Никак не выходит эмулировать странное поведение проксирующего сервера. Закрадываются, подозрения, что в какой-то момент кэш не может обновиться, удалив более старые элементы, заменив их новыми. Почему ситуация не повторяется на других серверах – никак не возьму в толк. Как вариант, смотрю в сторону уменьшения inactive и увеличения значения keys_zone. Использовать вилы, вроде ежедневной очистки кэша, не очень хочется.