках размещены обычные доковые отливные насосы. Балластная система док-матки такая же, как на обычных доках, но иногда имеет специальное устройство телескопического типа для соединения с балластной системой док-понтона (если таковая предусмотрена).
Вопрос об автономности док-матки решается заказчиком на основании тех же соображений, что и для обычных доков.
Док-понтон представляет собой плавучую платформу с несколько заостренными концами (рис. 3). По бортам понтона, для придания ему продольной прочности, устанавливают мощные фермы мостового типа. По существу док-понтон это «плавучий мост с ездой по низу». Надводный борт понтона при поставленном в нем предельном судне принимается 0,4—0,5 м.
На стапель-палубе док-понтона имеется одна центральная кильблоковая дорожка и предусмотрены скуловые киль-блоки или клетки. Внутреннее пространство док-понтона разделено продольными и поперечными переборками на ряд балластных отсеков. Если понтон заполняется и осушается не самотеком через открытые клинкеты, то в балластные отсеки проводят обычную балластную систему, соединяющуюся с балластной системой док-матки.
Отростки из каждого отсека подходят к распределительным коробкам, число которых на док-понтоне равно числу выдвижных присоединительных патрубков на док-матке. Каждая сборная коробка имеет один приемно-отливной клинкет, установленный на наружной стороне понтона соответственно расположению присоединительных патрубков док-матки.
Управление всеми клинкетам и затопительно-водоотливной системы док-понтона осуществляется ручными приводами, введенными на палубный настил фермы.
Центральный пост управления на док-понтонах отсутствует, взамен чего на палубном настиле фермы того борта, на котором расположены приводы клинкетов, в середине длины установлен закрывающийся кожухом щиток с манометрами пневмеркаторной (или иной дистанционной) системы, весковым кренодифферентометром и гнездом для установки трехточечного оптического прогибомера, градуированные рейки которого расположены по концам этой палубы.
Рядом с контрольным щитком находится, также закрытый кожухом, щиток электропитания сети освещения и сварки. Как правило, штатное механическое оборудование на док-понтонах отсутствует. Питание электроэнергией, паром, сжатым воздухом и водой для противопожарных целей в процессе докования судна осуществляется с берега.
Современная система док-матки с док-понтонами, имеющими повышенные мореходные качества, позволяет решать ряд задач судоремонта и судостроения, а именно:
- докование в док-понтонах судов с доковым весом, близким или равным подъемной силе док-понтонов, с целью текущего, среднего и капитального ремонтов;
- докование судов с доковым весом, превышающим подъемную силу док-понтона на 25—30%, без вывода док-понтона из док-матки;
- подъем судов с последующей передачей их на продольный слип или береговую эстакаду;
- строительство на док-понтонах судов с построечным весом до 60—70% от грузоподъемности док-понтонов;
- транспортировка судов, поднятых на док-понтоны, на близлежащие судоремонтные заводы и различные точки побережья;
- транспортировка глубокосидящих судов на док-понтонах по мелководью (рекам, проливам и т. п.) к судоремонтным предприятиям внутри материка.
К недостаткам системы док-матки с док-понтонами следует отнести ограничение длины док-понтона до 100—110 м вследствие трудности обеспечить необходимую продольную прочность. Разработку проекта док-матки и док-понтонов начинают с последних. Длина док-понтона определяется так же, как и длина обычного дока.
Ширина док-понтонов Вп в свету, т. е. между внутренними кромками внутренних привальных брусьев, принимается на основе тех же соображений, что и для обычного дока.
Полная ширина понтона определяется исходя из обеспечения необходимой остойчивости док-понтона вместе со стоящим в нем судном при действии ветра расчетной силы. Нормы остойчивости те же, что и для обычных доков.
Ширина ферм понтона колеблется, в зависимости от его подъемной силы, в пределах 0,6—1,5 м и должна быть проверена на поперечную устойчивость фермы от предельного момента.
Высота понтона Нп определяется по формуле:
где:
- Dп + Dc — вес понтона и вес докуемого судна вместе с весом остаточного балласта в понтоне, разделенный на удельный вес воды;
- Lп и Вп — длина и ширина док-понтона, м;
- δ — коэффициент общей полноты понтона;
- Fп — высота надводного борта понтона с поставленным в него судном, м.
Высота остаточного слоя балластной воды в зависимости от размеров днищевого набора понтона и конструкции балластной системы принимается в пределах 10—20 см, так как зачистка системы на них не предусматривается.
На док-понтонах подъемной силой свыше 1 000 т обычно предусматривают бортовые отсеки, выступающие над стапель-палубой на высоту 0,8—1,2 см, по ширине равные ширине ферм. Эти невысокие башенки защищают стапель-палубу от набегающей с бортов волны и позволяют несколько снизить общую высоту надводного борта понтона.
Высота бортовых ферм определяется из условия, что уровень их верхних погонов должен быть на уровне топ-палубы док-матки, когда в ней находится док-понтон. Определение веса понтона и положение его центра тяжести по высоте не представляет особых затруднений и производится обычным путем. Для определения указанных величин в первом приближении в табл. 1 приведены некоторые сведения по спроектированным понтонам.
| Таблица 1. Весовые данные док-понтонов | ||||
|---|---|---|---|---|
| Подъемная сила док-понтона, т | Вес док-понтона, т | Вес на 1 т грузоподъемности, т | Положение центра тяжести, м | Примечание |
| 300 | 200 | 0,67 | – | Построен |
| 500 | 300 | 0,60 | – | Расчетный |
| 1 000 | 500 | 0,50 | – | » |
| 2 000 | 900 | 0,45 | 3,62* | Построен |
| 3 000 | 1 200 | 0,40 | – | Расчетный |
| 4 000 | 1 500 | 0,375 | – | » |
* Положение ЦТ, равное 3.62, соответствует весу док-понтона со 100 т остаточного балласта.
По ширине док-понтоны разделяются одной диаметральной и двумя бортовыми переборками (рис. 4). В некоторых случаях, для повышения непотопляемости и уменьшения влияния свободных поверхностей, док-понтоны разделяют четырьмя продольными переборками (двумя средними и двумя бортовыми). Во всех случаях бортовые переборки расположены по внутренним кромкам бортовых ферм и служат для них опорами.
По длине понтоны разделяются 5—7 поперечными переборками. Поправка к моменту инерции действующей ватерлинии на влияние свободных поверхностей определяется так же, как и для обычного дока (см. Теория корабля – непотопляемость плавучих доковВопросы теории корабля и технические графики).
При заданной подъемной силе док-понтона и выбранных линейных размерениях и форме (по условиям постановки судна) выполняют расчеты теоретических элементов док-понтонов, а именно:
- расчет элементов теоретического чертежа;
- расчет моментов инерции свободных поверхностей балласта;
- расчет моментов инерции площади ватерлинии и метацентрических радиусов;
- построение кривых элементов теоретического чертежа.
Расчеты по док-понтону подъемной силой 2 000 т приведены в табл. 2 и 3.
| Таблица 2. Расчет начальной остойчивости и дифферента док-понтона грузоподъемностью 2 000 т | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Наименование элементов | Обозначение | Размерность | Формула | Док-понтон порожнем с остаточным балластом | Док-понтон с судном и остаточным балластом |
| Водоизмещение весовое | D | m | – | 1 000 | 3 000 |
| Водоизмещение объемное теоретическое | V | м3 | 1 000 | 3 000 | |
| Возвышение ЦТ над основной | zg | м | – | 3,62 | 6,76 |
| Отстояние ЦТ от 10-го теоретич. шпангоута | xg | » | – | -0,11 | -0,04 |
| Возвышение ЦВ над основной | zc | » | – | 0,34 | 0,99 |
| Отстояние ЦВ от 10-го теоретич. шпангоута | xc | » | – | 0 | 0 |
| Поперечный метацентрический радиус | ρ | » | – | 43,5 | 14,0 |
| Продольный метацентрический радиус | R | » | – | 900,0 | 354,0 |
| Поперечная метацентрическая высота (без поправок на свободные поверхности) | h’ | » | ρ+zc-zg | 40,22 | 8,23 |
| Продольная метацентрическая высота | H | » | R+zc-zg | 896,7 | 348,9 |
| Таблица 2 (Продолжение). Расчет начальной остойчивости и дифферента док-понтона грузоподъемностью 2 000 т | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Наименование элементов | Обозначение | Размерность | Формула | Док-понтон порожнем с остаточным балластом | Док-понтон с судном и остаточным балластом |
| Момент инерции площади свободной поверхности жидкости | ix | м4 | – | 4 000 | 4 000 |
| Поправка к поперечной метацентрической высоте | Δh | м | 4,0 | 1,33 | |
| Исправленная поперечная метацентрическая высота | h | » | 36,22 | 6,90 | |
| Площадь действующей ватерлинии | S | м2 | – | 1 510 | 1 604 |
| Отстояние ЦТ ватерлинии от 10-го теоретич. шпангоута | xf | м | – | 0 | 0 |
| Отстояние ЦТ судна от ЦВ по длине | – | » | xg-xc | -0,11 | -0,04 |
| Отстояние ЦТ ватерлинии от носового перпендикуляра | Lн | » | 45,6 | 45,6 | |
| Осадка средняя теоретическая | Тср | – | – | 0,68 | 0,90 |
| Осадка носом | Тн | м | 0,674 | 1,895 | |
| Осадка кормой | Тк | » | 0,685 | 1,903 | |
| Дифферент | Δ | » | -0,011 | -0,010 | |
| Момент дифферентующий на 1 см | МΔ | тм | 98,5 | 114,0 | |
| Момент, кренящий на | » | 630,0 | 362,0 | ||
| Число тонн на 1 см осадки | q | m | 15,1 | 16,0 | |
| Таблица 3. Расчет остойчивости док-понтона с судном при действии ветра | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Наименование участков площади парусности | Площадь парусности, м2 | Коэффициент обтекаемости | Приведенная площадь парусности, м2 | Возвышение центра парусности над ватерлинией, м | Приведенный момент площади парусности, м3 |
| Судно | 800 | 1,0 | 800 | 7,0 | 5 600 |
| Надводный борт башни док-понтона | 170 | 1,0 | 170 | 1,0 | 170 |
| Башенные краны (2 шт.) | 57 | 1,5 | 86 | 20,0 | 1 720 |
| Сумма для стоянок | – | – | 1 056 | 7,03 | 7 490 |
| Стрелы и противовесы башенных кранов | 26 | 1,5 | 39,0 | 15,8 | 615 |
| Сумма для перегонов (без учета стрел и противовесов) | – | – | 1 017 | 6,78 | 6 875 |
Кренящий момент от действия ветра:
где:
- Мкр — кренящий момент, тм;
- Р0 — условное расчетное давление ветра, кг/м²,
- S — площадь парусности, м²;
- z — отстояние центра парусности (м) от плоскости действующей ватерлинии.
Угол крена док-понтона, стоящего с поставленным в него судном под действием ветра, создающего давление Р = 100 кг/м², определяется следующим образом:
Момент, кренящий систему док—понтон—судно, М0 — 362 тм.
Искомый угол крена:
Из приведенного расчета видно, что остойчивость док-понтона вместе со стоящим в нем судном при действии расчетного ветра с удельным давлением 100 кг/м² достаточна (возникающий при этом угол крена примерно равен 2°).
При постановке судна только на одну килевую дорожку с установкой по бортам распор давление на них, в случае крена док-понтона, будет равно:
Допуская на одну распору давление, равное 2 т, получаем, что на каждом борту следует поставить 35—36 распор, что, конечно, неудобно. Для данного судна следует набрать по 5—6 клеток на каждом борту.
При определении элементов док-матки надо исходить из следующих положений:
а)изгибающий момент от веса докуемого судна целиком воспринимается только док-понтоном, следовательно, башни док-матки в обеспечении общей продольной прочности не участвуют;
б)плавучесть док-матки выбирается из условия удержания ее на плаву и обеспечения достаточной прижимной силы при совместном погружении и всплытии с док-понтонами;
в)линейные размеры док-матки должны позволять установку док-понтона и обеспечить остойчивость системы в период погружения и всплытия как с судном, так без него.
Длина док-матки определяется на основании вышеприведенных соображений, а также с учетом достаточной продольной остойчивости в погруженном состоянии, в связи с чем длину док-матки можно принимать не свыше 75% длины док-понтона. Так, для понтона подъемной силой 200 т и длиной 38 м матка имеет длину 28 м, а для понтона подъемной силой 2 000 т и длиной 91,2 м – 67,2 м. Попутно отметим, что довольно часто башни док-матки в длину делают не сплошными, а заменяют 30—35% средней части ферменной конструкцией (см. рис. 2).
Ширина док-матки в свету, т. е. между внутренними стенками башен, определяется наружной шириной понтона по его привальным брусьям, шириной вертикальных отбойных брусьев, устанавливаемых на док-матке, и зазором между ними.
Зазор между отбойными брусьями док-матки и привальными брусьями док-понтона колеблется в пределах 50—100 мм на сторону. Зазор устраняет возможность заклинивания док-понтона при его вводе в док-матку и уменьшает до минимума величину хода выдвижной трубы телескопического устройства балластной системы док-матки.
Высота док-матки определяется как сумма следующих величин:
- высота подбашенного отсека h3;
- высота опорных брусьев hб = 250 — 300 мм;
- высота док-понтонa hп;
- высота кильблоков hк = 0,8 + 1,2 м;
- зазор между днищем судна и верхней кромкой кильблоков, принимаемый обычно 0,25—0,30 м;
- осадка расчетного судна Тс, м;
- высота надводного борта док-матки при предельном погружении hн = 0,8 + 1,2 м.
Графически определение высоты борта док-матки показано на рис. 4. Таким образом, высота борта док-матки равна
Высота подбашенных отсеков определяется из условия обеспечения осадки порожней док-матки на уровне нижней кромки опорных брусьев.
Ширина подбашенного отсека b3 определяется из условия установки док-понтона на опорных брусьях, как это показано на рис. 4. Она принимается с таким расчетом, чтобы внутренние бортовые продольные переборки док-понтона приходились по середине опорных брусьев.
Зная в первом приближении вес док-матки Dм, мы можем определить высоту подбашенного отсека из выражения
где:
- l3 — длина подбашенного отсека, считая по одному борту док-матки.
Остойчивость системы док-матка — док-понтон — судно при погружении и всплытии рассматривается для следующих случаев осадки, соответствующих моментам максимальной и минимальной остойчивости:
- осадка Т1 — система после всплытия, при минимальных количествах остаточного балласта в отсеках док-матки и док-понтона;
- осадка Т2 — ватерлиния проходит над верхней кромкой стапель-палубы док-понтона;
- осадка Т3 — ватерлиния проходит по верхней кромке кильблоков док-понтона.
При осадке Т1 остойчивость системы максимальная, а при осадках Т2 — Т3 — минимальная (см. рис. 4). В процессе погружения или подъема система док-матка — док-понтон должна рассматриваться как единое целое, т. е. как обычный плавучий док. Расчеты остойчивости системы выполняются минимум для трех указанных выше осадок.
Диаграмма затопления док-матки и док-понтона, в отличие от диаграммы обычного плавучего дока, имеет две самостоятельные кривые: емкости балластных отсеков док-понтона и емкости балластных отсеков док-матки.
На рис. 6 (Диаграмма затопления док-матки с док-понтоном и судном)Вопросы теории корабля и технические графики горизонтальными линиями, параллельными оси абсцисс, показаны предельная линия погружения, палуба безопасности и верхняя кромка кильблоков.
Расчет диаграммы погружения и всплытия док-матки с док-понтоном и судном выполняется на основании следующих данных:
- расчет и кривые теоретических элементов док-матки;
- расчет и кривые теоретических элементов док-понтонов;
- расчет весовой нагрузки док-матки;
- расчет весовой нагрузки док-понтона.
Расчет диаграммы погружения и всплытия системы состоит из следующих этапов:
- расчет совмещенного грузового размера док-матки и док-понтона с учетом объема выступающих частей;
- расчет балластной кривой док-матки (коэффициент заполнения балластных отсеков принимается равным 0,97);
- расчет балластной кривой док-понтона (коэффициент заполнения тот же, что приведен выше: μ = 0,97);
- расчет балластной кривой док-понтона с докуемым судном.
Для других расчетов следует построить диаграммы расчетных нагрузок (гидростатических давлений) на отдельные перекрытия док-матки и док-понтона (рис. 5).
Примечание. Следует учесть уменьшение объема vб воздушной подушки, образовавшейся под стапель-палубой док-понтона, получающееся при погружении док-понтона до линии предельного погружения.
Введем обозначения:
- v1 — объем воздушной подушки, когда стапель-палуба док-понтона только что ушла под воду; соответствующее этой осадке давление Р1 равно единице;
- v2 — объем воздушной подушки при максимальном погружении док-понтона; соответствующее этой осадке давление равно Р2;
- Т2 — осадка палубы док-матки при максимальном погружении; величина объема v2 находится по формуле:
