Рейдовые причалы и островные порты
Рейдовые причалы
Возведение глубоководных причальных сооружений и подходов к ним в мелководной прибрежной зоне связано с большими капитальными вложениями, поэтому в последние годы все шире применяют способы переработки грузов (особенно нефти) в рейдовых условиях с использованием рейдовых причалов.
По конструктивным признакам они делятся на плавучие (одно– и многоточечные), стационарные и комбинированные; по роду перерабатываемых грузов – на наливные и навалочные; по назначению – на погрузочные, разгрузочные, погрузо–разгрузочные и передаточные.
Широкому распространению рейдовых причалов способствовали их преимущества: сравнительно невысокие затраты средств и времени ни их оборудование, возможность приема судов с большой осадкой, пониженная пожароопасность, небольшие расходы на эксплуатацию и т.д.
Недостатки рейдовых причалов: сложность перегрузочных работ при значительном волнении моря и ветре, недостаточная гибкость перегрузочной системы, затруднения в случае перегрузки нескольких видов грузов, трудности в снабжении судов, простои, вызванные необходимостью в случае штормовой погоды уходить в открытое море от причала, уязвимость подводного трубопровода, раздаточного устройства, швартовых бочек и т.п.
В стационарном рейдовом причале вместо буя, закрепленного к дну якорями, возводят достаточный по размерам и прочности пал, к которому судно, швартуется и у которого его, обрабатывают.
Плавучие причалы. Делят такие причалы на одноточечные (с одним швартовым буем), многоточечные (с несколькими швартовыми буями), плавучие понтоны, плавучие причалы – хранилища и т.д.
Многоточечные причалы появились ранее одноточечных. Причал состоит из нескольких швартовых бочек (буев), несущих на себе перегрузочное и сопутствующее оборудование, бриделей или жестких шарнирных связей и якорных устройств.
Натуральными экспериментами установлено, что при расположении судна вдоль направления ветра и течения нагрузки на него значительно уменьшаются по сравнению с нагрузкой при поперечном расположении. Это обстоятельство явилось главным в развитии одноточечных рейдовых причалов, у которых судно, подобно флюгеру, все время принимает положение против ветра и течения. Они широко применяются в практике мировой перегрузки сырой нефти. В последнее время в последнее время одноточечные причалы начинают использовать также для перегрузки железной руды, угля, бокситов, глинозема и других навалочных грузов.
Причалы в виде плавучих понтонов используют для перегрузочных операций, при ремонте судов и в других случаях. Причал состоит из понтонов, соединенных между собой с помощью шарниров и закрепленных к дну в нескольких точках. Понтоны оборудованы отбойными и швартовыми устройствами, инженерными сетями (трубопроводами, электрокабелями и кабелями связи) и якорными устройствами. У головного понтона имеются сигнальные и осветительные устройства, у корневого – соединительный мост.
Причалы –хранилища предназначены для перегрузки грузов и их хранения. Иногда возводятся на значительном удалении от берега.
Устройство одноточечных плавучих причалов.
Конструкция, и размеры буя и элементов рейдового оборудования точечных плавучих причалов зависят от характеристик судна, грунта дна, глубины моря и гидрометеорологических особенностей данного района акватории. Швартовый буй служит для удержания на нем технологического оборудования и бриделя, идущего к якорному устройству. В настоящее время применяют различные конструкции одноточечных причалов. В подавляющем большинстве это швартовый буй в виде круглого стального цельносварного понтона, закрепленного цепями или тросами к забитым в морское дно анкерным сваям или к другим якорным устройствам. На буе размещают приемно– распределительное устройство для одновременного перекачивания различных видов грузов. Через буй проходят трубопроводы, соединенные с подводными магистралями. Судно, пришвартованное к бую кормой или носом, может проворачиваться вокруг него на 3600 в зависимости от направления течения и ветра. Размеры буя и основных его элементов зависят от размера наибольшего судна, швартующегося к системе; количества и вида транспортируемого продукта; глубины моря и амплитуды приливно- отливных колебаний; максимальных размеров штормовых волн; скорости течения и т.п. Ориентировочно диаметр буя принимают равным 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5 м, при дедвейте танкера соответственно до 2, 10, 60, 100, 300, 500 тыс. т. По периметру он снабжен отбойным устройством (брусом) из дерева или резины. Корпус буя представляет собой цилиндрическую сварную конструкцию, разделенную на четыре отсека радиальными водонепроницаемыми переборками. Два из них могут быть заполнены пористым материалом с целью поддержания сооружения на плаву в случае значительного повреждения. В других размещается вспомогательное оборудование. В каждой из радиальных переборок прикреплена якорная цепь для повышения плавучести днище буя выполнено двойным.
Оборудование плавучих причалов делится на основное (технологическое, навигационное, энергетическое, подъемное, насосное, электрическое) и вспомогательное. Под основным понимается оборудование, вывод, из строя которого, приводит к выводу из эксплуатации всей установки. Неисправность вспомогательного оборудования не приостанавливает работу причала, снижая лишь его технико–экономические характеристики и надежность или повышая опасность его эксплуатации.
Технологическое оборудование состоит из поворотно–распределительного устройства (вертлюга) продуктопровода; манифольдов (патрубков) плавучих (надводных) шлангов, соединяющих буй с танкером; подводных шлангов, соединяющих буй с магистральным подводным трубопроводом; прочего вспомогательного оборудования.
Поворотно–распределительное устройство продуктопровода является самой ответственной частью технологического оборудования. Оно позволяет передавать без потерь под высоким давлением продукт от участка трубопровода, скрепленного с корпусом буя, к участку, расположенному на грузовой консоли платформы, поворачивающейся относительно корпуса буя.
Манифольды, то есть участки трубопровода, объединяющие подводные шланги, поворотно–распределительную камеру буя и надводные шланги в единое целое, состоят из двух частей: стационарных манифольдов, жестко скрепленных с корпусом буя и служащих для соединения подводных шлангов с поворотно–распределительной камерой, и поворотных манифольдов грузовой консоли, соединяющих поворотно-распределительную камеру с надводными шлангами.
Плавучие шланги, соединяющие буй с танкером, являются одним из наиболее ответственных и дорогостоящих элементов технологического оборудования. Учитывая сложные ветро–волновые условия открытого рейда, к шлангам предъявляются повышенные требования в отношении их прочности, эластичности, долговечности и т.д. стенки шланга, как правило, усиливают прочной стальной стенкой и кольцами жесткости, позволяющими шлангу сохранять свою круглую форму. Внутренние стенки выполняют из высококачественных стойких к воздействию нефти и нефтепродуктов составов резины. В промежутках времени между проходами судов шланги могут или свободно плавать на поверхности моря, или быть притопленными до некоторой глубины, или просто лежать на дне для смягчения гидродинамического воздействия на них штормовых волн. На рейдовых причалах используют, как правило, два плавучих шланга, расположенных в одну линию. Однако в случае переработки нескольких сортов грузов на причале буй может быть оборудован тремя или даже четырьмя шлангами.
Подводные шланги при эксплуатации находятся приблизительно в таких же условиях, что и поверхностные. Однако для них характерны продольные усилия и деформации во время действия штормовых или приливно–отливных явлений. В отличие от надводных они не требуют избыточной плавучести.
Навигационное оборудование включает в себя сигнальное освещение, состоящее из электрофанаря, прозрачной линзы с круговой диафрагмой. Для уменьшения расходы энергии на батареях установлен солнечный автоматический выключатель. Для фиксации положения плавучих шлангов в ночное время предусмотрены мигающие буйки, питающиеся от батарей. Буй может быть снабжен радиолокационным отражателем и устройствами, подающими предупредительные звуковые сигналы.
Подъемное и энергетическое оборудование на буе представлено подъемными устройствами, механизмами и приспособлениями (тали для натяжения якорных цепей, крепления плавучих и подводных шлангов к манифольдам, небольшие краны – деррики или шлюпбалки для подъема вертикальных подводных шлангов, ремонта и замены частей буя и т.д).
Электрооборудование состоит из сухих батарей одноразового использования, размещенных в вентилируемых ящиках, установленных на балансировочной консоли. В случае расположения буя на сравнительно небольшом расстоянии от берега электроснабжение обеспечивается питанием с береговой базы.
На рейдовых причалах, значительно удаленных от берега, один из отсеков корпуса оборудуют под служебно–жилое помещение для кратковременного размещения в нем обслуживающего персонала, вспомогательного оборудования, запасных частей и необходимой технической документации: руководства по эксплуатации причала, по проведению перегрузочных операций, чертежи конструкций и узлов буя и т.д.
Стационарные причалы.
Многолетний опыт эксплуатации плавучих рейдовых причалов выявил их некоторые существенные недостатки. Плавучее сооружение требует частого осмотра и ремонта подводной и надводной частей. Корпус плавучего буя выходит из строя через 10 лет, якоря и якорные цепи – через 3 года, плавучие шланги – через 3, подводные шланги – через 4, швартовые тросы – через 1 год. Каждые 3-4 года необходимо проводить капитальный ремонт плавучего буя с постановкой его в док и т.д.
Учитывая это, со второй половины 70-х начали все больше применять одноточечные стационарные рейдовые причалы с надводным расположением поворотного устройства. Принцип действия последних ничем не отличается от рассмотренного, однако они в значительно меньшей степени подвержены воздействию отрицательных факторов и обладают дополнительными преимуществами: более надежны, допускают более высокие скорости налива или слива нефти и нефтепродуктов, дешевле в ремонте и эксплуатации, меньше загрязняют море. срок службы стационарного рейдового причала, оборудованного катодной защитой, около 20 лет. Техническое обслуживание причала заключается в окраске, периодическом осмотре поворотного узла и замене шлангов. Воздействие волн на стационарный причал менее значительно, чем на плавучий. Уменьшается риск загрязнения моря. В зависимости от местных условий, естественного режима и транспортно – технологических особенностей стационарные одноточечные рейдовые причалы могут быть нескольких типов: башенный, моносвайный, гравитационный, комбинированный и т.п.
Башенный причал в виде куста свай с заделкой свайного основания в грунте. Свайное основание выполнено из стальных труб диаметром 1100 мм. Недостатком причалов башенного тапа является большая жесткость, вынуждающая устанавливать сложные громоздкие дорогостоящие швартово–отбойные устройства, не гарантирующие, однако, повреждения причала и самого судна при увеличении скорости подхода его к причалу в момент навала.
Гибкий моносвайный причал в виде стальной одиночной трубчатой сваи большого диаметра выгодно отличается от башенного тем, что здесь удар судна о причал гасится не только специальным отбойным устройством, но и вследствие упругой деформации изгиба самой трубчатой сваи.
Гравитационный причал не требует проведения буровых работ в грунте и закрепления в нем опорных элементов.
Комбинированный причал. Такой причал обладает свойствами как стационарного, так и плавучего. Среди причалов этого типа особого внимания заслуживает качающийся шарнирно – опорный рейдовый причал. Преимущества его особенно проявляются на больших глубинах.
Островные порты
Главными причинами появления искусственных островных портов явились трудности в строительстве новых и реконструкции действующих материковых портов для приема крупных судов. Вследствие трудностей в строительстве новых портов и невозможности приема и обработки крупнотоннажного флота в существующих материковых портах, а также борьбы с загрязнением окружающей среды в последнее время стали возводить в открытом море искусственные острова для приема и обработки крупных судов, что явилось новым направлением в портостроении. Насчитывается уже свыше десятка портов, расположенных в различных частях мира на искусственных островах.
По назначению искусственные островные порты могут быть одноцелевыми – для выполнения только одной функции, например транзитные, перевалочные островные порты для передачи грузов с очень крупных судов на меньшие или с малых судов на крупные; двухцелевые – для перегрузки и длительного хранения грузов; многоцелевыми – для выполнения нескольких функций, например индустриальные островные порты, на которых доставляемый груз – сырье подвергается технологической обработке, после чего вывозится с острова в переработанном виде или в виде изделий.
По связи с материком такие порты называют чисто островными, полностью отделенными от материка, связь с берегом в этом случае может осуществляться только с помощью морского или воздушного транспорта; соединенными с берегом подводными (подземными) транспортными средствами связи – тоннелем, трубопроводом, с сообщением с континентом с помощью сухопутного и трубопроводного видов транспорта; полуостровными, расположенными поблизости от материкового берега и соединенными с ним надводными средствами связи: дамбой, эстакадой; с комбинированной связью с берегом, включающей в себя как надводные, так и подводные, воздушные и другие средства.
По устройству искусственные острова могут быть:
· намывными, возводимыми намывом продуктов дноуглубления в пространство, ограниченное дамбами, расположенными по контуру острова;
· насыпными, заполняемыми с помощью судов технического флота и досыпаемыми сухопутными строительными средствами или же засыпаемыми полностью сухопутными механизмами пионерным способом;
· эстакадными, возводимыми на сваях или устанавливаемыми на основании в виде отдельных крупных структур сквозного типа;
· гравитационными, в виде массивных элементов, массивов–гигантов и т.п.;
· плавучими, на специальных понтонах плавучего или полупогруженного типа и т.п.;
· возделываемыми, наращиваемыми с помощью растений, кораллов, льда и т.д.
Причины создания островных портов:
· территориальные трудности в расширении существующих материковых портов, «зажатых» населенными пунктами и хозяйственными застройками в условиях переуплотненных морских побережий развитых стран;
· непрерывное удорожание земель в перенаселенных странах;
· завершение утилизации «малоудобных» прибрежных угодий, ведущее к созданию искусственных земель;
· трудности в углублении существующих портовых акваторий и судоходных каналов в местах пересечения с тоннелями, шлюзами, трубопроводами, кабелями и другими инженерными сетями;
· чрезмерно высокая стоимость капитальных дноуглубительных работ при создании акваторий «суперглубоководных» портов и подходов к ним;
· высокая стоимость ремонтного черпания при поддержании судоходных глубин и сверхглубоководных и просторных прорезей подходов каналов, представляющих собой отстойники с повышенными наносопоглощающими свойствами;
· ужесточение требований по охранению окружающей среды, вынуждающее к вынесению из густонаселенных районов, строящихся и эксплуатирующихся источников загрязнения, к которым относится значительная часть портовых объектов и прилегающих к портам промышленных отраслей производства;
· повышенная экологическая способность к рассредоточению продуктов загрязнения и самоочищению водных масс глубоководного открытого моря по сравнению с прибрежными мелководными зонами и т.п.
В распространении искусственных островных портов имеются и трудности:
· высокая стоимость искусственно созданной территории, особенно в условиях глубоководья;
· необходимость в дополнительной перевалке груза при их транзитной передаче в материковые порты – спутники, отражающейся на стоимости транспортного процесса;
· высокая стоимость сооружений, соединяющих остров с материком (в случае их возведения), достигающая иногда половины стоимости искусственного острова.
Островной порт в транспортной системе. Наличие искусственного островного порта приводит к созданию особой транспортной системы, в составе которой можно выделить две обособленные части: внешнюю транспортную часть, связывающую остров с отдаленными (океанскими) источниками груза и местами доставки, и внутреннюю транспортную часть, связывающую остров с материком.
Внешняя морская часть этой транспортной системы предназначена для крупных транспортных судов, например судов дедвейтом до 500 тыс. т, нефтерудовозов – до 280, балкеров – до 160, рудовозов – до 170 тыс. т, контейнерных судов, судов – газовозов, лихтеровозов, морских барж и т.д. Она имеет глубоководные подходы, судовые ходы, судоходные каналы, отдельные зоны и места для рейдовой стоянки, просторные, входы внутрипортовые акватории и т.д.
Внутренняя транспортная часть системы характеризуется тем, что она рассчитана для судов меньших размерений, например: судов с горизонтальной грузообработкой «река–море», барж для внутренних водных путей, лихтеров, входящих в комплекты лихтеровозов и т.п..
Устройство искусственных островов.
Особенности устройства искусственных островов определяются, прежде всего, строительными материалами, из которых их возводят. При небольших глубинах острова возводят из местного грунта (намывные, насыпные); при больших глубинах – на массивных бетонных, железобетонных или легких каркасных или погружаемых в него, при самых больших глубинах – на плавучих сооружениях.
Простейшие намывные и насыпные острова без специальных берегозащитных сооружений могут быть экономически выгодными только при сравнительно небольшой интенсивности волнения и течения. Откосы у них порядка 1:50. Для временного использования такие острова широко применяют в условиях внутренних водохранилищ. Другой способ – наращивание берега отвалом грунта.
Водоотливные острова представляют собой искусственные польдеры, т.е. осушенные в результате водоотлива участка морского дна, огражденные по периметру водонепроницаемыми дамбами. Причалы (пирсы или рейдовые причалы) в этом случае располагают с внешней стороны дамбы в защищенных от волн и течений господствующих направлений зонах или (как вариант) в бассейнах, заглубленных в плане внутрь острова.
Намывные острова с берегозащитой более безопасны по сравнению с польдерами. Простейшим берегозащитным сооружением искусственного острова является песчаный пляж, образованный с помощью той же техники, которая использовалась и при возведении острова. Если искусственный остров расположен на акватории уже построенного порта, то его, как правило, окантовывают вертикальными стенками, служащими причальной линией или берегоукреплением. Если остров расположен в открытом море, когда внешняя береговая линия под причалы не используется, берегозащитные сооружения возводят в виде откосных берегоукрепительных сооружений пассивного типа, причем чаще в виде массивной наброски.
Искусственные острова из гравитационных элементов применяют как при возведении морских платформ, так и при строительстве островных портов. Существенным отличием островных конструкций от береговых является их значительно большие масса и размеры. Центральная платформа промысла Ниниан в Северном море, являющаяся одним из крупнейших в мире гидротехнических сооружений из железобетона, установлена на глубине 139 м, высота сооружения 170 м, масса превышает 600 тыс.т.
Искусственные острова каркасной конструкции, возводимые на сваях, погружаемых в грунт, или в виде свободно опертых металлических структур, практически освоены давно. Один из первых воплощенных в жизнь советских проектов – это остров Нефтяные Камни, построенный в 50–х годах близ Апшеронского полуострова (Каспийское море) и постоянно распирающийся и растущий. Фактически это целая группа искусственных эстакадных остров, возведенных на глубинах до 60 м, соединенных между собой эстакадами–проездами.
Плавучие островные порты устанавливают на больших глубинах, так как с увеличением глубины стоимость стационарных искусственных островов резко возрастает. Первый плавучий островной порт Акваполис был построен в Японии. Это трехпалубный плавучий остров–порт с причалами и вертолетной площадкой. Его площадь 10 тыс. м2, высота конструкции 32 м, масса 16 тыс. т, в случае сильного волнения он погружается под воду. В Акваполисе обитает более 2 тыс. человек.
Искусственные острова изо льда возводят для строительства различных объектов в условиях Приполярья и Заполярья. При кратковременном использовании ледового искусственного острова (например, разведочное бурение на шельфе) его можно возвести простым наращиванием толщины льда путем орошения водой его поверхности до тех пор, пока ледяное поле не достигнет дна моря.
Возделываемые острова создают и в самых теплых районах земного шара путем наслаивания коралловых наростов на рифах. Интересным является опыт создания искусственных рифов на базе устаревших затопленных в соответствующих местах судов. Обследование таких сооружений, образованных в мексиканском заливе на глубинах до 34 м, подтвердило эффективность их возведения.
Форму и очертание искусственного острова из экономических соображений обычно выполняют в виде круга в плане, при котором длина его береговой линии будет минимальной для заданной площади территории. Круговая форма обеспечивает и общее минимальное количество волновой энергии, воздействующей на остров. Выход в порт и выход из порта располагают с подветренной стороны острова, то есть в его волновой тени. Оградительные сооружения могут состоять из двух сходящихся молов (при одном входе) или из двух молов и волнолома (при двух входах).
Связь искусственного острова с материком может осуществляться с помощью всех видов транспорта: морского, воздушного, наземного (автомобильного, железнодорожного), трубопроводного и т.д. Для осуществления сухопутной транспортной связи возводят необходимые сооружения: дамбы, эстакады, мосты, тоннели и т.п. В отдельных случаях в проектах прорабатывают и такие виды связи, как подвесная канатная дорога, контейнерные линии и т.п.
Связь с помощью дамбы наиболее надежна, поэтому в случаях, когда остров расположен недалеко от берега и их разделяет мелководная зона с относительно плотными донными отложениями. Дамба оказывается наиболее предпочтительным сооружением. Однако возведение дамбы может неблагоприятным образом отразиться на условиях естественного режима берега и прибрежной зоны моря, перекрыв собой обычный путь вдоль береговых течений и наносов.
Эстакада на отдельных опорах (свайных или гравитационных) в отличие от дамбы не вносит изменений в местный режим течений и наносов. В случае больших глубин эстакада может оказаться и дешевле дамбы.
Мосты, как эстакады, не вносят изменений в режим наносов, однако являются препятствием для судоходства. Кроме того, с увеличением глубин стоимость этих сооружений резко возрастает. Для возможности пересечения судовых ходов и фарватера с трассой, связывающей остров с материком, возводят мосты высотой, позволяющей проводить суда, как, например, мост, соединяющий с берегом искусственный остров–порт в Кобе (Япония). При значительных глубинах могут быть применены плавучие мосты.
При определенных глубинах более экономичной становятся прокладка тоннеля. Морские тоннели подразделяют не надземные и подводные (плавучие). Подземные тоннели предусмотрены для многих проектируемых искусственных островов. Аналоги таких тоннелей сегодня существуют в целом ряде стран. Новинкой в тоннелестроении являются подводные плавучие тоннели.
Трубопроводы требуют больших капитальных вложений на строительство и малых эксплуатационных расходов. С увеличением глубин и удалением в открытое море трудности прокладки трубопроводов возрастают. Тем не менее, масштабы этого строительства из года в год увеличиваются.
Для передачи электроэнергии, телефонной связи и т.п. остров может быть связан с материком с помощью подводных кабелей. Опыт прокладки подводных кабелей накоплен в достаточной степени.
Если искусственный остров имеет чисто транспортное назначение, то есть служит чисто транзитным перевалочным портом, то в нем связь с берегом может осуществляться морским транспортом. Предпочтение морскому транспорту может быть отдано только после тщательного технико-экономического сравнения конкурирующих вариантов. В случае индустриального назначения искусственного острова и сообщения с материком только по короткому плечу роль морского транспорта снижается и может даже свестись к нулю, особенно в случае «полуостровного» порта, соединенного с берегом с помощью короткой широкой дамбы или моста. В большинстве же случаев морской транспорт широко используется для связи острова с материком. Поэтому на острове имеются все необходимые атрибуты морского порта: морские подходы, входы, портовые акватории, причальные и оградительные сооружения, подъемно–транспортное оборудование, складское хозяйство и т.д. Порт расположен в открытом море, и ничто не мешает осуществить оптимальную его компоновку как технологическом, так и в экономическом смысле.