鍋爐正常運行時，水冷壁管外壁受到高溫火焰的輻射，而內壁被汽水混合物冷卻。汽水混合物的溫度就是汽包壓力下的飽和溫度。20鋼的導熱系數較大，λ=46W/（m2.℃），水冷壁管厚一般不大于6mm，管壁熱阻不大。但由于水冷壁管在高溫火焰的強烈輻射下，熱負荷很高，靠近火焰中心的水冷壁管熱負荷更高，因此水冷壁管內外壁溫差可達60~80℃。在此情況下，外壁溫度高，企圖膨脹，內壁溫度低，必然阻止外壁膨脹，外壁承受壓縮應力，而內壁承受拉伸應力，這樣在水冷壁管內產生了熱應力。

水冷壁管壁內外溫差與壁厚成正比，壁厚越厚，內外溫差越大，熱應力也越大。所以，水冷壁管壁壁厚一般不超過6mm。當壓力變高時，盡量不采用增加壁厚的方法，而采用使用強度更高的材料制造水冷壁管。例如，鍋爐工作壓力10Mpa以下時，水冷壁管通常采用20鋼；當鍋爐工作壓力超過15Mpa時，水冷壁可以采用15MnV或15CrMo等低合金鋼。

需要注意的是，如果水冷壁管內壁結垢，由于水垢的導熱系數比鋼小得多，使得管外壁溫度明顯升高。管壁的熱阻比水垢小的多，因此管內壁的溫度也隨之升高。結果是水冷壁管的整體溫度提高，但管內外壁溫度差反而因傳熱量的減少而降低。