为了适应非常规油气藏的高开采难度以及提高现有油气井的产量,国内正在研发能够承受高压、超低温、大排量的具有自主知识产权的液氮泵产品。液氮泵是液氮泵车的关键部件,属于特种作业设备,具有高压和低温的特点,其液力端需要具有特殊结构以适应液氮这种特殊介质的需要,并且其制作材料必须要满足在超低温条件下具有足够的强度和韧性,以及在长期交变应力的作用下要具有足够的寿命,这样才能保证现场施工时能够满足使用要求,降低开采成本,提高经济效益。本文在广泛调研国内外液氮泵、压裂泵相关资料的基础上,结合我国液氮泵车使用特点以及非常规油气开采作业技术要求,采用理论分析与实验研究结合的方法开展了液氮泵的液力端结构及材料研究,主要包括如下几个方面：(1)分析了普通压裂泵液力端的结构特点,研究液氮泵送过程的特征与普通压裂液泵送的异同之处,在现有压裂泵液力端的基础上设计了一种满足液氮泵送的液力端结构,并对相关零部件进行了设计计算及强度校核。(2)选择了液力端用低温材料,并开展了材料的热处理工艺研究,制定了淬火+回火(QT)和双相区热处理(QLT)两种热处理工艺,完成了材料热处理后的金相观察,分析了材料的金相组成特点。(3)完成9Ni钢热压缩模拟实验,利用果蝇算法(FOA)优化最小二乘支持向量机(LSSVM)参数,建立了9Ni钢本构模型,为9Ni钢的热塑性加工过程提供参考。(4)完成9Ni钢低温示波冲击实验与拉伸实验,并利用扫描电镜对冲击实验与拉伸实验试样断口进行观察,分析低温下材料的裂纹扩展和断裂机理,选择出低温韧性较好强度满足要求的热处理工艺。(5)基于上述实验结果,完成QLT热处理下9Ni钢疲劳实验,运用最小二乘法拟合得到材料Basquin方程,绘制了50%、90%以及99%可靠度下的9Ni钢材料疲劳寿命(S-N)曲线,并利用Goodman法修正材料S-N曲线获得零件的S-N曲线；利用扫描电镜观察疲劳试样断口,分析断口组成特征以及材料疲劳断裂机理。(6)利用实验所得疲劳数据,采用MSC.Fatigue软件对所设计的液氮泵液力端内缸套、阀座进行疲劳寿命预测,得到它们的疲劳寿命分布特征,找到它们容易疲劳损伤的部位；并开展了吸入压力对上述零部件应力及疲劳寿命的影响规律分析。本文对液氮泵液力端结构的研究为高压液氮泵液力端的设计制造提供了依据；对液力端制造材料的研究,为液力端主要零部件疲劳寿命预测提供了简单可行的方法。本文的研究成果与现实结合后对现场生产、制造以及现场施工作业都具有一定的指导意义。