柱塞泵、柱塞、和制造柱塞泵的方法
【專利說明】柱塞泵、柱塞、和制造柱塞泵的方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]不適用。
技術領域
[0003]本領域涉及高壓柱塞泵的結構。
【背景技術】
[0004]在石油和天然氣工業中使用井用泵來將流體將向井下泵送以用于各種目的。井用泵的一個常見用途是地層的水壓致裂。泵能夠用來將包含固體的高壓流體泵送到井中，其中，高壓流體將使地層中的裂縫擴展或使地層斷裂，產生更大的流體通道，地層流體能夠通過該更大的流體通道流入到井中。流體中的固體將保持在更大的流體通道中以維持流體通道敞開，從而提高井產量。
[0005]井用泵通常為柱塞泵，其為使正排量泵往復運動的類型。在這些泵中，柱塞在流體端中軸向地往復運動，且填料被固持在流體端與柱塞之間，從而防止柱塞往復運動期間的泄漏。小的環形間隙通常被設置在柱塞的外徑與填料的內徑之間以防止隨著柱塞往復運動對柱塞造成磨損或表面損傷。然而，主要由于加速的填充材料擠出，縫間隙的略微增大可能對填料的壽命具有有害影響。
[0006]通常需要高柱塞抗壓強度來幫助最大化泵的填料壽命和操作效率。許多傳統高壓井用柱塞泵使用實心結構的柱塞來實現高柱塞抗壓強度。然而，具有實心結構的更大直徑和/或更長行程的柱塞在日常維修操作期間常常操作起來不靈便。已經建議了中空柱塞，但是這些中空柱塞趨向于在負載下沿直徑方向偏轉。
[0007]柱塞泵使用曲柄機構來為柱塞提供往復運動。曲柄機構通常包括延伸桿，該延伸桿剛性地附接到十字頭，該十字頭被泵的框架約束為軸向地移動。十字頭經由肘銷和連接桿被聯接到偏心輪曲軸。隨著曲軸旋轉，連接桿將該動作傳遞到十字頭。因為十字頭被約束為軸向地移動，所以旋轉運動將被轉換成往復運動，該往復運動經由延伸桿被傳遞至柱塞。
[0008]肘銷被固持到十字頭并且使用內部地位于連接桿內的支承件被支撐。環形間隙為通常被設置在肘銷的外徑與肘銷支承件的內徑之間以允許潤滑膜的分布以及防止負載從相對大的桿傳遞到小得多的肘銷。該環形間隙允許在高負載條件期間連接桿支承表面的變形，這會產生不均勻的加載和過早的支承失效，諸如磨損。
[0009]許多傳統流體端具有閥在閥上(valve over valve)布置的特征，其中，吸入閥和排出閥豎直地定位，一個閥在另一個閥上方，并且垂直于相交的柱塞孔。這提供相當緊湊的流體端設計，這對于移動應用而言是期望的。然而，這兩個孔的相交部位產生表面不連續部，從而顯著增加這些高度局部化區域內的應力。這些表面通常由于疲勞而失效，這是因為它們還暴露于循環負載。
【發明內容】
[0010]本文公開的主題涉及柱塞泵的改進。在一個例證性實施例中，柱塞泵包括泵流體端，該泵流體端具有流體室和與流體室連通的吸入孔、排出孔和柱塞孔。柱塞被布置成通過柱塞孔往復進出流體室。柱塞具有帶內腔的柱塞主體和和布置在該內腔中以增加柱塞的剛度的內嵌件。曲柄機構被聯接到柱塞并且可操作以使柱塞往復運動。
[0011]應當理解的是，前述總體描述和下列詳細描述是本發明的某些實施例的示例并且旨在提供概述或框架以便理解本公開。附圖示出本發明的各種示例性實施例并且被包括以提供對本公開和所公開的實施例的原理和操作的進一步理解。
【附圖說明】
[0012]下面是附圖中的圖形的描述。這些圖形不一定按比例，并且為了清晰和簡明，這些圖形的某些結構和某些視圖可能以夸大比例示例或示意地示出。
[0013]圖1A示出柱塞泵的說明性實施例的截面。
[0014]圖1B示出柱塞泵的另一個說明性實施例的截面。
[0015]圖2示出圖1A的截面的放大部分。
[0016]圖3示出柱塞的說明性實施例的截面。
[0017]圖4A示出連接桿和十字頭組件的說明性實施例。
[0018]圖4B示出圖4A的沿著線4B-4B的截面。
[0019]圖4C示出圖4A的沿著線4C-4C的截面。
[0020]圖5示出十字頭和連接桿組件的說明性實施例的截面。
[0021]圖6示出十字頭和連接桿組件的說明性實施例的截面。
[0022]圖7示出圖1A的泵流體端的剖面。
【具體實施方式】
[0023]在下面的詳細描述中，可以闡明許多詳細的細節以便提供對所公開的實施例的徹底理解。然而，需理解的是，本發明的其它實施方式可以在不包含作為這些公開的實施例的一部分的詳細的細節中的一些或全部的情況下被實施。在其它情況下，可能不在所公開的實施例中詳細地描述熟知的結構或過程從而不會不必要地對本公開造成模糊。此外，可以使用相似的或完全相同的附圖標記來識別實施例之間的共同或類似的元件。
[0024]圖1A為柱塞泵10的說明性實施例，該柱塞泵10具有經由綴條13被聯接到泵功率端14的泵流體端12。泵流體端12包括流體室16。泵流體端12進一步包括吸入孔18a、排出孔18b、柱塞孔20a和通道孔20b，所有這些孔都與流體室16相交。吸入孔18a和排出孔18b是相對的并且沿著軸線17a大致軸向地對齊，并且柱塞孔20a和通道孔20b是相對的并且沿著軸線17b大致軸向地對齊。軸線17b垂直于軸線17a。吸入孔18a經由吸入閥23a與吸入歧管21連通。類似地，排出孔18b經由排出閥23b與排出口 25連通。
[0025]柱塞28被布置在柱塞孔20a中并且可以往復進出流體室16。往復運動由位于泵功率端14中的曲柄機構34提供。在柱塞28的吸入行程期間，柱塞28從流體室16被拉到柱塞孔20a中，流體從吸入歧管21通過吸入閥23a被抽到流體室16中。在柱塞28的排出行程期間，柱塞28從柱塞孔20a延伸到流體室16中，因而柱塞28迫使流體室16中的流體通過排出閥23b進入到排出口 25中。
[0026]柱塞28滑動通過安裝在柱塞孔20a的端部處的填料裝置30。在一個例證性實施例中，如圖2所示，填料裝置30包括填料外罩31，該填料外罩31通過諸如螺紋連接等的可移除附接裝置在柱塞孔20a的端部附近被附接到泵流體端12。填料外罩31承載填料組件33，該填料組件33包括一組密封部35。填料組件33限制柱塞28的外徑。填料組件33的布置使得在填料組件33與柱塞28的相對的表面之間將存在小間隙以便避免在柱塞28滑動通過填料組件33時對柱塞28的表面造成損害。通過將填料外罩31可移除地附接到泵流體端12，在柱塞泵10的維護期間填料組件33的更換將相對容易。
[0027]在一個例證性實施例中，如圖3所示，柱塞28具有帶內腔38、封閉端39和敞開端40的柱塞主體36。柱塞主體36可以具有例如筒狀。端蓋42覆蓋柱塞主體36的敞開端40。端蓋42具有開口 45，該開口 45被構造成接納曲柄機構(圖1A中的34)的轉接板(圖1A中的50)的一端。在替代實施例中，端蓋42可以適于連接到延伸桿而非轉接板。在端蓋42與柱塞主體36之間的接頭43可以是流體密封的。這樣的流體密封性可以通過焊接、密封等來實現。在一個實施例中，柱塞主體36和端蓋42由可焊接材料制成并且通過焊接聯結在一起。在焊接之后，硬化涂層被施加到柱塞28的表面以保護柱塞28免受環境的影響以及提高磨損特性。該涂層可以被表面磨光至期望的光潔度。
[0028]內腔38占柱塞主體36的大部分體積。例如，內腔38可以占柱塞主體36的體積的30%至60%。與由相同材料和大小制成的實心柱塞相比，帶內腔38的柱塞28將具有大幅減輕的重量。
[0029]在一個實施例中，內嵌件44被布置在內腔38內部以增加柱塞28的剛度并且防止柱塞28在負載下的直徑方向偏轉。也就是，內嵌件44和柱塞主體36的組合剛度大于柱塞主體36單獨的剛度。在一個實施例中，內嵌件44的一個性質是，內嵌件44的形狀和大小使得在柱塞主體36的內表面46與內嵌件44的外表面48之間存在過盈配合。在表面46、48之間的過盈配合將會在柱塞泵的松馳狀態期間，諸如，在泵的吸入行程期間，將柱塞主體36置于張緊狀態。該張緊將充當預緊力，其將有助于部分地抵消在泵的排出行程期間遭遇的液壓力。內嵌件44的另一個性質可以是，內嵌件44的剛度可比得上，例如，近似等于，或高于柱塞主體36的剛度。剛度為主體的剛度的測量值并且為材料性質和幾何結構的函數。
[0030]在一個實施例中，內嵌件44的形狀與內腔38的形狀相同。例如，內嵌件44和內腔38兩者在形狀上都能夠是筒狀。在一個實施例中，內嵌件44的體積遠小于內腔38的體積。例如，內嵌件44的體積可以是內腔38的體積的30%至70%。內嵌件44的長度可以與內腔38的長度相同或可以比內腔38的長度短。內嵌件44可以是如所示的中空的或可以是實心的。一般而言，與相同材