锅炉正常运行时，水冷壁管外壁受到高温火焰的辐射，而内壁被汽水混合物冷却。汽水混合物的温度就是汽包压力下的饱和温度。20钢的导热系数较大，λ=46W/（m2.℃），水冷壁管厚一般不大于6mm，管壁热阻不大。但由于水冷壁管在高温火焰的强烈辐射下，热负荷很高，靠近火焰中心的水冷壁管热负荷更高，因此水冷壁管内外壁温差可达60~80℃。在此情况下，外壁温度高，企图膨胀，内壁温度低，必然阻止外壁膨胀，外壁承受压缩应力，而内壁承受拉伸应力，这样在水冷壁管内产生了热应力。

水冷壁管壁内外温差与壁厚成正比，壁厚越厚，内外温差越大，热应力也越大。所以，水冷壁管壁壁厚一般不超过6mm。当压力变高时，尽量不采用增加壁厚的方法，而采用使用强度更高的材料制造水冷壁管。例如，锅炉工作压力10Mpa以下时，水冷壁管通常采用20钢；当锅炉工作压力超过15Mpa时，水冷壁可以采用15MnV或15CrMo等低合金钢。

需要注意的是，如果水冷壁管内壁结垢，由于水垢的导热系数比钢小得多，使得管外壁温度明显升高。管壁的热阻比水垢小的多，因此管内壁的温度也随之升高。结果是水冷壁管的整体温度提高，但管内外壁温度差反而因传热量的减少而降低。