微妙に違う上に海防艦ではありませんが、
紅海でイタリア潜水艦トリチェリーとイギリス駆逐艦カルトゥームが交戦した際には、
トリチェリーは沈没したもののカルトゥームもトリチェリーの砲撃で被弾し、艦内爆発が発生したのち擱座放棄される、と言う事例がありました

この時の詳細な状況が分からないので何とも言えませんが、撃ち負けることもあるのではないでしょうか？
(海防艦側が接近に気がつかなかった時等)
笠戸

昭和19年10月30日、海防艦22号と米潜サーモンが砲撃を交わしました。
有名な、このことではないでしょうか。
種子島東方での米潜群と船団間の戦いです。海防艦29号の爆雷攻撃により浮上を余儀なくされたサーモンと発見した海防艦22号との撃ち合いです。しかし、両艦ともに沈んではいません。
海防艦33号の加勢があっても逃げおおせた米潜・・・　うーん。
どうしてでしょう。
四式射撃装置

これまた海防艦ではありませんが、敷設艦（急設網艦）白鷹とシーライオン（SS-315)との間で砲戦が交わされ、白鷹が撃ち負けて大破し、雷撃で止めを刺されたという例があります。
まなかじ

これまた海防艦の話でなくて申し訳ないのですけど。

1943年11月1日、北大西洋上でハンターキラーグループの一部であった米駆ボリー(DD215．クレムソン級)が
護衛空母カードと共同してＵ４０５を追い詰めたものの、そのまま近接砲戦となり
最終的に押し切ってＵ４０５は沈めたものの、自艦も損傷甚大のために翌日浸水沈没しています。
(その前に乗員は僚艦への移乗を済ませていますので、救助の価値なし、放棄の判断がされたものと)
もう一件

上の書き込みは私です。あいや申し訳無し‥
烈風天駆

　ＮＨＫの番組は、ちょっと極端な例を挙げているようですね。
　ガトー級潜水艦の備砲が12.7ｃｍ砲1門〜2門であるのに対し、
択捉型海防艦の備砲が12.7ｃｍ砲3門というデータがありましたので、
海防艦が撃ち負けるとは信じ難いものがありました。
　ご回答有難うございました。
けら

海防艦でなく哨戒艇に対する敵潜の浮上攻撃は聞いています。吃水が浅く魚雷攻撃
が無理だからだと思います。ＨＰ７−２参照。　http://www.warbirds.jp/senri/
蒼空