Да, это понимаю что проблема не в nginx, php-fpm закрывает соединение.
По поводу логов, включил максимальное логирование в пуле, вплоть до notice
.....
;Resources
include=/usr/local/etc/nginx/pm.conf
;Log errors
catch_workers_output = yes
php_flag[display_errors] = on

;Base dirs
php_admin_value[error_reporting] = 8191
php_admin_value[error_log] = /var/log/www/domain.com/php-error.log
....

Но после 502 Bad Gateway, там кроме notice и warning ничего такого, обьясняющее ошибку не появилось. В php.ini стоят довольно высокие лимиты, поэтому не знаю что еще можно крутить там.
Проверил еще mysql лог, тоже не заметил ничего подозрительного. Единственное, что привлекло внимание, это лог php-fpm.log
там часто повторяется, вот эта строчка -
[23-Apr-2013 23:33:53] ERROR: unable to read what child say: Bad file descriptor (9