У меня были проблемы с похожим поведением, но я не знаю, точно ли это то же самое.
При написании, компиляции и применении моего SoapExtension, в web.config и в моем веб-методе все кажется работающим корректно, но при доступе к моему веб-сервису мое расширение не использовалось. Я думаю, что только что понял это.
Похоже, что расширение не используется при отправке запросов к веб-службе через тестовые страницы (через браузер). Если вы, с другой стороны, добавляете веб-ссылку на консольное приложение, расширение вызывается.
Надеюсь, это ваша проблема, и мой ответ вам поможет.
Edit:
Просто прочитайте немного больше; Причина в том, что при использовании тестовых страниц протокол HTTP-POST используется для доступа к веб-методам, а протокол SOAP не задействован, ALAS SoapExtensions не вызывается.