炭黑价格低廉，并可赋予胶料良好的耐磨和补强性能，其作为补强填充剂广泛的应用于橡胶工业，是一种重要的化工原料。炭黑工业作为高能耗产业，面临着如何有效提高能源利用率，从而进一步降低经济成本和增强产业竞争力的艰巨任务。为使炭黑烟气的物理热得到有效利用并有效防止设备酸雾腐蚀，在设备中设置炭黑急冷器用以代替急冷水成为关键。炭黑反应的温度一般在1300～1500℃，但冷却水却不足200℃，在此种工况下，此急冷器物料间有着非常大的温差，管束与壳体将会有非常大的热膨胀差，急冷器内部构件将产生非常大的热应力。工作内压载荷造成的轴向应力与热应力叠加后可能非常大，若总的应力超过材料的许用应力范围，将导致设备失效。因此，急冷器结构热应力问题是优化设计的关键问题之一。　　为了应对设备中存在的热膨胀差，急冷器中采用了波纹管、椭圆形薄管板等挠性部件。本课题是本研究室研究成果的基础上，对炭黑急冷器的热补偿装置中波纹管部分进行分析与优化，使波纹管的位移补偿量最大化，减小温差应力，从而进一步完善现有的炭黑急冷器，保证其安全运行并拥有更好的性能。　　波纹管需承受4MPa的内压载荷以及48.8mm的位移载荷，鉴于Ω形波纹管易于制造，适用于大直径的条件，耐压能力大大强于U形波纹管，设备中采用Ω形波纹管。本文根据GB12777-2008等相关标准，运用软件Pro/e、ANSYS并结合MATLAB，以急冷器中波纹管膨胀节为研究对象对其进行波形改进以及优化分析，研究成果表明:　　(1)考虑到U形波纹管承压能力不强，为应对4MPa的内压载荷，选用Ω形波纹管。并验证在相同结构参数下，Ω形波纹管的承压能力比U形波纹管更强;　　(2)Ω形波纹管的耐压强度随壁厚的增加而增强，但是位移补偿能力随壁厚的增加而减弱，且厚度影响显著;Ω形波纹管的耐压强度随波形平均半径的增加而减小，但是位移补偿能力随波形平均半径的增加而增加;Ω形波纹管Ω形波纹管的的波中心直径对波纹管的耐压强度以及轴向补偿能力没有明显影响;Ω形波纹管的耐压强度随波纹管的过渡圆角半径的增加而增强，但是位移补偿能力随过渡圆角的增加而减弱。　　(3)优化后的Ω形波纹管壁厚由8mm减小为1.6mm、加强圈厚度由90mm减小为40mm，内压和位移载荷同时作用下应力最大值比优化前的U形波纹管减小112.44MPa，比优化前的Ω形波纹管应力最大值减小了65.354MPa。　　本研究结合国内外先进技术，设计并优化大直径高压波纹管膨胀节结构，最大限度地补偿了炭黑急冷器本体由于高温差所产生的热应力，优化设计后的Ω形波纹管经济性更好，且拥有更好的位移补偿能力，在内压载荷与位移载荷同时作用下应力更小。本研究不仅解决了工程实际难题，也为Ω形波纹管的优化设计提供了一定的指导意义。