[实用新型]用于泵送低温流体的往复泵组件和包括其的系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及用于泵送低温流体的往复泵组件和包括其的系统。 

背景技术

为低温液体设计的容积式往复泵或低温往复泵通常在用于油田服务和工业应用的便携式设备上使用，在这些应用中，氮作为低温液体被输送、泵送到更高压力，汽化，且然后被注入到井、管线、容器中或以其它方式输送以用于最终用途。商业制造的设计中许多由热端、并联的多个冷端以及将每个冷端连接到热端的中间间隔件构成。 

热端进一步由外壳、曲轴(crankshaft)、连杆和十字头(crosshead)构成，十字头将旋转运动转变为用于冷端的线性运动。冷端是泵主体，其包括柱塞或活塞、气缸、气缸头、吸入阀和排出阀。中间间隔件将热端与冷端热绝缘，同时对齐冷端活塞与热端十字头。 

普通的商用冷端设计具有活塞填料密封件，其刚好位于离冷端气缸活塞冲程长度以外。活塞填料密封件防止低压低温氮泄漏到大气并可能将低温氮喷到不能忍受低温的热端十字头油封上。 

冷端活塞在水的冰点以下操作，因此，在中间间隔件内暴露于环境空气的冷端活塞的部分上可形成冰。也称为刮擦器(wiper)的金属刮板可以定位成邻近与冷端气缸相对的活塞填料密封件，以从活塞清洁污染物，主要是冰。刮擦器旨在保护活塞填料密封件不受源自积冰和其它污染物的物理损坏。当低温往复泵在其设计包络的上部中以某一速度操作时，已证明刮擦器是有效的，但当低温往复泵以低速度操作时，已证明刮擦器是无效的。 

活塞填料密封件常常是塑性材料，通常为聚四氟乙烯(PTFE)和诸如玻璃纤维或碳的结构改性剂的共混物。这些材料适于在低温下使用，但具有比活塞填料密封件所围绕的冷端活塞大得多的热收缩率。热收缩之差增加了在低温下活塞填料密封件中的应力，从而导致增加的冷流变形。 

许多商用低温往复泵的设计是对许多应用的适当折衷，特别是当泵在允许除霜之前操作时间显著少于10小时时，或者当泵在其设计速度范围的上半部中旋转时。然而，当泵在低速度下长时间操作时，它们的设计导致常见的问题。在连续操作中，冷端和中间间隔件上的冰形成物在一段时间内继续积聚。冰的积聚将冷端和中间间隔件围绕活塞填料密封件的部分绝缘，并且在开始继续操作之后几小时内，活塞填料密封件的温度继续降低。在低温下延长的持续时间有助于活塞填料密封件中的变形，这种变形防止它们在再次变热时密封。此外，当在足够的速度下操作时，已经证明普通的刮擦器对于从活塞清除因暴露于环境水蒸气而产生的所有冷凝物和霜而言是有效的措施，但即使在良好的状态下，刮擦器也往往不能除去在较低泵速度下形成于活塞上的硬白霜。 

此前的冷端设计已包括用于使活塞填料密封件保持明显热于泵送流体的装置。各种设计的此类特征包括：伸长的维度，用于减少从活塞填料传导的热量；围绕活塞填料的翅片，用于增加从环境空气到活塞填料的热传递；绝缘段，用于将活塞填料与泵送室内的寒冷温度热绝缘；以及活塞填料密封件加热流体夹套，其一体化到围绕活塞填料密封件的外壳。这些特征的缺点在于，它们通常增加了低温往复泵的尺寸，这对于安装在卡车或拖车上而言是不可取的，并且它们使冷端的更换更加麻烦。 

传统低温往复泵设计的一些特征强调在泵送低温流体时减少传递到该低温流体中的热量，以便减少必须返回到低温储罐的蒸气。返回到储罐的蒸气增加了所储存的低温流体的温度，从而减小了低温往复泵可用的净正吸升力(suction head)。由于低温储罐的操作压力，返回的蒸气也可直接排到大气。这些特征限制了从热端传递到冷端中的热量，并且有时减少了直接从环境空气通过冷端外壳传递到带有真空绝缘段的泵送室的热量。 

由制造商(例如，ACD、NOV HydraRig、CS&P Technologies)指定用于油田服务应用的许多商用低温往复泵不使用类似的设计特征来限制到冷端中的热传递，因为包括低温往复泵的设备通常也包括低温离心泵以增加低温往复泵可用的净正吸升力。此外，当在低温往复泵内生成的蒸气被排到大气时，相比面向油田应用销售的许多低温往复泵的相对较高的设计速率，该量是极少的。