与浅海相比, 深海环境中静水压力﹑温度、盐度、溶解氧浓度和pH值等因素随着海水深度的变化而发生变化, 这些因素对碳钢与低合金钢腐蚀行为的影响机制错综复杂, 也必然导致其在深海环境条件下的腐蚀行为与浅海存在显著差异[7, 15]。印度国家海洋技术研究所Venkatesan等[16]用实海挂片方法研究了碳钢在印度洋500、1200、3500、5100 m深度的腐蚀行为, 结果表明, 深海环境中氧浓度是影响均匀腐蚀过程的主要因素, 中碳钢在深海中的腐蚀速度随溶解氧浓度的降低而减小。美国怀尼米港海军建造营中心的土木工程实验室曾在1962—1970年期间, 在太平洋开展大规模海水环境试验, 结果表明, 碳钢与低合金钢在1828 m深海的腐蚀速度是在表层海水中的33%左右, 762 m深处的腐蚀速度也比1828 m低, 钢暴露1年的平均腐蚀速度与氧浓度成直线关系[1]。实海试验结果反映了溶解氧浓度在碳钢和低合金钢深海腐蚀进程的关键作用, 但也有学者指出, 深海高静水压力的作用也不容忽视。比如, 中船重工七二五所研究人员[13]和中国科学院金属研究所的孙海静等[17]通过室内模拟试验研究了深海静水压对低合金钢腐蚀行为的影响, 发现高静水压不甚影响其阴极过程, 但能够提高Cl-活性, 加快阳极溶解速度。Yang等[18]也进行了Ni-Cr-Mo-V钢的深海腐蚀行为研究, 认为高静水压能够降低其耐蚀性, 通过加速点蚀萌生速度, 降低点蚀生长速度, 使腐蚀表面形态趋于均匀。
铝合金在海洋环境中能够发生钝化, 腐蚀质量损失数值较小, 但通过腐蚀质量损失的大小仍可以初步评价铝合金在各种海水环境中耐蚀性能。Venkatesan[15]研究了1060铝合金在印度洋海域不同深度暴露168天后腐蚀情况, 发现随深度增加 (500～5100 m) , 其腐蚀速率逐渐增大。此外, 2000系铝合金在太平洋和印度洋不同深度海水环境中的腐蚀速率也呈现类似规律[19]。仅依据现有的数据不能说明深海中铝合金的腐蚀速率随着深度的增加而线性增大, 其中存在不少反常情况, 因此铝合金深海腐蚀评价还要结合点蚀、缝隙腐蚀等其他数据[1]。
铝合金海洋腐蚀形式以点蚀和缝隙腐蚀为主, 高强度铝合金在应用过程中还存在应力腐蚀问题。印度深海暴露结果表明, 铝镁合金在各种深度下比纯铝或铝铜合金的腐蚀率更低。Al-1100在深海环境下产生了点蚀, 且在5100 m点蚀最严重, 铝镁合金表现为均匀腐蚀及少量稀疏的点蚀, 铝及铝-镁-硅合金Al-6061-T6在深海暴露后表面表现为泥裂特征[3, 16]。特别的是, 5000系和6000系铝合金在浅海具有很好的耐蚀性, 但在深海中点蚀和缝隙腐蚀敏感性却增加[20]。Beccaria等[21]认为局部腐蚀加重的原因是由于压力的增加引起离子半径和金属离子水解程度的变化, 改变了金属离子活性以及金属配合物的组成, 导致铝的化合物具有更高的反应常数。Boyd等[22]和Reinhart[23]则分别调查了铝镁合金在太平洋表层海水和深海中的腐蚀行为, 发现深海环境下5000系列铝镁合金点蚀速率加快, 在700 m深海水环境下点蚀速率最大, 为表层海水的3倍, 而在1700 m深处则降为2倍, 并认为影响5000系列铝镁合金点蚀的主要因素是氧含量。深海中不同系列铝合金应力腐蚀的研究表明, 在屈服强度为50%和75%的应力条件下, 760 m深海中暴露402天后, 除7000系外, 其他系列铝合金均无应力腐蚀敏感性, 7000系铝合金中7075、7079、7178存在应力腐蚀开裂现象[1, 19]。
铜合金在深海环境下仍以均匀腐蚀为主[16, 24], 基于质量损失计算的腐蚀速度能可靠地应用于结构设计, 但这并不适用于脱成分腐蚀敏感的铜基合金。已有实海挂片试验结果显示, 不同深度海水中, 除含砷海军黄铜、铝黄铜、镍黄铜、铝青铜以及硅青铜外, 所有含10%～42%锌的黄铜都出现脱成分腐蚀。有研究指出, 深海中铜合金比在表层海水中腐蚀更缓慢, 但这种倾向不明显, 除紫铜和硅青铜外, 其他铜合金的腐蚀速度随氧浓度的增加而增加[1]。Sawant等[12]研究了铜、黄铜及铜镍合金在阿拉伯海和孟加拉海湾浅海、1000～2900 m深处暴露1年的腐蚀行为, 发现除了黄铜的腐蚀速度与深度没有关系外, 其他材料在2900 m深处比在1000 m和浅海环境下的腐蚀速度更低。同时, 文中也指出了铜合金腐蚀速率受到溶解氧含量的控制。北京科技大学李晓刚课题组借助中国船舶重工集团公司第七二五研究所环试平台在中国南海海域开展了500 m和1200 m级实海暴露实验[14], 研究了H62黄铜、QAl9-2铝青铜、QSn6.5-0.1锡青铜在深海暴露3年的腐蚀行为。结果表明, 随着水深的增加, H62黄铜的腐蚀速率呈线性降低, QAl9-2铝青铜和QSn6.5-0.1锡青铜的腐蚀速率随水深的增加先降低后升高, 腐蚀速率的最小值出现在水深800～1200 m之间, 腐蚀速率的大小依次为:H62黄铜>QSn6.5-0.1锡青铜>QAl9-2铝青铜。由此可知, 国内外相关领域的研究结果呈现较好的一致性, 铜合金深海腐蚀规律相对单一, 且已有数据表明, 任何一种铜合金均对应力腐蚀不敏感[1], 所有这些均为深海环境下铜合金的选材和应用提供了数据基础和指导。
对不锈钢来说, 随着海水深度的增加, 其腐蚀速率一般呈减小趋势, 且数值相差不大[25]。印度洋海域深海不锈钢挂片试验表明, 500、1200、3500、5100 m深度条件下不锈钢仍能形成致密钝化膜, 暴露168天后的腐蚀速率接近0[15]。Reinhart[26]则研究了1000、1500、2000 m的海水深度对AISI 300和400系列不锈钢腐蚀的影响, 得到类似结果。
不锈钢在海水中多发生局部腐蚀, 其在深海环境下同样可能发生点蚀、缝隙腐蚀乃至隧道腐蚀。301不锈钢在太平洋海域1615 m深处暴露1064天后, 隧道腐蚀几乎横过整个试样, 但AISI304在5300 m深度暴露相同时间, 则未发生隧道腐蚀。由此可知, 不同材质的不锈钢在深海条件下发生缝隙腐蚀的几率是不一致的[26]。
在深海条件下, 不锈钢构件承受很大的静压力, 应力腐蚀敏感性升高, 力学性能劣化, 威胁深海结构物/装备的服役安全。已有研究表明, AISI405与焊接并敏化处理的AISI316不锈钢分别在1830 m和762 m处暴露近400天后, 抗拉强度、屈服强度和伸长率出现严重下降;15-7AMV、RH1150和RH950在1719 m的深海下暴露751天发生应力腐蚀开裂;AISI201和AISI300系列不锈钢在不同深海条件下, 力学性能并未受到不良影响[27]。这进一步反映了不锈钢深海局部腐蚀敏感性与材质密切相关。整体上, 从几种腐蚀的出现率和严重程度而言, AISI300系不锈钢优于AISI400系不锈钢和沉淀硬化不锈钢[1]。
钛合金在海水环境中具有优异的抗腐蚀和抗点蚀性能, 深海条件下基本不发生腐蚀[16, 24]。美国土木工程实验室研究了钛合金深海应力腐蚀敏感性, 结果显示, 除了对焊接的13V-11Cr-3Al合金外, 当对其他任何未焊接的和焊接的合金施加数值等于屈服强度的75%的应力, 并在表层海水暴露180天、在762 m深处暴露402天和在1828 m深处暴露1751天时, 均未发生应力腐蚀开裂破坏[1]。
